PROSES TERJADINYA AWAN BERMUATAN LISTRIK
َقْدَوْلا ىَرَتَف اًماَكُر ُهُلَعْجَي ّمُث ُهَنْيَب ُّفِلَؤُي ّمُث اًباَحَس يِجْزُي َهّللا ّنَأ َرَت ْمَلَأ
ْنَم ِهِب ُبيِصُيَف ٍدَرَب ْنِم اَهيِف ٍلاَبِج ْنِم ِءاََمّسلا َنِم ُلِزَنُيَو ِهِللِخ ْنِم ُجُرْخَي
ِراَصْبلاِب ُبَهْذَي ِهِقْرَب اَنَس ُداَكَي ُءاَشَي ْنَم ْنَع ُهُفِرْصَيَو ُءاَشَي
Tidakkah engkau melihat bahwa Allah menjadikan awan bergerak perlahan, kemudian mengumpulkannya, lalu Dia menjadikannya bertumpuk-tumpuk, lalu engkau lihat hujan keluar
dari celah-celahnya, dan Dia (juga) menurunkan (butiran-butiran) es dari langit, (yaitu) dari (gumpalan-gumpalan awan seperti) gunung-gunung, maka ditimpakan-Nya (butiran-butiran) es
itu kepada siapa yang Dia kehendaki dan dihindarkan-Nya dari siapa yang Dia kehendaki. Kilauan kilatnya hampir-hampir menghilangkan penglihatan.
Para ahli cuaca telah menemukan bahwa awan cumulonimbus yang menghasilkan hujan es ini dapat mencapai ketinggian hingga 7 sampai 9 kilometer. Dapat kita bayangkan bahwa awan ini memang ukurannya benar-benar seperti gunungsebagaimana yang disebutkan di dalam ayat Al Qur'an di atas: "... dan Allah (juga) menurunkan (butiran-butiran) es dari langit, (yaitu) dari (gumpalan-gumpalan awan seperti) gunung-gunung,...".
Proses Pembentukan Awan
titik jenuh sehingga dapat terjadi proses kondensasi (pengembunan), di mana uap air akan berubah kembali menjadi titik-titik air di atmosfer. Ada kalanya pada saat kelembaban udara mencapai titik jenuh (100%), suhu udara sudah sangat rendah sampai berada di bawah titik beku sehingga uap air tidak lagi mengalami proses kondensasi. Uap air mengalami terjadi sublimasi di mana uap air berubah menjadi bentuk kristal-kristal es. Kumpulan titik-titik air atau dalam bentuk kristal-kristal es tersebut di atmosfer disebut awan.
Proses pembentukan awan bermuatandiawali dengan adanya aliran udara naik ke lapisan atmosfer, aliran udara naik karena perbedaan tekanan yang diakibatkan oleh panas dari sinar matahari dan juga pengaruh angin yang membawa uap air dengan kandungan partikel-partikel bebas. Karena semakin tinggi dari permukaan tanah temperatur udara semakin dingin, maka uap air dan partikel bebas tersebut berubah menjadi kristal es. Karena adanya angin kristal-kristal es tersebut saling bergesekan dan bertabrakkan. Ketika tabrakkan dan gesekan tersebut berlangsung, akan ada proses perpindahan muatan-muatan listrik yang ada didalan kristal-kristal es tersebut, sehingga muatan kristal-kristal es tersebut tidak netral lagi, bisa bermuatan positif atau bermuatan negatif. Kristal es tersebut memiliki massa atau berat yang berbeda-beda, ada yang lebih ringan ada yang berat. Kristal es yang lebih berat kemudian akan bermuatan negatif dan kristal es yang lebih ringan akan bermuatan positif.
Pada bagian bawah awan akan lebih bermuatan negatif dibandingkan dengan bagian atas awan, karena kristal es yang lebih berat akan berkumpul dibagian bawah awan dan yang lebih ringan berkumpul diatas awan, karena perbedaan gaya gravitasi padanya. Karena muatan negatif awan berada dibawah, sehingga permukaan bumi bermuatan lebih positif, karena muatan negatif bumi ditolak oleh muatan negatif awan.
