salinitas, temperatur, dan densitas

O ^SEANOGRAFI F ^ISIK

Salinitas, Temperatur, dan Densitas

DANAR GURUH PRATOMO, PhD

TEKNIK GEOMATIKA, FTSLK ‐ ITS 31 Maret 2020

Bentuk/Fasa Air

Kandungan air di bumi [strahler and strahler, 1992]:

97.2% → laut 2.15% → glacier 0.62% → air tanah

0.03% → sungai, danau dll

Komponen Air Laut [1]

air laut = air tawar + garam + gas terlarut + senyawa organik

erosi batuan

udara + organisme di laut

Komponen Air Laut [2]

Berdasarkan zat-zat terlarut:

• major constituent :

→ enam material utama

→ membentuk 99% dari berat seluruhnya

• minor constituent :

→ banyak material

→ membentuk 1% dari berat seluruhnya

Major Constituent

Chlorine Cl^- 19.35 ppm

Sodium Na⁺ 10.76

Sulfate SO₄^2- 2.71

Magnesium Mg²⁺ 1.29

Calcium Ca²⁺ 0.41

Potassium K⁺ 0.39

Bicarbonate HCO₃^- 0.14

Minor Constituent

• Misal: phosphate dan nitrate

→ walau konsentrasi rendah, merupakan unsur penting untuk kehidupan di laut

Air Laut vs Air Sungai

Material Air Laut Air Sungai

Chloride 55.1 6.5

Sodium 30.4 5.3

Sulfate 7.7 9.4

Magnesium 3.8 3.4

Calcium 1.2 12.5

Potassium 1.1 1.9

Bicarbonate 0.4 48.7

Silica 0.02 10.9

air laut → larutan garam dapur

air sungai → larutan bicarbonate dengan silica

Salinitas [1]

salah satu parameter oseanografi yang penting, a.l:

• distribusi organisme (ikan) erat kaitannya dengan salinitas

• distribusi salinitas dapat digunakan untuk mempelajari gerak massa air.

jumlah garam terlarut dalam air laut diekspresikan dalam:

Klorinitas → elemen dengan jumlah terbesar dalam air laut

Salinitas [2]

Klorinitas (Cl): jumlah klor (dalam gram) dalam 1 kg air laut → ‰

Salinitas → kandungan total dari garam yang terlarut dalam air laut dikonversikan

Salinitas [2]

→ banyaknya material padat (dalam gram) yang terlarut dalam satu kg air laut

• simbol: S(‰)

• satuan:

– g/kg (1 in 1000) (1 g salt in 1 kg water) – ppt (part per thousand)

– ‰ or per mil (per thousand)

– psu = practical salinity units ~ to ppt

• hubungan empiris antara salinitas dan klorinitas

S(‰)=1.80655 x Klorinitas

Salinitas [3]

• range salinitas air laut: 32‰ s.d. 37‰ → rata-rata: 35‰

• kondisi lokal (misal: muara sungai, teluk, laguna, laut semi tertutup) → berpengaruh terhadap salinitas

range 28‰ s.d. 40‰

air payau (misal: muara sungai) → S < 20‰

laut hipersaline → S > 40‰

Laut Mati → S ~ 300 ‰

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Salinitas

• Presipitasi(P): Curah hujan, salju

• Run-off (mis: aliran air sungai)

• Evaporasi (E): penguapan

• Pola sirkulasi air (arus)

<<< S

>>> S

Penentuan Kadar Salinitas (1)

1. Gravimetri:

→ air laut diuapkan → garam yang tinggal ditimbang dan dibandingkan dengan 1 kg air laut (yang

diuapkan)

→ tidak teliti

2. Titrasi:

→ karena konsentrasi Cl^- paling banyak larut dalam air laut, maka konsentrasi Cl^- ditentukan dengan cara titrasi, selanjutnya salinitas dihitung dengan

menggunakan hubungan empiris antara salinitas dan klorinitas

Penentuan Kadar Salinitas (2)

3. Salinometer

→ bekerja didasarkan pada daya hantar listrik (konduktivitas) → semakin besar salinitas, makin besar pula daya hantar listriknya.

