Pertumbuhan Partikel Es dalam Awan Dingin
7.1. Awan Dingin dan Awan Campuran
0
Jika sebuah awan tumbuh di atas paras isoterm 0 C dan
0
temperatur mencapai – 10 C atau lebih rendah disebut awan dingin.
0
Meskipun temperaturnya di bawah 0 C, tetapi butiran-butiran air masih dapat berada dalam awan disebut butiran kelewat dingin, butiran yang menemukan inti pembeku akan menjadi partikel es. Awan dingin yang mengandung partikel es dan butiran kelewat dingin disebut awan
campuran, jika awan dingin terdiri seluruhnya es dikatakan awan es.
Dua fasa transisi dapat mengarah pada pembentukan es yaitu pembekuan sebuah butiran cair atau deposisi langsung dari uap air menjadi fasa es. Keduanya adalah proses pengintian yang pada dasarnya pengintian homogen dan heterogen.
Kristal es yang terbentuk dalam awan bersamaan dengan butiran cair adalah lingkungan yang menguntungkan untuk tumbuh secara cepat melalui difusi. Uap air dalam awan pada dasarnya relatif jenuh terhadap air cair dan karenanya relatif kelewat jenuh terhadap es. Dalam beberapa menit, kristal es tersebut dapat tumbuh pada ukuran beberapa puluh mikrometer. Sebuah kristal es dengan ukuran ini akan jatuh dengan kecepatan beberapa puluh centimeter per sekon. Kristal es ini pada akhirnya terbentuk sebagai kristal individu, atau bertumbukan dengan butiran-butiran kelewat dingin membentuk kristal embun beku (a rimed
crystal) atau bertumbukan dengan kristal lain membentuk kumpulan
kristal (a crystal aggregate) atau serpih salju (snowflake). Jadi proses pertumbuhan kristal es sama seperti butiran awan yaitu difusi yang
diikuti oleh pembekuan (coagulation). Tetapi untuk kristal es pertumbuhan difusional lebih signifikan dari pada untuk butiran karena beda tekanan uap jenuh di atas air dan es.
Akan menguntungkan jika ditinjau transisi fasa homogen yang menyebabkan pembentukan es. Pembekuan homogen tetes cair murni terjadi bila fluktuasi statistik aransemen (susunan) molekuler air menghasilkan struktur es yang stabil seperti yang terjadi dengan inti es. Hal ini persis sama seperti pengintian homogen cairan dalam uap air. Dua pertimbanan untuk menentukan kondisi pengintian pembekuan homogen yaitu : (i) ukuran inti yang stabil dan (ii) probabilitas kejadian inti es embionik (seperti janin) oleh penyusunan kembali secara acak (random) molekul-molekul air. Besaran-besaran ini bergantung pada energi bebas permukaan dari antarmuka sebuah kristal/cairan yang analogi dengan tegangan permukaan pada antarmuka (interface) sebuah cairan/uap.
Nilai numerik energi bebas permukaan tidak diketahui secara
-2 -2 -2
akurat, tetapi berkisar 2 x 10 Jm atau 20 erg cm . Dengan energi sebesar ini, maka diperkirakan butiran-butiran yang lebih kecil 5 m
0
akan membeku secara spontan pada temperatur sekitar – 40 C. Sedangkan butiran yang lebih besar diperkirakan membeku pada temperatur sedikit lebih panas, beberapa tetes diperkirakan berada pada
0
temperatur sedingin – 40 C, yang menyatakan bahwa pembekuan
0
heterogen terjadi pada temperatur lebih panas dari – 40 C. Tetapi kadang-kadang pesawat terbang melaporkan peng–es–an (icing) dalam
0
awan terjadi pada temperatur sekitar – 40 C yang menyatakan bahwa butiran awan kadang-kadang mungkin tidak membeku sampai batas ambang homogen dicapai.
