DAFTAR LAMPIRAN
3 BAHAN DAN METODE
3.1 Waktu dan Tempat
Studi tentang percampuran turbulen merupakan bagian dari pelayaran INDOMIX yang dilaksanakan pada tanggal 9-22 Juli 2010 dengan menggunakan Kapal Riset Marion Dufresne, sedangkan lokasi penelitian adalah di Selat Ombai (Gambar 6). Untuk pengukuran konsentrasi nutrien dilakukan di Laboratorium Prolink Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan (FPIK) IPB. Pengolahan data dilakukan di Laboratorium Oseanografi Fisika dan Laboratorium Data Processing FPIK IPB.
Gambar 6 Lokasi pengukuran yo-yo CTD selama 24 jam.
3.2 Metode Pengumpulan Data
Data yang diperlukan dalam penelitian ini adalah temperatur, salinitas, tekanan, densitas, dan nutrien. Data temperatur, salinitas, dan tekanan diperoleh dengan menggunakan sensor Conductivity Temperature Depth (CTD) Sea-Bird Electronics (SBE) 911 Plus. Data nutrien (nitrat, fosfat, dan silikat) diperoleh dari air yang diambil dengan menggunakan botol rosette yang diturunkan bersama dengan CTD. Sampel air yang diambil sebanyak 22 sampel masing-masing pada tekanan 5, 25, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 350, 450, 550, 650, 750, 800,
900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, dan 1500 db. Air yang sudah diambil kemudian disaring dengan kertas saring whatman 0,4 µm. Pada tiap tekanan diambil air yang sudah disaring sebanyak 500 ml, kemudian diawetkan dengan MgCO3 sebanyak 10 ml. Selama pelayaran sampel disimpan dalam lemari
pendingin.
Akuisisi data menggunakan perangkat lunak SEASAVE dengan frekuensi pengoperasian 24 Hz yang artinya untuk mendapatkan satu data dilepaskan 24 gelombang dari alat pengambil data selama satu detik. Pengambilan data dengan CTD dilakukan dengan kondisi kapal diam pada koordinat yang telah ditentukan. CTD diturunkan sembilan kali penurunan (casts) selama 24 jam dengan tekanan (kedalaman) yang berbeda-beda (Tabel 1). Untuk menjaga stabilitas sensor konduktivitas dan temperatur di setiap penurunan CTD, dilakukan perendaman terhadap sensor dengan menggunakan akuades. Data mentah (raw data) yang sudah direkam CTD diunduh terlebih dahulu dan kemudian dilakukan pengolahan lebih lanjut. Data angin sesaat diambil ketika proses penurunan CTD berlangsung (Tabel 1).
Tabel 1 Data penurunan CTD
Ulangan Posisi Tanggal dan
waktu
Tekanan (db) Angin Sesaat
CTD Perairan Kecepatan (m s-1) Arah (o)
5-1 8,24967 LS; 125,3857 BT 16/07/2010 16:18 1509 1515 11,32 122 5-2 8,24967 LS; 125,3858 BT 16/07/2010 19:26 1491 1514 7,72 116 5-3 8,24983 LS; 125,3857 BT 16/07/2010 22:03 1517 1529 10,80 123 5-4 8,25000 LS; 125,3858 BT 17/07/2010 02:19 1429 1500 9,77 111 5-5 8,28383 LS; 125,2443 BT 17/07/2010 05:46 1549 1539* 7,20 106 5-6 8,28383 LS; 125,2440 BT 17/07/2010 08:21 1414 1538 7,72 118 5-7 8,28417 LS; 125,2440 BT 17/07/2010 11:54 1303 - 2,57 127 5-8 8,28433 LS; 125,2443 BT 17/07/2010 13:33 409** 1300 - - 5-9 8,28433 LS; 125,2445 BT 17/07/2010 14:09 1181 1300 6,69 97
* Error pada sensor batimetri
** Percobaan pengambilan data nitrat dengan sensor ISUS
3.3 Metode Pengukuran Nutrien 3.3.1 Nitrat
Pengukuran konsentrasi nitrat menggunakan metode Brucine dengan tahapan sebagai berikut (Eaton et al., 2005) :
a. Mengambil 5 ml sampel yang sudah disaring, kemudian memasukkan air ke tabung reaksi.
