Aeorosol Atmosferik
5.1. Aspek General Pembentukan Awan dan Hujan
Banyak ragam jenis inti kondensasi yang berada dalam atmosfer. Beberapa menjadi berair (wetted) pada kelembapan relatif (RH) kurang dari 100% dan memberikan haze (kabur) yang menghalangi visibilitas. Inti kondensasi yang relatif besar, yang mungkin akan tumbuh menjadi ukuran tetes awan. Karena udara menjadi dingin dalam kenaikan adiabatik, maka kelembapan relatif mendekati 100%. Inti yang higroskopis kemudian bertindak sebagai pusat kondensasi. Jika kenaikan udara diteruskan, maka kelewat jenuh akan terjadi karena pendinginan.
Kelewat jenuh diartikan sebagai kelebihan kelembapan relatif di atas
nilai keseimbangannya (100%). Jadi udara dengan RH = 101,5% mempunyai kelewat jenuh 1,5%. Karena awan terus naik, maka
0
puncaknya menjadi dingin di bawah temperatur 0 C. Tetes-tetes air yang kelewat dingin di dalam awan mungkin membeku atau mungkin tidak, bergantung pada ada atau tidaknya inti pembeku (inti es). Untuk tetes air murni, pembekuan homogen tidak akan terjadi sampai temperatur sekitar
0
– 40 C tercapai. Tetapi jika inti yang sesuai terdapat, maka pembekuan
0
dapat terjadi hanya pada beberapa derajat di bawah temperatur 0 C. Awan adalah sekumpulan tetes yang mempunyai konsentrasi
3
berorde 100 per cm dan mempunyai jejari sekitar 10 m. Tetes hujan akan tumbuh jika populasi awan menjadi tidak stabil. Pertama tumbukan
langsung dan penangkapan tetes-tetes air. Kedua interaksi antara tetes air dan kristal es yang terbatas pada awan yang puncaknya di atas paras 0
0
C. Jika sebuah kristal es berada bersama sejumlah tetes air kelewat dingin, maka situasi menjadi tidak stabil. Keseimbangan tekanan uap di atas es lebih kecil daripada di atas air pada temperatur yang sama, karenanya kristal es tumbuh dengan difusi uap dan tetes menguap untuk mengimbanginya.
Partikel Jejari (r) Konsentrasi (n) per liter
Kecepatan jatuh terminal (v)
Inti kondensasi khusus Tetes awan khusus Tetes awan besar
Batas tetes awan dan hujan Tetes hujan khusus
0,1 m 10 m 50 m 100 m 1 mm 6 -1 10 6 -1 10 3 -1 10 – -1 1 -1 0,001 mm s -1 1 cm s -1 27 cm s -1 70 cm s -1 6,5 m s
Alih uap bergantung pada perbedaan keseimbangan tekanan uap
0
di atmosfer air dan es yang sangat efisien pada temperatur sekitar – 15 C. Sekali kristal es tumbuh lebih besar daripada tetes air, maka kristal es mulai jatuh relatif terhadap tetes air sehingga tumbukan mungkin terjadi. Jika tumbukan terjadi antara kristal es dengan kristal es lain, maka keping-keping salju (snowflakes) akan terjadi dan jika tetes-tetes air terkumpul, maka batu es mungkin terbentuk. Jika partikel jatuh melalui
0
paras 0 C, maka terjadi peleburan dan keluar dari dasar awan sebagai tetes hujan yang terbentuk dari koalisensi. Bila cuaca dingin, atau bila batu-batu es besar terjadi, maka partikel tersebut yang dalam perjalannya mencapai permukaan tanah mungkin tidak meleleh, dan akan tetap menjadi batu es hujan.
Tabel 5.1. Ukuran, konsentrasi dan kecepatan jatuh terminal komparatif
beberapa partikel dalam proses pembentukan awan.
Partikel-partikel yang menarik di dalam awan mempunyai jangka (range) yang besar mengenai ukuran, konsentrasi dan kecepatan jatuh.
Tabel 5.1, membandingkan sifat-sifat tersebut untuk beberapa partikel awan dan presipitasi. Perlu diperhatikan bahwa ada perbedaan yang besar antara ukuran inti kondensasi khusus dan sebuah tetes awan atau antara tetes awan dan tetes hujan.
