Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

Bagian 1 Atmosfer Bumi, Sains dan Fenomena

Kemudian Dia (Allah) menuju kepada langit, dan ia (langit masih) berupa asap,

maka (Allah) berfirman padanya (langit) dan pada Bumi datanglah kalian

(menuruti perintah-Ku) sukarela atau terpaksa……….Maka dijadikannya (langit)

tujuh langit dalam dua masa, dan Dia mewahyukan pada tiap-tiap langit urusannya

(tugasnya)……(QS: 41(11-12))

Bumi adalah salah satu benda langit yang sangat kecil yang mengembara di jagad

raya, diantara milyaran benda-benda langit lain. Populasi benda langit ini sangatlah

besar dengan variasi yang sangat kompleks. Sejumlah benda-benda jagad raya terus

bergerak (beragam ukuran dan sifat) dengan orbit yang seringkali bersinggungan

atau berpotongan. Dengan demikian interaksi antar benda-benda jagad raya

sangatlah sering terjadi, dan masing-masing dalam kecepatan yang sangat tinggi.

Maka sesungguhnya setiap benda di jagad raya ini berpotensi dihancurkan atau

menghancurkan benda lain, ketika terjadi tumbukan. Selain itu, radiasi dan emisi

foton dari semua bintang, dengan berbagai tingkat energi, akan bergerak tanpa

penghalang dan hanya dilemahkan oleh jarak. Sehingga energi radiasi (foton) yang

bersumber dari bintang yang dekat, akan berpotensi sangat menghancurkan benda

langit tertentu, baik karena jumlahnya (intensitasnya) maupun karena energinya

(panasnya). Termasuk pada bumi kita. Tumbukan dengan benda langit lain atau

radiasi energi dari matahari, merupakan ancaman bahaya pada eksistensinya dan

kehidupan yang dibawanya.

Benda langit yang paling dekat dengan bumi adalah bulan. Satelit planet bumi ini

bergerak bersama bumi, dan mengalami lingkungan dan ancaman yang sama

bahayanya dengan bumi. Nampak dari bumi dengan walau dengan kasat mata,

permukaan Bulan tidaklah rata, banyak kawah terjadi. Para ahli berkeyakinan

kawah-kawah di Bulan merupakan dampak dari masuknya benda-benda dari

angkasa yang menumbuk permukaan Bulan. Atmosfer bulan yang sangat tipis dan

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

tidak bervariatif, menyebabkan benda-benda angkasa menumbuk permukaan bulan

dengan ukuran dan momentum yang cukup untuk membentuk kawah sampai

sedalam beberapa kilometer. Nampaknya sistem kehidupan cukup sulit bertahan

jikapun bisa hidup di Bulan. Bagaimana dengan Bumi kita?

Untuk menjaga eksistensinya, maka dalam perjalanannya diperlukan suatu desain

yang sempurna untuk bumi agar tetap berada dalam sistem jagad raya. Untuk

melindungi dari tumbukan dan radiasi foton berlebihan, diperlukan tameng yang

kuat bagi bumi. Tameng tersebut diperlukan bumi agar tidak terjadi kerusakan

selama pengembaraanya. Atmosfer merupakan tameng bumi yang didesain berlapis-

lapis dengan masing-masing fungsi unik, saling bersinergi, dan sangat kuat.

Atmosfer bumi adalah campuran gas yang secara kimia-fisika relatif homogen pada

setiap stratanya, yang membungkus permukaan bumi, dan tetap bertahan karena

gravitasi bumi. Dibandingkan dengan diameter bumi (sekitar 12.000 km), atmosfer

merupakan lapisan tipis (ketebalan 200-500 km) larutan udara sangat mudah

dikompresi maupun diekspansi, dan mengelilingi bumi. Karena pengaruh gravitasi

bumi, maka sebagian besar gas-gas penyusun atmosfer terkompresi di bagian bawah

dekat permukaan bumi. Makin jauh jarak dari permukaan bumi, maka makin

renggang struktur gas-gas penyusun atmosfer, sehingga densitas dan tekanan udara

akan semakin rendah.

Sesungguhnya, atmosfer tidak jauh berbeda dengan lautan yang membungkus

permukaan bumi. Keduanya merupakan fluida yang membungkus permukaan bumi

dan terikat secara gravitasi. Perbedaan yang mendasar antara atmosfer dan lautan

adalah bahwa atmosfer merupakan campuran gas yang dapat dikompresi atau

ekspansi sedangkan lautan berisi cairan yang relatif tidak terkompresi. Kemampuan

kompresi dan ekspansi atmosfer, secara substansial dipengaruhi oleh tekanan,

menyebabkan berbagai fenomena atmosfer seperti angin, mendung, hujan, iklim,

cuaca, dan sebagainya (Petty 2008).

1.1. Asal-usul Atmosfer

Atmosfer atau langit, merupakan topik kajian manusia yang sangat menarik sejak

jaman perbakala. Dalam sejarah kehidupan manusia, banyak artefak-artefak yang

menjadi bukti bahwa fokus pada pengamatan langit, telah mewarnai pola hidup

manusia. Pada dasarnya, dalam upaya untuk menata hidup material dan spiritualnya,

manusia telah mencoba mengungkap rahasia langit. Ada yang realistis, berdasarkan

pengamatan dan metodologi ilmiah, seperti teori-teori geosentris, heliosentris,

astronomi, meteorology, dan sebagainya. Namun demikian tiap babak sejarah

kehidupan manusia, ada yang mengungkapkan rahasia langit dari mitos yang

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

irrealistis, seperti ramalan bintang, keberuntungan dan kesialan bersama kemunculan

bintang tertentu, atau fenomena komet, gerhana, angin, hujan, petir, dan seterusnya,

dihubungkan dengan tanda akan ada peristiwa khusus menimpa manusia/alam.

