KOMPOSISI DAN STRUKTUR ATMOSFER(Dosen : Muh. Yusuf)

KomposisiAtmosfer : Lapisan gas atau campuran gas yang menyelimuti dan terikat pada bumi oleh gaya grafitasi. Campuran gas ini dinamakan udara, dan tebal lapisan ini sekitar 1.000 km. Diantara campuran gas terdapat uap air; dan campuran gas tanpa uap air dinamakan udara kering.

Atmosfer, di dalamnya terisi partikel-partikel halus dan ringan dari kelompok bahan: gas (udara kering dan uap air), cairan (butir-butir air atau awan) dan aerosol (bahan padatan, misalnya debu). Bahan ini memiliki ukuran massa yang berbeda dan tersebar pada berbagai ketinggian. Partikel yang ringan berada di atas yang berat, sehingga semakin mendekati permukaan bumi, kerapatan partikel di atmosfer akan meningkat.

Proses pendinginan dan pemanasan permukaan bumi berubah menurut waktu dan tempat, sehingga keadaan atmosfer juga akan berubah secara demikian. Akibatnya tekanan, kerapatan dan ketebalan lapisan atmosfer berbeda-beda antara siang dan malam, antara musim dingin dan musim panas, di atas benua dan di atas lautan serta antara daerah lintang tinggi dan lintang rendah.

Udara Kering Udara kering (gas tanpa air dan aerosol) mencakup 96 %

dari volume atmosfer, terdiri dari 2 kelompok yaitu kelompok gas utama yang meliputi 99,99 % volume udara kering dan sisanya 0,01 % berupa kelompok gas penyerta. Sebagian dari gas penyerta bersifat permanen (tidak mudah mengurai) dan sebagian kecil berupa gas tidak permanen (mudah bereaksi dengan gas lainnya). Secara umum gas-gas di atmosfer hanya mengalami percampuran secara mekanik dan sangat jarang yang mengalami reaksi kimia.

Kelompok Nama Gas Lambang Kimia Konsentrasi A. Gas Utama Nitrogen

OksigenArgonKarbon dioksida

N2

O2

ArCO2

78,08 % 20,94 % 0,93 % 0,03 %

B. Gas Penyerta1. Gas permanen

2. Gas tidak permanen

NeonHeliumKryptonXenonHidrogenNitrous OksidaKarbon monoksidaMethaneHydro karbonNitric oksidaNitrogen dioksidaAmoniakSulfur dioksidaOzone

NeHeKrXeH2N2O

CO2

CH4

HCNONO2

NH3

SO2

O2

18,00 ppm 5,20 ppm 1,10 ppm 0,086 ppm 0,52 ppm 0,25 ppm 0,1 ppm 1,4 ppm 0,02 ppm (0,2-2)x10-3 ppm (0,5-4)x10-3 ppm (6-20)x10-3 ppm (0,03-1,2)x10-3 ppm (0-05) ppm

Komposisi Normal Bahan Atmosfer

99,99 %

Uap Air

Kandungan uap air di atmosfer mudah berubah menurut arah dan waktu. Di daerah sub tropika kandungannya bervariasi dari 0 % (pada saat angin kering bertiup) hingga 3 % dari volume atmosfer (pada saat angin laut bertiup di musim panas).

Di atas wilayah Tropika kandungan uap air di atmosfer merupakan nilai tertinggi di Dunia yakni sebesar 4 % dari volume atmosfer atau 3 % dari massa atmosfer. Adanya uap air akan mengubah komposisi atmosfer. Perubahan kandungan uap air (kelembaban udara) mudah terjadi. Kelembaban tinggi dapat mengurangi persentase tiga macam gas utama lainnya (nitrogen, oksigen dan argon, lihat Tabel berikut).

Di atmosfer, uap air terdapat di lapisan Troposfer (lapisan terbawah). Lapisan ini mencakup ketinggian 8 km di kutub dan 16 km di equator atau rata-rata 12 km. Jumlah uap air selalu berubah karena terjadinya penguapan dan kondensasi secara terus menerus. Sumber uap air yang utama adalah lautan. Hasil kondensasi berupa awan yang merupakan sumber berbagai peristiwa seperti hujan, hujan es, salju dan badai.

Uap air Nitrogen (N2)(% Vol. Atm)

Oksigen (O2)(% Vol. Atm)

Argon (Ar)(% Vol. Atm)

0123

4

78,0877,3076,5275,5274,96

20,9520,7420,5020,3020,11

0,930,920,910,900,89

Tabel . Susunan tiga macam gas utama pada berbagai kandungan uap air.

