Tags
Atmosfer, Eksosfer, Fisika, Ilmu Pengetahuan Bumi dan Antariksa, IPBA, Mengenal Lapisan-lapisan Atmosfer Bumi dan Komposisinya, Mesosfer, Ozon, Pendidikan Fisika, Stratosfer, Termosfer, Troposfer, Ultra Violet
Mengenal Lapisan-lapisan Atmosfer Bumi dan Komposisi Atmosfer di Planet Bumi
- Awal Evolusi Atmosfer
Menurut ahli geologi, pada mulanya atmosfer bumi mengandung CO2 (karbon dioksida) berkadar tinggi sehingga karena efek rumah kaca, maka temperature permukaan bumi juga tinggi. Pada waktu itu oksigen (O2) belum terbentuk sehingga belum ada lapisan ozon (ozonosfer) di stratosfer, karena itu sinar ultra violet dari matahari tidak mengalami atenuasi (absorpsi, refleksi dan difusi) dan samapi pada permukaan bumi dengan intensitas radiasi yang sangat kuat. Kondisi semacam ini tidak memungkinkan adanya kehidupan pada permukaan bumi, kecuali mungkin ada kehidupan pada perairan yang dalam sehingga terlindung radiasi sinar UV (Ultra Violet) dari matahari.
Sekitar 3,5 milyar tahun yang lalu mulai adanya evolusi mahluk hidup yang berklorofil yang memungkinkan proses fotosintesis. Evolusi ini berlanjut terus sehingga proses fotosintesis semakin efisien. Karena fotosintesis memerlukan karbon dioksida maka kadar karbon di atmosfer menjadi berkurang dan sebaliknya kadar oksigen lambat laun bertambah. Melalui proses fotokimia dan energy matahari (terutama panjang gelombang pendek), maka terbentuk lapisan ozon (O3) di stratosfer. Lapisan ozon dapat menahan atau menyerap gelombang pendek dari radiasi matahari (terutama UV) yang berenergi tinggi. Kondisi semacam ini menyebabkan temperature permukaan bumi turun, dan memungkinkan mahluk hidup berevolusi ke daratan.
Tetapi evolusi tidak berjalan linier, ada beberapa episode kepunahan masal, misalnya pada 240 juta tahun yang lalu kepunahan masal menghilangkan organisme laut sekitar 77 sampai 96%, juga pada 60 juta tahun yang lalu terjadi kepunahan masal.
Ada dua teori sebab kepunahan masal. Pertama ialah tabrakan bumi dengan sebuah benda langit dan kedua ialah kegiatan vulkanik yang dahsyat. Kedua teori ini menganggap terjadi debu yang menghalangi sinar matahari sehingga proses fotosintesis terhenti untuk waktu yang lama, selain itu kebakaran besar-besaran juga mengakibatkan hujan asam yang dahsyat. Akibatnya terjadi kepunahan massal, termasuk jenis dinosaurus.
Kepunahan besar ini mengakibatkan hilangnya dominasi hewan melata (reptilia) sehingga memberikan kesempatan pada hewan menyusui untuk berkembang yang pada akhirnya melahirkan manusia. Dari segi teori evolusi telah banyak diterima secara luas, baik dikalangan ilmiah ataupun awam, namun dari segi agama banyak pula yang masih mempertanyakan kebenarannya.
Manusia terbentuk oleh lingkungan dan membentuk lingkungan baru. Dengan adanya umpan balik antara makhluk hidup dan lingkungan maka kondisi lingkungan terjaga agar tetap sesuai dengan kehidupan. Pertanyaannya adalah apakah lingkungan itu akan tetap sesuai bagi manusia pada khususnya? Fakta menunjukkan telah banyak terjadi kepunahan jenis makhluk hidup yang tidak dapat menyesuaikan dirinya dengan perubahan lingkungan. Dari segi ekologi, tidak ada alasan bagi manusia tidak dapat punah, apalagi manusia lebih peka dibandingkan tumbuhan, jasad renik dan hewan yang merupakan mata rantai dalam arus energi dari matahari. Tumbuhan, jasad renik, dan hewan dapat hidup tanpa manusia, tetapi sebaliknya manusia tidak dapat hidup tanpa tumbuhan. Karena itu kita sebaiknya bersikap, bijaksana dan rendah hati terhadap makhluk-makhluk lain dan senantiasa menjaga kelestarian lingkungan.
