STRUKTUR VERTIKAL ATMOSFER

Atmosfer dapat ditinjau sebagai lapisan gas sangat tebal yang menyelimuti bumi dari permukaan dan meluas ke atas dengan densitas (massa jenis) terus menerus menjadi kecil. Bila kita melihat atmosfer dari permukaan bumi, dia nampak sangat tebal. Akan tetapi ketika dibandingkan dengan ketebalan (jari-jari) bumi padat, atmosfer adalah lapisan yang sangat dangkal.

Atmosfer adalah lapisan yang tipis dibandingkan dengan ketebalan jari-jari bumi padat

Atmosfer dipengaruhi oleh gaya tarik bumi yaitu gravitasi (gravity), sehingga atmosfer semakin tipis jika menjauhi permukaan bumi sampai pada akhirnya tidak dapat lagi dibedakan dari gas planet lain. Batas bawah atmosfer adalah permukaan bumi, namun tidak ada batas atas yang dapat didefinisikan, tetapi rumbai-rumbai bumi (fringe of the earth) yang mencapai ketinggian sekiatr 1000 km dapat dianggap sebagai puncak atmosfer bumi.

Setiap orang yang menaiki gunung yang tinggi atau mendengarkan pilot tentang temperatur di luar pesawat mengetahui bahwa temperatur udara biasanya turun dengan kenaikan ketinggian. Apakah temperatur terus turun dari permukaan hingga puncak atmosfer? Jawabannya tidak. Temperatur kenyataanya berfluktuasi dengan kenaikan jarak vertikal dari permukaan bumi.

Berdasarkan distribusi temperatur vertikal, lapisan atmosfer mulai dari permukaan ke atas dibagi menjadi troposfer, stratosfer, mesosfer dan termosfer, masing-masing lapisan merupakan bulatan-bulatan yang konsentris terhadap pusat bumi. Puncak dari masing-masing lapisan disebut tropopause, stratopause, mesopause dan tidak ada batas nyata pada lapisan termosfer. Seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini.

Lapisan atmosfer berdasarkan profil temperatur

Lapisan-lapisan vertikal atmosfer berdasarkan profil temperatur :

1. Troposfer

Lapisan dasar dimana kita tinggal dinamakan troposfer. Istilah troposfer diturunkan dari bahasa Yunani (tropo : berubah, dan sphaira : bulatan atau lapisan) adalah lapisan yang berubah-ubah. Gejala cuaca, misalnya awan, hujan, badai guntur dan sebagainya terjadi pada lapisan troposfer. Akibat adanya pencampuran vertikal yang kuat dan curah hujan, maka waktu tinggal rerata aerosol dalam troposfer agak pendek, berkisar dari beberapa hari sampai minggu.

Lapisan troposfer

Troposfer adalah lapisan atmosfer paling bawah dengan ketebalan lapisan rerata 10 km. Di atas equator puncak troposfer (tropopause) mencapai sekitar 18 km (paling tinggi), sedangkan di atas kutub hanya 6 km (paling rendah).  Sumber utama energi atmosfer adalah radiasi yang dipancarkan dari permukaan bumi. Di troposfer makin jauh dari permukaan bumi, temperaturnya makin rendah. Perubahan temperatur vertikal di troposfer dikenal sebagai environmental lapse rate (ELR). ELR merupakan angka yang berubah, tetapi harga rata-ratanya adalah 6,5^oC per km (3,5^o per 1000 feet). Rata-rata ELR sebesar 6,5^oC per km dinamakan normal lapse rate.

2. Stratosfer
Di atas troposfer adalah stratosfer. Stratosfer (strata : lapisan, dan saphira : bulatan) artinya bulatan (lapisan) yang berlapis, karena pada lapisan stratosfer terdapat juga lapisan ozon. Stratosfer berada pada ketinggian antara 10 dan 50 km. 