Jika ditelaah lebih lanjut, kedua hal diatas, pendekatan realistis dan irrealistis

fenomena langit, telah membawa umat manusia pada pemahaman yang lebih baik

pada atmosfer maupun langit. Studi tentang atmosfer awalnya dilakukan untuk

memahami fenomena-fenomena yang berhubungan dengan permukaan bumi seperti

cuaca/iklim, fenomena pembiasan sinar matahari saat terbit dan tenggelam, serta

kelap-kelipnya bintang, komet, meteor, dan lain-lain. Atau bahkan dalam rangka

membuktikan apakah nasib individu seseorang atau sekelompok orang, bangsa, dan

dunia berhubungan dengan fenomena langit. Percaya atau tidak, suatu saat kedua

pendekatan itu, pendekatan realistis dan irrealistis yang benar pijakannya, akan

bertemu pada satu titik pemahaman yang mendalam bagi ilmu pengetahuan manusia,

tentang kebesaran penciptaan alam oleh Tuhan.

Bumi diperkirakan dibentuk beberapa saat setelah penciptaan jagad raya, kira-kira 5

milyar tahun yang lalu. Dan diperkirakan 500 juta pertama setelah penciptaannya,

atmosfer dengan kerapatan tinggi, berisi asap seperti pada nebula matahari,

utamanya adalah hidrogen. Bersamaan dengan proses pendinginan gas-gas lain

dibentuk dari uap dan gas (asap) yang dikeluarkan dari dalam bumi hasil reaksi-

reaksi fusi atau asap dari luar bumi (proses pendinginan planet lain atau bintang atau

komet). Asap tersebut, diperkirakan terdiri atas utamanya hidrogen (H2), uap air

(H2O), methana (CH4), dan karbon dioksida (CO2). Sampai kira-kira 3,5 juta tahun

yang lalu, atmosfer diperkirakan terdiri atas CO2, CO, H2O, N2, dan H2. Karbon

dioksida ini menjadi dominan, karena proses oksidasi termal yang berlangsung

milyaran tahun dan tidak banyak dimanfaatkan untuk proses lain. Keberadaan air,

menyebabkan pengurangan gas CO2, melalui proses pelarutan manjadi garam

karbonat atau batuan karbonat. Bumi makin mengeras.

Pada awal penciptaan, atmosfer bumi tidak memiliki molekul-molekul atau atom-

atom oksigen bebas di dekat permukaan. Data-data yang menjelaskan ini tersimpan

pada formasi batuan purba yang dominan mengandung besi dan uranium, dengan

keadaan tereduksi. Unsur-unsur tersebut tidak ditemui lagi pada batuan Precambrian

dan yang lebih muda (< 3 juta tahun). Atmosfer bawah pada saat itu lebih bersifat

reduktor karena belum mengandung oksigen. Namun beberapa penyelidikan

menyebutkan pada bagian atas terdapat molekul oksigen yang cukup melimpah,

didesain untuk membentuk lapisan ozon.

Perencanaan Tuhan untuk penempatan kehidupan di bumi, mulai diproses pada masa

selanjutnya. Diperkirakan 1 juta tahun yang lalu, ketika bumi sudah cukup dingin,

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

diciptakan organisma-aquatik awal yang oleh para kosmolog dinamakan blue-green

algae (tidak ada satupun toeri ilmiah yang dengan meyakinkan dapat membuktikan

alga ini terbentuk dengan sendirinya atau karena evolusi alam). Kehidupan ini masih

terbatas pada perairan. Organisma ini, mulai ditugaskan untuk menggunakan energi

dari matahari yang tidak terserap ozone, memecah molekul air dan karbon dioksida,

dan menggabungkan kembali menjadi senyawa organik esensial dan membuat

molekul oksigen. Inilah pertama kali proses fotosintesis terjadi. Walaupun terjadi

respirasi yang melepaskan kembali CO2, tetapi pertumbuhan alga ini cukup besar

dengan mendeposit carbon ke jaringan/senyawa organiknya. Proses awal ini

berlangsung selama ratusan ribu tahun, sehingga cukup membuat akumulasi oksigen

di atmosfer. Bersamaan dengan meningkatnya oksigen (O2) tersebut, kadar karbon

dioksida (CO2) menurun. Proses ini berlangsung terus, sampai kadar oksigen di

permukaan menjadi cukup besar.

Dalam kesimpulan berbagai penelitian atmosfer awal, terdapat dua proses utama

yang mengarah pada perubahan komposisi atmosfer. Pertama, adanya tumbuhan

yang mengkonversi karbon dioksida menjadi massa jaringan organik, dengan

mengeisikan oksigen ke atmosfer. Kedua peluruhan batuan pyrite yang melepaskan

sulfur sehingga kadar sulfur di lautan menjadi tinggi. Proses oksidasi sulfur

menurunkan oksigen di atmosfer. Walaupun secara meyakinkan perubahan

konsentrasi oksigen di atmosfer ini tidak diketahui penyebab jelasnya, namun

periode naiknya oksigen ini menjadikan bumi layak bagi kehidupan hewan dan

manusia di jaman-jaman berikutnya.

Pada atmosfer bagian atas, sebagian molekul-molekul oksigen (O2) bekerja

menyerap energi UV dari matahari dan terpecah menjadi atom oksigen tunggal.

Sebagian molekul oksigen tunggal ini berkoalisi dengan molekul oksigen yang

masih ada mulai membentu ozon (O3). Ozon ini akan menyerap UV dengan panjang

gelombang yang berbeda, kembali pecah menjadi O2 dan O. Akumulasi ozon dalam

jutaan tahun ini menghasilkan lapisan ozon di bagian atas (sekarang dikenal dengan

troposfer). Lapisan ini bereaksi terus menerus dan sangat efektif menyerap UV (200-

300 nm), dan melindungi permukaan bumi dari irradiasi UV kuat dari matahari.