Aktivitas industri seharusnya memperhatikan dampak yang ditimbulkannya baik terhadap lingkungan maupun terhadap perubahan iklim. Ini disebabkan tidak ada jaminan manusia tidak akan punah. Pembangunan industri berwawasan lingkungan dan berkelanjutan berusaha memenuhi kebutuhan tetapi lingkungan tetap terjaga kelestariannya sehingga dapat menopang kehidupan kita semakin baik, dan memberi kesempatan hidup pada makhluk-makhluk lain.
Hujan asam adalah perkara lingkungan yang rumit. Sejak tahun 1950, perkara hujan asam menjadi menarik perhatian ketika terjadi asidifikasi (pengasaman) danau di Scandinavia dan Kanada. Hujan asam adalah istilah yang lebih popular daripada deposisi basah senyawa sulfur dan nitrogen. Pengasaman terutama disebabkan oleh tiga jenis polutan yaitu:
- Sulfur dioksida SO2 dari pembakaran minyak bumi dan batu bara, dan proses industri.
- Nitrogen dioksida NO2 dari proses semua pembakaran
- Ammonia NH3 terutama dari peternakan.
2. Lapisan Atmosfer
Jika temperatur vertikal dipakai sebagai dasar pembagian atmosfer, maka terdapat diskontinuitas profil temperature yang menandai lapisan-lapisan atmosfer yaitu troposfer, stratosfer, mesosfer dan termosfer. Puncak dari lapisan-lapisan ini disebut tropopause, stratopause, mesopause dan termopause.
Atmosfer dipengaruhi oleh gaya tarik bumi yaitu gravitasi (gravity). Atmosfer bersifat kompresibel artinya densitas maksimum terdapat dipermukaan tanah dan semakin tipis jika menjauhi permukaan bumi sampai pada akhirnya menjadi tidak dapat dibedakan dari gas lain. Karena itu tidak terdefinisi batas atas atau puncak atmosfer, tetapi rumbai-rumbai bumi mencapai pada ketinggian sekitar 1.000 km.
Dalam tahun 1902 , Teisserene de bort (1855 – 1913) ahli Meteorologi Perancis dan (1845 -1918), ahli Meteorologi Jerman secara terpisah menemukan lapisan tinggi di atas 10 km dimana suhu naik dengan ketinggian. De Bort menyebut lapisan pertama di atas permukaan adalah troposfer dan lapisan diatas nya adalah stratosfer .
Penemuan radiosonde oleh Molchanov (1893-1941) ahli meteorologi Soviet dalam tahun 1927 memperkenalkan era baru eksplorasi atmosfer dimana pengukuran suhu rutin seluruh jaringan sinoptik. Sistem radiosonde modern mampu membuat observasi sampai pada ketinggian 40 km. Pada panas yang lebih tinggi informasi stuktur suhu diukur oleh roket dan didoduksi (diturunkan) secara tidak langsung dari pengukuran satelit cuaca .
a. Troposfer
Troposfer adalah lapisan atmosfer paling bawah yang ditandai oleh penurunan temperatur dan fenomena cuaca (pembentukan awan dan hujan) troposper artinya buletan atau lapisan yang berubah-ubah, lebih dari 80% massa atmosfer terletak dilapisan ini, dan mempunyai cirri percampuran vertical yang kuat. Fenomena cuaca, seperti awan, hujan, dan badai guruh terjadi dalam troposfer. Akibat adanya percampuran vertical yang kuat dan curah hujan dengan waktu tinggal rata-rata aerosol dalam lapisan troposfer agak pendek berkisar dari beberapa hari sampai minggu.
