Di balik Pesona Aurora

Pendahuluan
Konsep kelistrikan dan kemagnetan dapat kita gunakan sebagai pondasi awal dalam mengembangkan teknologi, seperti transformator, generator dan lain-lain. Tidak hanya itu, ternyata konsep tersebut juga dapat menjelaskan beberapa fenomena alam seperti proses terjadinya petir dan lain-lain. Salah satu fenomena alam yang ternyata ada kaitannya dengan kelistrikan dan kemagnetan adalah fenomena aurora yang menakjubkan, yang biasanya terjadi di daerah kutub. Oleh karena itu, pada makalah ini penulis tertarik untuk membahas mengenai apa itu aurora, siapa yang menemukannya, kapan terjadinya, proses terbentuknya dan menjelaskan mengapa dalam penampakannya, aurora tampak seperti tabir yang memanjang, memijar, gemerlap, dan berombak dalam sejumlah warna.

Pembahasan

Aurora adalah cahaya warna-warni yang bergerak di langit yang dihasilkan oleh atom atau ion-ion atmosfer bumi saat memancarkan foton hasil tumbukannya dengan muatan-muatan yang datang dari langit. Aurora pernah dianggap sebagai cahaya matahari yang dipantulkan oleh kristal es di langit, akan tetapi pada tahun 1888 Anders Jonas Angstrom menunjukkan perbedaannya dari cahaya matahari karena banyak panjang gelombang yang ada pada cahaya matahari tidak muncul dalam cahaya aurora.

Gambar 1. Magnetosfer Bumi. Angin matahari mengekang medan magnetik bumi menjadi zona berbentuk komet dengan planet kita sebagai intinya. Jarak antara bumi dan sisi matahari magnetosfer ialah kira-kira 10 kali jari-jari bumi. Magnetosfer ditarik menjadi ekor yang sangat panjang (tidak ditunjukkan) yang meregang sepanjang lebih dari 1000 kali jari-jari bumi dari matahari (ke kanan penggambaran di atas).

Aristoteles pada abad ke-4 sebelum masehi menyebut aurora sebagai chasmata atau “letusan yang terjadi di langit”. Sebelum seorang ahli matematika sekaligus juga astronom dari prancis yang bernama P. Gassendi pada awal abad ke-17 menyebutnya sebagai aurora borealis atau cahaya utara setelah menyaksikannya di Perancis selatan pada tanggal 12 September 1621. Namun, aurora tidak hanya terdapat di utara saja sebab seorang penjelajah bangsa Inggris bernama James Cook mengamati peristiwa ini juga berlangsung di belahan bumi selatan pada tanggal 19 Februari 1773. Ia lalu menamakannya aurora australis atau cahaya selatan.

Aurora terjadi di daerah di sekitar kutub utara dan kutub selatan. Beberapa tempat yang biasanya dapat menyaksikan aurora adalah Denali National Park yang berada sedikit selatan dari lingkaran kutub utara dan hanya beberapa jam dari Fairbanks, kota Yellowknife di Northwest Territories Kanada, Murmansk di kota Peninsula di Rusia, Kangerlussuaq di Greenland, South Pole di Antarctica, Tromso di Norwegia, Tasmania di Australia, Stewart Island di New Zealand, South Georgia Island dan Ushuaia di Argentina.

Aurora sering kali terjadi antara bulan Maret-April dan Agustus-September-Oktober saat periode aktivitas bercak matahari yang tinggi pada lapisan terluar atmosfer matahari, yang disebut korona, yang terdiri atas gas (terutama hidrogen) yang begitu panas, sehingga atom-atom yang netral secara listrik terurai menjadi ion positif (sebagian besar proton) dan elektron. Sehingga angin matahari, yang mengalir dari korona, yang merupakan plasma panas partikel bermuatan ini, membesar dan bergerak dengan kecepatan antara 300 hingga 1000 km/detik ke segala arah dalam sistem surya.