Fenomena Terjadinya Petir
Kondisi atmosfir bumi tertentu seperti suhu, tekanan udara dan kelembaban yang tinggi akan menyebabkan awan badai terbentuk. Hal ini akan memperbesar massa/ bobot awan yang terbentuk, pada bagian bawah awan biasanya merupakan jenis awan hujan, bagian bawah ini terdiri dari tetesan air sedangkan pada level yang lebih tinggi terdapat kandungan kristal-kristal es.
akan memisahkan muatan listrik yang terbentuk. Pada bagian atas awan akan berkumpul muatan-muatan positif, sedangkan muatan-muatan negatif akan berkelompok pada bagian bawah awan.
Dalam keadaan tertentu terbentuk muatan listrik positif yang terdapat pada bagian bawah awan, walaupun dengan jumlah yang kecil. Awan bermuatan ini kemudian menciptakan beda potensial yang semakin tinggi dengan permukaan bumi. Dikarenakan kenaikan muatan pada awan negatif tersebut, maka medan listrik di atmosfer juga akan mempengaruhi keadaan mutan listrik yang ada di permukaan tanah. Kenaikan tegangan tanah ini berkisar antara 10 hingga15 kV/ meter. Pada situasi seperti ini potensi pelepasan muatan listri dari awan petir ke lingkungan sekitar akan meningkat.
(Gambar 1 : distribusi muatan listrik di awan, dan perubahan nilai medan listrik di tanah.)
Tahap Pembentukan Sambaran Petir
Tahap yang permulaan dari peristiwa sambaran petir dimulai dengan gerakan muatan listrik dengan intensitas rendah yang menuju ke tanah (downward leader) (Fig.2a).Pada saat yang bersamaan, muatan listrik yang terdapat pada permukaan tanah meningkat menjadi lebih tinggi.
selama badai petir seperti warna biru yang berwarna menyelubungi permukaan tanah bila dilihat dari kejauhan, atau kadang-kadang fenomena ini terdengar menyerupai dengung lebah sesaat sebelum badai petir terjadi. Pada saat downward leader sudah cukup dekat menyentuh dengan tanah, ionisasi karena pengaruh efek korona tersebut meningkat, dan akhirnya berubah menjadi sebuah aliran arus listrik menuju ke atas: gerak keatas dari aliran arus listrik ini dinamakan upward leader (Fig.2b)
Ketika terjadi kontak antara uppward leader dan downward leader maka akan terbentuk jalur konduktif yang memungkinkan arus listrik yang lebih besar mengikuti masuk dalam jalur kondutif itu. Fenomena petir ini ditandai oleh flashing/ kilatan yang terang dan bunyi guntur yang keras bergemuruh. (Fig.2c) Sambaran petir ini dapat terdiri dari sejumlah jalur arus listrik yang berturut-turut, yang terpisah dalam jeda yang singkat.
Gbr.2: Karakteristik perkembangan proses petir yang terjadi
Berbagai Macam Tipe Petir
1. Petir dari awan ke tanah (CG)
2. Petir dalam awan (IC)
Merupakan tipe yang paling sering terjadi antara pusat muatan yang berlawanan pada awan yang sama.
3. Petir antar awan (CC)
Petir ini terjadi antara pusat muatan dari dua awan yang berbeda. Pelepasan muatannya sendiri terjadi saat uadara cerah antara awan tersebut.
Petir ini terjadi jika udara di sekitaran awan yang bermuatan positif (+) berinteraksi dengan udara yang bermuatan negatif (-). Jika ini terjadi pada awan bagian bawah maka merupakan kombinasi dengan petir tipe CG.
