oseanografi kimia

Upload: radinal

Post on 13-Jul-2015

849 views

Category:

Documents


17 download

TRANSCRIPT

OSEANOGRAFI KIMIAWI

Oseanografi kimiawi merupakan studi perilaku dari unsur-unsur kimia dalam lautan di bumi. Lautan memiliki kandungan yang unik dalam kuantitas yang lebih besar atau lebih sedikit hampir setiap unsur dalam tabel periodik. Sebagian besar oseanografi kimiawi menggambarkan siklus dari unsur-unsur yang mencakup keduanya dalam lautan dengan bidang lingkungan yang lain dari sistem bumi (lihat siklus biogeokimia). Siklus ini biasanya dikarakteristikan sebagai perubahan kuantitatif antara unsur pokok cadangan air (reservoa) dalam sistem lautan dan sebagai waktu tinggal dalam lautan. Partikular global dan signifikansi klimatik merupakan siklus dari unsur-unsur aktif secara biologis seperti karbon, nitrogen dan fosfor seperti halnya beberapa unsur-unsur lain yang penting seperti besi. Studi penting lainnya dalam oseanografi kimia adalah perilaku isotop (lihat geokimia isotop) dan bagaimana unsur-unsur ini digunakan sebagai pengusutan masa lalu dan oseanografi masa sekarang dan proses klimatik. Sebagai contoh, timbulnya O (isotop oksigen berat) dapat digunakan sebagai indikator dari perluasan hamparan es di kutub, dan isotop boron yang merupakan indikator kunci dari pH dan kandungan CO2 dari lautan geologis di masa lalu.

SIKLUS BIOGEOKIMIA

Dalam ilmu pengetahuan ekologi dan bumi, siklus biogeokimia merupakan sebuah sirkuit atau jalan kecil oleh sebuah unsur kimia atau molekul yang bergerak melalui kedua ruang biotik (bio-) dan abiotik (geo-) dari suatu ekosistem. Pada hakekatnya, unsur didaur ulang, walaupun dalam beberapa siklus mungkin ada penempatannya (disebut sinks) di mana unsur diakumulasikan atau ditangani dalam periode waktu yang lama. Semua unsur-unsur kimia yang terjadi di dalam organisme merupakan bagian dari siklus biogeokimia. Sebagai tambahan untuk menjadi sebagian dari organisme yang hidup, unsur-unsur kimia ini juga merupakan siklus yang melalui faktor abiotik dari ekosistem seperti air (hidrosfer), tanah (litosfer), dan udara (atmosfer); faktorfaktor hidup dari planet yang disebut sebagai biosfer. Semua zat kimia, nutrisi, atau unsur-unsur seperti karbon, oksigen, fosfor digunakan dalam ekosistem dengan organisme hidup yang beroperasi pada suatu sistem tertutup, yang mengarah pada fakta di mana zat kimia ini didaur ulang bahkan hilang dan diisi secara konstan seperti dalam sistem terbuka. Energi dari suatu ekosistem terjadi pada sistem terbuka; cahaya matahari secara konstan memberikan energi planet dalam bentuk cahaya karena pada akhirnya digunakan dan hilang dalam bentuk panas di seluruh level tropis dari suatu jaringan makanan. 1

Bumi tidak secara konstan menerima lebih banyak zat kimia seperti ia menerima cahaya; yang mereka miliki hanya dari mereka bentuk, dan cara untuk memperoleh lebih banyak zat kimia atau nutrisi dari meteor angkasa luar. Karena zat kimia beroperasi pada sistem tertutup dan tidak dapat hilang dan diisi seperti energi, zat kimia ini harus didaur ulang diseluruh proses bumi menggunakan zat kimia atau unsur-unsurnya. Siklus ini mencakup keduanya yaitu kehidupan biosfer dan non kehidupan, litosfer, atmosfer, dan hidrosfer. Istilah biogeokimia awalnya diambil dari siklus ini: Bio menunjuk pada biosfer. Geo menunjuk secara kolektif pada litosfer, atmosfer, dan hidrosfer. Zat kimia, tentu, merunjuk pada zat kimia yang keluar melalui siklus. Zat kimia terkadang ditangani untuk periode waktu yang lama dalam satu tempat. Tempat ini disebut cadangan air (reservoa) (reservoa), sebagai contoh, mencakup seperti penyimpanan batu bara yang menyimpan karbon untuk periode waktu yang lama. Ketika zat kimia ditangani untuk periode waktu yang singkat, mereka ditangani dalam exchange pool (kolam pertukaran). Pada umumnya, cadangan air (reservoa) merupakan faktor-faktor abiotik sedangkan exchange pool merupakan faktor-faktor biotik. Contoh dari exchange pool meliputi tanaman dan hewan, yang untuk sementara menggunakan karbon dalam sistem mereka dan melepaskannya kembali ke udara atau medium yang melingkupinya. Karbon ditangani untuk waktu yang relatif singkat pada tanaman dan hewan dibandingkan dengan penyimpanan batu bara. Jumlah waktu zat kimia ditangani dalam satu tempat disebut residence. Sebagian besar siklus biogeokimia sangat penting, sebagai contoh siklus karbon, siklus nitrogen, siklus oksigen, siklus fosfor, dan siklus air. Siklus biogeokimia melibatkan keadaan seimbang: suatu keseimbangan dalam mensikluskan unsur antara ruang terpisah. Bagaimanapun, seluruh keseimbangan bisa melibatkan ruang yang didistribusikan pada suatu skala global.