Troposfer merupakan lapisan terbawah dari atmosfer, yaitu pada ketinggian 0 – 18 km di atas permukaan bumi. Tebal lapisan troposfer ratarata ± 10 km. Di daerah khatulistiwa, ketinggian lapisan troposfer sekitar16 km dengan temperatur rata-rata 80°C. Daerah sedang ketinggian lapisan troposfer sekitar 11 km dengan temperatur rata-rata 54°C, sedangkan di daerah kutub ketinggiannya sekitar 8 km dengan temperature rata-rata 46°C. Lapisan troposfer ini pengaruhnya sangat besar sekali terhadap kehidupan mahkluk hidup di muka bumi. Lapisan ini selain terjadi peristiwa-peristiwa seperti cuaca dan iklim, juga terdapat kira-kira 80% dari seluruh massa gas yang terkandung dalam atmosfer terdapats pada lapisan ini. Ciri khas yang terjadi pada lapisan troposfer adalah suhu (temperatur) udara menurun sesuai dengan perubahan ketinggian, yaitu setiap naik 100 meter dari permukaan bumi, suhu (temperatur) udara menurun sebesar ± 0,5°C. Lapisan troposfer paling atas, yaitu tropopause yang menjadi batas antara troposfer dan stratosfer. Suhu (temperatur) udara di lapisan ini relatif konstan atau tetap, walaupan ada pertambahan ketinggian, yaitu berkisar antara -55°C sampai -60°C. Ketebalan lapisan tropopause ± 2 km. Pada lapisan ini, hampir semua jenis cuaca, perubahan suhu yang mendadak, angin, tekanan, dan kelembaban udara yang kita rasakan sehar-ihari terjadi. Ketinggian yang paling rendah adalah bagian yang paling hangat dari troposfer, karena permukaan bumi menyerap radiasi panas dari matahari dan menyalurkan panasnya ke udara. Pada troposfer ini terdapat gas-gas rumah kaca yang menyebabkan efek rumah kaca dan pemanasan global. Troposfer terdiri atas:
- Lapisan planetair : 0-1 km
- Lapisan konveksi : 1-8 km
- Lapisan tropopause : 8-12 km.
Tropopause merupakan lapisan pembatas antara lapisan troposfer dengan stratosfer yang temperatunya relatif konstan. Pada lapisan tropopause kegiatan udara secara vertikal terhenti.
b. Stratosfer
Sratosfer ditandai oleh kenaikan temperature terhadap ketinggian karena adanya ozonosfer (lapisan ozon) yang menyerap radiasi matahari berenergi tinggi (ultra violet). Stratosfer artinya bulatan atau lapisan berlapis yang ditandai oleh percampuran vertical yang sangat lemah. Badai guruh yang updraft (arus udara ke atas)-nya sangat besar dapat menembus beberapa kilometer ke dalam stratosfer bawah. Tekanan pada paras stratopause sekitar 1 mb, dibandingkan 1.000 mb pada permukaan bumi. Troposfer bersama stratosfer mencakup sekitar 99,9% massa atmosfer. Sisanya 0,1% adalah massa mesosfer 99% dan massa termosfer 1%.
- Massa Termosfer: 0.001 %
- Massa Mesosfer: 0.099 %
- Massa Stratosfer: 19.9 %
- Massa Troposfer: 80.0 %
Stratosfer terletak padaketinggian antara 18-49 km dari permukaan bumi. Lapisan ini ditandai dengan adanya proses inversi suhu, artinya suhu udara bertambah tinggi seiring dengan kenaikan ketinggian dari permukaan bumi. Kenaikan suhu udara berdasarkan ketinggian mulai terhenti, yaitu pada puncak lapisan stratosfer yang disebut stratopause dengan suhu udara sekitar 0°C. Stratopause adalah lapisan batas antara stratosfer dengan mesosfer. Lapisan ini terletak pada ketinggian sekitar 50-60 km dari permukaan bumi.