Di daerah dengan iklim tropis, sebagian besar (sekitar 90%) dari petir adalah jenis negatif dimana debit ke bawah adalah berasal dari awan bermuatan negatif yang menuju ke tanah. (Fig.3a). Kadang-kadang juga terdapat downward leader dapat menghasilkan arus bermuatan positif di dasar awan dan menyambar turun menuju ke tanah. Jenis petir ini disebut sambaran petir positif (Fig.3b).Dalam kondisi atmosfer tertentu , upward leader dari petir dapat melonjak secara spontan dari suatu titik (misalnya puncak gunung, menara telekomunikasi atau bangunan tinggi). Petir yang dihasilkan dikenal sebagai sambaran petir upward leader positif (Fig.3c), atau, upward leader negatif yang menuju ke atas (Fig.3d)
Petir merupakan gejala alam yang biasanya muncul pada musim hujan dimana di langit muncul kilatan cahaya sesaat yang menyilaukan dan beberapa saat kemudian disusul oleh suara yang menggelegar. Terdapat beberapa definisi dari petir, antara lain:
1. Fenomena alam yang merupakan pelepasan muatan elektrostatis yang berasal dari badai guntur
2. Pelepasan muatan ini disertai dengan pancaran cahaya dan radiasi elektromagnetik lainnya 3. Arus listrik yang melewati saluran pelepasan muatan tadi dengan cepat memanaskan udara
Bunyi dari getaran gelombang yang disebabkan oleh petir yang memanaskan udara sampai 30.000 oC. Udara yang sangat panas itu mengembang dengan cepat dan mengerut ketika dingin. Proses ini menimbulkan gelombang bunyi.
Petir terjadi karena adanya perbedaan potensial antara awan dan bumi. Proses terjadinya muatan pada awan karena pergerakannya yang terus menerus secara teratur, dan selama pergerakan itu dia akan berinteraksi dengan awan lainnya sehingga muatan negative akan berkumpul pada salah satu sisi, dan muatan positif pada sisi sebaliknya. Jika perbedaan potensial antara awan dan bumi cukup besar, maka akan terjadi pembuangan muatan negatif (electron) untuk mencapai kesetimbangan. Pada proses ini, media yang dilalui electron adalah udara, dan pada saat electron mampu menembus ambang batas isolasi udara inilah akan terjadi ledakan suara yang menggelegar. Petir lebih sering terjadi pada musim hujan karena pada keadaan tersebut udara mengandung kadar air yang lebih tinggi sehingga daya isolasinya turun dan arus lebih mudah mengalir. Karena adanya awan yang bermuatan positif dan negatif, maka petir juga bisa terjadi antar awan yang berbeda muatan. Petir jenis ini dapat mengganggu aktifitas penerbangan.
Awan, pada umumnya kurang lebih mengandung listrik. Secara mekanik, thermodinamika, energi kimia diubah menjadi energi listrik dengan kutub yang terpisah. Kebanyakan petir memiliki fase waktu, antara lain:
1. Fase Waktu Pertumbuhan, sekitar 10 - 20 menit 2. Fase Waktu Puncak, sekitar 15 - 30 menit 3. Fase Waktu Menghilang, sekitar 30 menit
Dalam kondisi cuaca yang normal, perbedaan potensial antara permukaan bumi dengan ionosphere adalah sekitar 200.000 sampai 500.000 Volts, dengan arus sekitar 2×10-12 Amperes/m2 . Perbedaan potensial ini diyakini memberikan kontribusi dalam distribusi badai petir (Thunderstorm) di seluruh dunia. Pada lapisan atmosphere bertebaran gumpalan-gumpalan awan yang diantaranya terdapat awan yang bermuatan listrik. Awan bermuatan listrik tersebut terbentuk pada suatu daerah dengan persyaratan:
1. Kondisi udara yang lembab (konsentrasi air yang banyak) 2. Gerakan angin ke atas
Kelembaban terjadi karena adanya pengaruh sinar matahari yang menyebabkan terjadinya penguapan air di atas permukaan tanah (daerah laut, danau). Sedangkan pergerakan udara ke atas disebabkan oleh adanya perbedaan tekanan akibat daerah yang terkena panas matahari bertekanan lebih tinggi atau karena pengaruh angin. Di samping itu terdapat Inti Higroskopis sebagai inti butir-butir air di awan akibat proses kondensasi. Ketiga unsur inilah yang diperlukan untuk menghasilkan awan guruh/awan Commulonimbus yang bermuatan negatif yang karakteristiknya berbeda-beda sesuai dengan kondisi tempatnya. Muatan awan bawah yang negatif akan menginduksi permukaan tanah menjadi positif maka terbentuklah medan listrik antara awan dan tanah (permukaan bumi). Semakin besar muatan yang terdapat di awan, semakin besar pula medan listrik yang terjadi dan bila kuat medan tersebut telah melebihi kuat medan tembus udara ke tanah, maka akan terjadi pelepasan muatan listrik sesuai dengan hokum kelistrikan, peristiwa inilah yang disebut petir.
