Fisika Cahaya Utara

Aurora borealis biasanya hanya terlihat di bagian utara, namun selama 18 bulan terakhir, tirai cahaya merah muda dan hijau yang berkilauan memenuhi langit malam di sebagian besar Amerika Utara, terkadang menawarkan pemandangan yang memukau hingga ke selatan Texas dan Hawaii.

Pertunjukan cahaya yang meluas ini disebabkan oleh hal-hal khusus hembusan angin matahari yang kuat—Partikel bermuatan listrik keluar dari matahari dengan kecepatan luar biasa. Kekuatan badai matahari ini disebabkan oleh matahari yang mencapai puncak siklus mataharinya, suatu periode peningkatan badai matahari yang terjadi setiap 11 tahun. Meskipun puncak siklus ini baru saja berlalu, badai yang lebih kuat dari biasanya—dan aurora yang meluas secara tidak biasa—diperkirakan akan berlangsung hingga tahun 2026.

Ini adalah salah satu contoh dari apa yang para ilmuwan sebut sebagai “cuaca luar angkasayang berhubungan dengan interaksi antara matahari dan Bumi. Tidak semua konsekuensi cuaca luar angkasa itu indah, dan ada pula yang benar-benar berbahaya. Namun fisika di baliknya cukup keren. Mari kita periksa!

Meniup Angin

Anda mungkin menganggap matahari sebagai bola api yang besar—tetapi sebenarnya tidak. (Api adalah reaksi kimia antara oksigen dan karbon.) Matahari sebenarnya adalah reaktor fusi nuklir raksasa. Di dalam inti, proton-proton dihantamkan bersama-sama di bawah tekanan yang ekstrim. Proton-proton ini bersatu membentuk inti atom helium, dengan dua proton dan dua neutron. (Dua proton meluruh menjadi neutron).

Tapi tunggu! Inti helium memiliki massa lebih kecil dibandingkan empat proton yang kita gunakan untuk memulai. Massa tersebut tidak hilang—tetapi diubah menjadi energi, menurut persamaan Einstein yang terkenal E = mc²Di mana E adalah energi, M adalah massa, dan C adalah kecepatan cahaya. Angka terakhir ini sangat besar—cahaya bergerak dengan kecepatan 300.000 kilometer per detik, dan besarnya dikuadratkan—yang berarti kehilangan massa sekecil apa pun akan menghasilkan BANYAK energi. Itu sebabnya matahari sangat panas, dengan suhu inti 27 juta derajat Fahrenheit. Ya, itu cukup panas.

Di bawah panas yang ekstrem ini, gas-gas di bagian terluar matahari membentuk plasma di mana elektron-elektronnya terlepas dari atom-atomnya, sehingga muatan listrik bebas (kebanyakan elektron dan proton) membesar. Beberapa di antaranya bergerak cukup cepat untuk menghindari tarikan gravitasi matahari. Partikel yang terlontar inilah yang kita sebut “angin matahari”.

Anda bisa melihat efek angin matahari saat menabrak komet. Komet pada dasarnya adalah bola salju besar dan kotor yang mengorbit matahari dalam bentuk elips panjang. Saat seseorang mendekati matahari, tubuh esnya menyublim dan berubah menjadi gas. Beberapa dari gas ini memperoleh energi yang cukup untuk terionisasi (elektron dibebaskan dari atom), menghasilkan gas bermuatan listrik. Kemudian, ketika angin matahari menerpa, ia mendorong gas terionisasi tersebut menjauh, sehingga menciptakan ekor yang panjangnya bisa mencapai puluhan juta mil.

Fakta menarik: Anda mungkin mengira ekornya memanjang ke belakang komet seperti jet contrail, tapi ternyata tidak! Ia memanjang menjauhi Matahari—jadi pada dasarnya menyamping ke arah pergerakan komet.

Mengapa Sekarang?

Tapi apa yang menyebabkan angin matahari meningkat setiap 11 tahun? Sama seperti Bumi, Matahari juga mempunyai medan magnet, namun sangat tidak stabil. Karena matahari bukanlah benda padat, setiap bagiannya berputar dengan kecepatan berbeda. Hal ini menyebabkan medan magnetnya berputar dan melengkung, dan setiap 11 tahun atau lebih ia membalik dan membalikkan polaritasnya. Hal ini terakhir terjadi pada tahun 2013, dan di sinilah kita sekarang.