Stratosfer terdiri atas tiga lapisan yaitu, lapisan isotermis, lapisan panas, dan lapisan campuran teratas. Umumnya suhu (temperatur) udara pada lapisan stratosfer sampai ketinggian 20 km tetap. Lapisan ini disebut dengan lapisan isotermis. Lapisan isotermis merupakan lapisan paling bawah dari stratosfer. Setelah lapisan isotermis, berikutnya terjadi peningkatan suhu (temperatur) hingga ketinggian ± 45 km. Kenaikan temperatur pada lapisan ini disebabkan oleh adanya lapisan ozon yang menyerap sinar ultra violet yang dipancarkan sinar matahari. Lapisan stratosfer ini tidak ada lagi uap air, awan ataupun debu atmosfer, dan biasanya pesawat-pesawat yang menggunakan mesin jet terbang pada lapisan ini. Hal ini dimaksudkan untuk menghindari gangguan cuaca.
Perubahan secara bertahap dari troposfer ke stratosfer dimulai dari ketinggian sekitar 11 km. Suhu di lapisan stratosfer yang paling bawah relatif stabil dan sangat dingin yaitu -70°F atau sekitar -57°C. Pada lapisan ini angin yang sangat kencang terjadi dengan pola aliran yang tertentu. Awan tinggi jenis cirrus kadang-kadang terjadi di lapisan paling bawah, namun tidak ada pola cuaca yang cukup signifikan. Dari bagian tengah stratosfer keatas, pola suhunya berubah menjadi semakin bertambah (semakin naik), karena bertambahnya lapisan dengan konsentrasi ozon yang bertambah. Lapisan ozon ini menyerap radiasi sinar ultra ungu. Suhu pada lapisan ini bisa mencapai sekitar 18°C pada ketinggian sekitar 40 km.
Lapisan stratopause memisahkan stratosfer dengan lapisan berikutnya. Ozon adalah hasil reaksi antara oksigen dengan sinar ultraviolet dari matahari. Ozon di udara berfungsi menahan radiasi sinar ultraviolet dari matahari pada tingkat yang aman untuk kesehatan. Ozon berwarna biru pucat yang terbentuk dari tiga atom oksigen (O3). Ozon adalah gas yang tidak berwarna dan dapat ditemukan di lapisan stratosfer yaitu lapisan awan yang terletak antara 15 hingga 35 km dari permukaan bumi. Lapisan ozon sangat penting karena ozon menyerap radiasi ultra violet (UV) dari matahari untuk melindungi radiasi yang tinggi sampai ke permukaan bumi. Radiasi dalam bentuk UV spektrum mempunyai jarak gelombang yang lebih pendek daripada cahaya. Radiasi UV dengan jarak gelombang adalah di antara 280 hingga 315 nanometer yang dikenali UVB dan ia merusak hampir semua kehidupan. Adanya penyerapan radiasi UV-B sebelum sinar UV sampai ke permukaan bumi, lapisan ozon melindungi bumi dari efek radiasi yang merusak kehidupan
c. Mesosfer
Mesosfer adalah lapisan tengah atmosfer yang ditandai oleh penurunan temperature terhadap ketinggian. Mesosfer artinya bulatan atau lapisan tengah yang tumpang tindih (overlaps) dengan ionosfer bawah. Seperti troposfer maka lapisan ini mempunyai penurunan suhu dengan ketinggian (susut suhu) dan gerakan udara partikel tidak dihalangi secara kuat.
Mesosfer adalah lapisan udara ketiga, di mana suhu atmosfer akan berkurang dengan pertambahan ketinggian hingga ke lapisan keempat. Mesosfer terletak pada ketinggian antara 49-82 km dari permukaan bumi. Lapisan ini merupakan lapisan pelindung bumi dari jatuhan meteor atau benda-benda angkasa luar lainnya. Udara yang terdapat di sini akan mengakibatkan pergeseran berlaku dengan objek yang datang dari angkasa dan menghasilkan suhu yang tinggi. Kebanyakan meteor yang sampai ke bumi biasanya terbakar di lapisan ini.