4. STD (Salinity Temperature Depth Recorder)

→ diturunkan ke kedalaman tertentu di laut, secara otomatis dapat

membuat kurva salinitas dan suhu terhadap kedalaman

Sifat Distribusi Komponen Air Laut

distribusi komponen-komponen air laut

→ aturan komposisi yang konstan

– perbandingan konsentrasi antar unsur-unsur komponen utama adalah konstan (tetap)

– perbandingan konsentrasi antar unsur-unsur utama dengan salinitas total adalah konstan (tetap)

Laut Terbuka → konsentrasi ion-ion terlarut

dalam komponen-komponen utama bisa bervariasi dari tempat ke tempat tapi proposi relatifnya

konstan (tetap) → salinitas total dapat berubah

namun rasio ion-ion utama tidak berubah

Distribusi Salinitas (1)

dipengaruhi oleh penguapan (E), curah hujan (P), pola sirkulasi air (arus) dan aliran air sungai

Distribusi Salinitas Horizonal

→ tergantung pada lintang yang berkaitan dengan penguapan dan presipitasi dan

→ pada umumnya ~ penguapan (E) dan presipitasi (P)

S = 34.60 + 0.0175 (E - P) _{Wüst, 1954}

Distribusi Salinitas (2)

• variasi horisontal : 33‰ – 40‰

– bila E > P → salinitas bertambah – bila E < P → salinitas berkurang

• di lintang menengah (30° N dan 30° S)

E > P → salinitas maksimum, tidak ada sumber air tawar yang signifikan

• di ekuator dan lintang tinggi

E < P → salinitas berkurang

• di lintang 50° N dan 50° S :

hujan salju dan pencairan es menyebabkan salinitas berkurang

• di kutub:

pembentukan es salinitas bertambah

Distribusi Salinitas (3)

• Garis-garis yang menghubungkan salinitas yang sama disebut isohaline

• Distribusi Salinitas Vertikal

→ distribusi vertikal salinitas berkaitan dengan perbedaan radiasi matahari yang diterima suatu daerah di permukaan bumi → mempengaruhi distribusi suhu dan densitas → E dan P

→ persipitasi yang tinggi dapat mngurangi konsentrasi salinitas di suatu permukaan laut, sehingga

menyebabkan terjadinya perubahan salinitas yang cepat (pertambahan atau pengurangan) terhadap kedalaman

Distribusi Salinitas (4)

Distribusi Salinitas (5)

Proses Desalinasi [1]

DESTILASI

Proses Desalinasi [2]

REVERSE OSMOSIS

Temperatur

• Radiasi matahari yang jatuh ke permukaan bumi tidak variasi temperatur terhadap lintang

temperatur laut berubah-ubah terhadap ruang dan waktu (ekuator tertinggi)

• T di perairan tropis pada umumnya lebih tinggi daripada T di perairan subtropis dan kutub

• Faktor utama yang mempengaruhi penyebaran (transport panas) T di laut:

– Gerakan-gerakan air, arus, dan turbulensi

– Distribusi masa daratan yang tidak sama di kedua belahan bumi (Utara - Selatan)

Distribusi Temperatur

• Pada lintang rendah (10° N – 10° S) dan dekat kutub utara dan selatan

→ perbedaan temperatur di antara bulan-bulan terhangat dan terdingin sepanjang tahun adalah kecil (< 3° C)

• Di lintang menengah (sekitar 30° N dan 30° S)

→ variasi terbesarnya sekitar 6 C

Distribusi Temperatur Vertikal (1)

