FENOMENA AURORA
Fenomena Aurora*)
Ressy Laksmita
**)
ABSTRAK
Banyak hukum, prinsip, dan teori
fisika yang bisa mengungkapkan kejadian-kejadian yang ada disekitar kita. Fenomena aurora menjadi topik pembahasan yang manarik karena
warna-warna yang dihasilkan sangat indah dan beragam warna yang tercipta.
Masyarakat di seluruh dunia mengetahui bahwa aurora hanya tampak pada kutub
utara dan kutub selatan bumi saja. Penampakan aurora pada kutub-kutub bumi ini
sangatlah indah dengan warna-warna yang menakjubkan. Fenomena unik yang
seringkali terjadi pada langit malam yang gelap tiba-tiba menjadi terang
benderang di belahan bumi utara terutama Alaska dianggap sebagian orang sebagai
peristiwa yang mengandung unsur-unsur kepercayaan kuno. Namun yang harus
dipahami dari fenomena ini adalah fenomena pancaran cahaya yang menyala-nyala
pada lapisan ionosfer dari sebuah planet sebagai akibat adanya interaksi antara
medan magnetik yang dimiliki planet tersebut dengan partikel bermuatan yang
dipancarkan oleh matahari (angin matahari).
Kata kunci : Fenomena Aurora, konsep fisika
PENDAHULUAN
|
*) Diseminarkan
pada mata kuliah Seminar Fisika pada tanggal 08 Juni 2017
**)
Mahasiswa Pendidikan Fisika NIM 06111181320024
|
yang terjadi karena adanya pembelokan arah angin
matahari oleh medan magnet bumi ke daerah kutub dan terjadi reaksi dengan
partikel molekul di atmosfer. Warna-warna yang dihasilkan disebabkan oleh
benturan partikel dan molekul atau atom yang berbeda.
Secara umum terdapat dua jenis gas
utama penyusun lapisan atmosfer bumi yang paling mempengaruhi pembentukan
cahaya aurora seperti oksigen dan nitrogen. Gas oksigen akan menghasilkan warna utama
aurora yakni hijau dan kuning yang paling sering muncul dengan panjang
gelombang 557 nanometer, dan warna merah dengan panjang gelombang 630 nanometer
namun frekuensi kemunculannya sangat jarang. Gas nitrogen akan menghasilkan
warna biru muda dan pada konsentrasi normal akan menyebabkan warna aurora
menjadi merah keunguan.
Menurut Albert Einstein (Duran, 2015) sang legenda ilmu
fisika pernah membuktikan bahwa segala bentuk energi di alam semesta adalah
bersifat konstan. Artinya, energi tidak bisa diciptakan atau dihancurkan.
Fisika yang berhubungan dengan materi dan energi, dengan hukum-hukum yang
mengatur gerakan partikel dan gelombang, dengan interaksi antar partikel, dan
dengan sifat-sifat molekul, atom dan inti atom, dan dengan sistem-sistem
berskala lebih besar seperti gas, zat cair, dan zat padat. Beberapa orang
menganggap fisika sebagai sains atau ilmu pengetahuan paling fundamental karena
merupakan dasar dari semua bidang sains yang lain (Tipler, 1998: 1).
Di bumi aurora terjadi di daerah
sekitar kutub utara dan kutub selatan magnetiknya. Hal ini terjadi karena adanya
peranan medan magnet yang besar pada daerah poros magnetik planet bumi. Fenomena
aurora ini terkait dengan selubung medan magnet atau manetosfer bumi dan
aktivitas kemunculan bahaya dari matahari. Rasa kagum terhadap keindahan aurora
bukan tanpa alasan, kemilau cahaya berwarna warni berpedar di cakrawala
sehingga membuat wilayah kutub yang gelap menjadi layaknya fajar.