Deposisi homogen terjadi bila molekul uap membentuk embrio es yang stabil oleh kesempatan kolisi. Meskipun energi bebas permukaan antarmuka kristal/uap sulit diketahui, teori memperkirakan bahwa pengintian deposisi homogen hanya terjadi pada kondisi kelewat jenuh ekstrim. Lebih dari dua puluh kali lipat kelewat jenuh terhadap es
0
diperlukan pada temperatur beberapa derajat di bawah 0 C, dan kelewat jenuh tetap lebih tinggi pada temperatur yang lebih dingin. Konfirmasi eksperimental teori deposisi homogen nampaknya mustahil (tidak mungkin) karena butiran air cair selalu harus menginti (nucleate) secara homogen sebelum kelewat jenuh mencapai nilai tingi yang diperlukan untuk es. Butiran air cair akan membeku secara spontan pada temperatur
0
lebih dingin dari – 40 C yang membuat tidak mungkin untuk mengenali kristal-kristal es yang mungkin terbentuk oleh deposisi. Meskipun tidak ada kepastian eksperimental, tetapi jelas bahwa deposisi homogen tidak dapat terjadi di atmosfer, dimana kelewat jenuh ekstrim yang diperlukan tidak pernah ada.
Kristal-kristal es biasanya tampak dalam sebuah awan dalam jumlah lumayan (appreciable) bila temperatur tetes-tetes di bawah
0
temperatur sekitar – 15 C yang menandakan pengintian heterogen. Air jika kontak dengan bahan (material) asing akan membeku pada
0
temperatur lebih panas dari – 40 C, deposisi terjadi pada permukaan dengan kelewat jenuh dan kelewat dingin lebih kecil dari nilai pengintian homogen. Jadi nukleasi (pengintian) es dalam air kelewat dingin atau lingkungan kelewat jenuh dibantu oleh kehadiran permukaan benda asing atau partikel yang mengapung di udara (aerosol).
Bahan asing memberikan sebuah permukaan atau lapisan (substrate) pada mana molekul air dapat bergeseran, melekat (stick),
atau mengikat bersama, dan membentuk gabungan (aggregate) dengan struktur seperti es. Makin besar gabungan partikel es, makin mungkin menjadi stabil dan kontinu untuk hidup. Probabilitas pengintian pembekuan heterogen atau deposisi bergantung secara kuat pada sifat-sifat bahan dasar juga pada kelewat dingin dan kelewat jenuh. Makin batas itu lebih rapat maka molekul-molekul air akan berada pada permukaan (lapisan) sehingga makin besar probabilitas pengintian es. Bahkan jika struktur kristal bahan mirip sekali dengan bidang kristal es maka akan meningkatkan kesempatan pengintian es. Bila ikatan dan kesesuaian kisi-kisi kristal baik, maka kelewat jenuh dan kelewat dingin yang diperlukan untuk mengintikan es pada bahan mungkin jauh lebih rendah dari pada dalam pengintian es homogen.
Awan-awan kelewat dingin di atmosfer tumbuh dan hidup (exist) dalam kehadiran sejumlah besar partikel aerosol yang sebagian kecil bertindak sebagai inti es pada temperatur yang kebanyakan lebih
0
panas dari batas ambang – 40 C untuk pembekuan homogen. Beberapa mekanisme pengintian adalah mungkin dan ditunjukkan secara bagan dalam gambar 7.1. Es dapat terbentuk secara langsung dari fasa uap pada inti deposisi yang sesuai. Ada tiga mode (cara) aktivasi yang dikenal dalam inti pembekuan. Beberapa inti bertindak pertama sebagai pusat-pusat kondensasi, kemudian sebagai inti-inti pembekuan. Beberapa inti meningkatkan pembekuan pada saat bersentuhan dengan butiran kelewat dingin. Dan inti-inti yang lain menyebabkan pembekuan setelah melekat atau membenam dalam sebuah butiran.
Gambar 7.1. Mekanisme pengintian es dan bagan cara-cara inti es atmosferik dalam
pembekuan es (Rogers and Yau, 1989).
Sebuah partikel mungkin mengintikan es dalam cara-cara berbeda, bergantung pada kondisi lingkungan dan sejarahnya di dalam awan. Sulit membedakan antara penintian deposisi dan pengintian pembekuan bila es menginti pada permukaan yang tidak mudah larut dalam lingkungan yang relatif jenuh terhadap air cair. Bahkan dalam kondisi di bawah kejenuhan air, pengintian tidak harus berarti deposisi, karena inti tersebut mengandung komponen yang mudah larut. Bahan yang mudah larut (soluble) mungkin mengintikan fasa cair di bawah kejenuhan air dan bahan tidak mudah larut (insoluble) mungkin mengintikan es melalui pembekuan. Karena ada keraguan di antara mekanisme pembentukannya, maka pengintian es sering dikatakan sebagai pengganti fenomena yang lebih spesifik yaitu pengintian pembekuan atau pengintian deposisi.