Siklus biogeokimia dalam ekologi adalah: Siklus nitrogen Siklus oksigen Siklus karbon Siklus fosfor Siklus sulfur Siklus air Siklus hidrogen

2

SIKLUS NITROGEN Isi 1. Proses siklus nitrogen 1.1. Fiksasi nitrogen 1.1.1. Konversi/Perubahan N2 1.2. Asimilasi 1.3. Ammonifikasi 1.4. Nitrifikasi 1.5. Denitrifikasi 1.6. Oksidasi amonium anaerobik 2. Pengaruh manusia pada siklus nitrogen 2.1. Air limbah

Representasi skematik dari arus nitrogen melalui lingkungan. Pentingnya bakteri dalam siklus sebagai unsur kunci dalam siklus, menyediakan bentuk-bentuk senyawa nitrogen yang berbeda dapat diasimilasi oleh organisme yang lebih tinggi. Siklus nitrogen merupakan siklus biogeokimia yang menggambarkan transformasi nitrogen dan senyawa yang mengandung-nitrogen dalam alam. Ini merupakan siklus gas.

Atmosfer bumi sekitar 78% merupakan nitrogen, ini menjadikannya tempat nitrogen terbesar. Nitrogen merupakan unsur penting untuk beberapa proses biologis; dan sangat penting untuk kehidupan di bumi. Unsur ini dalam semua asam amino, bergabung ke dalam protein, dan dalam basis pembuatan asam nukleat, seperti DNA dan RNA. Pada tanaman, banyak dari nitrogen digunakan dalam molekul klorofil yang penting untuk fotosintesis dan pertumbuhan selanjutnya.

3

Pemprosesan, atau fiksasi, merupakan hal penting untuk merubah nitrogen gas ke dalam bentuk yang dapat digunakan oleh organisme hidup. Beberapa fiksasi terjadi dalam benturan cahaya, tetapi sebagian besar fiksasi dilakukan oleh kehidupan-bebas atau bakteri simbiotik. Bakteri ini memiliki enzim nitrogenase yang mengkombinasi nitrogen gas dengan hidrogen untuk memproduksi amonia, yang selanjutnya diubah oleh bakteri untuk membuat senyawa-senyawa organik. Beberapa nitrogen bercampur bakteri, seperti Rhizobium, hidup dalam bintil akar tumbuhan polong untuk memperkayanya dengan nitrogen. Beberapa tanaman lainnya bisa membentuk seperti simbiosis. Tanaman lain mendapatkan nitrogen dari tanah dengan absorbsi pada akarnya dalam bentuk salah satu ion nitrat atau ion amonium. Semua nitrogen dihasilkan oleh hewan yang dapat ditelusuri kembali untuk makan tanaman pada beberapa tahap rantai makanan. Untuk solubilitasnya yang sangat tinggi, nitrat dapat masuk ke dalam air bawah tanah. Kandungan nitrat yang meningkat pada air bawah tanah berkaitan dengan penggunaan air minum karena nitrat dapat mengganggu level oksigen-darah pada bayi dan menyebabkan methemoglobinemia atau sindrom bayi biru. Di mana air bawah tanah terdapat aliran arus, air bawah tanah yang diperkaya-nitrat dapat memperbesar pada eutrafikasi, sebuah proses yang mengarah pada alga yang tinggi, khususnya populasi alga blue-green dan kematian kehidupan air karena permintaan yang berlebih terhadap oksigen. Walaupun toksit tidak secara langsung pada kehidupan ikan seperti amonia, nitrat bisa memiliki pengaruh tidak langsung pada ikan jika hal ini memperbesar pada eutrafikasi. Nitrogen diperbanyak pada masalah eutrafikasi berat dalam beberapa badan air. Seperti pada tahun 2006, penggunaan pupuk nitrogen meningkat terkendali di Britania dan AS. Ini terjadi sepanjang batas yang sama seperti pengendalian pupuk fosfor, pembatasan yang secara normal dipertimbangkan penting untuk pemulihan badan air yang tereutrofi. Amonia sangat mengandung toksik untuk kehidupan ikan dan level pelepasan amonia dari air limbah, perlakuan tanaman harus sering dipantau dengan cermat. Untuk mencegah kehilangan ikan, nitrifikasi untuk pelepasan sering diperlukan. Penggunaan tanah dapat menjadi suatu alternatif yang menarik pada aerasi mekanis yang dibutuhkan untuk nitrifikasi. Selama kondisi anaerobik (rendah oksigen), denitrifikasi oleh bakteri terjadi. Hasil ini dalam nitrat diubah menjadi nitrogen gas dan dihasilkan pada atmosfer. Nitrat juga dapat dikurangi pada nitrit dan kemudian mengkombinasi dengan amonium dalam proses anammox, yang juga dihasilkan dalam produksi gas dinitrogen.

