Berkas cahaya yang melewati gas akan mengalami polarisasi sebagian karena partikel-partikel gas dapat menyerap dan memancarkan kembali cahaya yang mengenainya. Penyerapan dan pemancaran cahaya oleh partikel-partikel gas disebut hamburan. Oleh karena peristiwa hamburan ini, langit pada siang hari tampak berwarna biru. Hal tersebut dikarenakan partikel-parikel udara menyerap cahaya matahari dan memancarkan kembali (terutama) cahaya biru. Demikian pula, pada pagi hari dan sore hari, partikel-partikel udara akan menghamburkan lebih banyak cahaya merah (melalui kolom udara yang lebih panjang) sehingga pada pagi dan sore hari, cahaya matahari tampak lebih banyak memancarkan cahaya merah. Sebaliknya, di bulan tidak ada yang dapat menghamburkan cahaya matahari karena bulan tidak memiliki atmosfir. Oleh karena itu, atmosfir bulan akan tampak gelap.
Salah satu penerapan penting dari proses polarisasi adalah Liquid Crystal Dsiplay (LCD). LCD digunakan dalam berbagai tampilan, dari mulai jam digital, layar kalkulator, hingga layar televise. LCD dapat diartikan alat peraga kristal cair, berisi dua filter polarisasi yang saling menyilang dan didukung oelh sebuah cermin. Biasanya polarisator yang saling menyilang menghalangi semua cahaya yang melewatinya. Namun, diantar kedua filter itu terdapat lapisan kristal cair. Selain energi listrik alat ini dipadamkan, kristalnya memutar sinar-sinar yang kuat dengan membentuk sudut 900. Sinar-sinar yang berputar itu kemudian dapat menembus filter (penyaring) bagian belakang. Kemudian sinar-sinar itu dipantulkan oleh cermin sehingga peraga (layar) tampak putih. Angka atau huruf pada peraga dengan menyatakan daerah-daerah kristal cair. Ini mengubah posisi kristal cair tersebut sehingga kristal-kristal tidak lagi memutar cahaya.
Polarisasi dengan hamburan
Hambuan adalah penyerapan dan pemancaran kembali cahaya oleh partikel - partikel gas. Jika cahaya yang tidak terpolarisasi datang pada suatu gas, maka cahaya yang dihamburkan kesamping dapat terpolarisasi sebagian atau seluruhnya.
Arah polarisasi sedemikian rupa sehingga tegak lurus terhadap bidang yang dibentuk oleh garis sinar datang dengan garis sinar penglihatan. Hamburan cahaya matahari oleh partikel - partikel dalam atmosfer bumi tampak oleh pengamatan di permukaan bumi sebagai cahaya terpolarisasi sebagian.
Pada hari yang cerah, kita dapat melihat langit biru yang begitu indah. Bila memandang peristiwa tersebut dengan sebuah polaroid, maka dapat ditunjukkan bahwa cahaya yang datang dari langit ini terpolarisasi dengan kuat. Dengan memutar polaroid ini pada sumbu yang terletak horisontal, maka suatu saat didapatkan suatu keadaan gelap yang menunjukkan bahwa cahaya datang dari langit ini terpolarisasi dengan kuat. Jika diukur sudut antara garis yang menghubungkan pengamat dengan matahari, dan garis yang menghubungkan pengamat dengan bagian langit yang tampak gelap, akan didapatkan bahwa sudut ini kira-kira sebesar 90 derajat.
Keterangan terjadinya polarisasi pada cahaya langit biru adalah sebagai berikut: Jika cahaya datang pada molekul-molekul udara, maka elektron-elektron dalam molekul dapat menyerap dan memancarkan kembali sebagian cahaya. Penyerapan dan pemancaran kembali cahaya oleh molekul-molekul inilah yang disebut hamburan.
