Pendahuluan
Planet lain, seperti juga Bumi, biasanya mempunyai atmosfer, ada yang tebal ada yang tipis. Ada juga planet yang berukuran kecil tidak mempunyai atmosfir karena gravitasi planetnya tidak cukup kuat mempertahankan gas untuk tidak lepas dari dekat permukaannya. Keberadaan atmosfir juga bergantung pada temperatur rata-rata diatas permukaan planet dan juga sumber gas. Planet yang dekat dengan Matahari, mendapat penyinaran yang kuat dari Matahari sehingga temperatur permukaannya bisa menjadi sangat tinggi. Menurut teori kinetik gas, semakin tinggi temperatur suatu gas, semakin tinggi pula laju rata-rata partikel gas itu. Hal itu dinyatakan oleh rumus berikut:
m
kT
v
rms 3
(7.1)
Dengan k adalah konstanta Boltzmann, T adalah temperatur gas dan m adalah massa satu partikel gas. Temperatur gas di atmosfer planet dipengaruhi terutama oleh temperatur permukaan planet itu. Temperatur rata-rata permukaan planet ditentukan oleh banyak faktor seperti albedo
Materi : Fluida statik, teori kinetik gas, pemanasan global global
Kelas X, XI Kompetensi Dasar:
X.3.7 Menerapkan hukum-hukum pada fluida statik dalam kehidupan sehari-hari XI.3.8 Memahami teori kinetik gas dalam menjelaskan karakteristik gas pada ruang tertutup
XI.3.9 Menganalisis gejala pemanasan global dan dampaknya bagi kehidupan dan lingkungan
XI.4.8 Menyajikan ide/gagasan pemecahan masalah gejala pemanasan global dan dampaknya bagi kehidupan dan lingkungan
88 ATMOSFER PLANET (A = kemampuan untuk memantulkan cahaya) planet, temperatur bagian dalam planet dan lain-lain. Tetapi faktor yang paling besar pengaruhnya adalah temperatur permukaan Matahari dan jarak planet tersebut dari Matahari. Jika temperatur Matahari adalah T* radiusnya R dan jarak planet
d, maka fluks energi radiasi matahari yang sampai di sekitar planet:
4 * 2 2 4 * 2
4
4
T
d
R
d
T
R
f
(7.2)Jika radius planet adalah Rp dan albedonya A, energi matahari yang diserap planet :
f
A
R
E
serap
p2(1 )
(7.3)Jika planet dapat dianggap sebagai benda hitam sempurna, maka energi yang dipancarkannya adalah :
4 2
4
p prad
R T
E
(7.4)Karena temperatur rata-rata planet tidak berubah dari waktu ke waktu, energi yang diserap harus sama dengan yang dipancarkan, maka dapat diperoleh temperatur rata-rata planet :
4 2 2 *
4
)
1
(
d
R
A
T
T
p
(7.5)Tentunya tidak semua partikel gas yang bertemperatur Tp itu mempunyai laju seperti pada rumus diatas, ada yang lajunya lebih rendah ada yang lebih tinggi, distribusi laju itu mengikuti distribusi Maxwell - Boltzmann. Makin jauh laju partikel dari laju vrms itu makin sedikit jumlahnya. Semakin tinggi temperatur, atmosfir semakin banyak partikel gas yang mempunyai laju tinggi. Di suatu planet, semakin tinggi temperatur rata-rata atmosfer, semakin banyak partikel yang mempunyai kecepatan melebihi laju lepas
vesc.
r
GM
v
esc 2
(7.6)
Dengan G adalah konstanta gravitasi, M adalah massa planet dan r adalah radius planet. Kecepatan lepas adalah kecepatan minimum yang diperlukan suatu suatu benda atau partikel untuk bisa lepas dari ikatan gravitasi, menjadi partikel bebas. Diperkirakan di atmosfer sebuah planet akan makin lama makin tipis apabila :
ATMOSFER PLANET 89 esc rms
6
1
v
v
(7.7) Dengan demikian dapatlah dimengerti mengapa atmosfir planet Merkurius sangat tipis, pertama karena massanya planet itu kecil, kedua sangat dekat dengan Matahari sehingga temperatur rata-rata permukaannya tinggi. Sementara itu pada planet-planet raksasa seperti Jupiter, Saturnus dan lain-lain temperaturnya tidak terlalu tinggi karena jauh dari Matahari. Lagi pula massa planet sangat besar sehingga gas di atmosfir planet-planet itu mengalami gaya gravitasi yang besar. Itu sebabnya atmosfir planet-planet besar itu sangat tebal, unsur-unsur ringan bisa bertahan berada di atmosfir. Sebagian besar atmosfir planet-planet besar itu adalah hidrogen. Darimana datangnya hidrogen itu? Hidrogen itu adalah sisa pembentukan Tata Surya di masa lalu. Ketika Matahari dan anggota Tata Surya lain masih berupa gas, komposisi terbesar gas itu adalah hidrogen. Pada planet-planet yang dekat dengan Matahari gas hidrogen tidak dapat bertahan di atmosfirnya karena temperatur yang tinggi dan gravitasi yang lebih lemah. Di Bumi, hidrogen dapat merupakan sumber energi yang ramah lingkungan, karena hasil pembakaran hidrogen adalah air. Dengan fuel cell kita dapat langsung membangkitkan listrik dari gas hidrogen dan oksigen. Atmosfir planet raksasa umumnya lebih dari 90% komposisi kimianya adalah hidrogen, maka atmosfir planet-planet raksasa itu adalah sumber energi yang luar biasa besarnya, yang mungkin dapat dimanfaatkan di masa depan.Contoh Soal
Apakah molekul oksigen dan hidrogen di atmosfir Bumi akan makin lama makin tipis karena molekul oksigen itu sedikit demi sedikit lepas dari atmosfir ?