Reaksi ini merupakan desain siklus yang berkesetimbangan di lapisan ozon

atmosfer. Keberadaan lapisan ozon ini, membuat daratan di Bumi menjadi mungkin

untuk diberi kehidupan. Radiasi yang diterima permukaan bumi menjadi lebih kecil

dan cukup untuk menjaga ikatan senyawa organik tetap utuh. Daratan di Bumi

menjadi cukup dingin, untuk memulai kehidupan. Tumbuhan produsen sederhana

dan perintis, mulai dipindahkan ke daratan.

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

Penelitian tentang asal usul atmosfer saat ini masih terus berkembang.

Perkembangan teknologi dan simulasi model, menjadikan semua usaha manusia

menguak eksistensi dan asal-usul atmosfer telah menghasilkan berbagai teori

pendekatan. Pemahaman yang benar, akan perilaku alam akan membawa manusia

mengenal proses penciptaan alam yang sangat agung. Tuhan telah mendesain dan

memproses alam ini untuk menjamin kehidupan manusia sangat sempurna.

Penyelidikan tentang proses pembentukan alam, mengarahkan semua pengetahuan

manusia pada eksistensi Tuhan. Bahwa alam ini direncanakan, bukan terbentuk

secara kebetulan. Bahkan sampai hari ini, tidak ada satupun ilmuwan tahu kenapa

ada hidrogen, dengan satu elektron dan satu proton, bagaimana tercipta? Bagaimana

hidrogen mengetahui hukum kesetimbangan muatan, dan mematuhinya? Bagaimana

elektronnya terus berputar dan tidak runtuh? Bagaimana hidrogen harus berikatan

dengan hidrogen atau atom lain agar tetap eksis? Bagaimana dengan atom lain?

Bagaimana dengan alam? Sungguh terlalu banyak yang manusia tidak ketahui dari

rencana Tuhan.

1.2. Komposisi dan Struktur Atmosfer

Dengan peralatan sensitif yang dipasang di wahana luar angkasa, kita dapat

memperoleh pemahaman yang lebih baik tentang atmosfer berikut fenomena-

fenomena yang terjadi di dalamnya.

Komposisi Atmosfer

Kompsisi atmosfer ini dijabarkan dalam kondisi normal saat ini, tanpa keterlibatan

adanya zat-zat pencemar udara. Dalam sejarahnya, komposisi atmosfer diketahui

berfluktuasi, sampai terbentuk kesetimbangan seperti sekarang. Sebagai contoh,

kadar oksigen dari hasil penyelidikan dan simulasi diketahui berfluktuasi mulai

kurang dari 3 % sampai mencapai 35 % (300 juta tahun yang lalu), sebelum

akhirnya berada dalam kesetimbangan 21 % (sejak 3 juta tahun yang lalu). Berbagai

proses reaksi kimia, kondisi fsika, dan interverensi biokimia, telah berangsur-angsur

membentuk komposisi atmosfer yang setimbang.

Pada lapisan atmosfer lebih atas, oksigen berperan dalam reaksi siklus pembentukan

dan pemecahan ozon. Sedangkan pada lapisan bawah (troposfer), oksigen sangat

dipentingkan dalam reaksi oksidasi baik secara kimia maupun biokimia (oleh

makhluk hidup). Proses-proses ini merupakan bagian dari pembentukan komposisi

atmosfer ideal untuk kehidupan di muka bumi. Gambaran perubahan kadar oksigen

atmosfer tersebut dapat dilihat pada grafik dalam Gambar 1, berikut ini:

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

Gambar 1 Perubahan kadar

oksigen atmosfer

Secara umum komposisi saat ini atmosfer kering (tanpa kandungan air) adalah 78,6

% (volume) nitrogen (N2), 21 % oksigen (O2), 0,9 % argon (Ar), 0,03 % karbon

dioksida (CO2), dan berbagai jenis gas-gas pada level yang sangat kecil (kurang dari

0,002 %) seperti neon (Ne), helium (He), metana (CH4), kripton (Kr), hidrogen (H2),

nitous oksida (NOx), xenon (Xe), sulfur oksida (SOx), ozon (O3) ammonia (NH3),

karbon monoksida (CO), dan sebagainya. Normalnya, air terkandung dalam

atmosfer sebagai bentuk uap air sebesar 1-3 % volume (Manahan 2000). Gas-gas

penyusun atmosfer dapat dikategorikan menjadi dua golongan, dan dapat dilihat

pada Tabel 1, yaitu:

gas-gas penyusun dengan konsentrasi relatif tetap (permanent gases) pada

kondisi normal, yaitu nitrogen (N2), Oksigen (O2), Argon (Ar), Neon (Ne),

Helium (He), Hydrogen (H2), Xenon (Xe)

gas-gas penyusun dengan konsentrasi bervariasi (variable gases) pada

kondisi normal, tergantung latitude, dan kondisi atmosfer setiap saat. Gas-

gas tersebut adalah uap air (H2O) mulai 0-4 %, karbon dioksida (CO2)

sekitar 0,038 %, methana (CH4) sekitar 0,00017 %, dinitrogen oksida

(N2O), ozone (O3), dan kloroflorokarbon (CFCs) dalam kadar sangat kecil.