b. Menambahkan larutan brucin sebanyak 0,5 ml, lalu mengaduknya sampai rata.
c. Menambahkan asam sulfat (H2SO4) pekat dengan konsentrasi 36 Normalitas
(N) sebanyak 5 ml lalu mengaduknya sampai rata.
d. Memanaskan selama 30 menit sampai mendidih pada hot plate dengan temperatur 105oC.
e. Mengangkat dan mendinginkan air sampel yang sudah mendidih hingga mencapai temperatur ruangan.
f. Membaca tingkat absorbansi nitrat pada spektrofotometer dengan panjang gelombang (λ) 410 nm.
g. Untuk larutan blanko (akuades) dibuat dengan prosedur yang sama. 3.3.2 Fosfat
Pengukuran konsentrasi fosfat menggunakan metode Ascorbic Acid dengan tahapan sebagai berikut (Eaton et al., 2005):
a. Memasukkan 50 ml air laut yang sudah disaring ke dalam gelas beker b. Menambahkan 2 ml H2SO4 6 N dan memanaskan hingga volume air dalam
gelas beker menjadi kira-kira 15 ml. c. Menambahkan 2 tetes phenolphtalin
d. Menambahkan NaOH hingga warna air menjadi merah muda e. Menambahkan akuades hingga volume menjadi 50 ml
f. Mengambil 25 ml larutan dan menambahkan 4 ml larutan campuran
g. Membaca tingkat absorbansi fosfat pada spektrofotometer dengan panjang gelombang (λ) 880 nm.
h. Untuk larutan blanko (akuades) dibuat dengan prosedur yang sama. 3.3.3 Silikat
Pengukuran konsentrasi silikat menggunakan metode Molybdosilicate dengan langkah kerja sebagai berikut (Eaton et al., 2005):
a. Menuang masing-masing 10 ml sampel air yang sudah disaring ke dalam tabung reaksi dari plastik.
b. Menambahkan larutan campuran sebanyak 0,3 ml dan mendiamkan air sampel selama 10 menit.
d. Menambahkan 0,3 ml ascorbic acid (vitamin C), kemudian mengaduk air sampel secara perlahan hingga merata dan membiarkan selama 30 menit. e. Membaca tingkat absorbansi silikat menggunakan spektrofotometer dengan
panjang gelombang 810 nm.
f. Untuk larutan blanko (akuades) dibuat dengan prosedur yang sama.
3.4 Metode Akuisisi Data
Data yang didapatkan dari hasil pengukuran di lapangan dengan menggunakan CTD tidak dapat dianalisis langsung, namun harus dilakukan pengolahan data terlebih dahulu. Data yang diolah hanya berasal dari data downcast yaitu pengukuran profil sewaktu CTD diturunkan ke kedalaman (tekanan tertentu).
Pengolahan data CTD dilakukan dengan mengunakan perangkat lunak SBE Data Processing 7.21a. Tahap pengolahan data sebagai berikut:
a. Konversi
Konversi data berfungsi untuk mengubah data mentah (format biner) ke data dalam format ASCII (American Standard Code for Information Interchange) dalam bentuk .CNV. Pengkonversian data ini bertujuan agar data hasil perekaman CTD dapat diolah menggunakan berbagai perangkat lunak. Variabel yang dikeluarkan dalam proses ini adalah scancount, lintang (deg), bujur (deg.), tekanan (db), temperatur ITS-90 (oC), temperatur 2 ITS-90 (oC), konduktivitas (S m-1), konduktivitas 2 (S m-1), oksigen SBE 43 (mg l-1), altimeter (m), fluorescence (µg l-1), beam attenuation (m-1), dan beam transmission (%).
b. Align CTD
Align CTD berfungsi mensinkronkan semua parameter yang diukur berada dalam waktu, tekanan, dan massa air yang sama. Proses Align hanya dilakukan pada data oksigen sebesar 5 detik terhadap tekanan (McTaggaart et al., 2010). Nilai align data oxygen berkisar 1-5 detik, tergantung dari tekanan CTD.