4

1. Proses siklus nitrogen 1.1. Fiksasi Nitrogen 1.1.1. Konversi N2 Konversi nitrogen (N2) dari atmosfer ke dalam bentuk yang telah siap tersedia untuk tanaman dan karena itu bagi hewan dan tanaman merupakan sebuah langkah yang penting dalam siklus nitrogen, yang menentukan suplai dari nutrisi penting ini. Ada empat cara untuk mengubah N2 (Gas nitrogen atmosfer) ke dalam bentuk-bentuk yang secara lebih reaktif: 1. Fiksasi Biologis : beberapa bakteri simbiotik (paling sering berhubungan dengan tanaman leguminosa) dan beberapa bakteri yang hidup-bebas dapat memperbaiki nitrogen dan asimilasinya sebagai nitrogen organik. Sebuah contoh dari nitrogen mutualistik yang memperbaiki bakteri adalah bakteri Rhizobium, yang hidup dalam bintil akar tumbuhan poling. Spesies ini adalah diazotrophs. Sebuah contoh dari bakteri yang hidup bebas adalah Azotobacter. Industri N-Fiksasi : pada proses Haber-Bosch, N2 diubah bersama dengan gas hidrogen (H2) ke dalam amonia (NH3) yang digunakan untuk membuat pupuk dan bahan peledak. Pembakaran bahan bakar fosil: mesin mobil dan pembangkit listrik tenaga panas, yang melepas berbagai nitrogen oksida (NOx) Proses yang lain : apalagi, formasi NO dari N2 dan O2 untuk proton dan khususnya kilat.

2.

3. 4.

1.2. Asimilasi Tanaman dapat menyerap nitrat atau ion amonium dari tanah melalui rambut akar. Jika nitrat diserap, ini pertama kali mengurangi pada ion-ion nitrat dan kemudian ion amonium untuk bergabung ke dalam asam amino, beberapa nitrogen diasimilasi dalam bentuk ion amonium secara langsung dari bintil. Hewan, fungi dan organisme heterotropik yang lain menyerap nitrogen seperti asam amino, nukleotida dan molekul organik kecil yang lain.

1.3. Ammonifikasi Ketika tanaman atau hewan mati, atau suatu hewan mengeluarkan cairan, bentuk awal nitrogen adalah organik. Bakteri, atau dalam beberapa kasus, fungi, mengubah nitrogen organik kembali menjadi amonia, proses ini disebut ammonifikasi atau mineralisasi.

5

1.4.

Nitrifikasi

Konversi amonia untuk nitrat dilakukan terutama oleh bakteri yang hidup dalam tanah dan bakteri nitrat lainnya. Tahap utama dari nitrifikasi, oksidasi amonia (NH3) dilakukan oleh bakteri seperti spesies Nitrosomonas, yang mengubah amonia menjadi nitrit (NO2). Spesies bakteri yang lain, seperti Nitrobacter, bertanggung jawab terhadap oksidasi dari nitrit menjadi nitrat (NO3). 1.5. Denitrifikasi

