Pertumbuhan Partikel Es dalam Awan Dingin
7.2. Inti Es Atmosferik
Jika butiran air tidak mengandung partikel asing, maka butiran hanya membeku oleh proses pengintian homogen (atau spontan), dimana sebuah embrio es dengan ukuran kritis terbentuk oleh gabungan (aggregation) sejumlah molekul-molekul air dalam butiran. Pengintian
0
homogen terjadi pada temperatur sekitar – 36 C untuk butiran-butiran yang mempunyai jejari antara 20 dan 60 m dan pada temperatur sekitar
0
– 39 C untuk butiran-butiran yang mempunyai jejari beberapa mikrometer. Karena itu hanya awan-awan tinggi yang dapat terjadi pembekuan oleh pengintian homogen.
Jika butiran mengandung tipe khusus partikel asing, disebut inti pembeku, maka butiran dapat membeku oleh proses pengintian heterogen dimana molekul-molekul air dalam butiran terkumpul pada permukaan partikel untuk membentuk struktur seperti es (icelike
structure) yang dapat meningkatkan ukuran dan menyebabkan butiran
membeku. Karena pembentukan struktur es dibantu oleh inti pembeku, pengintian heterogen dapat terjadi pada temperatur jauh lebih tinggi dari pada pengintian homogen.
Partikel yang mempunyai jarak (spasi) molekuler dan susunan kristalografik serupa dengan es (yang mempunyai struktur heksagonal) cenderung mempunyai kemampuan mengintikan es dengan baik. Kebanyakan inti es yang baik sebenarnya tidak larut dalam air. Beberapa partikel-partikel tanah anorganik (inorganic) terutama lempung dapat
0
mengintikan es pada temperatur agak tinggi yaitu di atas – 15 C, dan partikel ini memainkan peranan penting mengintikan es dalam awan. Banyak bahan (material) organik sebagai penginti (nucleator) es yang
baik. Baru-baru ini diamati bahwa daun-daun tanaman yang busuk banyak mengandung inti es, beberapa inti es aktif pada temperatur
0 0
setinggi – 4 C. Inti es yang aktif pada temperatur – 4 C juga ditemui dalam air laut yang kaya plankton.
Konsentrasi inti es atmosferik dipengaruhi oleh banyak faktor seperti sejarah aerosol, kelembapan, dan peubah-peubah lainnya. Ketika kelewat dingin meningkat, maka konsentrasi inti es meningkat. Konsentrasi inti es juga meningkat dengan kenaikan kelewat jenuh.
Tabel 7.1, meringkas temperatur ambang batas pembekuan (pembentukan es) dari bahan murni dan bahan alam tertentu. Perak
0
iodida (AgI) mempunyai temperatur pengintian relatif panas – 4 C. AgI adalah bahan yang banyak dipakai dalam pembenihan awan buatan. Bahan perak iodida dapat dibuat dalam bentuk partikel yang sangat halus oleh pembakaran senyawa perak khusus.