Lapisan mesosfer ini ditandai dengan penurunan suhu (temperatur) udara, rata-rata 0,4°C per seratus meter. Penurunan suhu (temperature) udara ini disebabkan karena mesosfer memiliki kesetimbangan radioaktif yang negatif. Temperatur terendah di mesosfer kurang dari -81°C. Bahkan di puncak mesosfer yang disebut mesopause, yaitu lapisan batas antara mesosfer dengan lapisan termosfer temperature-nya diperkirakan mencapai sekitar -100°C.
d. Termosfer
Termosfer adalah lapisan panas yang ditandai oleh kenaikan temperatur sampai ribuan derajat Celsius. Termosfer artinya bulatan atau lapisan panas yang meluas sampai ketinggian beberapa ratus kilometer dan bersuhu antara 400 sampai 20000C bergantung pada tingkat (fasa) aktivitas matahari (siang dan malam) dan bergantung pada lintang tempat. Variasi temperatur harian adalah 500-8000C dengan minimum sekitar matahari terbit dan maksimum sekitar pukul 14.00. Termopause adalah paras transisi ke profil yang kurang lebih isothermal atau suhu konstan.
Termosfer adalah lapisan udara keempat, peralihan dari mesosfer ke termosfer dimulai pada ketinggian sekitar 82 km. Termosfer terletak pada ketinggian antara 82 – 800 km dari permukaan bumi. Lapisan termosfer ini disebut juga lapisan ionosfer. Lapisan ini merupakan tempat terjadinya ionisasi partikel-partikel yang dapat memberikan efek pada perambatan /refleksi gelombang radio, baik gelombang panjang maupun pendek. Disebut dengan termosfer karena terjadi kenaikan temperatur yang cukup tinggi pada lapisan ini yaitu sekitar 19820°C. Perubahan ini terjadi karena serapan radiasi sinar ultra ungu. Radiasi ini menyebabkan reaksi kimia sehingga membentuk lapisan bermuatan listrik yang dikenal dengan nama ionosfer, yang dapat memantulkan gelombang radio. Sebelum munculnya era satelit, lapisan ini berguna untuk membantu memancarkan gelombang radio jarak jauh.
e. Eksosfer
Eksosfer adalah lapisan udara kelima, eksosfer terletak pada ketinggian antara 800-1000 km dari permukaan bumi. Pada lapisan ini merupakan tempat terjadinya gerakan atom-atom secara tidak beraturan. Lapisan ini merupakan lapisan paling panas dan molekul udara dapat meninggalkan atmosfer sampai ketinggian 3.150 km dari permukaan bumi. Lapisan ini sering disebut pula dengan ruang antar planet dan geostasioner. Lapisan ini sangat berbahaya, karena merupakan tempat terjadi kehancuran meteor dari angkasa luar.
C. Komposisi Atmosfer
Lapisan atmosfer merupakan campuran dari gas yang tidak tampak dan tidak berwarna. Empat gas yaitu nitrogen, oksigen, argon, dan karbon dioksida meliputi hampir seratus persen dari volume udara kering. Gas lain yang stabil adalah neon, helium, metana, krypton, hidrogen, xenon dan yang kurang stabil termasuk ozon dan radon juga terdapat di atmosfer dalam jumlah yang sangat kecil.
Selain udara kering, lapisan atmosfer mengandung air dalam ketiga fasanya, dan aerosol atmosfer. Oleh karena itu, udara kering yang murni di alam tidak pernah dijumpai karena ada dua alasan, yaitu ada uap air di udara yang jumlahnya berubah-ubah dan selalu ada injeksi zat ke dalam udara, misalnya asap dan partikel debu. Udara semacam ini disebut udara alam.