Denitrifikasi merupakan reduksi nitrit kembali ke dalam sebagian besar gas nitrogen lembam (N2), melengkapi siklus nitrogen. Proses ini dilakukan oleh spesies bakteri seperti Pseudomonas dan Clostrodium dalam kondisi anaerobik. Mereka menggunakan nitrat sebagai penerima elektron dalam meletakkan oksigen selama pernafasan. Bakteri anaerobik fakultatif ini dapat juga hidup dalam kondisi anaerobik. 1.6. Oksidasi amonium anaerobik Dalam proses biologis ini, nitrit dan amonium diubah secara langsung ke dalam bentuk gas dinitrogen. Proses ini membuat proporsi utama dari konversi dinitrogen dalam laut. 2. Pengaruh Manusia pada Siklus Nitrogen Sebagai hasil penanaman tanaman polong yang ekstensif (khususnya kedelai, alfalfa, dan semanggi), pertumbuhan menggunakan proses Haber-Bosch dalam kreasi pupuk kimia, dan polusi dipancarkan oleh kendaraan dan pabrik-pabrik industri, manusia memiliki lebih dari dua kali lipat transfer tahunan nitrogen ke dalam bentuk-bentuk yang tersedia secara biologis. Sebagai tambahan, manusia secara signifikan mengkontribusikan untuk mentransfer nitrogen menjadi gas dari bumi ke atmosfer, dan dari tanah ke dalam sistem aquatik. N2O meningkat dalam atmosfer sebagai hasil dari pemupukan pertanian, pemanasan biomassa, dan sumber industri lainnya. N2O memiliki efek mengganggu stratosfer, menguraikan dan bertindak sebagai katalis dalam menghancurkan dari ozon atmosfer. Amonia (NH3) dalam atmosfer memiliki tiga kali lipat hasil aktivitas manusia. Ini merupakan reaktan dalam atmosfer, pada akhirnya menghasilkan hujan asam. Pembakaran bahan bakar fosil diperbesar menjadi 6 atau 7 lipatan peningkatan dalam flux NOx pada atmosfer. NOx secara aktif merubah zat kimia atmosfer, dan merupakan pelopor dari produksi ozon troposfer (atmosfer yang lebih rendah), yang memperbanyak kabut, hujan asam, dan meningkatkan input nitrogen pada ekosistem. Proses ekosistem dapat meningkat dengan pemupukan nitrogen, tetapi input antropogenik dapat juga dihasilkan dalam nitrogen jenuh, yang memperlemah produktivitas dan dapat membunuh tanaman. Penurunan dalam biodiversitas dapat juga dihasilkan jika ketersediaan nitrogen yang lebih tinggi meningkatkan permintaan-nitrogen bagi rumput-rumputan, menyebabkan degradasi dari nitrogen berkurang, bermacam spesies lahan panas.

6

2.1. Air limbah Pada tempat fasilitas pembuangan seperti tangki septik dan penanganan tangki yang melepaskan jumlah nitrogen yang besar ke dalam lingkungan dengan menghentikan melalui sebuah bidang kering ke dalam tanah. Aktivitas mikroba mengkonsumsi nitrogen dan kontaminan lain dalam air limbah. Bagaimanapun, dalam area tertentu tanah tidak cocok untuk menangani beberapa atau semua air limbah, dan sebagai hasilnya, air limbah dengan kontaminan masuk ke dalam aquifer. Kontaminan ini berakumulasi dan pada akhirnya berakhir pada air minum. Salah satu dari kontaminan berkaitan dengan sebagian besar nitrogen dalam bentuk nitrat. Konsentrasi nitrat dari 10 ppm atau 10 miligram per liter yang merupakan batas arus EPA untuk air minum dab air limbah rumah tangga khusus dapat memproduksi sebuah ruang antara 20-85 ppm (miligram per liter).

Resiko kesehatan berhubungan dengan nitrogen air minum >10 ppm yang berkembang dari methemoglobinemia dan telah ditemukan menyebabkan blue baby sindrom. Beberapa negara sekarang memulai program untuk memperkenalkan peningkatan sistem perlakuan air limbah untuk fasilitas pembuangan kotoran. Hasil dari sistem ini merupakan suatu reduksi nitrogen secara keseluruhan, seperti halnya kontaminan yang lain dalam air limbah.

7

SIKLUS OKSIGEN Isi 1. Cadangan air (reservoa) dan flux 2. Kapasitas oksigen cadangan air (reservoa) dan flux 3. Ozon 4. Fosfor SIKLUS OKSIGEN CADANGAN AIR (RESERVOA) DAN FLUX

Siklus oksigen merupakan siklus biogeokimia yang menggambarkan gerakan oksigen dalam dan antara tiga utama: atmosfer, biosfer, dan litosfer. Faktor pengemudi utama dari siklus oksigen adalah fotosintesis, yang bertanggung jawab terhadap atmosfer bumi modern dan kehidupan seperti yang kita ketahui. Karena jumlah oksigen sangat banyak dalam atmosfer, bahkan jika semua fotosintesis untuk menghentikannya mengambil antara 5,000 sampai 2,4 juta tahun (referensi tidak diketahui) untuk mengosongkan semua oksigen. 1. Cadangan air (reservoa) dan flux Benar-benar cadangan air (reservoa) terbesar dari oksigen bumi adalah dalam mineral silikat dan mineral oksida dari kulit dan lapisan (99.5%). Hanya sebagian kecil yang telah dilepaskan sebagai oksigen bebas ke biosfer (0.01%) dan atmosfer (0.36). sumber utama oksigen dalam biosfer dan atmosfer adalah fotosintesis, yang menguraikan karbondioksida dan air untuk membuat gula dan oksigen: 6CO2 + 6H2O + energi C6H12O6 + 6O2 8