Lapisan stratosfer

Disini, temperatur mula-mula tetap, kemudian secara perlahan naik hingga ketinggian sekitar 50 km (30 mil). Stratosfer ditandai oleh susut temperatur negatif atau kenaikan temperatur terhadap ketinggian (inversi temperatur), disebabkan oleh adanya lapisan ozon yang menyerap radiasi ultra violet berenergi tinggi dari matahari. Bagian puncak stratosfer adalah stratopause yang terletak pada ketinggian sekitar 50 km dengan temperatur berorde 0^oC.

3. Mesosfer
Mesosfer (meso : tengah, saphira : bulatan) artinya lapisan gas bagian tengah yang menyelubungi bulatan bumi. Mesosfer terletak di atas stratopause dari ketinggian 50 sampai 80 km, yang ditandai dengan penurunan temperatur terhadap ketinggian hingga nilai terendah dari atmosfer. 

Lapisan mesosfer

Puncak mesosfer dibatasi oleh mesopause yaitu lapisan yang mempunyai temperatur paling rendah di atmosfer, sekitar -100^oC.

4. Termosfer
Termosfer (termo : panas, dan saphira : bulatan) artinya lapisan panas yang menyelubungi bulatan pada ketinggian 80 km.

Lapisan Termosfer

Hanya sekitar 0,1% dari atmosfer terletak di atas stratosfer, dan mayoritas utama dari kuantitas yang sangat kecil tersebut terdapat di mesosfer. Ini artinya bahwa udara di termosfer mewakili hanya bagian kecil dari massa atmosfer kita. Temperatur naik di termosfer karena penyerapan gelombang sangat pendek dari radiasi matahari energi tinggi oleh atom tunggal dari okseigen dan nitrogen. 

Tidak ada batas atas yang nyata pada lapisan termosfer

Tidak ada batas atas yang nyata pada termosfer (tidak ada termopause) karena atmosfer secara perlahan bergabung dengan ruang hampa.

Sumber : 
Tjasyono, B.H.K. 2009. Meteorologi Indonesia I : Karakteristik dan Sirkulasi Atmosfer. BMKG, Jakarta.
Bahan Ajar Diklat Akademi Meteorologi dan Geofisika. Meteorologi Umum. Hery Haryanto.

KOMPOSISI ATMOSFER

Atmosfer berasal dari dua kata Yunani yaitu atmos berarti uap dan saphira berarti bulatan, jadi atmosfer adalah lapisan gas yang menyelubungi bulatan bumi. Atmosfer bumi mempunyai ketebalan sekitar 1000 km yang dibagi menjadi lapisan-lapisan berdasarkan profil temperatur, komposisi atmosfer, sifat radioelektrik, dan lain-lain.

Lebih dari 90% atmosfer berada di bawah 16 km dan tempat dimana semua cuaca terjadi

Tanpa atmosfer, manusia, hewan dan tumbuh-tumbuhan akan mati. Atmosfer bertindak sebagai pelindung kehidupan di bumi dari radiasi matahari yang kuat pada siang hari dan mencegah hilangnya panas ke ruang angkasa pada malam hari. Sangat beruntung bahwa atmosfer menyebabkan hambatan benda-benda yang bergerak melaluinya, sehingga sebagian meteor yang melalui atmosfer akan menjadi panas dan hancur sebelum mencapai permukaan bumi. Atmosfer bersifat dapat dimampatkan (compressible) sehingga lapisan atmosfer bawah lebih padat daripada lapisan di atasnya, akibatnya tekanan udara berkurang dengan ketinggian. Massa total atmosfer adalah sekitar 56 x 10¹⁴ ton. Setengah dari massa tersebut kira-kira terletak di bawah 6000 m dan lebih dari 99% terletak di bawah ketinggian 35.000 m dari permukaan bumi.

Lapisan atmosfer merupakan campuran dari gas-gas yang tidak tampak dan tidak berwarna.

Gas dalam udara kering

Sekitar 99% didominasi oleh gas nitrogen dan oksigen, dan yang paling banyak jumlahnya di atmosfer adalah nitrogen.

Meskipun pada kenyataannya nitrogen adalah gas yang paling banyak di atmosfer, keberadaannya realtif kurang penting dalam pengertian proses cuaca dan iklim. Oksigen merupakan gas kedua terbanyak di atmosfer dialah yang sesungguhnya penting bagi kehidupan di bumi.

