KONVEKSI DALAM ATMOSFER
Makalah Energi
Diajukan Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Fisika Lingkungan
Disusun Oleh :
Nama : Rahayu Agustia
NPM : 140310100041
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PADJADJARAN
2013
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Proses konveksi adalah faktor yang mempengaruhi curah hujan karena berperan dalam proses pembentukan butiran awan dan hujan konveksi. Sebagian besar radiasi matahari terserap di permukaan bumi yang berakibat pemanasan di permukaan. Dengan demikian lapisan di permukaan bumi lebih panas sehingga menimbulkan paket udara tidak stabil dan mengalami proses konveksi. Suhu paket udara menurun bila terangkat ke atas, hal ini diakibatkan proses adiabatik.
Proses perubahan wujud uap air menjadi butiran awan akan melepas panas laten saat terjadi kondensasi.
Indonesia merupakan wilayah dengan proses konveksi yang paling aktif di dunia dan proses ini merupakan salah satu faktor yang mendominasi cuaca dan iklim di wilayah ini. Hal ini terjadi karena wilayah benua-maritim Indonesia, yang berada di khatulistiwa, menerima energi radiasi matahari yang besar sehingga merupakan daerah surplus energi dan uap air, yang keduanya merupakan bahan bakar utama dari konveksi.
Dengan efek koriolis yang kecil, wilayah ini diatur terutama oleh kesetimbangan hidrostropik antara gaya gravitasi dan buoyancy, sehingga dinamika di wilayah ini banyak didominasi oleh gelombang (stabil) dan konveksi (tidak stabil). Wilayah ini juga merupakan daerah konvergensi inter-tropis (ITCZ), di mana konveksi terkait erat dengan dan merupakan penggerak dari sirkulasi global. Selain itu, efek titik-panas dari daratan pulau-pulau yang dikelilingi lautan, sirkulasi angin darat-laut, dan topografi pegunungan, semuanya sangat mendorong terjadinya proses konveksi. Tidak mengherankan jika wilayah benua-maritim Indonesia merupakan salah satu penghasil awan dan hujan terbesar di dunia.
1.2 Permasalahan
Permasalahan yang akan dibahas dalam makalah ini adalah sabagai berikut:
1. Apa itu konveksi atmosfer ?
2. Bagaimana proses konveksi mempengaruhi curah hujan ?
1.3 Tujuan
Adapun tujuan dari penyusunan makalah ini adalah sebagai berikut:
1. Mengetahui proses konveksi yang terjadi di atmosfer
2. Mengetahui pemanfaatan proses konveksi untuk menambah curah hujan
1.4 Manfaat
Manfaat dari penyusunan makalah ini adalah untuk memberikan pengetahuan kepada pembaca mengenai proses konveksi yang terjadi pada atmosfer yang sangat berperan dalam proses pembentukan awan sehingga mempengaruhi curah hujan
BAB II DASAR TEORI
2.1 Konveksi
Dalam ilmu fisika, istilah konveksi menggambarkan suatu proses perpindahan energi kalor yang terjadi melalui perpindahan massa/partikelnya.
Tetapi, dalam ilmu sains atmosfer, konveksi didefinisikan secara lebih spesifik, yaitu pergerakan vertikal dari massa udara yang disebabkan oleh perbedaan kerapatan massa udara.
Teori konveksi telah dikenal sejak Archimedes yang mengatakan bahwa apabila sebuah benda yang lebih ringan dari pada suatu zat cair dipaksa masuk ke dalamnya, benda itu akan terdorong ke atas dengan gaya yang sama dengan perbedaan antara beratnya dan berat dari zat cair yang digantikannya. Gaya dorong ke atas ini dikenal juga sebagai gaya apung (buoyancy).
Proses konveksi terjadi karena perbedaan relatif antara berat suatu massa udara terhadap massa udara di sekelilingnya, dimana massa udara yang lebih berat akan turun ke bawah sedangkan massa udara yang lebih ringan akan terdorong ke atas. Jadi, gaya yang paling berperan dalam proses konveksi adalah gaya tarik bumi (gravitasi). Massa udara dapat menjadi lebih ringan karena suhunya lebih tinggi sehingga kerapatannya menjadi lebih rendah, atau karena mengandung uap air (H2O) yang mempunyai berat yang lebih ringan daripada udara.