Fotosintesis organisme mencakup kehidupan tanaman dari area tanah seperti halnya phytoplankton dari lautan. Cyanobacterium Prochlorococcus laut yang kecil sekali ditemukan pada tahun 1986 dan jumlahnya lebih dari setelah fotosintesis dari laut terbuka. Sumber tambahan dari oksigen atmosfer datang dari fotolisis, yang mana radiasi energi ultraviolet yang tinggi menguraikan air atmosfer dan nitrit ke dalam komponen atom. Atom H bebas dan N bebas dilepas ke dalam ruang pemisahan O2 dalam atmosfer: 2H2O + energi 4H + O2 2N2O + energi 4N + O2 Cara oksigen utama adalah menghilang dari atmosfer melalui respirasi dan hancur, mekanisme dalam kehidupan hewan dan bakteri mengkonsumsi oksigen dan melepaskan karbon dioksida. Karena mineral litosfer dioksidasi dalam oksigen, kerusakan zat kimia membuka batu-batuan yang juga mengkonsumsi oksigen. Sebuah contoh kerusakan permukaan kimia merupakan formasi besi-oksida (karat): 4FeO + 3O2 2Fe2O3 Oksigen juga bersiklus antara biosfer dan litosfer. Organisme laut dalam biosfer membuat bahan kulit kalsium karbonat (CaCO3) yang kaya dalam oksigen. Ketika organisme mati kulitnya disimpan pada dasar laut yang dangkal dan terpendam dari waktu ke waktu menjadi batu gamping dari litosfer. Proses kerusakan diawali oleh organisme yang juga merupakan oksigen bebas dalam proses.

2. Kapasitas Cadangan air (reservoa) Oksigen dan flux Tabel berikut menawarkan penaksiran siklus kapasitas cadangan air (reservoa) oksigen dan flux. Jumlah ini didasarkan terutama pada penaksiran dari (Walker, J.C.G): Tabel 1. Cadangan air (reservoa) utama berkaitan dengan siklus oksigen Cadangan air (reservoa) Atmosfer Biosfer Litosfer Kapasitas (kg O2) Flux masuk/keluar (kg O2 per tahun) 1.4*1018 1.6*1016 2.9*1010 30,000*1010 30,000*1010 60*1010 Waktu residen (tahun) 4,500 50 500,000,000

9

Tabel 2. Keuntungan dan kerugian tahunan dari oksigen atmosfer (unit-unit 1010 kg O2 per tahun) Keuntungan Fotosintesis (tanah) Fotosintesis (laut) Fotolisis N2O Fotolisis H2O Total keuntungan Kerugian Respirasi dan hancur Respirasi aerobik Oksidasi mikroba Pembakaran bahan bakar fosil (antropogenik) Oksidasi fotokimia Fiksasi N2 oleh petir Fiksasi N2 oleh industri (antropogenik) Oksidasi gas volkanis Kerugian kerusakan karena iklim Kerusakan zat kimia Reaksi permukaan 03 Total kerugian 50 12 ~30,000 23,000 5,100 1,200 600 12 10 5 16,500 13,500 1.3 0.03 ~30,000

3. Ozon Adanya oksigen atmosfer mengarah pada formasi ozon dan lapisan ozon dalam stratosfer. Lapisan ozon sangat penting untuk kehidupan modern seperti penyerapan radiasi ultraviolet yang berbahaya: O2 + energi uv 20 O + O2 O3

10

4. Fosfor Suatu teori yang menarik adalah fosfor (P) dalam lautan yang membantu meregulasi sejumlah oksigen atmosfer. Fosfor larut dalam lautan yang merupakan nutrisi penting untuk kehidupan fotosintetik dan salah satu dari faktor-faktor kunci yang terbatas. Fotosintesis laut mengkontribusi kira-kira 45% dari total oksigen bebas untuk siklus oksigen. Pertumbuhan populasi dari organisme fotosintetik terutama dibatasi oleh ketersediaan fosfor yang terlarut. Satu efek samping aktivitas penambangan dan industri adalah peningkatan yang dramatis dalam jumlah fosfor yang dilepaskan ke lautan bumi. Bagaimanapun, peningkatan ini dalam fosfor yang tersedia yang tidak dihasilkan dalam peningkatan yang sesuai dalam fotosintesis laut. Ini karena peningkatan dalam hasil populasi pemfotosintesis dalam meningkatkan level oksigen di laut. Peninggian level oksigen meningkatkan pertumbuhan jenis bakteri tertentu yang bersaing dengan pengambilan fosfor yang terurai. Persaingan ini membatasi jumlah fosfor yang tersedia bagi kehidupan fotosintetik yang kemudian menyokong total populasi mereka seperti halnya level O2.

SIKLUS KARBON Kandungan 1. Dalam atmosfer 2. Dalam biosfer 3. Dalam laut

11

Diagram siklus karbon. Angka berwarna hitam mengindikasikan berapa banyak karbon yang disimpan dalam berbagai cadangan air (reservoa) , dalam milyaran ton (bidang GtC untuk GigaTon dari karbon dan gambar adalah circa 2004). Angka berwarna ungu mengindikasikan berapa banyak gerakan antara cadangan air (reservoa) setiap tahun. Sedimen, seperti didefinisikan dalam diagram ini, tidak termasuk ~70 juta GtC dari batuan karbonat.