c. Wild edit
Wild edit berfungsi memperbaiki data yang memilikii nilai ekstrim setiap 100 scan bin. Proses perbaikan data dilakukan melalui dua tahap. Tahap yang pertama dengan cara memperbaiki data yang nilainya lebih besar dari dua kali standar deviasi rata-rata. Tahap yang kedua dengan cara memperbaiki data hasil fase pertama yang lebih besar dari 20 kali standar deviasi rata-rata.
d. Cell thermal mass
Cell thermal mass berfungsi sebagai penapisan recursive untuk mengoreksi temperatur pada sel konduktivitas pada saat pengukuran berlangsung. Nilai yang digunakan adalah 0,03 untuk nilai alfa (anomali amplitudo temperatur) dan 7 untuk nilai beta (anomali konstanta waktu temperatur) (McTaggaart et al., 2010). Penapisan ini dilakukan hanya pada data hasil pengukuran temperatur pada sensor temperatur primer dan sekunder. e. Filter (Penapisan)
Penapisan yang digunakan adalah low pass filter yang berfungsi untuk menghilangkan bias (noise) berupa frekuensi tinggi pada data tekanan. Cut-off frekuensi yang digunakan adalah 0,03 detik pada low pass filter A dan 0,15 detik pada low pass filterB. Hal ini berarti perekaman data yang lebih cepat dari cut-off frekuensi akan dilemahkan/dihilangkan. Menurut McTaggaart et al. (2010) proses penapisan hanya dilakukan pada data tekanan dengan menerapkan low pass filterB.
f. Loopedit
Loopedit berfungsi untuk memperbaiki data CTD ketika penurunan CTD bergerak kurang dari kecepatan minimum atau CTD bergerak naik turun akibat adanya guncangan pada kapal. Kecepatan minimum yang dipakai adalah 0,25 m s-1 (McTaggaart et al., 2010).
g. Derive
Derive digunakan untuk menurunkan parameter selain yang sudah dikeluarkan dikonversi data. Parameter yang turunkan yaitu densitas (sigma theta) (kg m-3), salinitas primer (psu), salinitas sekunder (psu), kecepatan suara (m s-1), dan temperatur potensial ITS-90 (oC).
h. Binaverage
Bin average digunakan untuk merata-ratakan data pada tekanan yang diinginkan. Ukuran bin yang dipakai adalah 1 bin tanpa mengikutkan bin permukaan, sehingga selang tekanan pada data adalah 1 db.
i. Manual
Metode manual dilakukan dengan cara investigasi langsung data yang sudah melalui proses pengolahan data. Hal ini dilakukan karena proses pengolahan data tidak sepenuhnya menjamin data siap untuk diolah. Untuk memperoleh nilai pada data yang mengalami error maka dilakukan interpolasi
linier. Data error umumnya berada pada semua ulangan terutama pada lapisan tercampur dan lapisan dalam dengan rentang data error 1-3 m.
3.5 Metode Analisis Data
Analisis data dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Ocean Data View (ODV) 4.1.3, Microsoft Excel 2007, dan Matlab versi R2010a. Program ODV dan Matlab versi R2010a digunakan untuk menggambarkan karakteristik massa air terutama temperatur, salinitas, potensial densitas, dan nutrien secara vertikal. Perangkat lunak Microsoft Excel 2007 digunakan untuk melakukan perhitungan matematik untuk menentukan nilai turbulensi dengan menentukan nilai Thorpe displacement, skala Thorpe, skala Ozmidov, frekuensi Brunt Vaisala, tingkat energi kinetik disipasi turbulen eddy, difusivitas vertikal eddy, dan estimasi fluks nutrien (nitrat). Untuk menyajikan hasil perhitungan dalam bentuk gambar dan grafik digunakan Program Microsoft excel 2007 dan Matlab R2010a. Secara skematik, diagram alir analisis data dapat dilihat pada Gambar 7.