TINJAUAN
PUSTAKA
Proses Terjadinya Aurora
Aurora adalah fenomena alam yang menyerupai pancaran cahaya yang
menyala-nyala pada lapisan ionosfer dari sebuah planet sebagai akibat adanya
interaksi antara medan magnetik yang dimiliki planet tersebut dengan partikel
bermuatan yang dipancarkan oleh matahari atau angin surya, (www.wikipedia.com). Angin
matahari adalah aliran elektron dan proton yang terlepas dari matahari akibat
tingginya energi kinetik yang dimiliki kedua partikel serta suhu matahari. Cahaya yang tecipta di udara yang disebabkan oleh
atom-atom dan molekul yang bertumbukan dengan partikel yang bermuatan, terutama
electron dan proton yang berasal dari matahari. Partikel-partikel itu terlempar
dari matahari dengan kecepatan lebih dari 500 mil/detik dan terhisap oleh medan
magnet bumi di sekitar kutub utara dan kutub selatan.
Aliran partikel-partikel angin matahari ini terperangkap di medan
magnetik bumi, beberapa dari partikel-partikel ini mengarah ke kutub bumi
dengan kecepatan yang terus bertambah. Benturan antara partikel-partikel ini
dan atom-atom yang terdapat dalam atmosfer bumi melepaskan energi yang
menyebabkan terbentuknya aurora dikutub bumi yang Nampak seperti lingkaran
besar yang mengelilingi kutub. Oleh karena itu, aurora lebih sering muncul dan
bersinar lebih terang ketika matahari sedang aktif-aktifnya mengelurkan Corona Mass Ejection yang menyebabkan
meningkatnya intensitas dari angin matahari. Energi yang dilepaskan pada saat
partikel tersebut bertumbukan dapat dilihat secara visual melalui warna cahaya
yang berbeda-beda. Warna yang terlihat tergantung pada ketinggian dan jenis
molekul yang bereaksi dengan proton dan elektron.
Atmosfer bumi adalah
campuran gas yang secara kimia-fisika relatif homogen pada setiap stratanya,
yang membungkus permukaan bumi, dan tetap bertahan karena gravitasi bumi, (Hermana dan Assomadi). Dibandingkan
dengan diameter bumi (sekitar 12.000 km), atmosfer merupakan lapisan tipis
(ketebalan 200-500 km) larutan udara sangat mudah dikompresi maupun diekspansi,
dan mengelilingi bumi. Karena pengaruh gravitasi bumi, maka sebagian besar
gas-gas penyusun atmosfer terkompresi di bagian bawah dekat permukaan bumi.
Makin jauh jarak dari permukaan bumi, maka makin renggang struktur gas-gas
penyusun atmosfer, sehingga densitas dan tekanan udara akan semakin rendah.
Pada ketinggian di atas 300 km partikel angin matahari akan bertumbukan
dengan atom-atom hidrogen sehingga terbentuk warna aurora kemerah-merahan.
Semakin turun, yakni pada ketinggian 140 km partikel angin matahari
berinteraksi dengan atom oksigen yang membentuk cahaya aurora berwarna biru
atau ungu. Sementara itu pada ketinggian 100 km proton dan elektron bersinggungan dengan atom oksigen dan nitrogen
sehingga aurora tervisualisasikan dengan warna hijau dan merah muda. Terdapat
tujuh proses terjadinya aurora di kutub sebagai berikut:
1.
Adanya daerah dengan medan magnetik
tinggi di suatu planet, dalam hal ini terdapat di sekitar wilayah kutub utara
dan selatan bumi.
2.
Terdapat angin Matahari yang
merupakan suatu aliran bermuatan yang terpancar dari Korona atau bagian terluar
dari bagian matahari. Angin surya ini di penuhi
dengan proton yang mampu terlepas karena adanya bagian yang sangat panas pada
Matahari yang dikenal dengan nama Sunspot. Bintik Matahari adalah nama lain
dari Sunspot yang terbentuk karena adanya aliran konveksi dari pusat Matahari
tempat terjadinya reaksi termonuklir dan mengalir menuju permukaan korona.
3.
Tingginya intensitas aliran
konveksi tersebut menyebabkan munculnya bagian lebih gelap dan bersuhu lebih
dingin sehingga pada bagian sekitar area gelap itu suhunya meningkat. Tekanan
arus yang terjadi terus menerus membuat Sunspot jebol sehingga terbentuk flare
atau lidah api dan melepaskan partikel bermuatan yang dikenal dengan angin surya
atau jika ukurannya besar dapat menjadi badai matahari.
4.