Siklus karbon merupakan siklus biogeokimia di mana karbon bertukar antara biosfer, geosfer, hidrosfer, dan atmosfer bumi. Siklus biasanya sedikit dari empat cadangan air (reservoa) utama dari karbon yang saling berhubungan dengan jalan pertukaran. Cadangan air (reservoa) adalah atmosfer, terestrial biosfer (yang biasanya mencakup sistem air bersih dan bahan organik yang tidak hidup, seperti karbon tanah), laut (yang mencakup karbon anorganik yang tidak terurai dan biota laut yang hidup dan tidak hidup), dan sedimen (yang mencakup bahan bakar fosil). Gerakan karbon tahunan, pertukaran karbon antara cadangan air (reservoa) , terjadi karena kolam karbon aktif terluas mendekati permukaan bumi, tetapi bagian kedalaman laut dari kolam ini tidak bertukar secara cepat dengan atmosfer. Anggaran karbon global merupakan keseimbangan pertukaran (income dan kerugian) dari karbon antara cadangan air (reservoa) karbon atau antara satu putaran khusus (misalnya atmosfer biosfer) dari siklus karbon. Suatu pemeriksaan anggaran karbon dari sebuah kolam atau cadangan air (reservoa) dapat memberikan informasi mengenai apakah kolam atau cadangan air (reservoa) berfungsi sebagai sumber atau sink untuk karbon dioksida. 1. Dalam Atmosfer Karbon yang ada dalam atmosfer bumi terutama sebagai karbon dioksida berbentuk gas (CO2). Walaupun ini merupakan persen atmosfer yang sangat kecil sekali (kira-kira 0.04% pada basis molar, walaupun meningkat), ini memainkan peranan yang penting dalam mensupport kehidupan. Gas lain yang mengandung karbon dalam atmosfer adakah metan dan klorofluorocarbon (belakangan seluruh antropogenik). Seluruh konsentrasi atmosfer dari gas rumah kaca ini telah meningkat dalam dekade baru-baru ini, memperbesar pada pemanasan global.

Karbon diambil dari atmosfer dalam beberapa cara: Ketika matahari bersinar, tanaman melakukan fotosintesis untuk mengubah karbondioksida menjadi karbohidrat, melepaskan oksigen dalam proses. Proses ini paling prolific dalam hutan yang relatif baru di mana pertumbuhan pohon masih cepat. Pengaruh yang paling kuat dalam hutan yang berganti daun 12

selama musim semi. Ini terlihat ketika sinyal tahunan dalam Kurva Keeling dari pengukuran konsentrasi CO2. Belahan bumi utara predominan musim semi, seperti lebih banyaknya lahan dalam garis lintang sedang dalam belahan bumi di bandingkan di utara. Pada permukaan laut ke arah kutub, air laut menjadi lebih dingin dan lebih mengandung asal karbonik yang dibentuk sebagai CO2 menjadi lebih dapat larut. Ini dipasangkan dengan sirkulasi thermohaline laut yang mentransport permukaan tebal air ke dalam bagian dalam laut (lihat masukan pada pompa solubilitas). Pada area laut bagian atas produktivitas biologis tinggi, organisme berubah mengurangi karbon pada jaringan, atau karbonat pada bagian badan yang keras seperti kulit dan kulit dan test. Ada, secara berturut-turut, dioksidasi (pompa jaringan-halus) dan dipecahkan kembali (pompa karbonat) pada level rata-rata laut yang lebih rendah dibandingkan yang mereka bentuk, menghasilkan arus karbon ke bawah (lihat masukan pada pompa biologis). Kerusakan batuan silikat karena iklim. Asam karbonat bereaksi dengan batuan yang rusak untuk menghasilkan ion-ion bikarbonat. Ion-ion bikarbonat yang diproduksi mempengaruhi laut, yang digunakan untuk membuat karbonat laut. Tidak seperti CO2 yang dilarutkan dalam keseimbangan atau jaringan yang rusak, kerusakan karena iklim tidak memindahkan karbon ke dalam cadangan air (reservoa) yang siap menghasilkan atmosfer.