Sisa dari udara kering sekitar 21% adalah gas argon (0,93%) yang merupakan gas yang tidak berekasi (argon tidak mempunyai peran penting dalam proses di atmosfer). Jumlah yang sangat kecil dari gas-gas lain juga ada. Masing-masing gas tersebut :

• Karbon dioksida (CO₂) 0,038%
• Neon (Ne) 0,00182%
• Helium (He) 0,000524%
• Krypton (Kr) 0,000114%
• Hidrogen (H₂) 0,00005% mewakili hanya sebagian kecil dari 1 persen atmosfer.

Karbon dioksida hanya menyatakan bagian kecil dari atmosfer, tetapi dialah komponen yang penting.

CO₂ penting karena merupakan penyerap yang efisien dari energi yang dipancarkan bumi dan kerenanya mempengaruhi pemanasan atmosfer. Pada grafik di atas menunjukkan konsentrasi CO₂ naik karena aktivitas manusia, terutama pembakaran bahan bakar fosil. Tambahan CO₂ menyebabkan suhu global naik.

Disamping komponen-komponen yang stabil seperti nitrogen dan oksigen, udara meliputi gas-gas dan partikel-partikel yang konsentrasinya bervariasi besar dari waktu ke waktu dan dari tempat ke tempat lain. Contohnya meliputi uap air, debu, ozon, dan polutan yang dibuat manusia.

Debu di udara dapat menyebabkan sunset nampak penuh warna

Polutan udara adalah gas-gas dan partikel-partikel di udara yang membahayakan kesehatan manusia dan atau mengganggu fungsi lingkungan alamiah.

Citra satelit menunjukkan asap dan haze di Atlantik Utara pada bulan Mei 2001 yang dihasilkan oleh emisi industri, pembangkit listrik dan kendaraan bermotor.

Partikel padat dan cair yang sangat kecil yang menggantung di atmosfer dinamakan aerosol. Aerosol berasal dari banyak sumber alamiah dan manusia. Letusan gunung berapi, tanah yang dihembuskan ke udara, dan tepung sari yang terangkat oleh angin merupakan contoh sumber aerosol alamiah. Sedangkan sumber aerosol akibat aktivitas manusia berupa asap dan jelaga pabrik dan hasil emisi kendaraan bermotor.

Sumber aerosol alamiah dan akibat aktivitas manusia

Aerosol dapat mengurangi jumlah cahaya matahari yang mencapai permukaan bumi dengan menyerap, memantulkan dan membaurkan energi matahari yang datang. Aerosol mempunyai peran penting dalam proses cuaca dan iklim. Partikel yang sangat kecil tersebut berperan sebagai inti kondensasi pembentukan awan.

Komponen variabel lain dari atmosfer adalah gas yang dinamakan ozon. Formula kimia untuk ozon adalah O₃. Ini berarti bahwa molekul ozon terdiri dari 3 atom oksigen. Kebanyakan ozon yang terjadi secara alamiah terkonsentrasi di antara 10 sampai 50 km di atas permukaan bumi, di daerah atmosfer yang dinamakan stratosfer. Ozon di stratosfer menyerap banyak radiasi ultra violet (UV) dari matahari. Beraks UV adalah cahaya pembakar dari matahari dan dapat membahayakan kehidupan di bumi.

Lapisan ozon menahan berkas sinar UV

Jika ozon tidak memfilter radiasi UV dari matahari dalam jumlah besar, dan jika sinar UV tersebut mencapai permukaan bumi tanpa terhalang, maka planet kita tidak akan dapat dihuni bagi kebanyakan kehidupan seperti yang kita kenal. Meningkatnya radiasi UV di permukaan bumi akan meningkatkan timbulnya kanker kulit.

Tahukah anda? 