Jawab :
Temperatur rata-rata atmofir Bumi adalah 287 K, massa molekul oksigen (O2) 5,32 × 10-26 kg, massa molekul hidrogen (H2) 3,32 × 10-27 kg, konstanta Boltzmann 1,38 × 10-23 JK-1, massa Bumi 5,97× 1024 kg, radius Bumi 6378 km. Di atmosfir Bumi molekul oksigen relatif kekal sedangkan hidrogen akan semakin menipis karena lepas ke luar angkasa, hal ini ditunjukkan dengan perhitungan berikut:
90 ATMOSFER PLANET Planet Venus dan Pemanasan Global
Jika kita tinjau planet Venus dan membandingkannya dengan Bumi akan terasa ganjil, karena Venus mempunyai atmosfir yang lebih tebal daripada Bumi, yang tercermin dari tekanan udaranya yang sangat tinggi, hingga lebih dari 90 kali tekanan atmosfir Bumi, padahal Venus lebih kecil dan lebih dekat ke Matahari dibandingkan dengan Bumi. Atmosfir Venus didominasi oleh CO2. Apakah gas CO2 Venus mudah lepas dari atmosfirnya? Kecepatan lepas Venus :
m/s
10359
2
r
GM
v
esc Kecepatan CO2 :m/s
671
3
m
kT
v
rmsNilai ini masih lebih kecil dari 1/6 kecepatan lepas. Maka CO2 di Venus akan abadi. Darimana datangnya CO2 itu ? Diperkirakan dari aktivitas vulkanik.
Temperatur di permukaan planet Venus yang sangat tinggi terutama disebabkan oleh efek rumah kaca. Gas CO2 di atmosfir Venus memerangkap cahaya infra merah dari permukaan Venus, karena gas CO2 sukar ditembus
Untuk oksigen yang massanya 32 SMA (Satuan Massa Atom): 473 m/s
Sedangkan untuk hidrogen yang massanya 2 SMA: vrms = 1891 m/s, artinya kecepatan rata-rata molekul oksigen jauh lebih kecil dari sehingga oksigen tidak akan lepas dari atmosfir, sedangkan kecepatan hidrogen sedikit lebih besar dari . Itu sebabnya di atmosfir Bumi molekul H2 sangat sedikit sedangkan molekul O2 berlimpah.
ATMOSFER PLANET 91 oleh sinar infra merah, sementara ada sebagian cahaya Matahari yang dapat menembus atmosfir sampai ke permukaan.
Gambar 7.1 Mekanisme terjadinya pemanasan global di planet Venus.
Dikhawatirkan mekanisme yang sama terjadi di Bumi menyebabkan peningkatan suhu atmosfir Bumi.
Efek rumah kaca seperti di planet Venus ini yang dikhawatirkan terjadi di Bumi apabila jumlah CO2 di atmosfir Bumi semakin meningkat karena pembakaran bahan bakar fosil terus menerus. Temperatur atmosfir Bumi akan terus meningkat seiring dengan meningkatnya kadar CO2 di udara. Fenomena ini disebut pemanasan global atau global warming. Akibat dari pemanasan global ini pola iklim dapat berubah dan mengancam kehidupan di Bumi, termasuk manusia.
Jika iklim berubah, pengaruhnya akan besar, misalnya pada musim hujan dan kemarau. Jika musim kemarau dan hujan menjadi tak menentu, kemungkinan petani bercocok tanam pada waktu yang salah menjadi besar dan menyebabkan kegagalan panen yang merugikan.
Contoh akibat lainnya adalah kekuatan badai secara rata-rata menjadi lebih kuat dari sebelumnya menyebabkan kerusakan yang lebih besar. Salah satu
92 ATMOSFER PLANET badai yang sangat hebat yang diduga dipengaruhi oleh pemanasan global adalah badai Katrina tahun 2005 yang merusak sebagian dari benua Amerika terutama di wilayah Amerika serikat, yang menimbulkan kerugian milyaran dollar dan korban nyawa manusia. Juga diduga badai dahsyat Haiyan yang melanda Filipina 2013 dan badai salju hebat yang melanda Amerika Serikat di awal 2014 disebabkan perubahan iklim.