Tinggi awan (dasar dan puncak awan) adalah jarak vertikal dari lokasi pengamatan sampai dengan ketinggian awan. Ketinggian awan diukur dari daerah pegunungan atau dari permukaan laut. Ketinggian awan adalah faktor penting untuk menentukan jenis awan. Pengamat melaporkan ketinggian awan biasanya dari permukaan laut, sehingga perlu adanya koreksi untuk data dari tempat-tempat lain.
Observasi menunjukkan bahwa tinggi awan bervariasi dari dekat permukaan laut sampai ketinggian 8 km di daerah kutub, 14 km di daerah lintang menengah dan 18 km di daerah tropis. Dengan perjanjian, ketinggian troposfer dimana awan terbentuk dibagi menjadi tiga lapisan yaitu lapisan tinggi, menengah, dan rendah. Lapisan-lapisan ini mempunyai beda ketinggian bergantung pada lintang geografis. Tabel 5.2, menunjukkan tinggi awan menurut lintang geografis, dan tabel 5.3, menunjukkan jenis presipitasi awan hujan.
Tabel 5.2. Tinggi awan berdasarkan lintang geografis.
Paras (level) Daerah Kutub Daerah Subtropis Daerah Tropis Tinggi Menengah Rendah 2 – 8 km 2 – 4 km 5 – 14 km 2 – 7 km 6 – 18 km 2 – 8 km dari permukaan sampai ketinggian 2 km
Tabel 5.3. Jenis presipitasi dari awan hujan.
0
Catatan: Salju terjadi di daerah yang mempunyai temperatur di bawah 0 C, misalnya dalam musim dingin
Tinggi dasar awan dapat dihitung dari beda antara temperaur permukaan dan temperatur titik embun. Jika udara dianggap bercampur secara sempurna dari permukaan tanah sampai dasar awan (terutama dalam hal Cumulus termal), maka tinggi dasar awan dapat ditentukan dari pertimbangan termodinamik. Temperatur udara yang naik akan menjadi dingin lebih cepat dari pada temperatur titik embunnya. Ketinggian paras kondensasi di atas permukaan dapat ditulis dengan ekspresi : (5.1) Keterangan : 0 T : temperatur permukaan ( F) 0
Td : temperatur titik embun ( F) Z : tinggi paras kondensasi (kaki)
T dan Td dapat diukur dengan psychrometer (termometer bola basah
Presipitasi Tipe Awan
As Ns Sc St Cu Cb Hujan lebat Hujan Gerimis Keping-keping salju Salju Batu es hujan – V – – V – – V – – V – – V – V V – – – V – V – V – – V V – V – – V V V
dan bola kering). Tinggi dasar awan adalah 100 – 200 kaki lebih tinggi daripada paras kondensasi yang dihitung.
Balon pandu (pilot) yang masuk ke awan dapat menentukan tinggi dasar awan. Balon ini mempunyai massa 8 – 10 gram dan naik
-1
dengan kecepatan antara 2,3 dan 2,5 ms (antara 460 dan 490 kaki per menit). Waktu yang diperlukan balon dari permukaan sampai dasar awan dicatat dan dikalikan dengan kecepatan naik balon menghasilkan ketinggian dasar awan:
Z = v . t (5.2) Keterangan :
v : kecepatan naik balon
t : waktu balon dari permukaan ke dasar awan
5.2. Genus Awan
Tiap genus (golongan utama) awan dibagi menjadi jenis awan, dan tiap jenis awan dibagi lagi menjadi varitas awan. Awan dapat digolongkan menjadi sepuluh genus yaitu Cirrus (Ci), Cirrocumulus (Cc), Cirrostratus (Cs), Altocumulus (Ac), Altostratus (As), Nimbostratus (Ns), Stratocumulus (Sc), Stratus (St), Cumulus (Cu), dan Cumulonimbus (Cb), Cirrus (Ci) didefinisikan sebagai awan yang tampak tersusun dari serat lembut dan halus, berwarna putih mengkilap seperti sutra. Di langit, Ci tampak seperti kumpulan serat halus yang jaraknya relatif jarang atau yang jaraknya rapat. Genus awan Ci mempunyai jenis awan : fibratus,
unsinus dan spisatus. Cirrus terdiri dari kristal-kristal es. Awan Ci
tumbuh berkembang dari kristal es yang jatuh dari Cirrocumulus, atau dari bagian Cumulonimbus, atau dari penguapan bagian yang tipis dari Cirrostratus, lihat foto 1.