Untuk mengestimasi difusivitas vertikal eddy , terlebih dahulu ditentukan nilai Thorpe displacement , skala Thorpe , skala Ozmidov , frekuensi Brunt Vaisala , dan tingkat energi kinetik disipasi turbulen eddy . Nilai didapat dengan cara menyusun ulang profil densitas yang didapatkan dari data CTD ke dalam bentuk stabilitas statis, artinya densitas disusun dengan posisi massa air densitas rendah berada di atas massa air densitas tinggi (Gambar 8). Untuk lebih mudahnya, bayangkan profil densitas vertikal dengan n buah sampel dan densitas yang diobservasi pada kedalaman . Jika sampel pada kedalaman dipindahkan ke kedalaman untuk membentuk kondisi stabilitas statis, maka Thorpe displacement dapat dihitung dengan persamaan (Dillon, 1982; Finnigan et al., 2002; Thompson et al., 2007):
Nilai positif menunjukkan bahwa massa air akan bergerak ke atas untuk mencari kestabilan statis, kondisi ini terjadi bila massa air berdensitas rendah berada di bawah massa air berdensitas tinggi. Nilai negatif menunjukkan massa air bergerak ke bawah, hal ini terjadi bila massa air densitas tinggi berada di atas massa air densitas rendah. Nilai merupakan nilai yang bukan nilai nol sehingga jika profil densitas pada kondisi stabilitas statis , maka nilai dari kedalaman tersebut tidak diikutsertakan untuk menghitung nilai .
Gambar 7 Diagram alir analisis data.
Gambar 8 Ilustrasi proses pencarian nilai Thrope displacement. Data densitas sebenarnya dengan kondisi instabilitas statis (kotak dengan garis titik-titik), disusun ulang untuk mencari densitas kondisi stabilitas statis (garis putus-putus merah). Jarak perpindahan dari kedalaman awal za ke kedalaman baru zb merupakan nilai Thorpe
displacement. za zb CTD (Conductivity, Temperature, Depth) Botol Rosette Frekuensi Brunt Vaisala Thorpe displacment Metode Galbraith dan Kelley (GK) Skala Thorpe Skala panjang Ozmidov Tingkat energi kinetik disipasi turbulen eddy Fluks nutrien Nutrien Difusivitas vertikal eddy
Setelah kalkulasi nilai , dilakukan estimasi ketebalan minimal displacement dari resolusi vertikal CTD . Hal ini bertujuan agar nilai merupakan nilai displacement yang sesungguhnya dan bukan berasal dari noise CTD. Prinsip estimasi ini dilakukan berdasarkan pada kenyataan bahwa CTD memiliki keterbatasan kemampuan untuk mendeteksi pembalikkan massa air. Hal ini mengacu pada Teori sampling Nyquist, dimana bila pembalikkan yang terjadi adalah dua kali lebih rendah dibandingkan resolusi vertikal , maka pembalikkan tersebut tidak dapat diukur. Penentuan pembalikkan yang lebih kuat dapat dilakukan jika terdapat jumlah sampel yang lebih banyak, berdasarkan pada peraturan jumlah sampel minimum yaitu lima sampel (Koch et al., 1983) atau 7-8 sampel (Levitus, 1982 in Galbraith dan Kelley, 1996). Solusi untuk menyelesaikan perbedaan tersebut adalah dengan memungkinkan resolusi vertikal untuk mendeteksi pembalikkan yang tidak lebih rendah dari (Galbraith dan Kelley, 1996):
dimana adalah resolusi vertikal data CTD (m). Untuk penelitian ini digunakan resolusi vertikal sebesar 1 m sehingga nilai sebesar 5 m. Hal ini berarti nilai yang kurang (5 m) akan diabaikan dan tidak akan diikutkan untuk perhitungan selanjutnya.