Oleh karena itu manusia sebaiknya semakin bijak dalam mengkonsumsi energi dan memelihara lingkungan. Berbagai negara telah melakukan upaya-upaya untuk mengurangi emisi gas rumah kaca dan menggalakkan penanaman pohon untuk meningkatkan penyerapan CO2 di udara.
Akan tetapi ada juga pendapat lain tentang pemanasan global. Catatan sejarah menunjukkan bahwa ada korelasi antara perubahan pancaran cahaya Matahari dengan perubahan temperatur di Bumi. Maka ada pendapat bahwa pemanasan global yang terjadi beberapa dekade terakhir ini disebabkan perubahan aktivitas Matahari.
Aktivitas matahari berubah dengan periode sekitar 11 tahun. Memang pada abad ke dua puluh ada kecenderungan amplitudo puncak aktivitas Matahari semakin meningkat seperti yang nampak pada gambar.
Gambar 7.2 Perubahan aktivitas Matahari yang tercermin dari banyaknya bintik
Matahari, dalam 250 tahun terakhir.
ATMOSFER PLANET 93 Hingga dekade 60an puncak aktivitas terus meninggi, setelah itu hingga akhir abad ke 20 cenderung tinggi. Akan tetapi puncak aktivitas Matahari sejak akhir abad ke 20 hingga sekarang cenderung menurun. Akankah ini menjadi awal dari penurunan suhu Bumi pada tahun-tahun yang akan datang? Apa pun penyebab pemanasan global, tetap lebih bijaksana apabila kita hemat energi, menghemat sumber daya alam, menjaga kelestarian lingkungan dan menggalakkan penghijauan.
Tekanan Atmosfer
Tekanan atmosfir dapat dinyatakan oleh rumus hidrostatik berikut :
gh
P
(7.8)Dengan ρ adalah massa jenis rata-rata, g adalah percepatan gravitasi dan h adalah ketebalan efektif atmosfir. Rumus ini berlaku untuk fluida, baik cair maupun gas. Rumus tekanan hidrostatik diatas berlaku umum untuk semua planet, oleh karena itu berlaku juga untuk Bumi.
Jika diketahui, di Bumi, massa jenis udara 1,225 kg/m3, percepatan gravitasi Bumi 9,8 m/s2 dan tekanan atmosfir 101 kPa, maka dengan menggunakan rumus hidrostatik diatas, dapat dihitung ketebalan efektif (scale height) atmosfir Bumi sekitar 8,2 km. Artinya kalau tekanan rata-rata atmosfir Bumi sama dengan tekanan di permukaan Bumi dan kerapatannya konstan sama dengan kerapatan (density) di permukaan Bumi, maka ketebalan atmosfir adalah sekitar 8,2 km. Pada kenyataannya kerapatan atmosfir tidak merata, melainkan semakin tinggi semakin renggang, dan batas antara atmosfir Bumi dan angkasa luar tidak jelas. Dengan penalaran yang sama kita juga dapat menghitung ketebalan atmosfir Venus. Dengan tekanan permukaan 9292 kPa, percepatan gravitasi permukaan 8,9 m/s2, kerapatan rata-rata atmosfirnya 67 kg/m3. Maka ketebalan efektif atmosfir Venus adalah sekitar 15,6 km, hampir dua kali lipat atmosfir Bumi. Jadi tekanan gas yang besar di Venus disebabkan oleh massa total dan kerapatan atmosfirnya memang besar.
94 ATMOSFER PLANET Soal-soal
1. (OSK 2009) Titan, salah satu satelit planet Saturnus memiliki atmosfer yang sangat tebal, sementara planet Merkurius sama sekali tidak mempunyai atmosfer, hal ini disebabkan karena:
a. Titan lebih masif dibanding Merkurius
b. Gravitasi Matahari menyebabkan atmosfer Merkurius lepas
c. Gas dingin di atmosfer Titan bergerak sangat lambat dibanding gas panas di atmosfer Merkurius
d. Lebih banyak gas di Tatasurya luar, sehingga Titan lebih mempu mempertahankan keberadaan atmosfernya.
e. Titan mirip dengan Bumi di masa depan.
2. (OSP 2009) Korona Matahari yang diamati pada waktu gerhana Matahari total adalah:
a. gas renggang yang terdiri dari ion dan electron bertemperatur tinggi mencapai sejuta derajat K, terdapat ion besi dan kalsium terbungkus dalam debu dingin di sekitar Matahari
b. gas pada atmosfer Bumi yang menyebarkan cahaya Matahari c. gas komet yang terbakar di sekitar Matahari
d. gas dan debu antar planet di sekitar Bulan yang menyebarkan cahaya Matahari
95