Matahari memiliki siklus dimana
jumlah bintik pada permukaannya semakin banyak dan hal itu rata-rata terjadi
setiap sebelas tahun. Pada kondisi ini jumlah partikel bermuatan yang
dilepaskan semakin besar sehingga dapat memicu terjadinya badai matahari yang
akan mempengaruhi aktivitas manusia di bumi seperti terganggunya sinyal satelit
dan telekomunikasi serta jaringan listrik.
5.
Kecepatan lontaran angin
matahari yang berbentuk plasma itu berkisar antara 20 km/detik hingga 2000 km
perdetik namun kecepatan rata-rata berada pada angka 350 km/detik. Sehingga
perlu waktu 1 hingga 3 hari untuk mencapai bumi. Energi yang dilepaskan dari
semburan korona itu sangatlah besar yaitu
Joule untuk sekali lontaran.
6.
Setelah energi bermuatan dari
matahari tersebut sampai ke bumi lantas langsung berinteraksi dengan
partikel-partikel atmosfer bumi, kemudian saat mendekati pusat magnetik yang
berada di wilayah kutub sehingga terjadi eksitasi-relaksasi dari elektron dan
menyebabkan terbentuknya pedaran warna yang indah yang dikenal dengan aurora.
7.
Aurora dapat menjadi indikator
yang mengukur intensitas angin matahari yang mana jika aurora muncul lebih lama
dan bercahaya lebih terang dari biasanya itu artinya semakin kuat gangguan
energi dari matahari dan hal ini sering terjadi ketika aktifikas matahari
berada pada puncaknya yang terjadi setiap 11 tahun sekali. Selain itu terdapat
juga gangguan lanjutan pada medan kutub bumi, yang sering disebut Badai Magnet
(Magnetic Strom), sehingga bisa memicu perubahan medan magnet secara mendadak.
Medan magnet bumi yang
tiba-tiba berubah itu menyebabkan jumlah partikel pada unsur-unsur
geosfer seperti lapisan ionosfer meningkat drastis, selain itu aurora juga
bisa terbentuk oval dan simetris apabila terjadi fenomena lanjutan pada
magnetosfer bumi, kejadian ini sering disebut dengan Magnetic Sub Strom. Sebenarnya banyak ilmuwan yang sudah menduga
fenomena tersebut sejak lama, namun baru bisa dibuktikan kebenaran teori ini
pada tahun 2001 melalui serangkaian penelitian dan pengamatan yang dilakukan
Badan Antariksa Nasional Amerika Serikat (NASA).
Jenis
Aurora
Aurora muncul dalam berbagai bentuk yang
berbeda-beda, begitupun dengan penampakannya yang berubah-ubah. Tahap yang
paling indah untuk melihat aurora terjadi pada tengah malam. Aurora juga
membentuk pita-pita cahaya dengan berbagai warna, biasanya berwarna hijau,
kuning, biru, atau merah tua. Warna-warna yang dihasilkan disebabkan benturan
partikel dan molekul atau atom yang berbeda. Warna yang terlihat bergantung
pada ketinggian dan jenis molekul yang ada di atmosfer. Elektron berenergi tinggi
dan proton bergerak menuju ke bawah menuju medan magnet bumi dan bertumbukan di
atmosfer yang kebanyakan mengandung atom-atom oksigen dan nitrogen. Hasil dari
tumbukan tersebut atom-atom dan molekul-molekul yang ada di atmosfer
tereksitasi ke ketinggian energy yang lebih tinggi. Warna-warna yang kita lihat
tergantung pada pada gas di atmosfer yang bertumbukan dengan partikel bermuatan
yang dibawa oleh angina matahari.
Aurora terjadi di daerah di sekitar Kutub
Utara dan Kutub Selatan. Daerah kutub memiliki medan magnetik yang cukup kuat
sehingga dapat memunculkan aurora. Aurora yang terjadi di daerah sebelah Utara
dikenal dengan nama Aurora Borealis, yang dinamai bersempena Dewi Fajar Rom
Aurora, dan nama Yunani untuk angin Utara, Boreas. Ini karena di Eropa ia kerap
dilihat kemerah-merahan di ufuk utara seolah-olah matahari akan terbit dari
arah tersebut. Aurora Boreialis selalu terjadi di antara bulan September,
Oktober, Maret dan April. Aurora di sebelah Selatan dikenal dengan nama Aurora
Australis. Berikut penjelasan aurora Borealis dan aurora Australis.