Konveksi memainkan peran yang penting dalam perpindahan dan distribusi massa dan energi di dalam medium atmosfer. Konveksi juga memungkinkan pembentukkan awan dan hujan, yang merupakan salah satu mata rantai dalam siklus hidrologi, yang penting bagi kehidupan di muka bumi. Proses konveksi merupakan penggerak utama dari sirkulasi atmosfer dan berperan dalam kesetimbangan radiasi-awan. Dengan demikian, tidak mengherankan jika proses konveksi mempengaruhi hampir semua variabel atmosfer.
2.2 Proses Pembentukan Awan
Udara di sekeliling kita banyak mengandung uap air. Tidak terhitung banyaknya gelembung udara yang terbentuk oleh busa laut secara terus-menerus dan menyebabkan partikel-partikel air terangkat ke langit.Partikel-partikel yang disebut dengan aerosol inilah yang berfungsi sebagai perangkap air dan selanjutnya akan membentuk titik-titik air. Selanjutnya aerosol ini naik ke atmosfer, dan bila sejumlah besar udara terangkat ke lapisan yang lebih tinggi, maka ia akan mengalami pendinginan dan selanjutnya mengembun. Kumpulan titik-titik air hasil dari uap air dalam udara yang mengembun inilah yang terlihat sebagai awan. Makin banyak udara yang mengembun, makin besar awan yang terbentuk.
Gambar 2.1 Proses Pembentukan Awan
Dalam atmosfer tetes awan terbentuk pada aerosol yang berfungsi sebagai inti kondensasi atau inti pengembunan. Kecepatan pembentukan tetes tersebut ditentukan oleh banyaknya inti kondensasi. Proses dimana tetes air dari fasa uap terbentuk pada inti kondensasi disebut pengintian heterogen. Adapun pembentukan tetes air dari fasa uap dalam suatu lingkungan murni yang memerlukan kondisi sangat jenuh (supersaturation) disebut pengintian homogen.
Pengintian homogen yaitu pembekuan pada air murni hanya akan terjadi pada suhu dibawah -40 °C. Akan tetapi dengan keberadaan aerosol sebagai inti kondensasi maka pembekuan dapat terjadi pada suhu hanya beberapa derajat dibawah 0°C.
Inti kondensasi adalah partikel padat atau cair yang dapat berupa debu, asap, belerang dioksida, garam laut (NaCl) atau benda mikroskopik lainnya yang bersifat higroskopis, dengan ukuran 0,001 – 10 mikrometer.
Secara singkat proses kondensasi dalam pembentukan awan adalah sebagai berikut :
Udara yang bergerak ke atas akan mengalami pendinginan secara adiabatik sehingga kelembaban nisbinya (RH) akan bertambah, tetapi sebelum RH mencapai 100 yaitu sekitar 78 ondensasi telah dimulai pada inti kondensasi yang lebih besar dan aktif. Perubahan RH terjadi karena adanya penambahan uap air oleh penguapan atau penurunan tekanan uap jenuh melalui pendinginan.
Tetes air kemudian mulai tumbuh menjadi tetes awan pada saat RH mendekati 100 Karena uap air telah digunakan oleh inti-inti yang lebih besar dan inti yang lebih kecil kurang aktif tidak berperan maka volume tetes awan yang terbentuk jauh lebih kecil dari jumlah inti kondensasi.
Tetes awan yang terbentuk umumnya mempunyai jari-jari 5 – 20 mm.
Tetes dengan ukuran ini akan jatuh dengan kecepatan 0,01 – 5 cm/s sedang kecepatan aliran udara ke atas jauh lebih besar sehingga tetes awan tersebut tidak akan jatuh ke bumi. Bahkan jika kelembaban udara kurang
dari 90 aka tetes tersebut akan menguap. Untuk dapat jatuh ke bumi tanpa menguap maka diperlukan suatu tetes yang lebih besar yaitu sekitar 1 mm (1000 mikrometer), karena hanya dengan ukuran demikian tetes tersebut dapat mengalahkan gerakan udara ke atas (Neiburger, et. al., 1995).
Jadi perbedaan antara tetes awan dan tetes hujan adalah pada ukurannya.
Jika sebuah awan tumbuh secara kontinyu, maka puncak awan akan melewati isoterm 0 °C. Tetapi sebagian tetes-tetes awan masih berbentuk cair dan sebagian lagi berbentuk padat atau kristal-kristal es jika terdapat inti pembekuan. Jika tidak terdapat inti pembekuan, maka tetes-tetes awan tetap berbentuk cair hingga mencapai suhu -40 °C bahkan lebih rendah lagi.