Sebuah gelombang cahaya yang jatuh pada sebuah benda padat yang tembus cahaya, akan menyebabkan elektron-elektron di dalam benda padat tersebut berosilasi secara periodik, karena pengaruh vektor listrik yang berubah-ubah terhadap waktu dari gelombang yang datang tersebut. Gelombang yang berjalan melalui medium tersebut adalah resultan gelombang masuk dan resultan radiasi yang berasal dari elektron-elektron yang berosilasi. Gelombang resultan mempunyai intensitas maksimum pada arah sinar masuk, yang nilainya turun secara cepat pada masing-masing sisi benda. Kurangnya hamburan yang menyamping terjadi, karena muatan-muatan yang berosilasi didalam medium beraksi secara kooperatif dan koheren.
Keterangan terjadinya polarisasi pada cahaya langit biru adalah sebagai berikut: Jika cahaya datang pada molekul-molekul udara, maka elektron-elektron dalam molekul dapat menyerap dan memancarkan kembali sebagian cahaya. Penyerapan dan pemancaran kembali cahaya oleh molekul-molekul inilah yang disebut hamburan.
Sebuah gelombang cahaya yang jatuh pada sebuah benda padat yang tembus cahaya, akan menyebabkan elektron-elektron di dalam benda padat tersebut berosilasi secara periodik, karena pengaruh vektor listrik yang berubah-ubah terhadap waktu dari gelombang yang datang tersebut. Gelombang yang berjalan melalui medium tersebut adalah resultan gelombang masuk dan resultan radiasi yang berasal dari elektron-elektron yang berosilasi. Gelombang resultan mempunyai intensitas maksimum pada arah sinar masuk, yang nilainya turun secara cepat pada masing-masing sisi benda. Kurangnya hamburan yang menyamping terjadi, karena muatan-muatan yang berosilasi didalam medium beraksi secara kooperatif dan koheren.
Bila cahaya memalui suatu gas, maka akan diperoleh lebih banyak hamburan yang menyamping. Hal ini terjadi karena elektron-elektron yang berosilasi terpisah satu sama lain dengan jarak yang relatif besar dan tidak terikat bersama di dalam suatu struktur tegar, maka osilasi elektron-elektron ini akan beraksi secara bebas dan tidak secara koperatif. Cahaya yang dihamburkan kesamping dari suatu gas dapat dipolarisasi seluruhnya atau sebagian, walaupun cahaya yang masuk tidak terpolarisasi.
Contoh penghamburan Rayleigh yang paling terkenal adalah atmosfer Bumi yang memberi warna biru di langit. Adalah Leonardo da Vinci yang sekitar tahun 1500an, menduga pertama kali alasan mengapa langit berwarna biru, khususnya dalam pengamatannya kalau asap kayu terlihat biru saat diamati pada latar belakang hitam (Jackson, 1998). Efek ini akhirnya dijelaskan secara kuantitatif tahun 1899 oleh Lord Rayleigh yang namanya diambil untuk menjelaskan fenomena ini.
Penghamburan Rayleigh terjadi saat sinyal yang datang memiliki panjang gelombang, ?, yang jauh lebih besar dari panjang gelombang resonansi dari elektron yang terikat dalam sebuah atom atau molekul. Untuk sinar optik yang menimpa partikel dengan transisi ultraviolet, ini juga berarti kalau ? jauh lebih besar dari ukuran partikel yang menghambur. Karena ketergantungan yang kuat dari penampang lintang hamburan pada panjang gelombang. Panjang gelombang yang lebih pendek, yaitu cahaya biru (cahaya ungu lebih terhamburkan lagi, tapi mata kita lebih sensitif pada biru daripada ungu), akan lebih mudah menghambur daripada panjang gelombang panjang (merah). Cahaya biru memiliki panjang gelombang ? mendekati 470 nanometer dan, karena molekul yang paling berlimpah di atmosfer, yaitu nitrogen dan oksigen, berukuran sekitar 0.3 nanometer, penghamburan atmosfer jelas tergolong penghamburan Rayleigh. Partikel debu yang kecil juga berperan, namun penghamburan dominan disebabkan oleh molekul dan langit akan tetap terlihat biru bahkan tanpa adanya debu.