1.
Aurora Borealis
Gambar 1. Aurora Borealis (Sumber: stuffpoint.com)
Aurora ini juga sering disebut cahaya utara. Nama Borealis
sendiri berasal dari Boreas yang merupakan bahasa Yunani untuk angin utara.
Secara keseluruhan, hampir tidak ada bedanya dengan Aurora Australis. Perbedaan
hanya terletak pada lokasi terjadinya Aurora. Aurora Borealis hanya dapat
dilihat pada wilayah Lingkaran Arktik, disebelah utara Kanada, Alaska, Rusia,
dan Skandinavia.
Pada belahan bumi bagian utara, Aurora Borealis seringkali
terlihat dengan warna kemerahan. Aurora Borealis biasanya terlihat pada waktu
tertentu antara bulan September dan Oktober, dan juga antara bulan Maret
dan April.
2. Aurora
Australis
Gambar
2.
Aurora Australis (Sumber:
auroraaustralistasmania.org)
Aurora ini hanya terlihat di kutub selatan, sehingga sering
pula disebut cahaya selatan. Aurora ini terlihat di tempat yang sangat tinggi,
namun bila dilihat dari kejauhan akan tampak seperti berada di garis cakrawala.
Cahaya di Aurora Australis ini biasanya berwana hijau,
terkadang kemerahan atau merah pudar seolah-olah matahari sedang terbit. Pada
pendaran cahaya tersebut, terkadang tampak adanya garis-garis cahaya medan
magnet, nyaris terrlihat seperti tirai cahaya raksasa yang indah. Aurora yang indah ini bisa dilihat
dari beberapa tempat, khususnya bagian selatan bumi. Wilayah-wilayah yang bisa
menikmati Aurora ini adalah Antartika, Amerika Selatan, New Zealand, dan
Australia. Aurora autralis paling jarang terlihat karena aurora
ini biasanya justru terlihat terang di daerah yang jarang penduduknya. Aurora
australis biasanya sering terlihat di Australia pada siklus 11 tahun aktivitas
titik matahari. Titik-titik matahari maksimum berlangsung pada tahun 2000.
Aurora di
Planet Mars dan Planet Saturnus
Kemunculan aurora-aurora di Mars sepanjang tahun berhasil
direkam wahana Mars Express milik badan antariksa Eropa yang kini mengorbit
planet tersebut. Tim peneliti dari Perancis berhasil mengamati sembilan aurora
di atmosfer Mars dan menyusunnya dalam satu peta. Cahaya-cahaya tersebut tampak
dengan warna antara hijau hingga ungu. Seperti halnya aurora yang terbentuk di
atmosfer bumi, cahaya tersebut pada dasarnya ultraviolet yang terbentuk saat
partikel-partikel bermuatan listrik dari Matahari bereaksi karena pengaruh
medan magnet planet tersebut. Cahaya aurora pun terlihat di Planet Saturnus.
Wahana ruang angkasa Cassini berhasil merekam fenomena yang langka tersebut
saat melintas dekat planet raksasa tersebut. Cahaya aurora yang direkam oleh
Cassini terjadi di atas salah satu kutub Saturnus. Namun, aurora yang terjadi
di Saturnus mengejutkan para ilmuan di badan antariksa AS (NASA) karena sangat
luas. Aurora ini berbeda, aurora ini melingkupi wilayah yang sangat luas
sepanjang kutub. Rekaman inframerah yang dibuat Cassini menunjukkan aurora
tersebut mengalami perubahan yang konstan. Rata-rata muncul dengan periode selama
45 menit sebelum akhirnya hilang.
