Bab 2: Spektrum

Bertahun-tahun yang lalu, Chu Qian meneliti spektrum permukaan bumi untuk mendeteksi perubahan bentuk lahan di wilayah Sungai Teng. Ia mengamati di mana tanaman berkurang atau bertambah, di mana bukit naik atau turun, dan di mana perairan melebar atau menyempit.

Spektrum adalah pola cahaya monokromatik yang dihasilkan dari pemisahan cahaya gabungan melalui sistem pemecah seperti prisma atau kisi, disusun menurut panjang gelombang atau frekuensi. Nama lengkapnya adalah spektrum optik. Secara sederhana, spektrum mencakup tujuh warna yang terlihat oleh mata manusia: merah, jingga, kuning, hijau, biru kehijauan, biru, ungu, serta sinar inframerah, ultraviolet, dan sinar-X yang tidak terlihat, semuanya dipisahkan untuk menampilkan data.

Karakteristik spektrum permukaan bumi menunjukkan bahwa setiap unsur alam memiliki pola radiasi elektromagnetik sendiri, seperti memantulkan dan menyerap sinar ultraviolet, cahaya tampak, inframerah, dan gelombang mikro pada rentang tertentu, serta memancarkan inframerah dan gelombang mikro tertentu; beberapa unsur juga memiliki kemampuan menembus gelombang elektromagnetik, yang disebut karakteristik spektrum permukaan bumi.

Kemampuan unsur-unsur permukaan untuk memantulkan gelombang elektromagnetik berbeda-beda, biasanya dinyatakan dengan reflektansi. Ketika energi elektromagnetik mencapai perbatasan dua media berbeda, sebagian atau seluruh energi kembali ke media asal, fenomena ini disebut refleksi. Jika panjang gelombang tetap, unsur dengan reflektansi tinggi akan tampak terang pada citra penginderaan jauh hitam putih. Sebaliknya, unsur dengan reflektansi rendah akan tampak gelap. Perbedaan warna pada citra penginderaan jauh adalah indikator penting dalam interpretasi.

Ketika gelombang elektromagnetik mengenai perbatasan dua media, sebagian energi menembus perbatasan, disebut transmisi. Energi yang menembus sering diserap oleh media dan diubah menjadi panas, lalu dipancarkan kembali. Umumnya, sebagian besar unsur permukaan tidak memiliki kemampuan menembus cahaya tampak. Inframerah hanya dapat menembus unsur-unsur dengan sifat semikonduktor. Gelombang mikro memiliki kemampuan menembus yang jelas, terutama ditentukan oleh panjang gelombang. Oleh karena itu, dalam teknologi penginderaan jauh, sensor yang sesuai dapat dipilih untuk mendeteksi unsur di bawah air atau es.

Saat berada di Kota Kubah, Chu Qian bertemu dengan Qi Yan Liang. Saat itu, Qi Yan Liang sering bertanya bagaimana berbagai unsur dideteksi. Misalnya, bagaimana mendeteksi tanaman?

Karena semua tanaman melakukan fotosintesis, berbagai tanaman hijau memiliki karakteristik spektrum pantulan yang sangat mirip: pada rentang cahaya tampak 0,55μm (dekat cahaya hijau), ada puncak reflektansi 10%-20%; pada rentang inframerah dekat 0,8-1,0μm terdapat tanjakan tajam pantulan, dan sekitar 1,1μm ada puncak, membentuk ciri khas vegetasi.

Bagaimana mendeteksi tanah?

Karakteristik spektrum pantulan tanah tidak memiliki puncak atau lembah yang jelas. Semakin halus tekstur tanah, reflektansi semakin tinggi; semakin banyak kandungan organik dan air, reflektansi semakin rendah.

Bagaimana mendeteksi perairan?

Pantulan air utama terjadi pada rentang biru-hijau, sedangkan pada rentang lain, terutama inframerah dekat, absorpsi sangat kuat.

Saat melewati Kota Kubah, Chu Qian menemukan spektrum di sekitar kota tersebut cukup unik. Namun, akurasi alat yang digunakan saat itu belum cukup tinggi sehingga belum bisa menentukan lokasi pasti.

Chu Qian tinggal di Kota Kubah selama beberapa waktu. Garis spektrum yang terdeteksi bukan berasal dari batu atau tanah biasa, dan terdapat perubahan yang jelas.

Keunikan garis spektrum itu ternyata disebabkan oleh pengaruh medan energi terkonsentrasi. Awalnya, ia tidak mengetahui bahwa penyebabnya adalah medan energi.