Dengan letak geografis yang dilalui garis khatulistiwa, Indonesia beriklim tropis. Hal ini mengakibatkan Indonesia memiliki hari guruh rata-rata per tahun yang sangat tinggi. Oleh karena itu, dianggap perlu untuk membuat analisa jumlah rata-rata petir tahunan yang dilakukan secara berkesinambungan (Iso Kreaunik Level) yang kemudian pada gilirannya dapat digunakan sebagai acuan untuk pembuatan Hazard Map yang akan dihubungkan dengan skala resiko (Lightning Strike Intensity Based On Risk Scale).
Manfaat Petir
Petir dianggap berbahaya karena memiliki daya hancur yang luar biasa, tetapi ternyata selain membuat kerusakan di permukaan bumi, juga mempunyai manfaat yang sangat besar. Diantara manfaat petir adalah :
1. Manfaat Petir untuk Memproduksi Ozon (O3)
Hubunganya petir dengan lapisan ozon adalah bahwa lapisan ozon berperan membentuk lapisan ozon. Lapisan ozon merupakan senyawa O3. Petir berperan memicu terjadinya reaksi kimia dari O2 atau oksigen menjadi O3. Sederhanya tiga senyawa O2 akan pecah menjadi enam senyawa O dan akhirnya terbentuk 2 senyawa O3. Proses tersebut tidak akan terjadi tanpa bantuan dari petir.
Manfaat lain petir adalah bagi kesuburan tanah. Saat petir menyambar tidak hanya terjadi pembentukan lapisan ozon saja, tapi banyak terjadi reaksi-reaksi kimia lain antara udara dengan air hujan yang sedang turun. Misalnya nitrogen dengan air sehingga saat air sampai di bumi menjadikan tanah lebih subur karena mendapat pasokan nitrogen lebih banyak berupa unsur Hara. Proses yang terjadi di alam raya ini ibarat sebuah pabrik pupuk urea yang menghasilkan pupuk urea berkadar Nitrogen tinggi. Sebagaimana diketahui, bahwa para petani menggunakan pupuk urea untuk membantu proses penyuburan tanah.
3. Petir bermanfaat untuk membunuh kuman dan bakteri
Pada kondisi akan turun hujan, dimana awan melingkupi permukaan bumi, maka di permukaan akan terasa panas. Kondisi ini cenderung menjadi semakin lembab, dengan meningkatnya kandungan uap air di udara. Kondisi seperti ini sangat potensial untuk tumbuh berkembangnya bakteri-bakteri juga kuman-kuman yang beterbangan di udara. Maka ketika terjadi Kilat dan sambaran petir di udara, akan membunuh kuman-kuman dan bakteri ini. Hal ini karena kilat dan sambaran petir merupakan aliran muatan listrik. Pada saat muatan listrik ini mengalir melesat di udara akan memanaskan udara disekitarnya. Oleh karena itu, saat terjadi hujan disertai dengan kilat dan petir yang menggelegar, juga sedang terjadi proses pembersihan udara dari kandungan kuman dan bakteri yang melayang, disebabkan oleh plasma petir yang sangat tinggi. Setelah hujan reda, petir sudah selesai, maka udara akan terasa nyaman.
Sistem Deteksi Petir
Thunderstorm, biasa juga disebut Electrical storm/ Lightning storm, adalah sebuah bentuk cuaca yang dicirikan oleh adanya kehadiran petir. Dari petir tersebut maka dapat dibuat klasifikasi dan sistem peringatan terhadap aktifitas thunderstorm. Ada dua macam alarm yang ada dalam system deteksi thunderstorm, antara lain:
1. Close Storm Alarm, yang akan aktif jika terdapat sebuah Thunderstorm yang bergerak mendekat dari jarak sebelumnya.
2. Severe Storm Alarm, yang akan aktif jika jumlah sambaran petir (Lightning Strikes) per menit melampaui jumlah sambaran petir sebelumnya.