Tabel 7.1. Sifat pengintian partikel berbagai bahan (Houghton, 1985). Bahan Ambang nukleasi 0 ( C) Komentar 1. Bahan murni Es AgI Pb I2 Cu S Cu O Hg I2 Ag S2 Cd I2 I2 2. Mineral Vaterite
Kaolinite (tanah liat) Abu vulkanik Halloysite Vermiculite Cinnabar 3. Organik Testosteron Chloresterol Metaldehyde – Naphthol Phloroglucinol
Bactterium “Pseudomonas Syringae”
0 – 4 – 6 – 7 – 7 – 8 – 8 – 12 – 12 – 7 – 9 – 13 – 13 – 15 – 16 – 2 – 2 – 5 – 8,5 – 9,4 – 2,6 – tidak larut sedikit larut tidak larut tidak larut tidak larut tidak larut larut larut Silikat Bakteria dalam jamur daun
Meskipun masih ada ketidakpastian, tetapi ada kejelasan bahwa mineral lempung (clay) terutama kaolinite (lihat tabel 7.1) sebagai komponen utama inti es atmosferik, material yang banyak dijumpai dalam banyak tipe tanah dengan temperatur ambang untuk pembekuan
0
adalah – 9 C. Keping-keping salju yang jatuh ketanah biasanya dijumpai mengandung partikel yang menjadi pusat pertumbuhan kristal es. Partikel ini didefinisikan oleh mikroskop elektron yang menunjukkan kaolinete dengan ukuran yang berjangka dari 0,1 sampai 4 m. Bagaimana kaolinete dapat menerangkan kejadian es dalam awan lebih panas dari
0
– 9 C yang kadang-kadang diamati, jawabannya masih belum jelas. Sumber lain dari inti es adalah bakteria dalam material daun tanaman busuk dapat menjadi inti yang efektif pada temperatur panas
0
(– 2,6 C). Telah diketahui bahwa partikel tanah biasa dapat menjadi aktif pada temperatur lebih panas dari pada batas ambang untuk kaolinite yang mungkin dijelaskan dengan inti berukuran submikron dari beberapa bahan organik minor. Bakterium Pseudomonas syringae dapat bertindak
0
sebagai inti es pada temperatur sepanas – 1,3 C, meskipun kemampuan pengintiannya bersifat aneh dan mudah berubah. Tetapi signifikansi inti-inti biogenik dalam atmosfer belum terbukti dan masih perlu penelitian lebih lanjut.
Material meteor kemungkinan sebagai sumber inti es
atmosferik, pada awalnya karena ditemukan korelasi antara kejadian curah hujan ekstrim dengan hujan meteor (meteor showers), dan yang lebih baru karena meteorit submikron yang diproduksi oleh penguapan dan mengondensasi kembali menjadi material meteoritik adalah inti es yang agak efektif. Tetapi dari observasi selanjutnya jelas tampak bahwa sumber bumi banyak mengandung inti-inti es. Pengukuran pada situs
pantai (coastal sites) menunjukkan lebih banyak inti dalam udara dari trajektori di atas darat ketimbang di atas osean. Konsentrasi inti es berkurang dengan ketinggian di atas tanah, konsisten dengan sumber inti pada permukaan. Bahkan pada Kutub Selatan, partikulat dalam keping-keping salju yang dijumpai adalah mineral lempung.
Kejadian kristal es dalam awan dikaitkan dengan tipe awan, temperatur, dan umur awan. Pengamatan menegaskan bahwa temperatur awan yang lebih dingin, mempunyai kemungkinan lebih besar kristal es hadir bersama-sama dengan butiran air kelewat dingin. Konsentrasi kristal es yang diukur di dalam awan berjangka sekitar 0,01 per liter sampai 100 per liter. Konsentrasi yang tinggi terdapat pada awan cirus dan masih cukup tinggi dalam kabut es yang terbentuk di bawah kondisi daerah kutub utara (arctic) yang sangat dingin.
Kristal-kristal pertama yang tampak dalam sebuah awan harus terbentuk pada inti es. Perkecualian dari generalisasi ini mungkin terjadi pada awan-awan cirus yang terbentuk pada temperatur sedemikian dingin sehingga pembekuan homogen dapat terjadi sesegera mungkin ketika fasa air tampak. Kristal es tambahan kemudian diproduksi oleh proses sekunder dimana kristal-kristal primer dimultiplikasikan (dilipatgandakan).
Dua mekanisme dikenal sebagai pendukung produksi partikel es sekunder : pecahan kristal-kristal es dan pemecahan atau penyerpihan tetes-tetes yang membeku. Mekanisme produksi partikel sekunder kadang-kadang disebut serpihan embun beku (rime–splintering) yang menyebabkan konsentrasi kristal es tinggi. Peristiwa ini kadang-kadang diamati dalam awan-awan cumulus maritim dengan temperatur tidak
0
es diproduksi oleh proses sekunder, tetapi karena pemahaman tentang proses ini sangat terbatas maka banyak observasi konsentrasi kristal es tidak dapat dijelaskan secara kuantitatif.