Tabel 1 Komposisi Atmosfer Normal

Gas-gas Permanen Gas-gas bervariasi

Nitrogen (78,08 %)

Oksigen (20,95 %)

Neon (0,0018 %)

Helium (0,0005 %)

Xenon (sangat kecil)

Uap air (0 - 4 %)

Karbon dioksida (0,038 %)

Metana (0,00017 %)

Nitous oksida (sangat kecil)

Ozon (sangat kecil)

CFC (sangat kecil)

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

Struktur Atmosfer

Secara umum atmosfer, dipelajari dengan membaginya menjadi dua yaitu regional

rendah (lower) dan regional atas (upper). Regional bawah adalah atmosfer dari

permukaan bumi sampai ketinggian kira-kira 50 km. Studi untuk regional ini

merupakan studi meteorologi. Sedangkan studi regional atmosfer atas (> 50 km),

dikenal dengan studi aeronomi.

Dari total kebalan atmosfer, kira-kira 500 km lebih dari permukaan bumi, terdapat

zona (sampai sekitar 90 km) dengan komposisi gas yang relatif tetap dalam

perbandingannya. Zona ini berisi gas-gas inert (N2, O2, He, Ar) yang berinteraksi

dengan energi radiasi yang cukup lemah. Sedangkan bagian zona atas (>100 km),

merupakan zona yang menerima radiasi dengan intensitas dan energi yang sangat

tinggi. Energi spektrum ini memungkinkan terjadinya reaksi molekuler untuk

ionisasi, fotolisis, radikalisasi, dan sebagainya. Pada zona ini komposisi menjadi

tidak seragam baik karena perubahan altitude maupun latitudnya. Berdasarkan

kehomogenan komposisi dan kerapatan pada setiap ketinggian (altitude) dibagi

dalam dua lapisan, yaitu:

Lapisan homosfer, merupakan lapisan bawah atmosfer (kurang dari 80 km)

yang terdiri atas campuran gas permanen 99,9 % massa atmosfer total dengan

perbandingan komposisi tertentu yang tetap untuk setiap segmen altitud. Secara

kimia homogen/larutan homogen, pada ketinggian yang sama komposisi kimia

dan sifat fisika gas-gas penyusunnya relatif homogen. Jadi lapisan homosfer ini

tersusun atas lapisan-lapisan homogen yang tersusun sampai ketinggian 80 km.

Terdiri atas troposfer, stratosfer, dan mesosfer.

Lapisan heterosfer, lapisan di atas homosfer yang terdiri atas gas-gas lebih

ringan (seperti hidrogen dan helium). Dominasi gas-gas ini berubah karena

perbedaan altitude (lihat Gambar 2), sehingga perbandingan komposisi berubah-

ubah, karena diisi dengan gas-gas yang relatif lebih ringan, mono atau diatomic

(seperti hidrogen dan helium). Komposisi yang kurang dari 0,1 % dari massa

atmosfer, volume ruang yang sangat besar, dan tekanan yang sangat rendah,

menyebabkan distribusi gas-gas di lapisan ini sangat besar. Jarak antar gas relatif

jauh, tidak banyak interaksi. Parcel gas-gas dilapisan ini sangat besar

dipengaruhi radiasi dan keadaan luar atmosfer. Pada lapisan heterosfer ini

komposisi berubah/heterogen walaupun di altitude yang sama, salah satunya

karena intensitas radiasi yang berfluktuasi sangat besar di siang dan malam, serta

kapasitas panas yang rendah dari gas-gas yang mayoritas monoatomik, radikal,

atau dalam keadaan tereksitasi.

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

Gambar 2 Perubahan

Komposisi Atmosfer vs.

Altitude

Pembagian lapisan atmosfer juga dapat dilakukan dengan mempelajari sifat

keteraturan perubahan sifat fisik (tekanan dan temperatur). Dalam hal ini, atmosfer

bumi dibagi menjadi 4 lapisan utama. Keempat lapisan utama tersebut adalah:

troposfer, berada dalam ketinggian dari permukaan bumi sampai

ketinggian rata-rata 11 km, temperature rata-rata 15 oC dipermukaan laut

menurun dengan bertambahnya ketinggian sampai kira-kira -56 oC di

bagian atas (tropopause),

stratosfer, dari ketinggian rata-rata 11 km sampai kira-kira 50 km,

temperature rata-rata naik dari -56 oC sampai -2

oC di bagian atas

(stratopause), kenaikan temperature ini utamanya karena penyerapan

radiasi ultraviolet oleh ozon di atmosfer,

mesosfer, lapisan diatas stratosfer (50 km) sampai dalam ketinggian rata-

rata 85 km , profil temperatur sama dengan troposfer, menurun dengan

bertambahnya ketinggian, dari -2 oC sampai sekitar -92

oC di bagian

lapisan paling atas (mesopause).

termosfer, merupakan lapisan yang paling tinggi dari atmosfer mulai 85

km sampai dengan rata-rata 500 km, berisi lapisan gas dengan kerapatan

rendah, profil temperatur naik sampai 1200 oC, kenaikan ini utamanya

karena penyerapan radiasi dengan panjang gelombang < 200 nm oleh

spesies gas-gas penyusun termosfer.

Diantara tiap-tiap dua lapisan atmosfer, terdapat lapisan antara (transisi) yang

merupakan batas antar muka kedua lapisan. Lapisan batas (antara) berfungsi utama

adalah menjaga eksistensi masing-masing lapisan tidak bercampur. Ada 3 lapisan

transisi di atmosfer, yaitu:

tropopause, lapisan transisi antara troposfer dan stratosfer

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

stratopause, lapisan transisi antara stratosfer dan mesosofer, dan

mesopause, lapisan transisi antara mesosfer dan termosfer

Secara ringkas, struktur vertikal atmosfer dan fungsi umum setiap lapisan dapat

diperhatikan pada Gambar 3. Masing-masing lapisan dan lapisan antara

digambarkan dengan ketinggian rata-rata. Pada kenyataannya batas altitude masing-

masing lapisan akan bervariasi sesuai dengan latitude tiap zona.