Karbon dapat dilepas kembali ke dalam atmosfer dalam beberapa cara yang berbeda: Melalui pernafasan yang dibentuk oleh tanaman dan hewan. Ini merupakan suatu reaksi eksotermik dan melibatkan penguraian glukosa (atau molekul organik yang lain) ke dalam karbon dioksida dan air. Melalui pembusukan bahan hewan atau tanaman. Fungi dan bakteri menguraikan senyawa karbon pada hewan dan tanaman yang mati dan mengubah karbon menjadi karbon dioksida jika oksigen ada, atau metan jika tidak ada. Melalui pembakaran bahan organik yang mengoksidasi karbon yang dikandungnya, memproduksi karbon dioksida (dan sesuatu yang lain, seperti uap air). Pembakaran bahan bakar fosil seperti batu bara, produk petroleum, dan gas alam yang melepaskan karbon yang telah disimpan dalam geosfer selama jutaan tahun. Karbondioksida dilepaskan ketika batu gamping dipanaskan (kalsium karbonat) yang dipanaskan untuk memproduksi kapur (kalsium oksida), suatu komponen semen. Pada permukaan laut di mana air menjadi lebih hangat, karbon dioksida yang dilarutkan dilepaskan kembali ke dalam atmosfer. Letusan gunung berapi dan metamorfisme melepaskan gas ke dalam atmosfer. Gas gunung berapi terutama uap air, karbondioksida dan sulfur dioksida. Karbon dioksida yang dilepaskan kira-kira sama dengan jumlah yang dipindahkan oleh silikat yang rusak karena musim; jadi dua proses, yang merupakan kebalikan

13

satu sama lain, jumlahnya kira-kira nol, dan tidak mempengaruhi level karbon dioksida atmosfer pada skala waktu kurang dari 100,000 tahun. 2. Dalam Biosfer

Sekitar 1,900 gigaton karbon yang ada dalam biosfer. Karbon merupakan bagian yang penting dari kehidupan di bumi. Karbon memainkan peranan yang penting dalam struktur, biokimia, dan nutrisi dari semua sel-sel yang hidup. Autotrof merupakan organisme yang memproduksi senyawa organik mereka menggunakan karbon dioksida dari udara atau air dalam kehidupan mereka. Untuk melakukan ini mereka memerlukan sumber energi eksternal. Hampir semua autotrof menggunakan radiasi solar untuk menyediakannya, dan proses produksinya disebut fotosintesis. Jumlah autotrof yang sedikit mengeksploitasi sumber energi kimia dalam proses yang disebut kemosintesis. Autotrof yang paling penting untuk siklus karbon adalah pohon dalam hutan di atas tanah dan phytoplankton dalam lautan di bumi. Fotosintesis mengikuti reaksi 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2. Karbon ditransfer dalam biosfer sebagai makanan heterotrof pada organisme yang lain atau bagian-bagian mereka (misalnya buah-buahan). Ini mencakup pengambilan bahan organik yang mati (detritus) oleh fungi dan bakteri untuk fermentasi atau pembusukan. Sebagian besar karbon meninggalkan biosfer melalui respirasi. Ketika oksigen ada, respirasi anaerobik terjadi, yang melepaskan karbon dioksida ke dalam udara atau air disekitarnya, mengikuti reaksi C6H12O6 6CO2 + 6H2O. sebaliknya, respirasi anaerobik terjadi dan melepaskan metan ke lingkungan sekitar, yang pada akhirnya membuatnya masuk ke dalam atmosfer atau hidrosfer (misalnya gas paya atau gas dalam perut). Pembakaran biomassa (misalnya kebakaran hutan, kayu yang digunakan untuk pemanasan, suatu organik yang lain) dapat juga mentransfer jumlah karbon yang substansial ke dalam atmosfer. Karbon bisa juga disirkulasi dalam biosfer ketika bahan organik mati (seperti tanah gemuk yang digunakan sebagai bahan bakar) menjadi bergabung dalam geosfer. Kulit hewan dari kalsium karbonat, khususnya, pada akhirnya bisa menjadi batu gamping melalui proses sendimensasi. Banyak yang tetap mempelajari mengenai siklus karbon dalam kedalaman laut. Sebagai contoh, penemuan baru-baru ini adalah rumah mukus larva (umumnya dikenal sebagai sinker (batu ladung) yang dibuat dalam jumlah besar yang dapat mereka kirim sebagai karbon untuk laut yang dalam ketika sebelumnya telah dideteksi dengan perangkap sedimen. Karena ukuran dan komposisinya, rumah ini jarang terkumpul dalam perangkap, sehingga sebagian besar analisis biogeokimia yang mengabaikan kesalahan.

Penyimpanan karbon dalam biosfer dipengaruhi oleh sejumlah proses pada skala waktu yang berbeda: sedangkan jaringan produktivitas utama mengikuti siklus 14

diurnal dan musiman, karbon dapat disimpan sampai beberapa ratus tahun dalam pohon dan sampai dengan ribuan tahun dalam tanah. Perubahan dalam kolam karbon jangka panjang (misalnya melalui de-atau penghutanan atau melalui temperatur yang berhubungan dengan perubahan dalam respirasi tanah) bisa mempengaruhi perubahan iklim global.