• Ozon terjadi secara alamiah di atas di lapisan stratosfer dimana dia menyerap sonar UV dari matahari. Karena panjang gelombang yang diserap di stratosfer adalah berbahaya bagi kehidupan di permukaan, ozon adalah sangat penting karena fungsinya sebagai pelindung.
• Sebaliknya, ozon yang dihasilkan dekat dengan permukaan bumi adalah sebagai polutan. Ozon merupakan komponen utama dalam campuran noxius dari gas dan partikel yang dinamakan photochemical smog, yang terbentuk sebagai hasil dari reaksi diantara polutan yang diemisikan oleh kendaraan bermotor dan industri.

Gas-gas yang penting dalam proses cuaca ialah :

1. Uap air (H₂O), yang terdapat berubah fasa (wujud) menjadi fasa cair (misalnya tetes-tetes awan) dan fasa padat (misalnya salju, batu es).
2. Karbondioksida (CO₂), yang bertindak sebagai gas rumah kaca (GRK) dan menyebabkan efek rumah kaca (ERK), yaitu transparan terhadap radiasi gelombang pendek matahari dan menyerap radiasi gelombang panjang bumi. Kenaikan kadar CO₂ akan menyebabkan kenaikan temperatur permukaan bumi dan menimbulkan pemananasan global. Sejak revolusi industri konsentrasi CO₂ terus naik yang disebabkan antara lain kenaikan pemakaian bahan bakar karbon (BBK) dan hidrokarbon.
3. Ozon (O₃), gas ini terdapat terutama pada ketinggian antara 10 dan 50 km di atas permukaan laut (d.p.l). Ozon sangat penting karena menyerap radiasi ultraviolet yang mempunyai energi tinggi dan berbahaya bagi tubuh manusia. Atmosfer pada ketinggian 20-30 km biasanya sudah sangat tipis, sehingga jika seluruh ozon yang ada ini dimampatkan di bawah kondisi tekanan permukaan laut, maka ketebalan lapisan ozon (ozonosfer) hanya sekitar satu inci (25,4 mm) saja.
4. Aerosol dan asap, terutama partikel-partikel higroskopis (misalnya partikel garam) dapat bertindak sebagai inti kondensasi awan.

Sumber :
Tjasyono, B.H.K. 2009. Meteorologi Indonesia I : Karakteristik dan Sirkulasi Atmosfer. BMKG, Jakarta.
Bahan Ajar Diklat Akademi Meteorologi dan Geofisika. Meteorologi Umum. Hery Haryanto.

KABUT (FOG)

Salah satu fenomena menarik yang terjadi di atmosfer, adalah kabut (fog). Faktor penarik perhatian tersebut, antara lain, adalah kabut mereduksi daya tembus pandang indera penglihatan sehingga sangat membahayakan bagi operasi transportasi, baik moda transportasi darat, moda transportasi laut apalagi moda transportasi udara.

Kabut (fog) 

Secara fisik, kabut adalah awan yang dasar awannya pada atau dekat permukaan bumi. Kabut dapat didefinisikan sebagai titik-titik air yang merupakan hasil kondensasi atau sublimasi dan uap air yang terapung-apung di atmosfer dekat permukaan tanah. Untuk menghasilkan kondensasi atau sublimasi diperlukan tingkat kejenuhan udara yang sangat tinggi dimana kelembaban relatif mendekati atau sama dengan 100%.

Kabut yang tebal (visibilitas kurang dari seperempat mil) dipertimbangkan sebagai bahaya atmosferik karena akan mengganggu perjalanan yang menggunakan moda transportasi yang tidak hanya menyulitkan tetapi juga berbahaya. Walaupun pada hakekatnya sama seperti awan, kabut pada umumnya terbentuk dalam kondisi yang berbeda.