Setiap lapisan utama dan lapisan transisi atmosfer, mempunyai karakteristik dan

peran spesifik, merupakan bagian sistem atmosfer. Sistem atmosfer ini didesain

dalam rangka menopang kehidupan manusia dan kelangsungan sistem lingkungan di

bumi. Sinergi setiap lapisan ini diciptakan dengan tugas masing-masing, untuk

bersama-sama membuat kondisi bumi sangat layak untuk berlangsungnya

kehidupan.

Gambar 3 Pembagian Lapisan Atmosfer , Komposisi, Profil, dan Temperatur

Keberlangsungan dinamika di atmosfer dan kehidupan di bumi, digerakkan dengan

energi dari matahari. Matahari dengan reaksi fusi yang telah terus berlangsung

miliyaran tahun, secara kontinyu mengemisikan dan meradiasikan energi dalam

jumlah yang sangat besar. Energi ini yang sampai ke atmosfer luar bumi, terlalu

besar untuk kehidupan di permukaan bumi. Atmosfer dengan lapisan gas-gas yang

spesifik, menggunakan untuk reaksi, memantulkan, menyerap (absorb) dan

menyaring (screen) energi matahari dalam jumlah yang sangat besar tersebut. Hanya

sebagian kecil yang diteruskan sampai ke permukaan bumi. Energi (spectrum) yang

diteruskan ke bumi ini, merupakan jumlah yang cukup untuk digunakan

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

melangsungkan kehidupan di bumi. Dengan berbagai proses fisika kimia di atmosfer

ketika berinteraksi dengan spectrum energi radiasi matahari, maka semua fenomena

atmosfer terjadi. Langit tampak biru terang atau kemerahan, aurora, perpendaran

(flouresense dan fosforesensi), sirkulasi atmosfer, angin, hujan, musim, pemanasan

global, dan sebagainya merupakan beberapa saja fenomena yang sampai saat ini

mampu dipelajari manusia. Secara prinsip, interaksi energi radiasi matahari dengan

gas-gas atmosfer pada tiap lapisannya dapat dirangkum seperti pada Gambar 4,

berikut ini:

Gambar 4 Interaksi radiasi matahari pada tiap lapisan atmosfer dan

perubahan takanan atmosfer

1.2.1. Troposfer

Troposfer merupakan lapisan atmosfer yang paling dekat dan berinterakasi langsung

dengan permukaan bumi. Posisi ini menyebabkan dinamika pada keduanya, baik di

permukaan bumi maupun di troposfer, akan saling mempengaruhi satu sama lain.

Perubahan tekanan atau suhu di troposfer akan berpengaruh pada dan juga

dipengaruhi oleh permukaan bumi. Bentuk permukaan bumi (terrain atau

kekasaran), akan sangat berpengaruh pada turbulensi troposfer. Perubahan

komposisi troposfer juga sangat besar karena pengaruh emisi gas-gas dari bumi.

Pencemaran karena kegiatan manusia sangat berpengaruh besar pada lapisan

troposfer ini. Perubahan tekanan, aliran, suhu, dan stabilitas troposfer, akan

berpengaruh langsung pada permukaan bumi. Sebaliknya, fenomena hujan, uap air,

angin, badai, kekeringan dan seterusnya, merupakan contoh keadaan di bumi yang

langsung dipengaruhi oleh kondisi troposfer.

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

Kekhasan tiap lapisan atmosfer dibentuk olah sejumlah gas-gas yang menjadi

konstituennya. Kuantitas gas penyusun atmosfer, terdistribusi mulai dari lapisan

bawah sampai dengan lapisan atas. Distribusi ini, karena gravitasi bumi yang cukup

kuat dan perbedaan berat jenis gas, tidaklah seragam. Gas-gas sebagian besar

terkonsentrasi di bagian bawah, dekat dengan permukaan bumi. Makin ke atas,

konsentrasi dan kerapatan gas-gas makin kecil, sedangkan volume relatif makin

besar. Lapisan troposfer, berisikan kira-kira lebih dari 80 % total massa atmosfer.

Gas-gas yang berada dalam troposfer merupakan gas-gas poliatomik dan berdensitas

relatif lebih besar. Gas-gas rumah kaca, oksigen dan nitrogen dominan di lapisan

troposfer. Uap air, awan, hujan (presipitasi), merupakan variable gas yang sangat

berpengaruh besar pada fenomena troposfer.

Gambar 5 Absorbsi Spektrum

oleh beberapa gas rumah kaca

Gas Rumah Kaca (GRK), sebagian ditinjukkan pada Gambar 5 diatas, adalah gas-

gas poliatomik yang menjadi konstituen atmosfer, baik alamiah maupun karena

kegiatan manusia, yang menyerap dan mengemisikan kembali radiasi inframerah

(energi panas). Secara alamiah GRK ini berkontribusi besar dalam menjaga suhu

atmosfer tetap hangat untuk menopang reaksi kimia dan biokimia di permukaan

bumi. Dalam termodinamika kimia, zat-zat poliatomik ini menyerap energi tinggi

(UV panjang atau IR) dan setelah mengalami proses internal molekul (dilatasi,

translasi, dan sebagainya) akan mengemisikan kembali dalam bentuk spektrum

dengan energi labih rendah (gelombang lebih panjang dan panas). Mekanisme

tersebut terkait dengan kesetimbangan energi yang terjadi di lapisan troposfer.

