Pertumbuhan Partikel Es dalam Awan Dingin
7.4. Pertumbuhan Partikel Es dari Pembekuan Tetes
Dalam awan campuran, partikel es meningkat massanya ketika bertumbukan dengan butiran air kelewat dingin yang kemudian membeku padanya. Proses ini mengacu pada pertumbuhan melalui pembekuan yang menghasilkan pembentukan berbagai struktur beku misalnya jarum beku ringan, kolom beku padat uniform, pelat beku padat, dan kristal bintang beku padat. Bila pembekuan berlanjut di luar bentuk tertentu maka pembekuan menjadi sulit untuk melihat bentuk kristal es aslinya. Partikel beku ini disebut graupel, misalnya graupel bongkah dan graupel kerucut. Graupel adalah batu es lembek (soft hail) atau tetes hujan beku (frozen raindrop).
Batu es hujan (hailstone) menyatakan kasus ekstrim pertumbuhan partikel es dengan pembekuan. Batu es terbentuk dalam awan konvektif yang kuat dengan kadar air cair tinggi. Di bawah kondisi ekstrim telah diamati batu es dengan diameter sebesar 13 cm dan massa lebih dari 0,5 kg. Tetapi batu es dengan diameter sekitar 1 cm lebih banyak ditemukan. Jika sebuah batu es mengumpulkan butiran-butiran air kelewat dingin dengan jumlah sangat besar maka temperatur
0
permukaannya meningkat sampai 0 C dan beberapa air yang terkumpul tidak akan membeku. Dengan demikian permukaan batu es menjadi diliputi oleh lapisan air cair dan dikatakan batu es menjadi basah. Di bawah kondisi semacam ini beberapa air cair dapat terlepas dalam jalur olakan batu es, tetapi beberapa air cair dapat juga tergabung kedalam tautan (hubungan) air – es untuk membentuk apa yang dikenal sebagai batu es bunga karang (spongy hail).
Jika sebagian tipis batu es dipotong dan dilihat dalam cahaya, maka sering terlihat lapisan-lapisan gelap dan terang secara bergantian, lihat gambar 7.4. Lapisan gelap adalah es buram (opaque) yang terdiri banyak gelembung-gelembung air kecil dan bagian terang adalah es cerah (bebas gelembung air). Terlihat dari gambar 7.4 bahwa permukaan sebuah batu es dapat mengandung cuping-cuping (lobes) besar. Pertumbuhan cuping tampak lebih jelas bila butiran-butiran yang terkumpul adalah kecil dan pertumbuhannya mendekati batas basah. Pertumbuhan cuping-cuping dapat disebebkan oleh kenyataan bahwa setiap jendol-jendol (bumps) kecil pada sebuah batu es adalah area peningkatan efisiensi koleksi butiran-butiran air.
Gambar 7.4. Bagian tipis melalui pusat pertumbuhan batu es.
Pertumbuhan melalui pertambahan (accretion) terjadi bila setiap partikel presipitasi besar menyusul dan menangkap sebuah partikel yang lebih kecil. Tetapi dalam pemakaian yang umum, akresi (pertambahan) kadang-kadang diartikan sebagai penangkapan butiran-butiran kelewat dingin oleh sebuah partikel presipitasi fasa es. Sebuah kristal es yang jatuh
melalui awan dengan butiran-butiran air kelewat dingin dan kristal-kristal es dapat tumbuh melalui pertambahan air atau melalui penggabungan (aggregation) dengan kristal-kristal lain. Pertumbuhan akresional mengarah pada struktur embun beku (rime) dan graupel sedangkan agregasi mengarah pada keping-keping salju. Kristal-kristal yang jatuh paling cepat adalah partikel-partikel graupel yaitu partikel yang bukan kristal-kristal sebenarnya, melainkan gabungan dari butiran-butiran beku.