Untuk geometri seperti dalam gambar 1 berikut, cahaya biru lebih mungkin menghambur kedalam garis pandangan pengamat daripada cahaya merah. Akibatnya, matahari yang kuning menghasilkan langityang biru bagi pengamat di bumi. Walau tidak terlalu jelas, langit malam juga berwarna biru. Walau lemahnya cahaya di langit malam membuatnya mustahil dikenali oleh mata, exposure dalam waktu lama dapat mengungkapkan warnanya. Lihat gambar 2.
Gambar 1. Saat pengamat berada dalam medium penghambur yang acak, cahaya dapat masuk ke matanya dari semua arah bahkan walaupun sumber asli cahaya hanya berasal dari satu arah saja
Gambar 2. Sebuah potret exposure waktu selama 69 detik mengungkapkan warna biru pada langit malam.
Bila tidak ada atmosfer, langit siang akan berwarna hitam, kecuali di tempat adanya matahari itu sendiri. Fakta kalau atmosfer di hari yang cerah bersifat transparan bermakna bahwa sebagian besar foton bergerak menembusnya tidak dihalangi dan hanya sedikit yang mengalami hamburan. Inilah mengapa, pada hari yang cerah, kecemerlangan matahari jauh lebih besar daripada kecemerlangan langit yang biru.
Untuk geometri seperti pada gambar 3, cahaya biru lebih mungkin dihamburkan keluar dari garis pandang daripada warna merah. Karenanya, setiap benda pemancar cahaya di atas atmosfer bumi akan terlihat memerah dan juga memudar, karena penghamburan Rayleigh. Matahari menjadi lebih merah daripada warna aslinya bahkan saat ia masih tinggi. Bila garis pandang menembus atmosfer lebih panjang, seperti saat melihat matahari terbit atau tenggelam (lihat gambar 4), maka warna memerah lebihdiperkaya dan lebih jelas bagi mata (penghamburan dari debu, uap air dan molekul besar juga dapat berperan dalam pemerahan). Efek yang sama dapat diamati untuk benda lain seperti bulan, planet atau bintang. Walau begitu, foton yang terhambur secara individual sendiri memiliki panjang gelombang yang sama dengan foton yang datang, karenanya walaupun penghamburan Rayleigh tergantung panjang gelombang, ia masih merupakan bentuk penghamburan elastik.
Gambar 3. Contoh penghamburan acak
Gambar 4. Matahari terbit terlihat merah, sama seperti saat tenggelam
Penghamburan Rayleigh menghasilkan cahaya terpolar sama halnya dengan penghamburan Thompson (lihat gambar 5). Bahkan walau matahari memancarkan cahaya yan tidak terpolar, misalnya, cahayanya yang terhambur akan terpolarkan pada sudut pandang 90 derajat, sebagaimana kita buktikan dengan melihat ke dekat cakrawala dengan saringan polarisasi saat matahari ada di atas kepala. Seperti halnya hamburan Thompson, hamburan Rayleigh memberi cara melihat sumber dengan melihat pada ‘cerminannya’, walaupun dibebani oleh ketergantungan panjang gelombang . Karenanya mungkin melihat spektrum matahari dengan mengarahkan spektrometer pada satu posisi di langit jauh dari posisi matahari itu sendiri. Garis Fraunhofer matahari (garis Fraunhofer matahari adalah garis penyerapan yang terbentuk dalam fotosfer matahari), misalnya, dapat dilihat dengan mudah lewat cara ini. Cahaya optik yang kabur dalam sebuah nebula refleksi (lihat gambar 6) juga akan terpolarisasi.
Gambar 5. Geometri proses polarisasi akibat hamburan Rayleigh atau Thompson
Gambar 6. Nebula refleksi di sekitar bintang terang, Merope, salah satu bintang di kluster bintang Pleiades.
Langit berwarna biru dapat dikontraskan dengan warna yang lebih abu-abu dari tetesan air di awan. Karena tetesan air tidaklah kecil dibanding panjang gelombang cahaya, penghamburan dari partikel ini bukanlah rezim hamburan Rayleigh. Ketergantungan panjang gelombang dari penghamburan partikel besar lebih datar daripada penghamburan Rayleigh, karenanya warna awan terlihat abu-abu.
Gambar 7. Awan berwarna abu-abu