Udara adalah campuran berbagai unsur dan senyawa kimia sehingga udara menjadi beragam. Keberagaman terjadi biasanya karena kandungan uap air dan susunan masing-masing bagian dari sisa udara (disebut udara kering). Atmosfer Bumi terdiri atas nitrogen (78.17%) dan oksigen (20.97%), dengan sedikit argon (0.9%), karbondioksida (variabel, tetapi sekitar 0.0357%), uap air, dan gas lainnya.
Tabel. Gas-gas penyusun atmosfer bumi
| Nama Gas | Simbol Kimia | Volume (%) |
| Nitrogen | N2 | 78,08 |
| Oksigen | O2 | 20,95 |
| Argon | Ar | 0,93 |
| Karbondioksida | CO2 | 0,034 |
| Neon | Ne | 0,0018 |
| Helium | He | 0,0052 |
| Ozon | O3 | 0,0008 |
| Hidrogen | H2 | 0,00005 |
| Krypton | Kr | 0,00011 |
| Metana | CH2 | 0,00015 |
| Xenon | Xe | Sangat kecil |
Oksigen (O2) sangat penting bagi kehidupan, yaitu untuk mengubah zat makanan menjadi energi hidup. Oksigen dapat bergabung dengan unsur kimia lain yang dibutuhkan untuk pembakaran.
Karbon dioksida (CO2) dihasilkan dari pembakaran bahan bakar, pernafasan manusia dan hewan, kemudian dibutuhkan oleh tanaman. Karbon dioksida merupakan salah satu senyawa kimia udara yang terdiri atas satu bagian karbon dan dua bagian oksigen. Karbon dioksida menyebabkan efek rumah kaca (greenhouse) yaitu transparan terhadap radiasi gelombang pendek dan menyerap radiasi gelombang panjang. Dengan demikian, kenaikan konsentrasi CO2 di dalam atmosfer akan menyebabkan kenaikan suhu permukaan bumi.
Nitrogen (N2) terdapat di udara dalam jumlah paling banyak, yaitu meliputi 78 bagian. Nitogen tidak langsung bergabung dengan unsur lain, tetapi pada hakekatnya unsur ini adalah penting karena nitrogen merupakan bagian dari senyawa organik. Nitrogen bereaksi lambat, tetapi merupakan bagian penting dari kehidupan sehingga keseimbangan nitrogen di udara, di laut dan di dalam bumi sangat dipengaruhi oleh makhluk hidup.
Neon (Ne), argon (Ar), xenon (Xe), dan krypton (Kr) disebut gas mulia, karena tidak mudah bergabung dengan unsur lain. Meskipun gas ini kurang penting di atmosfer, namun neon biasanya dipakai dalam iklan dan argon dipakai untuk bola lampu cahaya listrik.
Helium (He) dan Hidrogen (H2) sangat jrang di udara kecualai pada panas yang tinggi. Gas ini adalah yang paing ringan dan sering dipakai untuk mengisi balon meteorologi.
Ozon (O3) adalah gas yang sanagt aktif dan merupakan bentuk lain dari oksigen. Gas ini terdapat terutama pada ketinggian antara 20 dan 30 km. Ozon dapat menyerap radiasi ultra violet yang mempunyai energi besar dan berbahaya bagi tubuh manusia.
Apabila radiasi ultra violet ini tidak terserap oleh ozon, maka akan menimbulkan malapetaka bagi kehidupan mahkluk hidup yang ada di bumi. Radiasi ini di antaranya dapat membakar kulit mahkluk hidup, memecahkan kulit pembuluh darah, dan menimbulkan penyakit kanker kulit. Selain unsur pembentuk yang berupa gas, udara juga mengandung partikel padat dan cair, yang kebanyakan begitu kecilnya sehingga gerakan udara dapat mengimbangi kecenderungan partikel tersebut jatuh ke tanah. Partikel itu dapat berasal dari debu yang terangkat oleh angin, partikel garam laut, ataupun hasil pembakaran dan pengolahan dalam industri.
Ok, semoga bermaaf ya gengs 😀
Catatan uce 