Dalam proses pertumbuhan melalui akresi (pertambahan) yang muncul adalah efisiensi koleksi. Pertama, ada masalah aerodinamik efisiensi kolisi, kemudian masalah apakah terjadi pelekatan pada waktu tumbukan. Karena kristal es jatuh lebih lambat daripada butiran air dengan massa sama, maka masuk akan jika efisiensi kolisi menjadi lebih besar. Karena pembekuan terjadi akibat kontak dengan butiran-butiran air kelewat dingin, maka efisiensi koalisensi dapat diperkirakan satu.
Dalam proses penggabungan (aggregation) kristal, efisiensi koleksi kurang baik dipahami. Indikasinya adalah bahwa struktur terbuka seperti dendrite lebih memungkinkan melekat pada waktu tumbukan ketimbang kristal-kristal bentuk lain, dan bahwa dalam setiap kasus pelekatan lebih memungkinkan pada temperatur relatif panas. Dari pengamatan ukuran keping-keping salju sebagai fungsi temperatur, dapat disimpulkan bahwa penggabungan hanya mungkin
0
signifikan terjadi pada temperatur lebih panas dari – 10 C. Dalam pertumbuhan akresional (pertambahan) yang menghasilkan graupel, maka pendekatan analogi pada persamaan (6.28) dapat dilakukan:
(7.5)
R u R π W E dt dm 2 Keterangan :
m : massa partikel
W : kadar air cair awan
R : jari-jari partikel
u(R) : kecepatan jatuh partikel yang jejarinya R
E : efisiensi koleksi rata-rata
Pendekatan yang sama dapat dilakukan dalam menganalisa proses penggabungan. Karena semua keping salju jatuh dengan kecepatan sekitar
-1 -1
1 ms dan kristal-kristal es jatuh pada kecepatan sekitar 0,4–0,5 ms , maka persamaan pertumbuhan untuk keping salju (snowflake) adalah:
(7.6) dimana u adalah beda kecepatan jatuh antara keping salju dan kristal-kristal es yang pada hakekatnya suatu konstanta. Kadang-kadang populasi kristal es lebih mudah ditandai oleh jumlah densitas (the number
density) N dari pada oleh densitas air beku W, yang hubungannya adalah:
dimana adalah volume (rata-rata) kristal-kristal es dan adalah densitasnya. Jika keping salju dianggap mempunyai densitas sama, maka m = V dimana V menunjukkan volumenya. Persamaan pertumbuhan yang dinyatakan oleh volume menjadi:
(7.7)
3
dimana B = 9/16. Jelas bahwa persamaan (7.7) harus dipahami sebagai pendekatan kasar pada proses pertumbuhan aktual. Perhitungan
u R π W E dt dm 2 ρ υ N W u υ N V E B dt dV 2/3
berdasarkan pada persamaan (7.7) menunjukkan hasil yang sesuai dengan pengamatan graupel dan keping-keping sajlu (Fletcher, 1962).
7.5. Pertumbuhan Partikel Es dari Penggabungan
Mekanisme ketiga yang menyatakan pertumbuhan partikel-partikel es di dalam awan adalah melalui tumbukan dan penggabungan (aggregation) satu sama lain.Partikel-partikel es dapat bertumbukan satu sama lain akibat beda kecepatan jatuh terminalnya. Kecepatan jatuh terminal kristal es berbentuk prisma tanpa pembekuan butiran, meningkat sesuai dengan peningkatan panjang kristal, misalnya kecepatan jatuh kristal es berbentuk jarum (needles) dengan panjang 1
-1
dan 2 mm masing-masing adalah sekitar 0,5 dan 0,7 ms . Berbeda dengan kristal es berbentuk pelat tanpa pembekuan butiran, mempunyai kecepatan jatuh terminal yang tidak bergantung pada diameternya. Sifat ini dapat dijelaskan sebagai berikut.
