Atmosfer

Atmosfer terisi partikel-partikel halus dari tiga kelompok bahan yakni gas (udara kering dan uap air), cairan (butir-butir air atau awan) dan aerosol (bahan padatan, ex. Debu).  Bahan-bahan tersebut memiliki ukuran massa yang berbeda dan tersebar pada berbagai ketinggian yang membentuk susunan yang mirip pengendapan di atmosfer.  Partikel yang ringan berada di atas yang berat sehingga semakin mendekati permukaan bumi kerapatan partikel di atmosfer meningkat.

Proses pendinginan dan pemanasan permukaan bumi berubah menurut waktu dan tempat sehingga keadaan keadaan atmosfer pun akan berubah secara demikian.  Akibatnya, tekanan dan kerapatan serta ketebalan lapisan atmosfer berbeda-beda antara siang dan malam, musim dingin dan musim panas, di atas benua dan di atas lautan serta antara daerah lintang tinggi dan lintang rendah.

Udara kering

Udara kering (gas tanpa air dan aerosol) mencakup 96% dari volume atmosfer, yang terdiri dari dua kelompok yaitu kelompok gas utama yang meliputi 99,99 % volume udara kering dan sisanya 0,01 % berupa kelompok gas penyerta.  Sebagian dari gas penyerta bersifat permanen karena tidak mudah mengurai.  Sebagian dari gas penyerta bersifat permanen karena mudah bereaksi dengan gas lainnya.

Tabel 1.  Komponen normal udara kering

Kelompok	Nama Gas	Lambang Kimia	Konsentrasi	Berat molekul
A.      Gas Utama	Nitrogen	N2	78,08 %	28,02
	Oksigen	O2	20,94 %	32,00
	Argon	Ar	0,93 %	39,88
	Karbon dioksida	CO2	0,03 % (bervariasi)	44,00
B.       Gas Penyerta
1.        Gas Permanen	Neon	Ne	18,00 ppm	20,18
	Helium	He	5,20 ppm	4,06
	Krypton	Kr	1,10 ppm	-
	Xenon	Xe	0,086 ppm	-
	Hydrogen	H2	0,52 ppm	2,02
	Nitrous oksida	N­2O	0,25 ppm	-
2.        Gas tidak permanen (reaktif)
	Karbon Monoksida	CO	0,1 ppm	-
	Methane	CH4	1,4 ppm	-
	Hydro carbon	HC	0,02 ppm	-
	Nitric Oksida	NO	(0,2 – 2,0) x 10-3 ppm	-
	Nitrogen dioksida	NO2	(0,5 – 4,0) x 10-3 ppm	-
	Amoniak	NH3	(6,0 – 20) x 10 -3 ppm	-
	Sulfur dioksida	SO2	(0,03 – 1,2) x 10-3 ppm	-
	Ozone	O3	(0,0 – 05) ppm	48,00

Sumber : Straus & Meinwaring (1984)

            Secara umum atau sebagian besar gas atmosfer hanya mengalami percampuran secara mekanik dan sangat jarang yang mengalami reaksi kimia.  Perincian susunan bahan atmosfer dapat dilihat pada tabel 1 di atas.

Uap Air

            Kandungan uap air di atmosfer mudah berubah menurut arah (horizontal & vertical) maupun menurut waktu.  Di daerah subtropika atau daerah temperate kandungannya bervariasi dari 0 pada saat angin kering bertiup hingga 3 % dari volume atmosfer pada saat angin laut bertiup pada musim panas (summer).  Di atas wilayah tropika kandungan uap air di atmosfer merupakan nilai tertinggi di dunia yakni sekitar 4 % dari volume atmosfer 3%  dari massa atmofer.

Tabel 2.  Susunan 3 (tiga) macam gas utama pada berbagai kandungan uap air

Uap air	Nitrogen (N2)	Oksigen (O2)	Argon (Ar)
----------dalam % volume atmosfer----------
0	78,08	20,95	0,93
1	77,30	20,74	0,92
2	76,52	20,50	0,91
3	75,52	20,30	0,90
4	74,96	20,11	0,89

            Adanya uap air akan mengubah komposisi atmosfer.  Perubahan kandungan uap air (kelembaban udara) mudah terjadi.  Kelembaban tinggi dapat mengurangi presentase tiga macam gas utama lainnya (tabel 2).

            Tabel 2. Terlihat besarnya pengaruh kadar uap air terhadap perubahan kadar gas utama.  Disamping itu, perubahan kelembaban udara menimbulkan perubahan unsure-unsur cuaca lainnya, seperti terbentuknya awan dan hujan.