PEMBAHASAN
Hubungan Medan Magnet dengan
Fenomena Aurora
Medan magnet bumi merupakan salah
satu tanda kebesaran sang pencipta yang belum sepenuhnya terungkap dan
dijelaskan secara rinci. Medan magnet bumi bersumber dari dalam bumi dan medan
magnet ini berubah terhadap waktu. Dalam teori magnetohidrodinamik yang
dikemukakan oleh W.M. Elasasser dan E.C. Bullard, dinyatakan bahwa di dalam
inti bumi terdapat aliran fluida yang terionisasi sehingga menimbulkan aksi
dinamo oleh dirinya sendiri (Self-exiting
dynamo action) yang dapat menimbulkan medan magnet bumi. Pada geofisika, teori dinamo merupakan teori yang mengusulkan
mekanisme penghasilan medan magnet oleh Bumi, planet lain, atau bintang. Medan magnetik bumi disebut juga medan
geomagnetik yang berarti medan magnetik yang
menjangkau dari bagian dalam bumi hingga ke
batas di mana medan magnet bertemu angin matahari. Anton
Winarko dan Anwar Santoso (2016) menyatakan bahwa angin matahari (solar
wind) adalah partikel bermuatan yang sebagian besar terdiri dari proton dan
elektron bebas (plasma) dengan energi sekitar 1 keV, yang mengalir keluar dari
matahari ke segala arah.
Aurora
terjadi disebabkan oleh angin matahari, aliran plasma atau partikel atom
bermuatan listrik yang membawa medan magnet matahari dan berinteraksi dengan
medan magnet bumi. Aurora merupakan pancaran cahaya pada langit daerah lintang
tinggi, sebagai akibat atas pembelokan partikel angin matahari oleh magnetosfer
ke arah kutub, serta adanya reaksi dengan molekul-molekul atmosfer.
Kemagnetan
di bumi adalah kemunculan aurora di daerah kutub. Misalkan sebuah muatan dengan
kecepatan tertentu masuk ke dalam daerah yang mengandung medan magnet dengan
sudut yang tidak tegak lurus dengan medan magnet. Bentuk lintasan partikel
berubah menjadi spiral. Bumi memiliki medan magnet dengan
arah keluar dari kutub selatan (kutub utara geografi bumi) dan masuk di utara (kutub
selatan geografi bumi) . Hal ini dapat dilihat sistematis induksi magnetik,
yaitu:
|
Gambar 3: Kaidah
tangan kanan
|
Arah
induksi magnetik yang ditimbulkan oleh penghantar lurus berarus ditentukan
berdasarkan kaidah tangan kanan dengan penghantar lurus berarus dengan tangan
kanan sedemikian rupa sehingga ibu jari sebagai arah arus, maka arah lengkungan keempat jari lainnya menyatakan
arah induksi magnetik. Hal ini lah yang menjelaskan bila partikel bermuatan dari luar angkasa masuk
ke bumi dengan sudut tertentu, maka partikel tersebut akan bergerak dan
melintasi menuju ke arah kutub bumi. Selama bergerak dalam lintasan spiral,
partikel memiliki percepatan sehingga memancarkan gelombang elektromagnetik. Saat
mendekati kutub bumi, konsentrasi partikel besar dan gelombang elektromagnetik
sangat besar sehingga dapat diamati di langit kutub bumi.
|
Gambar 4: terbentuknya sunspot
Sumber: UIO Oslo university
|
Proses terjadinya angin matahari
dimulai dengan terbentuknya sunspot yang menciptakan medan magnet, karena
kekuatan sudah tak sanggup lagi menahan tekanan arus, maka ia akan ‘jebol’.
Jebol nya sunspot ini akan memuntahkan kandungan energi yang disalurkan sebagai
arus proton atau elektron.
Perjalanan angin matahari menuju
bumi, dapat ditempuh selama 18 jam hingga 2 hari perjalanan antariksa. Ketika
melewati Merkurius dan Venus, angin matahari akan langsung begitu saja menerpa
atmosfernya, sehingga planet tersebut mengalami peningkatan suhu yang luar
biasa akibat dari terpaan aliran proton dan elektron yang dibawanya. Namun
demikian, lain halnya ketika angin matahari itu menghantam bumi.
Bumi bagaikan magnet yang berukuran
sangat besar, dengan kutub-kutub magnetnya hampir berdekatan dengan kutub
geografis bumi. Sehingga bumi ini dilapisi oleh medan magnet (magnetosfer) yang
berbentuk sebuah perisai yang mirip dengan buah apel, dimana bumi berada pada
inti buahnya dan magnetosfer berada pada kulit buah apel. Magnetosfer ini
terdiri dari beberapa lapisan dengan lapisan terbawahnya dan sabuk radiasi van
allen yang berada di sekitar ekuator (khatulistuwa). Layaknya sebuah perisai,
magnetosfer dan sabuk van allen melindungi bumi dari terpaan partikel angin
matahari.