Ketebalan sebuah kristal es berbentuk pelat pada dasarnya tidak bergantung pada diameter, sehingga massanya bervariasi secara linier dengan penampang luas. Karena gaya seret (drag force) yang bekerja pada sebuah kristal pelat juga bervariasi dengan penampang luas kristal, maka kecepatan jatuh terminal yang ditentukan oleh keseimbangan antara gaya seret dan gravitasi yang bekerja pada kristal es, adalah tidak bergantung pada diameter pelat. Akibatnya, kristal pelat tanpa pembekuan butiran tidak mungkin (unlikely) bertumbukan satu sama lain kecuali kristal-kristal es bergerak cukup dekat sehingga dipengaruhi oleh efek jalur olakan. Kecepatan jatuh terminal kristal dan graupel tanpa pembekuan butiran bergantung dengan kuat pada tingkat pembekuan dan dimensinya. Misalnya partikel graupel dengan diameter 1 dan 4 mm
mempunyai kecepatan jatuh terminal masing-masing sekitar 1,0 dan 2,5
-1
ms . Dari diskusi ini terlihat bahwa kolisi partikel-partikel es di dalam awan bertambah besar jika terjadi beberapa pembekuan butiran.
Faktor kedua yang mempengaruhi pertumbuhan dengan agregasi (penggabungan) adalah apakah dua partikel es akan melekat bersama (adhere together) ataukah tidak bilamana terjadi tumbukan. Probabilitas pelekatan (adhesion) ditentukan terutama oleh dua faktor yaitu tipe partikel es dan temperatur. Kristal-kristal es ruwet (berbelit-belit) seperti dendrite, cenderung melakat bersama karena kristal-kristal menjadi terlilit pada kolisi, sebaliknya dua kristal pelat padat cenderung mengambul (rebound). Terlepas dari ketergantungan pada kebiasaan (sifat), probabilitas pelekatan dua kristal yang brtumbukan meningkat dengan meningkatnya temperatur pelekatan, terjadi terutama pada
0
temperatur di atas sekitar – 5 C dimana permukaan es menjadi sangat lengket.
Tidak seperti pertumbuhan melalui deposisi, kecepatan pertumbuhan sebuah partikel es melalui pembekuan butiran air dan penggabungan dengan kristal es lain meningkat bila ukuran partikel es meningkat. Perhitungan sederhana menunjukkan bahwa sebuah kristal es berbentuk pelat dengan diameter 1 mm jatuh melalui sebuah awan
-3
yang mempunyai kadar air cair 0,5 gm , dapat tumbuh menjadi sebuah partikel graupel sferis (berbentuk bola) dengan diameter sekitar 1 mm dalam waktu sekitar 10 menit. Sebuah partikel graupel dari ukuran ini,
-3
dengan densitas 100 kgm , mempunyai kecepatan jatuh terminal sekitar
-1
1 ms dan akan meleleh menjadi sebuah tetes dengan diameter sekitar 460 m. Diameter sebuah keping salju dapat meningkat dari 1 mm sampai 1 cm dalam waktu sekitar 30 menit oleh penggabungan
(aggregation) dengan kristal es yang memberikan kadar es awan adalah
-3
sekitar 1 gm . Sebuah kristal salju gabungan dengan diameter 1 cm mempunyai massa sekitar 3 mg dan kecepatan jatuh terminal sekitar 1
-1
ms . Dalam peleburan, sebuah kristal salju dengan massa ini (3 mg) akan membentuk sebuah tetes dengan diameter sekitar 2 mm. Jadi, pertumbuhan kristal-kristal es dalam awan campuran, pertama oleh deposisi dari fasa uap, kemudian oleh pembekuan dan/atau oleh penggabungan, dapat menghasilkan partikel-partikel berukuran presipitasi dalam periode waktu yang layak (sekitar 40 menit).
7.6. Resumé
Sekali awan tumbuh mencapai ketinggian yang mempunyai
0
temperatur lebih dingin dari 0 C, maka kristal-kristal es mungkin terbentuk. Dua fasa transisi dapat mengarah pada pembentukan es yaitu pembekuan butiran air kelewat dingin atau deposisi langsung dari uap air menjadi fasa es. Pengintian spontan dari uap air menjadi butiran-butiran air tidak akan terjadi di atmosfer, demikian juga tidak akan terjadi penginian spontan menjadi kristal es tanpa kehadiran partikel asing yang disebut inti kondensasi awan (IKA) dan inti es (IES).