Pada jarak kira-kira 10 kali jari-jari bumi dari permukaan planet kita ini, kekuatan medan magnetik bumi      (3 x 10^-4 G = 3 x 10^-8 T) sama dengan kekuatan medan magnetik matahari yang diregang oleh angin matahari tadi. Kedua medan magnetik ini saling berhubungan pada batas magnetosfer yang menyerupai komet tersebut. Di sinilah partikel bermuatan dalam angin matahari berhembus melalui medan yang saling berhubungan tadi. Gerak ini ekivalen dengan gerak konduktor listrik melalui medan magnetik.

Jika sudut pandangnya adalah dari matahari ke bumi, sekumpulan proton dalam angin matahari akan tampak disimpangkan (oleh gaya ev x B) ke kiri dan elektron disimpangkan ke kanan kira-kira dengan gaya sebesar                (1,6 x 10^-19 C) (3 x 10^-1 m/s) x (3 x 10^-8 T) = 14,4 x 10^-28 N. Magnetosfer yang penuh dengan plasma, membuat muatan bergerak menurun secara spiral pada garis-garis medan magnetik, ke ionosfer (lapisan pengkonduksi listrik atmosfer), melalui ionosfer ke daerah kutub. Muatan tersebut bertabrakan dengan atom-atom dan molekul dalam atmosfer, mengeksitasi mereka serta menyebabkan atom dan molekul ini memancarkan cahaya.

Dalam penampakannya, aurora tampak seperti tabir yang memanjang, memijar, gemerlap, dan berombak dalam sejumlah warna. Tepi bawah tabir berada pada ketinggian 100 km dan tepi atasnya dapat membentang hingga 1000 km di atas permukaan bumi. Batas bawah tabir aurora ditentukan oleh kedalaman penerobosan elektron yang membawa arus. Tubrukan dengan atom dan molekul dalam atmosfer atas menghancurkan banyak energi elektron pada saat atom dan molekul tersebut turun ke ketinggian kira-kira 100 km di atas bumi. Jadi, tinggal sedikit yang turun lebih rendah.
Ada dua faktor yang dapat menjelaskan keragaman warna aurora, yaitu: pertama, warna yang dihasilkan oleh proses lecutan listrik beragam dari gas ke gas dan dengan energi elektron yang menghasilkan eksitasi. Kedua, komposisi kimiawi atmosfer berbeda dengan ketinggiannya. Faktor-faktor tersebut secara bersama-sama menjelaskan keragaman warna aurora. Di ionosfer, atmosfer sebagian besar terdiri atas atom oksigen, yang dihasilkan apabila energi dari cahaya ultraviolet matahari memisahkan molekul O₂. Apabila atom oksigen tereksitasi, cahaya putih kehijau-hijauan dipancarkan (warna aurora yang paling lazim).

Elektron yang lebih tinggi energinya mampu menerobos lebih dalam ke atmosfer, dan bertabrakan dengan molekul nitrogen netral, yang menghasilkan aurora dengan batas merah-violet atau merah muda dan tepi yang berombak. Molekul nitrogen yang terionkan menghasilkan cahaya biru-violet. Cahaya tampak hanya sebagian kecil dari pancaran aurora, radiasi sinar-x, ultraviolet, dan inframerah juga dihasilkan oleh aurora.

Untuk memahami pergerakan yang diamati dalam penampakan tersebut, kita dapat memperhatikan sebuah analogi dengan bayangan yang dihasilkan oleh layar sinar tabung-katode, seperti pada layar kaca televisi. Layarnya bersesuaian dengan atmosfer bagian atas. Lapisan di bagian belakang layar kaca ini memancarkan cahaya apabila berkas elektron dari senapan elektron menumbuknya. Cahaya ini terlihat dari bagian depan layar sebagai bayangan.

Serupa halnya seperti yang baru saja diuraikan, ionosfer akan berpendar apabila ionosfer ini ditabrak oleh muatan-muatan. Persis seperti titik akibat tabrakan berkas elektron pada tabung sinar katode yang dapat berubah, yang menyebabkan gerakan bayangan pada layar, begitu pula halnya dengan muatan-muatan dalam fenomena aurora yang dapat bergeser secara cepat, yang menyebabkan tabir aurora bergerak, sering begitu kuatnya. 