Secara parsial umum, energi/panas yang bekerja di atmosfer (kususnya di troposfer)

disebabkan oleh 2 sumber (angka-angka dalam kurung menunjukkan perbandingan

relatif dari total energi yang bekerja di permukaan bumi) seperti pada Gambar 6,

yaitu:

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

Radiasi matahari (100 bagian) yang sampai ke lapisan troposfer, dan

IR permukaan bumi (104 bagian) konveksi,kondensasi (29 bagian)

Energi radiasi matahari (100 bag.) yang masuk ke bumi, dipantulkan kembali ke luar

troposfer oleh lapisan gas atas yang sebagian besar adalah gas-gas rumah kaca,

sebesar 25 bagian. Sebesar 25 bagian yang lain diserap oleh gas-gas rumah kaca, ,

diemisikan kembali dalam bentuk spectrum gelombang yang lebih panjang (infra

merah) untuk digunakan menghangatkan dan menjaga stabilitas temperature

atmosfer. Sedangkan 50 bagian diteruskan hingga ke permukaan bumi, sifat padat

permukaan bumi memantulkan kembali sebagian spectrum keluar atmosfer sebesar 5

bagian.

Gambar 6 Kesetimbangan

energi di troposfer

Bagian yang diserap permukaan bumi (45) akan dikonversi menjadi energi

konveksi/kondensasi (29) dan radiasi infra merah permukaan bumi ((104-88=16)

bagian). Energi yang diserap lapisan greenhouse gas (sebesar 158 bagian: 25 bagian

dari matahari, 29 bagian dari konveksi/kondensasi di permukaan bumi, dan 104

bagian dari radiasi IR permukaan bumi), sebagian akan dikembalikan ke atmosfer.

Sebanyak 88 bagian digunakan untuk menghangatkan atmosfer bawah, dan 70

bagian dilepaskan kembali ke atmosfer atas/space.

Secara umum, energi matahari yang diserap atmosfer (25 bagian) dan diserap

permukaan bumi (45 bagian), secara kesetimbangan dilepaskan kembali dalam

bentuk radiasi infra merah ke luar atmosfer (total 70 bagian) setelah mengalami

berbagai proses reaksi/termodinamika di bumi, dan atmosfer bawah. Jeda waktu

penyerapan dan pelepasan kembali, merupakan desain pemanfaatan energi, yang

diatur dengan hukum kekekalan energi. Proses-proses di atmosfer bawah merupakan

proses konversi energi dari satu bentuk ke bentuk lain, sebelum semuanya

dilepaskan kembali ke luar atmosfer. Dengan cara demikian maka suhu permukaan

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

bumi/atmosfer bawah relatif konstan (berada dalam kesetimbangan), dan dibuat

nyaman untuk menopang kehidupan.

Kerapatan gas-gas penyusun troposfer yang makin kecil dengan bertambahnya

ketinggian. Secara termodinamika perubahan kerapatan (ρ) tersebut akan

menyebabkan temperature menurun pada elevasi/altitude lebih tinggi. Penurunan

temperature lingkungan dengan bertambahnya altitude pada troposfer rata-rata

sebesar 6,5 0C/km. Fenomena perubahan temperature sebagai fungsi perubahan

ketinggian di atmosfer (altitude) tersebut dinamakan lapse rate. Topik ini akan

dibahas lebih jelas pada sub bab termodinamika atmosfer (lapse rate).

1.2.2. Stratosfer

Lapisan Stratosfer merupakan lapisan yang berada di atas troposfer. Kedua lapisan

ini dibatasi oleh lapisan batas, tropopause, merupakan kondisi perubahan lapse rate

(dari lapse rate negatif (troposfer) menuju lapse rate positif (stratosfer)). Ketebalan

stratosfer kira-kira 40 km (altitude 10-16 km sampai dengan sekitar 50 km). Lapisan

ini ditandai dengan naiknya temperatur lingkungan sebagai fungsi pertambahan

altitude. Fenomena ini disebabkan penyerapan spektrum ultra violet (UV) energi

yang lebih tinggi di bagian lebih atas, karena makin banyaknya molekul-molekul

poliatomik. Sedangkan di bagian lebih bawah, penyerapan spektrum UV lebih

rendah, sebanding dengan penurunan jumlah molekul poliatomik dan meningkatnya

molekul diatomic atau monoatomik. Secara termodinamika, molekul poliatomik

akan menyerap spektrum energi tinggi yang sesuai dan berpotensi meradiasikan

spektrum infra red (IR) lebih besar.

Lapisan stratosfer bagian atas didominasi oleh proses pembentukan ozon dengan

menyerap energi UV tinggi, dan meradiasikan IR tinggi. Sedangkan bagian bawah,

didominasi oleh proses pemecahan ozon dengan menyerap UV lebih rendah, dan

meradiasikan IR lebih rendah dibanding bagian atas. Secara termodinamika, IR

mempunyai panjang gelombang lebih pendek dibanding UV. Spektrum panjang

gelombang lebih panjang (energi rendah) akan menimbulkan efek panas, sedangkan

spektrum panjang gelombang lebih pendek (energi lebih tinggi) lebih menimbulkan

efek perubahan ikatan molekuler.

Desain penyerapan dan radiasi spektrum di lapisan stratosfer ini (dalam pngetahuan

manusia) ditujukan untuk melindungi permukaan bumi dari menerima radiasi UV

yang berlebihan. Seperti dijelaskan sebelumnya, spektrum yang diradiasikan

matahari sangat kompleks, dari paket energi sangat tinggi sampai paket energi

sangat rendah. Sehingga ada yang sangat diperlukan sebagai sumber energi di

kehidupan bumi, namun spektrum yang energinya tinggi tidak mampu diterima

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

sistem kehidupan di bumi. Dalam hal ini, Tuhan mendesain filter spektrum dengan

membuat atmosfer berlapis-lapis, sesuai dengan tugas dan fungsinya. Pada lapisan

stratosfer, fungsi ini diwakili oleh desain siklus pembentukan dan pemecahan ozon

dilapisan ozonosfer (stratosfer).