Cirrocumulus (Cc) adalah lapisan awan yang tampak terdiri dari
unsur sangat kecil menyerupai butir padi-padian yang berwarna putih. Masing-masing unsur dapat saling bersambung atau terpisah. Genus awan Cc mempunyai jenis awan : lentikularis dan undulatus. Cc hampir seluruhnya terdiri dari kristal es. Mungkin ada tetes sangat kelewat dingin tetapi biasanya segera menjadi kristal es. Cc dapat terbentuk dalam udara cerah, atau dari Cirrus dan Cirrostratus. Jenis lentikularis (Cc berbentuk lensa) dapat terbentuk karena pengangkatan orografik lokal dari udara lembap; lihat foto 2.
Cirrostratus (Cs) adalah awan yang tampak seperti tirai kelembu
halus keputih-putihan yang menghasilkan gejala halo yaitu gejala optis yang tampak seperti lingkaran yang mengelilingi matahari atau bulan. Halo disebabkan oleh refraksi dan refleksi cahaya dari kristal es di atmosfer. Genus awan Cs mempunyai jenis awan : fibratus dan
nebulosus. Cs terutama terdiri dari kristal es. Cs dapat terbentuk dari
Cirrus atau Cirrocumulus yang membentang, dapat juga Cs terbentuk dari kristal es yang jatuh dari Cumulonimbus, lihat foto 3.
Altocumulus (Ac) adalah lapisan awan berwarna putih atau
kelabu, terdiri dari unsur-unsur berbentuk bulatan pipih. Jenis awan Ac adalah Stratiformis dan lentikularis. Ac terutama terdiri dari tetes air, tetapi pada temperatur sangat rendah dapat berbentuk kristal es. Ac terbentuk karena adanya turbulensi atau konveksi di lapisan atmosfer menengah. Dapat pula Ac terbentuk dari Cirrocumulus yang menebal dan dari transformasi Stratocumulus, Altostratus dan Nimbostratus, atau terbentuk dari pembentangan awan Cumulus dan Cumulonimbus. Dalam bentuk lensa (lentikularis), Ac terbentuk karena efek orografik lokal udara lembap, lihat foto 4.
Altostratus (As) adalah lapisan awan yang tampak berserat,
berwarna keabu-abuan atau kebiru-biruan menutupi sebagian atau seluruh langit. As menyerupai Cirrostratus yang tebal, tetapi tidak menimbulkan halo. As tidak mempunyai jenis awan. As dapat berbentuk awan tipis sehingga matahari dan bulan yang berada dibaliknya kelihatan samar-samar seperti berada dibelakang kaca buram, dapat pula berbentuk awan sangat tebal dan gelap, sehingga matahari dan bulan yang berada dibaliknya tidak terlihat. As terdiri dari tetes air dan kristal es. As mengandung tetes hujan yang dapat menimbulkan gejala virga yaitu hujan yang tidak sampai ke permukaan bumi karena tetes-tetes hujan yang jatuh menguap di atmosfer. As dapat terbentuk dari Cirrostratus yang menebal, kadang-kadang dari Nimbostratus yang menipis. Dapat pula As terbentuk dari lapisan Altocumulus yaitu dari kristal es yang jatuh dari Altocumulus, oleh pembentangan bagian tengah atau atas Cumulonimbus, lihat foto 5.
Ninbostratus (Ns) adalah lapisan awan yang luas berwarna
kelabu tua. Ns cukup tebal sehingga matahari yang berada dibaliknya tidak terlihat. Ns tidak mempunyai jenis awan. Ns terdiri dari tetes awan dan hujan. Curah hujan dapat mencapai permukaan atau berbentuk virga. Curah hujan yang terjadi adalah hujan kontinu (terus menerus). Ns terbentuk dari pembentangan Cumulus besar atau Cumulonimbus. Ns dapat pula terbentuk dari Altostratus yang menebal, kadang-kadang dari Stratocumulus atau Altocumulus, lihat foto 6.