• Jika suatu perairan yang homogen dan tenang dipanasi matahari

→ distribusi T dalam arah vertikal akan turun secara eksponensial

• Jika tidak ada gangguan pada perairan → keadaan perairannya selalu stabil, karena lapisan yang paling atas (lebih panas) densitasnya akan lebih rendah

daripada densitas di lapisan bawah

• Jika terdapat gangguan (misal: angin) → lapisan bagian atas turut bergerak dan menyebabkan

gerakan turbulensi → pengadukan di lapisan permukaan → terbentuk tiga lapisan:

Distribusi Temperatur Vertikal (2)

•mixed layer (homogen layer)

→ lapisan yang mempunyai temperatur yang sama (akibat teraduk) tebalnya ±100m (bervariasi)

•termoklin (thermocline)

→ lapisan dimana terjadi pengurangan temperatur secara cepat sampai kedalaman 1000m

•deep water

→ lapisan dimana suhu berkuran secara lambat

Ketiga lapisan memiliki sifat-sifat yang berbeda baik fisis kimia maupun biologi.

Distribusi Temperatur Vertikal (3)

• di kutub

→ hampir tidak ada lapisan termoklin karena air dingin dari atas sampai ke dasar

→ variasi salinitas menjadi penting dalam efek terhadap densitas air laut (di daerah lain efek temperatur lebih besar terhadap perubahan densitas secara vertikal dibanding salinitas

• di subtropis

→ terdapat variasi musiman dari struktur temperatur terhadap kedalaman

→ pada musim dingin terdapat lapisan permukaan yang cukup dingin dan tebal

→ pada musim hangat terdapat lapisan yang hangat tapi dangkal

Temperatur Insitu dan Potensial

• temperatur insitu (T):

→ temperatur air laut yang diukur/dicatat pada suatu kedalam tertentu.

• temperatur potensial (θ):

→ temperatur air setelah dipindahkan ke permukaan secara

adiabatis (tanpa kontak panas dengan perairan di sekitarnya) dari kedalaman tertentu

• Proses pengangkatan sampel air ke permukaan secara

adiabatis mengakibatkan tekanan berkurang, sehingga sampel air tersebut mengembang volumenya (bertambah besar) →

sehingga temperatur turun

temperatur potensial (θ) < temperatur insitu (T)

Distribusi Temperatur (1)

Distribusi Temperatur (2)

Distribusi Temperatur dan Salinitas

Depth and Pressure

Depth and Pressure

• Pressure (mostly) results from overlying mass of water (and air);

total mass depends on the water density and height

• Ocean range: 0-6000 dbar (get to this unit below) (note that 1 dbar is equivalent to about 1 m)

• Pressure is a force per unit area

• Newton’s law: F = ma

where F and a are 3-D vector force and acceleration, and m is mass.

• Units of force: mass x length / (time)² cgs: 1 dyne = 1 gm cm / sec² mks: 1 Newton = 1 kg m / sec²

Depth and Pressure

• Units of pressure: dyne/cm² and N/m²

• 1 Pascal = 1 N/m²

• 1 bar = 10⁶ dynes/cm² = 10⁵ N/m²

• approximately the atmospheric pressure at sea level

• 1 atmosphere = 1000 millibar = 1 bar

• 1 decibar = 0.1 bar

• Decibar or “dbar” is the most common pressure unit used in

oceanography because it is so close to 1 m, given the density of seawater: approximately the pressure for 1 meter of seawater.

(Don’t use the abbreviation “db” because dB is used for decibels - sound intensity.)

Pressure (p)

• Tekanan pada kedalaman dz di bawah permukaan air ditentukan dari rumus hidrostatis

• Tekanan pada kedalaman z = -h adalah

gdz dp   

gh gdz

p

h z

z









 ^



^

0

Pressure vs. depth

Talley (2016)

Density Structure of Seawater

• Influenced by both temperature and salinity and pressure.

• Ocean waters will structure themselves in layers of increasing  density with depth, called strata.   

• Two different water parcels can have very different  temperatures and salinity yet have the same density.