Siklus pembentukan dan pemecahan ozon memanfaatkan spektrum radiasi ultra

violet dengan panjang gelombang 185 – 240 nm dan 280 – 320 nm. Hal ini

dijelaskan oleh Crutzen Molina & Rowland (peraih nobel fo chemistry, 1995).

Dalam penjelasannya disebutkan, secara alamiah pembentukan ozon dan pemecahan

ozon terjadi secara alaiah dan merupakan siklus yang berkesetimbangan,

diperkirakan reaksinya sebagai berikut:

pembentukan ozon (O3) alamiah (menyerap UV λ » 185-240 nm)

O2 + hv 2 O

O + O2 O3

dan pemecahan ozon alamiah (menyerap UV λ » 280-320 nm)

O3 + hv O + O2

O + O3 2 O2

Dan lebih detail telah dijelaskan memalui “Chapman Reactions”, bahwa ozon

terbentuk melalui rekasi yang sama dengan di atas. Selanjutnya, ketika ozon yang

terbentuk menyerap UV, akan terjadi kesetimbangan reaksi pemecahan dan

pembentukan (Chapman 1930):

O3 + hv -> O2 + O (3)

O + O2 -> O3 (2)

atau ozon juga bisa mengalami pemecahan ketika bereaksi dengan O radikal, yang

berada di atmosfer, hasil reaksi pemecahan oksigen, seperti reaksi 1 di atas:

O + O3 -> O2 + O2 (4)

Pada reaksi-reaksi di atas, proses pembentukan ozon, makin lambat dengan

bertambahnya altitude, sementara proses pemecahan ozon makin cepat. Pada area

kesetimbangan pembentukan-pemecahan ozon, jumlah energi dan gas terlibat dalam

reaksi juga setimbang. Sehingga secara relatif jumlah ozon (O3), oksigen (O2) dan

oksigen radikal (O) dalam kondisi steady, diatur dengan kuantitas penyerapan

spektrum UV. Secara alamiah, jumlah elemen yang terlibat dalam reaksi ini

sebanding dengan jumlah UV energi menengah (185 nm – 320 nm) yang masuk ke

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

atmosfer. Dengan demikian tidak ada sisa spektrum UV energi menengah yang

signifikan untuk bisa terus sampai ke permukaan bumi.

1.2.3. Mesosfer

Lapisan mesosfer ditandai dengan penurunan suhu (temperatur) udara dengan

bertambahnya altitude (ketinggian dari permukaan bumi). Laju penurunan

temperatur tersebut dilaporkan rata-rata 0,4°C per seratus meter. Penurunan suhu

(temperatur) udara ini menandakan mesosfer memiliki kesetimbangan termal

negatif.

Temperatur tertinggi di mesosfer hampir mendekati -2 °C, di dekat stratopause.

Sedangkan di bagian paling atas mesosfer dekat dengan mesopause, yaitu lapisan

batas antara mesosfer dengan lapisan termosfer, temperaturnya diperkirakan

mencapai sekitar -92 °C. Di daerah mesosfer ini, kadang teramati sebagai daerah

dengan fenomena aurora. Ini terjadi karena proses ionisasi gas-gas yang

menyusunnya. Pada struktur atmosfer yang dijelaskan sebelumnya (lihat gambar 3),

mesosfer dan termosfer masuk dalam wilayah ionosfer. Pada wilayah ionosfer ini,

proses reaksi yang dominan adalah ionisasi karena gas-gas menerima radiasi

spektrum energi lengkap dari matahari. Spektrum energi tinggi ini yang sangat

berpengaruh pada orbital elektron setiap atom, sehingga terjadi proses-proses yang

berkaitan dengan ionisasi.

Diperkirakan perubahan temperatur pada mesosfer sebanding dengan jumlah ozone

yang menyerap UV panjang gelombang menengah (λ : 100 nm - 350 nm). Pada

lapisan mesosfer ini konsentrasi gas ozon makin berkurang tajam ketika altitude

makin tinggi, sehingga UV terserap juga makin sedikit. Sebagai akibatnya suhu

makin ke atas akan makin turun.

1.2.4. Termosfer

Lapisan ini merupakan tempat terjadinya ionisasi partikel-partikel yang dapat

memberikan efek pada perambatan/refleksi gelombang radio, baik gelombang

panjang maupun pendek. Disebut dengan termosfer karena terjadi kenaikan

temperatur (inversi) yang sangat tinggi pada lapisan ini. Temperatur pada lapisan

termosfer ini sangat tergantung pada aktifitas matahari (sunspots atau flares).

Karena kuatnya radiasi matahari (active sun), maka suhu di termosfer padal lapisan

paling atas sangat tinggi, mencapai sekitar 1700 0C . Namun pada aktivitas matahari

yang cukup rendah, seperti malam hari atau kondisi quiet sun, suhu termosfer

menjadi cukup rendah, sekitar 300 0C. Pengurangan altitude, menyebabkan

perubahan suhu termosfer menurun sangat besar. Perubahan ini terjadi karena

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

menurunnya serapan radiasi sinar ultra ungu terutama UV gelombang sangat

pendek (< 0.1 μm) oleh gas-gas penyusun termosfer.

Secara prinsip, radiasi UV sangat pendek dari spektrum matahari, diserap oleh

molekul-molekul gas dengan sangat baik sehingga memanaskan daerah ini. Pada

lapisan ini, molekul-molekul gas yang ada (seperti O2 akan bertindak sebagai emitter

IR) dan mengalami reaksi dissosiasi (fotolisis) dengan energi tinggi UV gelombang

pendek sehingga terjadi kelangkaan molekul poliatomik. Kelangkaan molekul

poliatomik ini menyebabkan emisi IR rendah, dan energi tetap tersimpan pada

molekul gas di region ini.