Setelah medan energi rusak, spektrum permukaan kembali seperti semula, tidak menunjukkan keanehan.

Panjang gelombang elektromagnetik, dari yang paling pendek hingga paling panjang, meliputi: sinar-X, sinar ultraviolet, cahaya tampak, sinar inframerah, gelombang mikro, dan gelombang radio.

Gelombang radio digunakan untuk komunikasi. Gelombang mikro digunakan pada oven microwave. Inframerah digunakan pada remote control, kamera termal, dan rudal berpemandu inframerah. Cahaya tampak adalah dasar bagi semua makhluk hidup untuk melihat. Sinar ultraviolet digunakan untuk sterilisasi medis, memeriksa uang palsu, mengukur jarak, dan pemeriksaan teknik. Sinar-X digunakan untuk pemotretan CT. Sinar gamma digunakan untuk terapi, menyebabkan lompatan atom sehingga menghasilkan radiasi baru. Gelombang radio juga digunakan dalam siaran radio; pada siaran radio, sinyal suara diubah menjadi sinyal listrik, lalu dipancarkan melalui gelombang elektromagnetik berfrekuensi tinggi ke ruang sekitar.

Saat menganalisis bentuk lahan di sekitar Sungai Teng, Chu Qian juga meneliti apakah elektromagnetik memengaruhi cahaya. Ia mempelajari beberapa referensi, dan menemukan bahwa medan magnet memengaruhi cahaya melalui beberapa kemungkinan: Efek Faraday, Efek Zeeman, dan Efek Kerr.

Efek Faraday (Faraday rotasi, rotasi magnetik optik) adalah efek magneto-optik berupa interaksi antara gelombang cahaya dan medan magnet dalam media. Efek Faraday menyebabkan rotasi bidang polarisasi yang berbanding lurus dengan komponen medan magnet searah propagasi cahaya. Pada tahun 1845, Faraday menemukan bahwa ketika cahaya terpolarisasi linear melewati media dan diberi medan magnet kuat searah propagasi cahaya, arah getaran cahaya akan berbelok. Besarnya sudut berbelok sebanding dengan intensitas medan magnet dan panjang lintasan cahaya dalam media.

Chu Qian berpikir, mungkin sudut polarisasi cahaya berubah akibat pengaruh medan elektromagnetik dari medan energi terkonsentrasi.

Fisikawan Belanda Zeeman menemukan bahwa garis spektrum atom terpecah dalam medan magnet eksternal. Lorentz kemudian menjelaskan secara teoritis alasan garis spektrum terpecah menjadi tiga. Fenomena ini disebut "Efek Zeeman". Penelitian lebih lanjut menemukan bahwa spektrum banyak atom terpecah secara kompleks dalam medan magnet, disebut Efek Zeeman Anomali. Penjelasan lengkap Efek Zeeman memerlukan mekanika kuantum, di mana momen magnet orbital dan spin elektron digabung menjadi momen magnet total, dan orientasi ruangnya terkuantisasi. Energi tambahan akibat medan magnet menyebabkan perpecahan tingkat energi. Atom dengan spin total nol menunjukkan Efek Zeeman Normal, sedangkan atom dengan spin total tidak nol menunjukkan Efek Zeeman Anomali. Efek Zeeman membuktikan kuantisasi ruang momen magnet atom. Efek Zeeman juga dapat digunakan untuk mengukur rasio muatan-massa elektron dan mengukur medan magnet benda langit dalam astrofisika.

Chu Qian berpikir, mungkin garis spektrum terpecah di bawah pengaruh medan magnet dari medan energi terkonsentrasi. Efek Zeeman juga dapat digunakan untuk mendeteksi benda langit.

Kerr menemukan fenomena birefringence induksi listrik yang berbanding lurus dengan kuadrat medan listrik. Material yang diletakkan dalam medan listrik, molekulnya terorientasi oleh gaya listrik, menghasilkan anisotropi dan akhirnya birefringence, yaitu kemampuan material membelokkan cahaya berbeda pada dua arah. Fenomena ini disebut Efek Kerr.

Chu Qian berpikir, mungkin indeks refraksi material transparan berubah akibat pengaruh medan magnet dari medan energi terkonsentrasi. Efek Kerr juga dapat digunakan untuk mendeteksi indeks refraksi.

Kesimpulannya, sudut deviasi polarisasi cahaya, garis spektrum, dan indeks refraksi material transparan semuanya mungkin berubah di bawah pengaruh medan elektromagnetik medan energi terkonsentrasi. Oleh karena itu, sinyal yang terdeteksi oleh sensor cahaya akan mengalami perubahan.