Untuk mempermudah analisa, maka dibuat beberapa pengelompokan, yaitu: 1. Berdasarkan Kekuatan Storm
Pengelompokan berdasarkan Indeks kekuatan (Severity Index), yaitu Thundershower (0-22), thunderstorm (23-43), strong thunderstorm (44-75) dan Severe Thunderstorm (>76) 2. Berdasarkan Jarak Storm
Pengelompokan jarak storm dibagi menjadi 3, antara lain nearby (0-20 Km), regional (21-60 Km), dan distance (>60 Km).
Tinjauan Sudut Pandang Al-Qur’an
energi yang dilepas oleh sekali kilatan petir lebih besar dari pada energi yang dihasilkan
seluruh pembangkit listrik di Amerika.
Satu kilatan petir dapat menyalakan 100 watt bola lampu selama lebih dari tiga bulan.
Pada titik sentuh petir ke bumi, cuaca memanas hingga 25.000 oC. kecepatan kilatan petir
150.000 km/detik dan rata-rata ketebalannya 2,5-5 cm.
Petir menghasilkan molekul nitrogen yang dibutuhkan bagi tumbuh-tumbuhan di Bumi
utuk menunjang kehidupanya.
Setiap petir rata-rata memiliki 20.000 ampere daya listrik. Seorang tukang las hanya
menggunakan 250-400 ampere untuk mengelas baja.
Petir bergerak pada kecepatan 150.000 km/detik, hampir setengah kecepatan cahaya dan
100.000 kali lebih cepat dari kecepatan suara.
Suara yang dilepaskan oleh satu kilatan lebih besar dari pada cahaya 10 juta bola lampu berdaya 100 watt. Ini menerangkan; apabila setiap rumah di Istanbul menyalakan satu bola lampu, pancaran cahaya dari satu kilatan petir akan lebih besar. Allah menyatakan fenomena kilat yang menakjubkan ini seperti
ِراَصْبَ ْلاِب ُبَهْذَي ِهِقْرَب اَنَس ُداَكَي
“Kilauan kilat awan itu hampir-hampir menghilangkan penglihatan”. (QS. al-Nuur : 43)
Udara–yang dipanaskan oleh cahaya matahari–naik membawa molekul-molekul air yang menguap di dalamnya. Ketika udara yang naik ini mencapai ketinggian 2-3 km, udara tesebut bersentuhan dengan lapisan udara dingin. Saat kenaikan udara, kristal-kristal es yang terbentuk di dalam awan melepaskan energi listrik statis yang terbentuk karena pergesekan. Energi listrik ini mengandung unsur positif (+) pada lapisan atas awan dan unsur negatif (-) pada lapisan bawahnya. Ketika awan cukup terisi untuk mengionisasi udara; maka petir terbentuk.
Petir memanaskan udara di sekitarnya hingga 30.000oC dalam sepersejuta detik. Udara yang dipanskan meluas, dan menyebarkan gelombang suara yang lebih cepat dari kecepatan suara; dengan tekanan 100 kali lebih besar dari tekanan atmosfir normal. Sama halnya dengan pesawat yang melintas dengan kecepatan suara, ini menyebabkan ledakan suara (gemuruh) di udara, sehingga dinamakan gemuruh/guntur.
mencapai visual (penglihatan ) kita dengan kecepatan cahaya (99, 793 km/detik). Ini menyebabkan perbedaan waktu antara dua peristiwa, dan dengan demikian membuat kilatan (petir) mencapai bumi lebih sebelum guntur.
Ketika perbedaan muatan listrik menjadi lebih besar antara bumi dan awan, udara menjadi lebih mudah ditembus dari bumi ke awan; pelepasan energi listrik dimulai melalui saluran penghantar yang dibentuk oleh udara yang ditembus itu. Pelepasan energi listrik dari awan disebut dengan kilat, dan pelepasan energi listrik dari bumi disebut petir atau sambaran balik.