            Di atmosfer, uap air terdapat pada lapisan troposfer yang merupakan lapisan terbawah atmosfer.  Lapisan ini mencakup 8 km di kutub dan 16 km di ekuator, atau rata-rata 12 km.  Jumlah uap air selalu berubah karena terjadinya penguapan dan kondensasi secara terus menerus.  Sumber uap air utama adalah lautan.  Hasil kondensasi berupa awan merupakan sumber berbagai peristiwa seperti hujan, hujan es, salju dan badai dengan berbagai macam akibatnya.

Aerosol

            Berbagai partikel halus dari bahan padat di bumi sebagian terangkat ke atmosfer dan membentuk aerosol.  Bahan tersebut diantaranya adalah garam laut, debu, abu, asap dan mikro organism (virus, bakteri, spora).  Komposisi normal aerosol di atmosfer terdiri dari :

Ø  Debu               : 20 % (terutama daerah kering)

Ø  Kristal garam   : 40 % (pecahan ombak lautan)

Ø  Abu                 : 10 % (dari gunung berapi, pembakaran)

Ø  Asap                : 5 % (dari cerobong pabrik, pembakaran)

Ø  Lain-lain          : 25 % (mikro organisme)

Ketinggian jelajah aerosol dan periode keberadaanya di atmosfer tergantung pada massanya, pemanasan dan pendinginan di permukaan bumi serta angin.

Struktur Lapisan Atmosfer

            Sebagian besar bahan pengisi atmosfer adalah gas yang mudah mampat dan mengembang.  Medan gravitasi bumi cenderung menarik seluruh bahan atmosfer ke permukaan bumi.  Akibatnya, kerapatan partikel atmosfer meningkat dengan makin berkurangnya ketinggian.  Massa dan tekanannya pun meningkat semakin dekat dengan permukaan bumi.  Karena bagian terbesar bahan pengisi atmosfer berada di bagian bawah, maka perubahan massa atmosfer terhadap ketinggian pada bagian bawah relative cepat.  Atmosfer setinggi 5,5 – 5,6 km telah mencakup 50% dari massa total dan pada ketinggian 40 km telah tercakup 99,99%.

            Batas bawah atmosfer relative mudah ditentukan berdasarkan ketinggian dari permukaan laut.  Sedangkan puncaknya sulit diketahui karena disamping besarnya keragaman ukuran dan massa partikel, terdapat pula keragaman suhu permukaan bumi dan kekuatan angin yang mempengaruhi pengangkutan bahan.

            Pelapisan atmosfer juga dapat digambarkan dengan perubahan tekanan udara pada berbagai ketinggian, dinyatakan dalam persen (%) terhadap tekanan udara normal di permukaan bumi.

            Tabel perubahan tekanan udara terhadap ketinggian dinyatakan dengan persentase tekanan udara normal pada permukaan laut.

Ketinggian (km dpl)	Tekanan udara (%)
0	100
5,6	50
16,2	10
31,2	1
48,1	0,10
65,1	0,01
79,2	0,001
100	0,00003

Sumber : Tarbuck dan Lulgens (1979)

            Perubahan suhu udara di atmosfer secara vertical (menurut ketinggian) berbeda-beda yang dapat dikelompokkan tiga hal.  Perubahan suhu (dT) terhadap ketinggian (dz) dinyatakan oleh dT/dz. 

Ø  dT/dz > 0 suhu naik, dengan bertambahnya ketinggian.  Hal ini disebut Inversi suhu

Ø  dT/dz = 0 suhu tetap walaupun ketinggian berubah.  Hal ini disebut isoternal

Ø  dT/dz < 0 suhu udara turun dengan bertambahnya ketinggian disebut lapse rate.

Sedangkan berdasarkan sifat perubahan suhu menurut ketinggian dari bawah ke atas, terdapat empat lapisan utama atmosfer sebagai berikut :

a.       Troposfer dengan puncaknya tropopause

b.      Stratofer dengan puncaknya stratopause

c.       Mesosfer dengan puncaknya mesopause

d.      Termosfer.

a.      Troposfer

Beberapa ciri khas dari lapisan bawah atmosfer ini diantaranya adalah :

1.      Terdapat pada ketinggian mulai dari permukaan laut hingga ketinggian 8 km di daerah kutub dan 16 km di ekuator.  Rata-rata ketinggian puncak troposfer seluruh dunia adalah 12 km

2.      Satu-satunya lapisan atmosfer yang mengandung air (air, uap, maupun es) dan berlangsung evaporasi dan kondensasi

3.      Ruang terjadinya sirkulasi dan turbulensi seluruh bahan atmosfer sehingga menjadi satu-satunya lapisan yang mengalami pembentukan dan perubahan cuaca seperti angin, awan, prepitasi, badai, kilat dan Guntur