Aerosol

Berbagai partikel halus dari bahan padat di bumi sebagian terangkat ke atmosfer dan membentuk aerosol. Bahan tersebut diantaranya adalah garam laut, debu, asap dan mikro organisme (virus, bakteri, spora). Komposisi normal aerosol di atmosfer adalah :

- Debu : 20 % (terutama daerah kering)- Kristal garam : 40 % (pecahan ombak laut)- Abu : 10 % (dari gunung berapi, dan pembakaran)- Asap : 5 % (dari cerobong pabrik, dan pembakaran)- Lain-lain : 25 % (mikro organisme)

Ketinggian jelajah aerosol dan periode keberadaannya di atmosfer tergantung pada massa udara, pemanasan dan pendinginan di permukaan bumi serta angin.

Struktur Lapisan Atmosfer

Sebagian besar bahan pengisi atmosfer adalah gas yang mudah mampat dan mengembang. Medan grafitasi bumi cenderung menarik seluruh bahan atmosfer ke permukaan bumi. Akibatnya, kerapatan partikel atmosfer meningkat dengan makin berkurangnya ketinggian. Massa dan tekanan juga meningkat dengan semakin dekat dengan permukaan bumi. Karena bagian terbesar bahan pengisi atmosfer berada di bagian bawah, maka perubahan massa atmosfer terhadap ketinggian pada bagian bawah relatif cepat.

Massa total atmosfer (%)

Ket

ingg

ian

(km

)0

10

20

30

40

50

6

0

100 80 60 40 20 0

Perubahan suhu udara di atmosfer secara vertikal (menurut ketinggian) berbeda-beda, dan dapat dikelompokkan menjadi tiga.

(1) Perubahan suhu (dT/dz) > 0 suhu naik dengan bertambahnya ketinggian,

hal ini disebut “inversi suhu”.(2) dT/dz = 0 suhu tetap walaupun ketinggian berubah, disebut “isotermal”.(3) dT/dz < 0 suhu udara turun dengan bertambahnya ketinggian, disebut “lapse rate”.

Berdasarkan sifat perubahan suhu menurut ketinggian dari bawah ke atas, terdapat empat lapisan utama atmosfer, yaitu :

a. Troposfer, dengan puncaknya Tropopauseb. Stratosfer, dengan puncaknya Stratopausec. Mesosfer, dengan puncaknya Mesopaused. Termosfer

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Termosfer

Mesopause

Mesosfer

Stratopause

Stratosfer

Tropopause

Troposfer

Ket

ingg

ian

(km

)

-80 -60 -40 -20 0 +20 +40 Suhu (oC)

Gambar .

Pelapisan atmosfer bdsk perubahan suhu menurut ketinggian di atas permukaan laut.

1003 1006 1009

1012

1006 1003

high

A A’

B’

Gambar : Pengaruh suhu rata-rata kolom udara terhadap distribusi tekanan vertikal dan horizontal.

Contoh berikut menjelaskan pengaruh suhu rata-rata dari kolom udara terhadap distribusi tekanan udara secara vertikal dan horizontal.

J

J’

Troposfer :

Di Dalam Troposfer suhu berkurang dengan bertambahnya ketinggian dan laju penurunan sebesar 6,5°C/km.

Sumber bahang (energi/panas) utama dari lapisan Atmosfer adalah permukaan bumi yang menyerap radiasi matahari.

Troposfer mengandung sekitar 80 % dari massa total atmosfer dan memuat seluruh uap air dan aerosol. Oleh karena itu, troposfer merupakan lapisan yang memiliki gejala cuaca atau pembuat cuaca yg secara langsung berperan sangat penting.

Puncak dari troposfer dinamakan tropopause, dicirikan oleh adanya inversi suhu (keadaan saat suhu atmosfer meningkat dengan bertambahnya ketinggian). Tinggi tropopause tidak konstan, berbeda dari waktu ke waktu dari lintang satu ke lintang yang lain. Paling tinggi 16 km, yaitu di atas khatulistiwa tempat terjadinya pemanasan dan turbulensi serta konveksi vertikal yang paling kuat.

Gerak atmosfer bagian bawah dipengaruhi oleh keadaan geografis permukaan bumi. Makin ke bawah makin besar pengaruh permukaan bumi, sedangkan di atas 1,5 km dari permukaan bumi dapat dikatakan pengaruh permukaan bumi terhadap gerak atmosfer relatif sudah tidak ada. Oleh karena itu, lapisan di atas 1,5 km dinamakan atmosfer bebas, dan lapisan dibawah ketinggian 1,5 km disebut lapisan batas atmosfer. Makin ke bawah, makin besar pengaruh permukaan bumi.