Gambar 5:Angin
matahari ditunjukkan pada garis kuning sedang medan magnet bumi ditunjukkan
pada garis biru.
Ketika angin matahari menerpa
magnetosfer, partikel-partikel angin matahari dibelokkan dan tertarik menuju
kutub medan magnet bumi. Semakin tinggi energi partikel, maka semakin dalam
lapisan magnetosfer yang berhasil ditembus olehnya. Aliran partikel yang
tertarik ke kutub medan magnet bumi akan bertumbukan dengan atom-atom yang ada
di atmosfer. Energi yang dilepaskan akibat reaksi dari proton dan elektron yang
bersinggungan dengan atom-atom di atmosfer, dapat dilihat secara visual melalui
pendar cahaya yang berwarna-warni di langit, atau yang kita kenal sebagai
Aurora. Di kutub utara bumi, aurora ini disebut sebagai aurora borealis, dan di
kutub selatan, disebut sebagai aurora australis.
Gambar 6: Interaksi
antara angin matahari dengan medan magnet bumi. Sebagian partikel-partikel
matahari tertarik menuju kutub.
Reaksi antara partikel angin
matahari dengan atmosfer bumi, menghasilkan berbagai macam warna pada aurora.
Perbedaan warna ini dipengaruhi oleh jenis atom yang berinteraksi dengan proton
dan elektron, mengingat pada ketinggian-ketinggian tertentu jenis atom penyusun
atmosfer tidaklah sama. Pada ketinggian di atas 300 km, partikel angin matahari
akan bertumbukan dengan atom-atom hidrogen sehingga terbentuk warna aurora
kemerah-merahan. Semakin turun, yakni pada ketinggian 140 km, partikel angin
matahari bereaksi dengan atom oksigen yang membentuk cahaya aurora berwarna
biru atau ungu. Sementara itu, pada ketinggian 100 km proton dan elektron
bersinggungan dengan atom oksigen dan nitrogen sehingga aurora
tervisualisasikan dengan warna hijau dan merah muda.
Gambar 7: Cahaya
Aurora yang berwarna warni mengandung arti ketinggian.
Ketika aktivitas matahari dalam
keadaan stabil, maka frekuensi terbentuknya aurora lebih sering pada
bulan-bulan ekuinoks (ekuinoks musim semi jatuh pada tanggal 23 Maret, dan
ekuinoks musim gugur adalah tanggal 21 September). Namun demikian ketika aktivitas
matahari sedang meningkat atau dengan kata lain intensitas angin matahari
tinggi, maka cahaya aurora pun akan terbentuk semakin terang.
PENUTUP
Dari pembahasan di atas, dapat disimpulkan beberapa hal,
yaitu sebagai berikut.
1.
Fenomena aurora berkaitan erat
dengan daya tarik medan magnet bumi yang tinggi, yang terjadi di kutub-kutub
bumi.
2.
Penampakan aurora terjadi tidak sama
antara satu tempat dengan daerah lainnya, hal ini karena dipengaruhi oleh
factor-faktor tertentu, seperti lokasi, cuaca, dan katinggian suatu tempat.
3.
Cahaya aurora dipengaruhi oleh dua
macam gas utama, yaitu gas oksigen dan ges nitrogen.
DAFTAR
PUSTAKA
Amazine. https://www.amazine.co/26123/fakta-aurora-australis-waktu-kemunculan-proses-terjadinya/, diakses pada
tanggal 18 Mei 2017.
Hermana dan
Assomadi.
Atmosfer Sains
dan Fenomena. Diakses
pada tanggal 17 Mei 2017.
Tipler,
P. A. (1998). Fisika untuk Sains dan
Teknik. Jakarta: Erlangga.
Wikipedia (2017). Aurora. Diakses pada tanggal 17 Mei
2017.
Winarko, A. dan
Anwar Santoso. 2016. Pengaruh
Orientasi Medan Magnet Antarplanet Pada Gangguan Geomagnet Di Lintang Rendah
(The Effect Of Interplanetary Magnetic Field Orientation On Low Latitude
Geomagnetic Disturbances). Jurnal Sains Dirgantara 13 (2): 73-86.
Komentar
Posting Komentar