Kebenaran kilat yang dinyatakan dalam Qur’ânSurat Al-Ra’d–yang artinya “Guruh” atau “Guntur”–merupakan salah satu surat dalam Qur’ân. Allah memberitahukan bahwa guntur dibentuk oleh kilat yang bertasbih memujiNya :
ُلِسْرُيَو ِهِتَفيِخ ْنِم ُةَكِئَلََمْلاَو ِهِدَْمَحِب ُدْعّرلا ُِحِبَسُيَو
ِهّللا يِف َنوُلِداَجُي ْمُهَو ُءاَشَي نَم اَهِب ُبيِصُيَف َقِعاَوّصلا
ِلاَحَِمْلا ُديِدَش َوُهَو
“Dan guruh itu bertasbih dengan memuji Allah, (demikian pula) para malaikat karena takut kepada-Nya, dan Allah melepaskan halilintar, lalu menimpakannya kepada siapa yang Dia kehendaki, dan mereka berbantah-bantahan tentang Allah, dan Dia-lah Tuhan Yang Maha keras siksa-Nya.” (QS. al-Ra’d 13 : 13)
rumah sakit harus belajar kembali bagaimana caranya berjalan, menelan makanan/minuman, atau dengan kata lain bagaimana caranya hidup kembali.
Mereka relah menggambarkan bagaimana yang dirsakannya, dan ketika itu seola-olah mereka “hidup merana dan kemudian dihidupkan kembali.” Dalam Qur’ân, peristiwa yang sangat serupa terjadi ketika Allah tunjukkan pda kaum Nabi Musa as. Dengan keberanian yang keliru dan memalukan, Bani Israel menuntut pada Nabi Musa as. agar mereka dapat melihat Allah dengan mata mereka, dan sementara menuntut, mereka ditunjukkan dampak kilat yang serupa.
Pernyataan dalam ayat berikut “maka kilat menyambarmu hingga kamu mati” dan “kemudian kami membawamu kembali ke kehidupan setelah kamu mati,” menjadi petunjuk dari kenyataan bahwa mereka –ketika itu –merasa hidup kembali setelah jantungnya terhenti, akibat kejutan dan juga hilangnya kesadaran dan ingatan yang mereka alami. (Allah mengetahui yang terbaik) Berikut ini adalah ayat-ayat yang berhubungan dalam Qur’ân:
ُةَقِعاّصلا ُمُكْتَذَخَأَف ًةَرْهَج َهّللا ىَرَن َىّتَح َكَل َنِمْؤّن نَل َىَسوُم اَي ْمُتْلُق ْذِإَو
َنوُرُكْشَت ْمُكّلَعَل ْمُكِتْوَم ِدْعَب نِم مُكاَنْثَعَب ّمُث .َنوُرُظنَت ْمُتنَأَو
“Dan (ingatlah), ketika kamu berkata: “Hai Musa, kami tidak akan beriman kepadamu sebelum kami melihat Allah dengan terang , karena itu kamu disambar halilintar, sedang kamu menyaksikannya “. Setelah itu Kami bangkitkan kamu sesudah kamu mati , supaya kamu bersyukur.” (QS. al-Baqarah 2 : 55-56)
Referensi
Anderson, R.B. and Eriksson, A.J., A Summary of Lightning Parameters foe Engineering Aplications, Study Committee No. 33 (CIGRE), Electra No. 69, 1980.
Bustanam Beni, 1999.Penentuan Efektivitas Perlindungan Sistem Proteksi Petir Eksternal pada Bangunan dengan Metode Volume Attraktif. Tugas Akhir, Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung, Bandung.
Hutauruk, T.S., 1983. Pengetanahan Netral Sistem Tenaga Pengetanahan Peralatan, Penerbit Erlangga.
Tim, Peraturan Umum Instalasi Penangkal Petir untuk Bangunan di Indonesia, Direktorat Penyelidikan Masalah Bangunan, Jakarta.
Zoro Reynaldo, 2002.Dr., Sistem Proteksi terhadap sambaran petir pada struktur tinggi dengan bangunan disekitarnya, Lab. Teknik Tegangan Tinggi dan arus Tinggi, ITB.
..., 2006.Analisa Biaya Manfaat Sistematik Atas Proteksi Sambaran Petir, http://www.elektro_indonesia.co.id/analisenergi.html.