Jenis-jenis kabut yang dibedakan menurut proses terjadinya, antara lain :

• Kabut Radiasi (Radiation Fog)
• Kabut Adveksi (Advection Fog)
• Kabut Lereng (Upslope Fog)
• Kabut Uap (Steam Fog)

Jenis-jenis Kabut :

1. Kabut Radiasi (Radiation Fog)

Kabut radiasi, seperti namanya, dihasilkan dari pendinginan dari permukaan tanah dan udara didekatnya karena radiasi. Ini merupakan fenomena pada malam hari yang mensyaratkan langit cerah. (Awan mengurangi pendinginan malam hari karena menyerap dan meradiasikan panas kembali ke permukaan). Terjadi bila udara lembab bersinggungan dengan permukaan tanah yang lebih dingin akibat radiasi bumi pada malam hari, sehingga timbul inversi suhu di lapisan dekat permukaan tanah. Ketinggian lapiasan inversi tergantung dari besarnya turbulensi. Pada keadaan angin tenang (calm) percampuran turbulensi praktis sama dengan nol, dan pendinginan yang sangat kuat di bawah lapisan inversi yang sangat rendah atau hanya beberapa cm di atas permukaan tanah, mungkin hanya menghasilkan embun (dew) atau bukan embun beku (forst).

Kabut radiasi di daerah perkotaan

 Kondisi udara pada malam hari yang sangat menguntungkan untuk terbentuknya kabut :

• anginnya lemah (calm)
• langit cerah atau sedikit berawan
• RH relatif tinggi (80-100%)
• kondisi tanah serta lingkungan basah

2. Kabut Adveksi (Advection Fog)

Bila udara basah yang relatif hangat berpindah melintasi permukaan dingin, dia menjadi dingin dari bawah ke atas. Jika pendinginan cukup, hasilnya akan menjadi kabut yang meliputi wilayah yang luas yang dinamakan kabut adveksi. Tahukah anda? Istilah adveksi menyatakan gerakan horizontal dari fluida. Dengan demikian, angin adalah bentuk aliran advektif.

Kabut adveksi (advection fog)

Faktor-faktor yang mempengaruhi terbentuknya kabut adveksi :

• udara yang bergerak panas dan lembab
• terdapat perbedaan suhu yang mencolok antara udara yang bergerak dengan permukaan sehingga terbentuk lapisan inversi di permukaan.
• kecepatan angin sedang (8-12 knot) agar perbedaan suhu dapat dipertahankan dan pencampuran turbulensi tidak cukup kuat mengangkat kabut.

Tahukah anda? Lokasi yang paling banyak mengalami kabut di Amerika Serikat, dan barangkali di dunia adalah Cape Dissappointment, Washington. Nama tersebut cocok karena rata-rata satasioner lamanya kabut sepanjang tahun mencapai 2552 jam (106 dua puluh empat jam hari).

Kabut adveksi di sepanjang pesisir Pasifik

Contoh klasik mengenai kabut adveksi terjadi pada musim summer dan fall di sepanjang West Coast ketika udara basah yang hangat dari Pasifik didinginkan ketika melintas di atas arus California yang dingin.

3. Kabut Lereng (Upslope Fog)

Terjadi jika udara lembab naik secara lambat sepanjang permukaan lereng pegunungan yang miring, sehingga akan mengalami pendinginan secara adiabatik. Pada ketinggian tertentu udara yang dingin tersebut akan mengkondensasi sehingga terbentuk kabut. Jika naiknya udara lembab tersebut terlalu cepat akan terjadi turbulensi konvektif, yang menyebabkan terjadinya kondensasi pada lapisan yang lebih tinggi, sehingga akan terbentuk awan stratus.

Kabut lereng (upslope fog)

4. Kabut Uap (Steam Fog)

Ketika udara dingin bergerak melinatsi badan air yang relatif hangat, kelembaban karena penguapan dari permukaan air bisa cukup untuk menjenuhkan udara di atasnya. Karena kondensasi di antara udara yang naik, seperti "uap" yang terbentuk di atas secangkir kopi panas, maka fenomena ini dinamakan kabut uap.

Kabut uap (steam fog)

Tahukah anda? Pada hari-hari dingin anda dapat "melihat nafas anda" , anda pada hakekatnya menciptakan kabut uap. Udara basah dari mulut anda menjenuhkan volume udara dingin, menyebabkan butir-butir air yang halus terbentuk. Seperti kabut uap, butir-butir air yang halus menguap dengan cepat sebagai kabut bercampur dengan udara tidak jenuh di sekitarnya.