4.      Kecepatan angin bertambah dengan naiknya ketinggian dan di troposfer ini pemindahan energy berlangsung.  Radiasi surya menyebabkan pemanasan permukaan bumi yang selanjutnya panas tersebut diserap oleh air untuk berubah menjadi uap.  Oleh proses evaporasi, energy panas diangkat oleh uap ke lapisan atas yang lebih tinggi berupa panas laten.  Setelah terjadi pendinginan akhirnya berlangsung proses kondensasi, uap air berubah menjadi titik-titik air pembentuk awan, sedangkan panas latennya dilepas memasuki atmosfer dan menaikkan suhunya

5.      Pada lapisan ini suhu udara turun dengan bertambahnya ketinggian (dT/dz < 0) atau pada keadaan lapse rate.  Rata-rata lapse rate seluruh dunia pada keadaan normal adalah -6,5 K setiap kenaikan ketinggian 1 km

6.      Pada atmosfer normal, suhu troposfer berubah dari 15⁰ C pada permukaan laut menjadi – 60 ^oC di puncak troposfer.  Tekanan dan kerapatan udara di permukaan laut masing-masing adalah 1013,2 mb dan 1,23 kg m^-3.

Gejala lapse rate berhenti pada ketinggian 8 km di atas kutub dan sekitar 16 km di atas ekuator.  Ketinggian tersebut disebut tropopause, yakni lapisan ketinggian atmosfer dengan dT/dz = 0.  Pada lapisan ini turbulensi udara tidak terjadi.

b.      Stratosfer

Beberapa ciri khas lapisan ini adalah sebagai berikut :

1.      Lapisan ini merupakan lapisan kedua dari bawah setelah troposfer

2.      Kisaran ketinggiannya antara 12 – 50 km di atas permukaan laut

3.      Terdiri dari 3 wilayah yaitu :

·         Stratosfer bawah ketinggiannya 12 – 20 km daerah isotermis

·         Stratosfer tengah ketinggiannya 20 – 25 km daerah inverse suhu

·         Stratosfer atas ketinggiannya 30 – 50 km daerah inverse suhu yang kuat.

4.      Lapisan ini tidak mengalami turbulensi maupun sirkulasi

5.      Stratosfer merupakan lapisan atmosfer utama yang mengandung gas ozon.

Kadar ozon di atmosfer sangat kecil yakni hanya 6 x 10^-7 volume total atmosfer tetapi perantaranya sangat besar untuk melindungi bumi dari radiasi ultra violet yang berlebihan.  Radiasi ultra violet (uv) yang tinggi berbahaya bagi makhluk hidup, misalnya dapat menyebabkan kanker kulit pada manusia.  Gas ozon tersebar dalam wilayah ketinggian 12 – 50 km.  Sifatnya labil, mudah terurai kembali secara mekanis melalui tumbukan dengan partikel lainnya, maupun terurai melalui reaksi fotokimia oleh radiasi uv yang mempunyai kerapatan fluks yang tinggi.  Proses pembentukan dan pengurainya mencapai kesetimbangan hingga membentuk lapisan ozon.  Prosesnya sebagai berikut :

1.      Penguraian molekul O₂ menjadi O

Pada ketinggian 80 – 100 km karapatan molekul gas telah sangat rendah sehingga radiasi uv  masih sangat instensif.  Oksigen (O₂) menyerap radiasi berenergi tinggi pada spectrum uv, dan akan mengalami penguraian menjadi 2 (dua) atom O.

O₂ à O + O

Sebagian atom O hasil penguraian turun ke lapisan yang lebih rendah hingga ketinggian 30 – 60 km, berada bersama-sama molekul O­₂ dan O₃

2.      Pembentukan ozon

Pada lapisan stratosfer berlangsung proses pembentukan dan penguraian ozon sebagai berikut :

O₂ + O + M à O₃ + M

M adalah factor kesetimbangan dan momentum.  Sebagian O₃ yang terbentuk bertumbukan dengan atom O dan membentuk dua molekul O₂ sebagai berikut :

O₃ + O + M à O₂ + O₂ + M

Sebagian O₃ lainnya memperoleh radiasi uv secara berlebihan sehingga mengurai kembali menjadi O₃ à O₂ + O

3.      Pengendapan ozon di atmosfer

Neraca pembentukan dan penguraian ozon di lapisan stratosfer hasilnya masih positif, yakni O₃ yang terbentuk masih jauh lebih banyak daripada yang terurai kembali.  Gas O₃ neto yang terbentuk selanjutnya mengendap ke lapisan yang lebih rendah pada ketinggian antara 15 – 35 km.  Garis kesetimbangan antara pembentukan dan penguraian ozon berada pada ketinggian 40 km.