Density Structure of Seawater

• Temperatures of seawater vary widely (‐1° to 30°C)

• Whereas the salinity range is small (35.0 ±2.0‰). 

Water Mass North Temp (°C) Salinity (‰) Atlantic Central Water 8‐19 35.1‐36.5 Antarctic Circumpolar Water 0‐2 34.6‐34.7 Antarctic Intermediate Water 3‐7 33.8‐34.7 North Pacific Intermediate Water 4‐10 34.0‐34.5 North Atlantic Deep Water 2‐4 34.8‐35.1

Antarctic Bottom Water ‐0.4 34.7 

T‐S Diagram 

T‐S Diagram 

How do we measure density?

• Normally we don't. We calculate it. 

• The density dependence of seawater on salinity,  temperature, and pressure has been determined  and formulated, and equations describing this  relation can be used. 

) ,

,

( S T p

 f



equation of state

How do we measure density?

• The density of seawater is a function of temperature, 

pressure and salinity and is a fundamental oceanographic  property. 

• The average density (ρ) of seawater is  ~1.025gr cm^‐3. 

• The significant part of this number is generally in and beyond  the third decimal. 

σ_s,t,p= (ρ_s,t,p – 1) x 1000.

ρ_s,t,p = 1.02544 gr cm^‐3 → σ_s,t,p = 25.44. 

Seawater density ()

• Seawater density depends on S, T, and ρ

 = (S, T, p)     units are mass/volume (kg/m³)

• Specific volume 

(alpha) α= 1/ units are volume/mass (m³/kg)

• Pure water has a maximum density (at 4°C, atmospheric  pressure) of 

(0,4°C,1bar) = 1000 kg/m³ = 1 g/cm³

• Seawater density  ranges from about 1022 kg/m³ at the sea  surface to 1050 kg/m³ at bottom of ocean, mainly due to 

compression

Fresh Water Density

Fresh Water Density

• Densitas maksimum air tawar terjadi pada suhu 4°C

• Bila suhu diperbesar melebihi 4°C

→ terjadi pemanasan (ekspansi) yang membuat densitas berkurang

• Bila suhu diperkecil dari 4°C

→ terjadi proses pembentukan kristal es

mengandung banyak rongga udara sehingga densitasnya berkurang

Densitas

• Penambahan garam pada air tawar mengakibatkan

– Titik beku menurun

– Suhu dimana densitas mencapai nilai maksimum juga berkurang/menurun

• Efek tekanan pada densitas → dominan di lapisan dalam

• Perubahan densitas akibat pengaruh suhu dan salinitas < pengaruh tekanan

– range perubahan densitas akibat perubahan suhu dan salinitas: 1.020 – 1.030 gr/cm3

– efek tekanan dapat dilihat pada data berikut:

• ρ = 1.018 gr/cm3 di permukaan

• ρ = 1.051 gr/cm3 di kedalaman 5000m

Seawater density

Seawater density is determined empirically with lab measurements.  

Equation of state for seawater

• (S, T, p)

• Changes in  as a function of T,S,p:

• Thermal expansion coefficient

Generally positive for seawater

• Haline contraction coefficient

Positive

• Adiabatic compressibility

Positive

dp dS

dT

p dp S dS

T dT d

















 















   1





T

  1





S

  1





p

Talley (2016) 

Dependence of Density on  Temperature, Pressure

Temperature Pressure

Sea Surface Density

https://svs.gsfc.nasa.gov/4357

Freezing point and sea ice

• Freezing point temperature decreases with increasing salinity

• Temperature of maximum density decreases with increasing salinity

• They cross at ~ 25 psu (brackish water).

• Most seawater has maximum density at the freezing point

• Why then does sea ice float?

75% of ocean is 0‐6°C, 34‐35 psu

50% is 1.3‐3.8°C, 34.6‐34.7 psu (_=27.6 to 27.7 kg/m³) Mean temperature and salinity are  3.5°C and 34.6 psu

Density Distribution

Density Distribution

Profiler

Thank You!