Dalam hal tabung sinar katode maupun aurora, perubahan medan magnetik dan/atau medan listrik memodulasi perilaku berkas elektronnya. Jadi bukan gerakan atmosfer yang menyebabkan gerak tabir aurora tersebut.

Hasil Refleksi tentang makna yang tersirat
Fenomena aurora selalu didahului oleh badai matahari. Kita telah mengetahui bagaimana cara bumi melindungi kita dari hal-hal yang berbahaya dan tetap meloloskan apa-apa yang berguna bagi kita, yaitu cahaya. Saya memikirkan sebuah filosofi dari fenomena ini bahwa dalam kehidupan ini seringkali kita harus menghadapi berbagai macam ujian dan cobaan terlebih dahulu dan tetap bertahan dalam kondisi yang demikian seperti bumi yang menghadapi badai matahari, untuk dapat menerima hal-hal yang menakjubkan kemudian seperti fenomena aurora.

Hasil Refleksi tentang Manfaat
Fenomena alam aurora hanya mungkin terjadi saat badai matahari sampai ke bumi. Tingkat intensitas cahaya aurora berbading lurus dengan besarnya badai matahari tersebut. Ada baiknya kita mulai memikirkan bagaimana memanfaatkan muatan-muatan dari badai matahari yang masuk ke bumi sebagai pembangkit listrik atau yang lainnya sehingga dapat mengurangi efek rumah kaca yang ditimbulkan oleh pembangkit listrik yang umumnya digunakan saat ini yang biasanya menggunakan minyak bumi untuk menggerakkan generator, karena muatan-muatan tersebut tersedia gratis di alam. Dan dengan mempelajarinya, kita dapat menambah pengetahuan baru serta merefleksikan makna apa yang tersirat dibalik fenomena ini.

Hasil Refleksi tentang Risiko
Badai matahari yang datang ke bumi dapat mempengaruhi sistem telekomunikasi, navigasi serta informasi dikarenakan satelit terganggu saat badai berlangsung. Ini adalah konsekuensi yang kita terima untuk bisa menyaksikan fenomena alam yang menakjubkan yaitu aurora.

Niat Konkret Demi Kepentingan Umum
Dari penulisan makalah ini, kita mendapatkan pengalaman mengkaji suatu fenomena alam dengan menghubungkannya dengan konsep-konsep kelistrikan dan kemagnetan. Hal ini membuat materi tersebut lebih menarik untuk dipelajari. Oleh karena itu, penulis yang juga adalah seseorang yang akan berkecimpung dalam dunia pendidikan berniat mengembangkan cara berpikir pendidik dan siswa yang demikian.

Kesimpulan
Dari uraian di atas, kita telah memiliki sedikit pemahaman tentang aurora, yaitu tentang apa itu aurora, siapa yang menemukannya, kapan terjadinya, proses terbentuknya dan menjelaskan mengapa dalam penampakannya, aurora tampak seperti tabir yang memanjang, memijar, gemerlap, dan berombak dalam sejumlah warna. Tantangan di awal abad ke 21 ini adalah terus memajukan pemahaman kita tentang bagaimana cara memanfaatkan fenomena ini untuk kualitas hidup yang lebih baik.

Rujukan

1. Tipler. 2001. Fisika Untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga. Jakarta: Erlangga
2. http://www.gomuda.com/2012/12/aurora-dan-10-tempat-terjadinya-aurora.html
3. http://books.google.co.id/books?id=bxtfATnUhH8C&pg=PA97&dq=aurora+borealis&hl=id&sa=X&ei=Y32cUdCGLIztrQe17IHgCg&redir_esc=y#v=onepage&q=aurora%20borealis&f=false
4. http://books.google.co.id/books?id=0ll2FcERGa8C&pg=PA100&dq=aurora+borealis&hl=id&sa=X&ei=pH2cUYmdEcqlrQfYkoD4AQ&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false