Pada bagian atas termosfer, radiasi UV pendek begitu kuat menyebabkan reaksi

kimia (ionisasi). Hasil rekasi ionisasi ini membentuk lapisan bermuatan listrik yang

dikenal dengan nama ionosfer. Lapisan ionosfer ini yang kemudian diketahui dapat

memantulkan gelombang radio dan menyebabkan atmosfer memiliki sifat-sifat yang

sangat penting.

Gambar 7

Kesetimbangan energi

di troposfer

1.3. Dinamika Atmosfer Bawah

Atmosfer bawah adalah atmosfer yang sebagian sifatnya dipengaruhi oleh aktifitas

yang ada di bumi. Bagian atmosfer termasuk dalam kajian ini adalah troposfer dan

stratosfer. Ketebalan troposfer bervariasi dengan perubahan latitude. Di atas equator

rata-rata ketinggian troposfer sekitar 18 km, sementara di atas kutub (utara/selatan)

ketebalan troposfer hanya sekitar 8 km. Ketebalan ini diukur dengan menentukan

ketinggian tropopause. Menurut kesepakatan WMO (world Meteorological

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

Orgaization), tropopause didefinisikan sebagai level terendah dimana laju

penurunan temperatur karena perubahan ketinggian (temperature lapse rate) menjadi

2 K/km atau kurang dan rata-rata lapse rate pada level ini dan 2 km berikutnya tidak

melebihi 2 K/km (Holton, et al. 1995). Dari pengukuran perubahan temperatur di

atmosfer ini, diketahui tropopause berada pada level ketinggian maksimum di atas

daerah tropis dan menurun hingga di atas kutub. Nama troposfer sendiri diberikan

olah ahli meteorologi Inggris, Sir Napier Shaw, diambilkan dari bahaya Yunani,

tropos, yang artinya perubahan atau pertukaran (turning). Troposfer merupakan

daerah turbulensi dan percampuran (mixing).

Dalam tinjauan cuaca, troposfer mengadung hampir semua uap air dan 80 % massa

udara yang ada di atmosfer. Dinamika troposfer ditentukan oleh pergerakan udara

baik vertikal dan horizontal, karena perbedaan tekanan dan suhu pada altitude dan

latitude yang berbeda. Dalam banyak kepentingan studi berkaitan dengan fenomena

yang terjadi, troposfer dibagi dalam dua lapisan, lapisan batas planetari (planetary

boundary layer) dan lapisan troposfer bebas (free troposphere). Lapisan batas

planetari membentang dari permukaan bumi sampai sekitar 1 km, dan troposfer

bebas dengan ketinggian lebih dari 1 km.

Ketika parcel (paket) udara bergerak vertikal, temperatur akan berubah sebagai

respon turunnya tekanan lokal. Suatu parcel udara akan mengalami ekspansi pada

tekanan yang lebih rendah, sehingga suhu parcel akan menjadi lebih rendah. Sebagai

gambaran, parcel udara yang ditransport dari permukaan menuju ketinggian 1 km

dapat mengalami penurunan temperatur 5 – 10 oC, tergantung pada kandungan air

yang dibawanya. Tekanan uap air (jumlah uap air stabil dalam parcel udara) sangat

tergantung pada temperatur. Ketika udara bergerak naik, temperatur turun, maka

tekanan uap air juga akan turun. Karena jumlah uap air yang terbawa dalam parcel

tetap, maka perbandingannya dengan jumlah uap stabil akan semakin besar.

Perbandingan ini dikenal dengan kelembaban relatif (relative humidity, RH) dalam

parcel. Sebagai hasilnya, pergerakan udara keatas beberapa ratus meter dapat

menyebabkan RH mencapai 100 %, dan selanjutnya menjadi superjenuh. Kondisi

ini ditandai dengan fenomena pembentukan awan (Seinfeld and Pandis 2006).

Pergerakan udara vertikal di atmosfer merupakan akibat dari (Seinfeld and Pandis

2006):

1. Konveksi dari pemanasan energi matahari pada permukaan bumi

2. Aliran konvergen atau divergen horisontal

3. aliran horisontal melewati roman topografi pada permukaan bumi

4. pelayangan atau pengapungan disebabkan oleh pelepasan panas laten ketika

air terkondensasi.

Hermana dan Assomadi, Atmosfer Sains dan Fenomena

Refferensi

Chapman, S. "A theory of upper-atmosphere ozone." Mem. Roy. Meteorological

Society, 1930.

Fenger, Jes, and Jens Christian Tjell, . Air Pollutan, from a Local to a Global

Perspective. 1st. RSC Publishing, Polyteknisk Forlag, 2009.

Holton, J.R, P.H. Haynes, M.E. McIntyre, A.R. Douglass, R.B. Rood, and L. Pfister.

"Strattosphere-troposphere exchange." Rev. Geophysics. vol 33, 1995: 403-439.

Manahan, Stanley E. The Atmosphere and Atmospheric Chemistry-Environmental

Chemistry. Boca Raton: CRC Press LLC, 2000.

Petty, Grant W. A First Course in Atmospheric Thermodynamics. 1st . Madison,

Wisconsin: Sundog Publisher, 2008.

Seinfeld, John H, and Spyros N Pandis. Atmospheric Chemistry and Physics, from

Air Pollution to Climate Change. 2nd edition vols. Hoboken, New Jersey: John

Wiley & Sons. Inc., 2006.

Trenberth, K.E, and L Smith. "The mass of the atmosphere: A constraint on global

Analysis." Journal of Climate vol 18, 2005: 864-875.