Pengintian spontan air menjadi es dapat terjadi jika
butiran-0
butiran awan mencapai temperatur sekitar – 40 C. Jadi, ketika parsel awan naik, maka awan akan mengandung seluruhnya partikel es pada
0 0 0
temperatur – 40 C. Lapisan awan antara 0 C dan – 40 C tidak terjadi pengintian spontan, sehingga pada lapisan awan ini terdapat campuran kristal es dan tetes kelewat dingin, disebut awan campuran. Pada
0 0
menemukan IES atau inti pembeku yang mempunyai sifat memudahkan inisiasi fasa es dalam air.
Pertumbuhan partikel es dalam awan dingin atau awan campuran melalui tiga cara :
i). melalui fasa uap air. Faktor yang mengendalikan pertumbuhan
massa kristal es oleh deposisi uap air serupa dengan pertumbuhan butiran awan oleh kondensasi. Tetapi masalah pertumbuhan kristal es lebih rumit karena kristal es tidak berbentuk bola (bulat), sehingga titik-titik dengan densitas uap air sama tidak terletak pada pusat kristal es, sedangkan pada butiran awan (berbentuk bola) terletak pada pusatnya.
ii). melalui pembekuan tetes. Dalam awan campuran, partikel es
tumbuh oleh pembekuan tetes kelewat dingin pada waktu terjadi tumbukan antara partikel es dan tetes. Pertumbuhan partikel es dengan pembekuan tetes dapat menghasilkan batu es hujan (hailstone). Batu es dengan diameter 1 cm lebih sering dijumpai, tetapi pernah diamati batu es yang mempunyai diameter sebesar 13 cm dengan massa lebih dari 0,5 kg.
iii). melalui penggabungan. Partikel es tumbuh melalui tumbukan
dan penggabungan satu sama lain. Tumbukan dapat terjadi jika ada beda kecepatan jatuh terminal diantara partikel-partikel es. Kemungkinan pelekatan ditentukan oleh dua faktor yaitu jenis partikel dan temperatur es. Pelekatan terjadi terutama pada
0
temperatur di atas sekitar – 5 C ketika permukaan es menjadi sangat lengket. Pertumbuhan partikel es melalui pembekuan dan penggabungan meningkat jika ukuran kristal es juga meningkat.
Bab 8
Proses Presipitasi
Dalam meteorologi, presipitasi menyatakan endapan air (aqueous) berbentuk cair atau padat (es) yang berasal dari atmosfer dan jatuh ke permukaan bumi. Masalah utama dalam proses presipitasi adalah penjelasan cara pertumbuhan tetes dari ukuran partikel awan (jejari sekitar 10 m) menjadi bentuk-bentuk presipitasi melalui pertumbuhan langsung kondensasi dan deposisi pada inti yang memerlukan waktu lama atau sangat lambat. Ada dua mekanisme yang dapat menjelaskan terjadinya presipitasi yaitu proses kolisi – koalisensi untuk awan panas dan proses kristal es yang melibatkan awan dingin atau awan campuran.
Bentuk-bentuk presipitasi adalah : Gerimis, biasanya berasal dari awan stratus yang terdiri dari tetes-tetes air kecil dengan diameter 0,2 sampai 0,5 mm dan intensitas hujannya kurang dari 1mm/jam. Hujan, biasanya jatuh dari awan nimbostratus dan cumulonimbus, diameter tetesnya lebih dari 0,5 mm dan intesitas hujannya lebih dari 1,25 mm/jam. Salju, gumpalan kristal-kristal es dalam bentuk serpih-serpih. Ukuran serpihan bergantung pada kadar air dan kelembapan disekitar kristal. Pelet es (ice pellet), biasanya disebut sleet yaitu tetes hujan yang membeku dengan diameter 5 mm atau kurang. Batu es (hail) terdiri dari
bongkahan es bulat atau bergerigi, sering ditandai oleh lapisan konsentris menyerupai struktur bawang, dan mempunyai diameter lebih dari 5 mm. Di Indonesia yang dimaksud dengan presipitasi adalah hjan. Hujan adalah bentuk presipitasi yang sering dijumpai di bumi, tetapi dalam bab 8 akan dibahas hujan dan salju.