Jenis-jenis awan berdasarkan ketinggiannya dapat dlihat pada gambar berikut :
Gambar 2.2 Jenis-jenis awan berdasarkan ketinggian
Awan yang dijadikan sasaran dalam kegiatan hujan buatan adalah jenis awan Cumulus (Cu) yang aktif, dicirikan dangan bentuknya yang seperti bunga kol. Awan Cumulus terjadi karena proses konveksi. Secara lebih rinci awan Cumulus terbagi dalam 3 jenis, yaitu: Strato Cumulus (Sc) yaitu awan Cumulus yang baru tumbuh ; Cumulus, dan Cumulonimbus (Cb) yaitu awan Cumulus yang sangat besar dan mungkin terdiri beberapa awan Cumulus yang bergabung menjadi satu.
Gambar 2.3 Jenis awan Cumulus (Cu) 2.3 Awan Dingin dan Awan Hangat
Berdasarkan suhu lingkungan fisik atmosfer dimana awan tersebut berkembang, awan dibedakan atas awan dingin (cold cloud) dan awan hangat (warm cloud). Terminologi awan dingin diberikan untuk awan yang semua bagiannya berada pada lingkungan atmosfer dengan suhu di bawah titik beku yaitu (< 00C), sedangkan awan hangat adalah awan yang semua bagiannya berada diatas titik beku ( > 00C).
Awan dingin kebanyakan adalah awan yang berada pada daerah lintang menengah dan tinggi, dimana suhu udara dekat permukaan tanah saja bisa mencapai nilai <00C. Di daerah tropis seperti halnya di Indonesia, suhu udara dekat permukaan tanah sekitar 20-300C, dasar awan mempunyai suhu sekitar 180C. Namun demikian puncak awan dapat menembus jauh ke atas melampaui
titik beku, sehingga sebagian awan merupakan awan hangat, sebagian lagi diatasnya merupakan awan dingin. Awan semacam ini disebut awan campuran (mixed cloud).
Gambar 2.4 awan dingin dan awan panas berdasarkan suhu lingkungan fisik atmosfer
2.4 Proses Terjadinya Hujan Pada Awan Dingin
Pada awan dingin hujan dimulai dari adanya kristal-kristal es. yang berkembang membesar melalui dua cara yaitu deposit uap air atau air super dingin (supercooled water) langsung pada kristal es atau melalui penggabungan menjadi butiran es. Keberadaan kristal es sangat penting dalam pembentukan hujan pada awan dingin, sehingga pembentukan hujan dari awan dingin sering juga disebut proses kristal es.
Sewaktu udara naik lebih tinggi ke atmosfer, terbentuklah titik-titik air, dan terbentuklah awan. Ketika sampai pada ketinggian tertentu yang sumbunya berada di bawah titik beku, awan itu membeku menjadi kristal es kecil-kecil.
Udara sekelilingnya yang tidak begitu dingin membeku pada kristal tadi. Dengan demikian kristal bertambah besar dan menjadi butir-butir salju. Bila menjadi terlalu berat, salju itu turun. Bila melalui udara lebih hangat, salju itu mencair menjadi hujan. Pada musim dingin salju jatuh tanpa mencair.
2.5 Proses Terjadinya Hujan Pada Awan Hangat
Ketika uap air terangkat naik ke atmosfer, baik oleh aktivitas konveksi ataupun oleh proses orografis (karena adanya halangan gunung atau bukit), maka pada level tertentu partikel aerosol (berukuran 0,01 - 0,1 mikron) yang banyak beterbangan di udara akan berfungsi sebagai inti kondensasi (condensation nucleus) yang menyebabkan uap air tersebut mengalami pengembunan.Sumber utama inti kondensasi adalah garam yang berasal dari golakan air laut. Karena bersifat higroskofik maka sejak berlangsungnya kondensasi, partikel berubah menjadi tetes cair (droplets) dan kumpulan dari banyak droplets membentuk awan. Partikel air yang mengelilingi kristal garam dan partikel debu menebal, sehingga titik-titik tersebut menjadi lebih berat dari udara, mulai jatuh dari awan sebagai hujan.
(Sumber : http://rst.gsfc.nasa.gov/sect14/sect141d.html)
Gambar 2.5 Tipikal ukuran diameter tetes hujan (Rain Drop), Tetes awan (Cloud Droplet) dan inti kondensasi (Condensation Nucleus)