Stratocumulus (Sc) adalah lapisan awan yang terdiri dari unsur
berbentuk bulatan pipih atau bulatan panjang pipih berwarna kelabu. Langit yang seluruhnya tertutup Sc tampak berombak. Jenis awan Sc
adalah stratiformis, lentikularis dan undulatus. Sc dapat berbentuk sangat tipis sehingga matahari yang berada dibaliknya dapat terlihat, dan dapat berbentuk sangat tebal sehingga matahari yang berada dibaliknya tidak terlihat sama sekali. Sc terdiri dari tetes awan, kadang-kadang tetes hujan yang menghasilkan hujan dengan intensitas kecil. Sc dapat dihasilkan dari Altocumulus yang bertambah besar ukuran unsurnya. Sc dapat pula terbentuk dari pembentangan bagian tengah dan atas awan Cumulus atau Cumulonimbus, lihat foto 7.
Stratus (St) adalah awan rendah tetapi tidak menyentuh
permukaan bumi dan umumnya berwarna kelabu. Jenis awan St adalah
nebulosus, fraktus. Dasar awan St sering sangat rendah sehingga
menutupi puncak lereng gunung disebut kabut gunung (atau kabut bukit) atau menyentuh permukaan bumi disebut kabut. Matahari yang berada dibaliknya tidak terlihat jika St tebal, tetapi matahari dapat terlihat jika St tipis. St terdiri dari butiran awan atau tetes awan kecil dan tidak menimbulkan halo. St yang tebal terdiri dari tetes hujan yang dapat menghasilkan gerimis. St terbentuk oleh pendinginan atmosfer bawah atau oleh tetes-tetes hujan yang jatuh dari awan Altostratus, Nimbostratus, Cumulus atau Cumulonimbus. Gerimis adalah hujan yang terdiri dari tetes air yang mempunyai diameter lebih kecil 0,5 mm, lihat foto 8.
Cumulus (Cu) adalah awan yang tampak mampat dan berbentuk
gumpalan yang menjulang. Bagian atasnya terdiri dari tonjolan-tonjolan seperti bunga kol dengan garis batas tajam atau tegas. Dasar awannya horisontal, biasanya berwarna kelabu. Bagian awan yang kena matahari berwarna putih cemerlang. Jika matahari berada dibalik awan, maka awan tampak gelap dengan pinggirnya bercahaya. Jenis awan Cu adalah
humilis, congestus, mediokris, dan fraktus. Cu terutama terdiri dari
tetes air. Kristal es dapat terjadi pada bagian awan yang temperaturnya di
0
bawah 0 C. Jika ukuran vertikal awan Cu besar, maka Cu dapat menghasilkan hujan lebat tiba-tiba dengan durasi sekitar satu jam. Cu tumbuh dalam arus konveksi akibat pemanasan permukaan bumi oleh radiasi matahari, lihat foto 9 dan 10.
Cumulonimbus (Cb) adalah awan yang tampak mampat dan
berat, menjulang sangat tinggi berbentuk gumpalan besar. Dalam pertumbuhannya yang berasal dari Cu, maka Cb mulai kehilangan tonjolan dan ketajaman garis batas pada puncaknya. Cumulonimbus mempunyai jenis awan kalvus, kapilatus dan bentuk tambahan
presipitasio. Cb terdiri dari tetes awan dan bagian atasnya terdapat kristal
es. Cb juga mengandung tetes hujan besar. Awan Cb dapat menghasilkan hujan deras tiba-tiba yang disertai dengan batu es, kilat dan guruh. Nama Cumulonimbus diberikan jika paling sedikit sebagian dari bagian atas awan tampak tidak tegas atau tampak berserat. Jika ciri ini tidak terlihat, maka ciri lain dari awan Cb adalah batu es dan petir, lihat foto 11 dan 12.
Gambar 5.1a. Foto genus awan: 1. Cirrus, dan 2. Cirrocumulus, 3. Cirrostratus, 4.
Altocumulus, 5. Altostratus, dan 6. Nimbostratus.
1 3 5 2 4 6
Gambar 5.1b. Lanjutan foto genus awan : 7. Stratocumulus, 8. Stratus kabut gunung,
9. Cumulus humilis, 10. Cumulus fraktus, 11. Cumulonimbus kapilatus, dan 12.Cumulonimbus presipitasio.
1 3 5 2 4 6