Selain solusi di atas, perlu juga batasan lain yang digunakan dalam pengukuran pembalikkan berdasarkan perbedaan densitas Resolusi densitas dapat mengukur pembalikkan bila memiliki nilai tidak lebih rendah dari (Galbraith dan Kelley, 1996):
dimana adalah percepatan gravitasi bumi (9,79423 m s-2), adalah nilai densitas rata-rata dari keseluruhan ulangan, dan adalah Frekuensi Brunt Vaisala. Galbraith dan Kelley (1996) menjelaskan bahwa nilai yang digunakan untuk perhitungan di laut lepas adalah 0.003 s-1. Dari perhitungan data CTD Selat Ombai didapatkan nilai sebesar 2,12 m, hal ini berarti ketebalan displacement yang kurang akan diabaikan dan tidak diikutsertakan dalam perhitungan selanjutnya.
Perhitungan skala Thorpe diperoleh dengan menggunakan persamaan berikut (Dillon, 1982; Finnigan et al., 2002; Cisewski et al., 2005; Park et al., 2008):
dimana adalah Thorpe displacement pada kedalaman dan adalah jumlah sampel. Setiap nilai didapatkan dari hasil perata-rataan buah sampel pada kedalaman yang diinginkan. Perata-rataan nilai pada penelitian ini dilakukan dengan cara membagi kedalaman perairan menjadi tiga lapisan dengan ketebalan masing-masing lapisan sebesar (m). Ketiga lapisan ini adalah lapisan tercampur, lapisan termoklin, dan lapisan homogen di bagian dalam. Kedalaman setiap lapisan pada setiap ulangan berbeda-beda tergantung dari profil vertikal massa air.
Nilai skala Thorpe pada setiap lapisan digunakan untuk menghitung skala Ozmidov dengan menggunakan persamaan (Dillon, 1982):
Sebelum menghitung tingkat energi kinetik disipasi turbulen eddy , dilakukan perhitungan frekuensi Brunt Vaisala pada tiap kedalaman menggunakan persamaan (Park et al., 2008; Thompson et al., 2007):
adalah background densitas perairan dari hasil perata-rataan densitas seluruh ulangan (1026,52 kg m-3), adalah perubahan (gradien) densitas terhadap perubahan kedalaman (1 m), dan adalah percepatan gravitasi bumi (9,79423 m s-2). Menurut Ferron et al. (1998) nilai densitas yang dipakai pada Frekuensi Brunt Vaisala berasal dari data densitas yang sudah disusun dalam kondisi stabilitas statis, ini berarti nilai yang didapat dari perhitungan ini akan selalu bernilai positif.
Tingkat energi kinetik disipasi turbulen eddy pada tiap kedalaman diperoleh dengan persamaan (Ozmidov, 1965 in Park et al., 2008):
Nilai difusivitas vertikal eddy pada tiap kedalaman diperoleh melalui persamaan berikut (Cisewski et al., 2005; Park et al., 2008):
adalah efisiensi percampuran (0,2) (Osborn, 1980). Rata-rata difusivitas vertikal eddy pada tiap lapisan dengan kedalaman dihitung dengan persamaan (Ferron et al., 1998):
Fluks nutrien (nitrat, fosfat, dan silikat) dikalkulasi dengan menggunakan persamaan (Horne et al., 1996; Law et al., 2003):
dimana adalah perbedaan konsentrasi nutrien pada selang kedalaman (m) yang merupakan tempat pengukuran konsentrasi nutrien.
3.6 Metode Penentuan Lapisan Kolom Air
Pada penelitian ini dilakukan pemisahan kolom air menjadi tiga lapisan, yaitu lapisan tercampur, lapisan termoklin, dan lapisan homogen di bagian dalam. Penentuan lapisan ini didasarkan pada gradien densitas kolom perairan. Menurut Lorbacher et al. (2005) pembagian lapisan berdasarkan gradien lebih realistis dibandingkan dengan menggunakan temperatur, karena profil temperatur tidak selalu memberikan stratifikasi vertikal secara tepat. Lapisan tercampur ditentukan dengan menghitung gradien = 0,02 dengan titik acuan densitas permukan. Bila gradien lebih dari 0,02 maka lapisan tersebut dikategorikan sebagai lapisan termoklin (Cisewski et al., 2005). Batas antara lapisan termoklin dan lapisan dalam yang homogen dilihat secara visual dari data densitas yang di cross cek dengan data temperatur, batasnya adalah daerah dimana nilai densitas tidak menurun tajam terhadap kedalaman.