Proses Menghilangnya Kabut

Proses kondensasi akan menghilang melalui proses pemanasan, termasuk menghilangnya kabut. Semua jenis kabut memiliki kecendrungan untuk menghilang melalui proses pemanasan, yaitu :

1. Pemanasan Harian

matahari yang memancarkan panasnya ke permukaan bumi, panas radiasinya akan mengalami hambatan karena diserap oleh partikel-partikel kabut, yang akan mengakibatkan menguapnya partikel-partikel kabut tersebut yang akan membuat kabut menjadi menghilang. Pada kabut asap yang sangat tebal, radiasi matahari akan dipantulkan kembali sehingga menghalangi pemanasan sampai ke permukaan tanah, karenanya kabut akan bertahan cukup lama.

2. Transfer Panas Turbulensi

Dalam pembentukan kabut diperlukan turbulensi, namun jika terlalu kuat melebihi harga imbang intensitas yang diperlukan untuk pembentukan kabut, akan menyebabkan hilangnya kabut. Hal ini terjadi karena turbulensi yang kuat akan menimbulkan percampuran udara vertikal yang lebih tinggi. Akibatnya udara di lapisan bawah inversi akan menjadi panas dan kering, sehingga akan menguapkan partikel kabut.

Sumber :

Soepangkat. 1994. Pengantar Meteorologi. Balai Pendidikan dan Latihan Meteorologi dan Geofisika. Jakarta.

Ahrens, C. Donald. Meteorology Today. Ninth Edition.

Bahan Ajar Diklat Akademi Meteorologi dan Geofisika. Meteorologi Umum. Herry Haryanto.

ITCZ (INTER TROPICAL CONVERGENCE ZONE)

Salah satu fenomena atmosfer yang mempengaruhi cuaca di wilayah tropis khatulistiwa adalah ITCZ (Inter Tropical Convergence Zone). Namun sebelum membahas lebih jauh mengenai ITCZ, kita terlebih dahulu harus mengetahui apa yang dimaksud dengan ITCZ?

ITCZ terbentuk akibat pertemuan angin pasat

ITCZ merupakan daerah pertemuan angin pasat dari Belahan Bumi Utara (BBU) dan angin pasat dari Belahan Bumi Selatan (BBS) akibat adanya aktivitas tekanan rendah di sekitar equator. Sistem perawanan dalam ITCZ yang terbentuk karena adanya pusat tekanan rendah (konvergensi) adalah cluster awan dengan pertumbuhan vertikal yang luar biasa. Letak ITCZ akan mempengaruhi curah hujan pada tempat-tempat yang bertepatan dengan keberadaan ITCZ, dan kemungkinan besar akan menyebabkan hujan berhari-hari dengan kondisi cuaca mendung berhari-hari.

Awan yang terbentuk dari aktivitas ITCZ

Lalu apa pengaruh dari adanya ITCZ di wilayah equator? Keberadaan ITCZ menyebabkan terbentuknya pumpunan awan di sekitar wilayah equator, seperti yang terlihat pada gambar di atas. Awan tersebut tumbuh dan berpotensi untuk turun sebagai hujan.

Sabuk ITCZ melintasi equator dari Utara ke Selatan dan sebaliknya sesuai dengan pergerakkan semu matahari, dimana ITCZ berada di sekitar equator pada bulan Maret dan September, sehingga pada bulan tersebut di atas equator terjadi konvergensi yang berkontribusi terhadap meningkatnya curah hujan.

Posisi pergerakkan ITCZ di wilayah equator

Pada gambar di atas menjelaskan posisi ITCZ pada bulan Juli berada pada belahan bumi utara atau terletak di utara equator, sedangkan pada bulan Januari ITCZ berada pada belahan bumi selatan atau di selatan equator, seperti yang terlihat pada garis biru di atas. Posisi ITCZ akan terus bergerak dalam garis tersebut mengikuti pergerakkan semu matahari serta distribusi panas lautan dan daratan.