Lapisan atmosfer dibawah ketinggian 100 m dinamakan lapisan batas permukaan. Gaya dominan yang bekerja dalam lapisan terakhir ini adalah gaya geser yang berasal dari kekasapan permukaan, pertukaran energi dan pertukaran massa, misalnya uap air terutama yang berlangsung dengan cara konduksi.

Stratosfer, Mesosfer, dan Termosfer

Stratosfer : lapisan atmosfer yang berada di atas tropopause sampai ketinggian sekitar 50 km dari permukaan bumi. Berbeda dengan lapisan di troposfer, di dalam stratosfer suhu pada umumnya meningkat dengan bertambahnya ketinggian, dan mencapai suhu

Maksimum kira-kira sebesar 270 K pada puncaknya, yang disebut stratopause. Sumber bahang kenaikan suhu dengan bertambahnya ketinggian adalah penyerapan radiasi ultraviolet matahari oleh ozon. Kebanyakan dari ozon atmosfer terdapat di dalam stratosfer. Konsentrasi maksimumnya terdapat pada ketinggian 22 km di atas permukaan bumi.

Lapisan atmosfer di atas stratopause sampai ketinggian 80 km disebut Mesosfer. Di dalam lapisan ini suhu berkurang dengan bertambahnya ketinggian. Suhu mencapai - 90°C atau 183 K pada puncak lapisan, dan dinamakan mesopause. Neraca bahang di dalam lapisan ini ditentukan oleh penyerapan radiasi oleh molekul oksigen dan pemancaran radiasi inframerah oleh karbon dioksida. Ke dua lapisan terakhir ini yaitu stratosfer dan mesosfer disebut pula sebagai atmosfer menengah. Di bawah puncak mesosfer, komposisi atmosfer dapat dikatakan homogen. Hal ini disebabkan oleh gerakan makroskopik dari atmosfer.

Lapisan atmosfer di atas mesopause adalah Termosfer. Tebal lapisan ini antara 80-500 km dari permukaan bumi. Berbeda dengan lapisan di bawah mesopause yang komposisinya homogen, komposisi di dalam termosfer tidak homogen terhadap ketinggian. Hal ini disebabkan oleh gerakan mikroskopik dari setiap molekul dan atom.

Bagian bawah termosfer terutama terdiri dari molekul nitrogen dan oksigen serta atom oksigen. Di atas 200 km, atom oksigen banyaknya melebihi partikel yang lain. Di dalam lapisan ini suhu meningkat dengan bertambahnya ketinggian yang disebabkan oleh penyerapan radiasi ultraviolet oleh atom oksigen. Di atas 100 km atmosfer sangat dipengaruhi oleh sinar X dan radiasi ultraviolet dari matahari yang menghasilkan ionisasi. Pada ionisasi terjadilah ion positif dan elektron bebas yang bermuatan negatif. Daerah dengan konsentrasi elektron bebas yang tinggi ini dinamakan ionesfer.

Kira-kira pada ketinggian 1000 km, atmosfer secara berangsur angsur berubah menjadi eksosfer. Eksosfer terdiri dari oksigen, hidrogen dan helium, semuanya berbentuk atom.

Sekitar 1 % dari semua gas ini akan terionisasi. Atom helium dan hidrogen yang memiliki berat atom yang kecil dapat lepas keluar menuju angkasa luar. Hal ini disebabkan oleh karena peluang terjadinya tumbukan yang akan membelokkan atom-atom tadi ke bawah, berkurang dengan bertambahnya ketinggian. Hidrogen yang lepas ke angkasa luar akan digantikan oleh atom hidrogen yang berasal dari pecahan uap air dan metan di dekat mesopause, sedangkan helium digantikan dari hasil interaksi antara nitrogen dan sinar kosmik atau dari peluruhan unsur radioaktif dalam kerak bumi.

1. Apa yang dimaksud dengan istilah di bawah ini : a. Atmosfer b. Aerosol c. Atmosfer bebas d. Eksosfer e. Ionesfer

2. a. Sebutkan komposisi normal bahan Atmosfer dari kelompok gas Utama dan gas Penyerta (nama gas dan lambang kimia). Sebutkan pula persentase konsentrasi unsur-unsur gas yang ada di kelompok gas utama. b. Gambarkan pelapisan Atmosfer berdasarkan suhu menurut ketinggian di atas permukaan laut.

3. a. Mengapa perubahan massa atmosfer terhadap ketinggian pada bagian bawah relatif cepat. b. Sebutkan 3 kelompok perubahan suhu udara di atmosfer secara vertikal (menurut ketinggian) yang berbeda-beda tsb.