Garis-garis medan magnet yang bergerak ini dapat menembus permukaan, menciptakan bintik-bintik matahari dan geyser plasma yang dikenal sebagai jilatan api matahari. Mengapa ini terjadi? Ketika muatan listrik bergerak, muatan tersebut dapat didorong dan ditarik oleh medan magnet. Anda dapat melihatnya sendiri dengan kawat tembaga dan baterai. Jika Anda meletakkan kawat di dekat magnet yang diam dan kemudian menghubungkan ujung-ujungnya sehingga arus mengalir, kawat tersebut akan bergerak. Lihat ini:

Inilah yang terjadi pada puncak siklus matahari: Letusan medan magnet menarik elektron dan proton bebas tersebut keluar dari korona dan melemparkannya ke luar angkasa dengan kecepatan hingga 1,5 juta mil per jam. Ketika hal ini benar-benar terjadi, hal ini disebut lontaran massa koronal, dan itulah yang mendorong beberapa aurora yang sangat intens dalam beberapa tahun terakhir: Tiga lontaran massa berturut-turut terjadi pada bulan Mei 2024. badai matahari terkuat yang melanda bumi dalam beberapa dekade. Para ahli mengatakan, hasilnya mungkin merupakan penampakan aurora paling liar dalam 500 tahun terakhir.

Mengapa Langit Menyala?

Lantas pertanyaan terakhir, mengapa angin matahari membuat atmosfer bumi bersinar seperti itu? Ya, itu adalah hal yang sama yang membuat hal itu bersinar tanda neon di pub favoritmu.

Lampu neon adalah tabung kaca yang berisi neon atau gas lainnya. Ketika arus listrik dialirkan dari satu ujung ke ujung lainnya, elektron yang mengalir bertabrakan dengan elektron di neon, menaikkannya ke tingkat energi yang lebih tinggi. Ketika elektron-elektron tersebut menjadi tenang dan kembali ke keadaan dasar, mereka memancarkan cahaya. Warnanya bergantung pada perubahan energi tertentu, yang berarti bahwa gas yang berbeda, seperti argon, xenon, atau merkuri, menghasilkan warna yang berbeda.

Untuk cahaya utara, yang dimaksud bukanlah neon melainkan gas-gas di atmosfer. Oksigen mengeluarkan lampu hijau di dataran rendah dan merah di dataran tinggi. Nitrogen menghasilkan cahaya biru atau ungu. Warna kuning dan merah muda disebabkan oleh campuran gas dan biasanya hanya terjadi pada badai matahari terberat. Gas-gas ini tereksitasi oleh kombinasi muatan energi tinggi dari matahari dan medan magnet bumi yang berfluktuasi, yang memberikan dorongan ekstra pada partikel-partikel ini, sehingga menciptakan tumbukan yang lebih energik.

Tunggu, jadi medan magnet bumi juga berubah sekarang? Yap, dan hal ini disebabkan oleh angin matahari itu sendiri. Sama seperti muatan yang bergerak mengalami gaya dalam medan magnet, muatan tersebut juga menciptakan medan magnetnya sendiri. Ketika ada banjir partikel bermuatan yang menghujani kita, medan bumi menjadi bengkok dan terdistorsi. Hal ini menyebabkannya bergoyang dan menghasilkan pertunjukan cahaya yang mengesankan di langit.

Fakta menarik lainnya: Aurora juga hadir di siang hari, hanya saja Anda tidak bisa melihatnya.

Apa yang Tidak Disukai?

Sayangnya, cuaca luar angkasa tidak hanya sekedar cahaya indah. Bagi manusia mana pun yang berada di luar angkasa, seperti di Stasiun Luar Angkasa Internasional, atau bahkan di pesawat terbang di ketinggian, partikel bermuatan yang bergerak cepat ini merupakan ledakan radiasi yang tidak diinginkan. Dalam hal ini, sebagian besarnya adalah radiasi beta, namun ada kemungkinan untuk mendapatkan beberapa partikel alfa juga. (Ini milikmu penyegaran radiasi.)

Ini juga sulit dilakukan pada satelit. Penumpukan muatan dapat merusak komponen listrik yang diperlukan satelit untuk melakukan tugasnya (apa pun itu). Selain itu, ketika bumi menyerap lebih banyak energi matahari, atmosfer memanas sehingga menyebabkan bumi mengembang. Hal ini meningkatkan hambatan pada pesawat ruang angkasa di orbit rendah Bumi, menyebabkannya melambat. Intinya: Satelit bisa keluar jalur atau jatuh dari langit.

Di darat, badai matahari juga dapat mengganggu sistem komunikasi dan navigasi, atau bahkan menyebabkan pemadaman listrik. Ingat bagaimana kami menunjukkan bahwa arus listrik menghasilkan medan magnet? Sebaliknya juga benar: Perubahan medan magnet dapat menghasilkan arus. Berikut demonya: Saya memiliki gulungan kawat yang dihubungkan ke meteran untuk mengukur arus, tetapi kali ini tidak ada baterai. Ketika saya menggerakkan magnet, itu menghasilkan arus pada kawat.

Jadi bayangkan kawat itu adalah kabel listrik. Perubahan kecil pada medan magnet akan menghasilkan arus ekstra yang dapat merusak sekering dan membakar trafo dan sebagainya. Pada tahun 1859, badai matahari menghantam jalur telegraf dan membakar kantor telegraf.

Saya selalu merasa luar biasa bahwa apa yang terjadi di matahari, yang jaraknya 153 juta mil, bisa berdampak pada apa yang terjadi di Bumi—tapi ini benar adanya. Itu cuaca luar angkasa!