Konsentrasi gas O₃ tertinggi berada antara ketinggian 20 – 30 km yang disebut lapisan ozonosfer.  Titik puncak konsentrasi gas tersebut adalah 0,2 ppm pada ketinggian 22,5 km.  Molekul O₃ ini sulit menembus lapisan yang lebih rendah tanpa mengalami penguraian, karena kerapatan molekulnya terlalu tinggi.  Demikian pula sulit untuk naik ke lapisan yang lebih tinggi tanpa mengurai karena tingginya radiasi uv.

Pada kadar alamiah yang utuh (tidak terganggu) volume gas ozon di atmosfer akan mantap dan lestari pada kadar optimumnya.  Proses penguraian dan pembentukan serta kadar cadangan gas ozon di atmosfer berfungsi sebagai pelindung bumi dari radiasi uv yang berlebihan.  Penggunaan bahan-bahan berpartikel halus dan ringan misalnya Chloro Fluoro Carbon (CFC₁₁,CFC₁₂) serta NO_x yang dapat mencapai lapisan ozonosfer dapat mengakibatkan gangguan terhadap kesetimbangan neraca tersebut.  Hal ini dapat mengakibatkan konsentrasi O₃ di atmosfer akan berkurang sehingga daya serap atmosfer terhadap radiasi uv  di permukaan bumi.  Hal tersebut dapat menyebabkan malapetaka bagi kehidupan makhluk hidup.

Betapa tipisnya ozon di atmosfer yang seandainya dapat dimampatkan maka tebal tipisan ozonosfer hanya sekitar 2 – 3 mm.  Walaupun demikian terjadinya proses pembentukan dan penguraian O₃ ternyata menyebabkan terjadinya proses sirkulasi udara pada lapisan atmosfer tinggi.  Demikian pula sebagian besar radiasi uv akan diintersepsi, sehingga yang diteruskan ke lapisan bawah menjadi berkurang.  Tanpa penyerapan oleh ozon kekuatan radiasi surya yang mencapai permukaan bumi akan meningkat hingga 50 x lipat.  Penyerapan spectrum uv oleh ozon pada ketinggian 15 sampai 35 km menyebabkan lapisan tersebut menjadi lebih hangat.

Kadar ozon di atmosfer berubah menurut waktu dan tempat.  Perbedaan antara lintang serta perubahan antar bulan dari kadar ozon di belahan bumi utara.  Konsentrasi ozon tertinggi terletak di daerah kutub utara dan pada musim dingin (winter) antara bulan Februari – Maret, yakni 450 x 10^-3 cm atau lebih.  Beberapa kesimpulan lainnya adalah :

1.      Semakin menjauhi kutub utara, kadar ozon berkurang

2.      Kadar ozon tertinggi di ekuator pada bulan Juni saat matahari berada di sekitar kedudukan deklinasi maksimum utara (23,5 ^oLU).  Konsentrasi ozon pada periode tersebut 240 x 10^-3 cm atau berkisar 53 % kadar ozon maksimum di kutub utara

3.      Semakin mendekat musim dingin kadar ozon meningkat.

c.       Mesosfer

            Lapisan atsmosfer ketiga dari bawah memiliki beberapa ciri khas sebagai berikut :

1.      Ketinggian 50 – 80 km

2.      Perubahan suhu terhadap ketinggian (dT/dz) adalah lapse rate

3.      Suhu udara sekitar -5^o C pada dasar lapisan hingga – 95 ^oC pada puncaknya

4.      Tidak mengalami turbulensi/sirkulasi udara

5.      Merupakan daerah penguraian O_2­ menjadi atom O

6.      Batas atasnya adalah lapisan mesopause dengan perubahan suhu terhadap ketinggian mulai bersipat isothermal.

d.      Termosfer

            Lapisan teratas atmosfer ini ditandai oleh beberapa ciri sebagai berikut :

1.      Ketinggian lapisan mulai sekitar 80 km hingga batas  yang sulit ditentukan karena sangat jarangnya partikel gas yang mencapai lapisan.  Sebagian ilmuwan menyatakan puncaknya mencapai 100 km tetapi ada yang menyatakan 250 km

2.      Lapisan ini terisi molekul dan atom N₂, O₂, N dan O

3.      Sifat perubahan suhu terhadap ketinggian adalah inverse suhu

4.      Kisaran suhu dari – 95 ^oC pada 80 km hingga – 50 ^oC pada ketinggian 100 km, dan -38 ^oC pada ketinggian 110 km

5.      Lapisan tempat berlangsungnya proses ionisasi gas N_2­ dan O₂, sehingga lapisan termosfer sering disebut lapisan ionosfer.  Di atas ketinggian 100 km, pengaruh radiasi uv dan sinar X makin kuat.

Pustaka : Handoko.  1993.  Klimatologi Dasar (Landasan pemahaman fisika atmosfer dan unsur-unsur iklim. PT Dunia Pustaka Jaya ; Jakarta.