3. Dalam laut Laut mengandung sekitar 36,000 gigaton karbon, kebanyakan dalam bentuk ion bikarbonat, yang merupakan senyawa karbon dengan ikatan karbon-karbon atau karbon-hidrogen, penting dalam reaksinya dalam air. Karbon ini bertukar menjadi penting dalam mengontrol pH dalam laut dan dapat juga berubah sebagai sumber atau sink untuk karbon. Karbon telah siap bertukar antar atmosfer dan laut. Dalam wilayah pasang laut, karbon dilepaskan ke dalam atmosfer. Sebaliknya, wilayah surut laut mentransfer karbon (CO2) dari atmosfer ke laut. Ketika CO2 masuk ke dalam laut, ia berpartisipasi dalam serangkaian reaksi dalam keseimbangan secara lokal:

Permukaan laut melarutkan konsentrasi karbon anorganik (dari klimatologi GLODAP) Larutan : CO2 (atmosfer) CO2 (dilarutkan) Konversi dengan asam karbonat: CO2(dilarutkan) + H2O H2CO3

15

Ionisasi pertama: H2CO3 H+ + HCO3- (ion bikarbonat) Ionisasi kedua: HCO3- H+ + CO3-- (ion karbonat

Kelompok ini dari reaksi, masing-masing yang memiliki bentuk koefisien determinan keseimbangan di mana karbon anorganik di ambil dalam laut. Koefisien, telah ditentukan secara empiris untuk air laut, fungsinya temperatur, tekanan dan kehadiran ion yang lain (khususnya borat). Dalam laut keseimbangan sangat menyokong bicarbonat. Karena ion ini merupakan tiga langkah yang dipindahkan dari CO2 atmosfer, level penyimpanan karbon anorganik dalam laut tidak memiliki proporsi persatuan pada tekanan CO2 atmosfer parsial. Faktor untuk laut sekitar sepuluh: yaitu, untuk peningkatan 10% dalam CO2 atmosfer, peningkatan penyimpanan laut (dalam keseimbangan) oleh sekitar 1%, dengan faktor dependen yang tepat pada kondisi lokal. Faktor penyangga ini sering disebut Faktor Refelle, setelah Roger Rovelle.

Dalam laut, bikarbonat dapat dikombinasi dengan kalsium menjadi bentuk batu gamping (kalsium karbonat, CaCO3, dengan silika), yang mengendap pada dasar laut. Batu gamping merupakan cadangan air (reservoa) terbesar dari karbon dalam siklus karbon. Kalsium datang dari kerusakan batuan kalsium-silika, yang menyebabkan silikon dalam batu-batuan berkombinasi dengan oksigen untuk membentuk tanah atau kwarsa (silikon dioksida), meninggalkan ion-ion kalsium yang tersedia menjadi bentuk batu gamping.

16

SIKLUS FOSFOR

Siklus fosfor merupakan siklus biogeokimia yang menggambarkan gerakan fosfor melalui litosfer, hidrosfer, dan biosfer. Tidak seperti banyak siklus biogeokimia yang lain, atmosfer tidak memainkan suatu peranan yang penting dalam pemindahan fosfor, karena fosfor dan senyawa berbasis-fosfor biasanya padat pada ruang temperatur khusus dan tekanan yang ditemukan di atas bumi.

Siklus fosfor aquatik

Fosfor merupakan nutrisi yang penting untuk tanaman dan hewan dalam bentuk ion-ion PO43- dan HPO42-. Ini merupakan bagian dari molekul-DNA, dari molekul yang menyimpan energi (ATP dan ADP) dan lemak dari membran sel. Fosfor juga membangun blok dari bagian tubuh manusia tertentu, seperti tulang dan gigi. Fosfor secara normal terjadi dalam alam sebagai bagian dari ion fosfat, terdiri dari atom fosfor dan beberapa jumlah atom oksigen, bentuk yang paling berlebih (disebut ortofosfat) yang memiliki empat oksigen: PO4-. Sebagian besar fosfat ditemukan sebagai garam dalam sedimen laut atau dalam batu-batuan. Dari waktu ke waktu, proses geologis dapat membawa sedimen laut menuju tanah, dan kerusakan akan di bawah ke bumi. Tanaman menyerap fosfat dari tanah. Tanaman kemudian bisa dikonsumsi oleh herbivora yang pada gilirannya mungkin dikonsumsi oleh karnivora. Setelah mati, hewan atau tanaman membusuk, dan fosfat dihasilkan 17

dalam tanah. Arus bisa mereka kembali ke laut atau mereka mungkin bergabung kembali ke dalam batu-batuan. Pentingnya fosfat utama secara biologis adalah sebagai komponen nukleotida, yang disajikan sebagai energi penyimpanan dalam sel-sel (ATP) atau ketika berhubungan bersama, bentuk DNA dan RNA asam nukleat. Fosfor juga ditemukan dalam tulang, yang kekuatannya diperoleh dari kalsium fosfat, dan dalam fosfolipid (ditemukan dalam semua membran biologis). Fosfat bergerak dengan cepat melalui tanaman dan hewan; bagaimanapun, proses pemindahannya melalui tanah dan laut yang sangat lamban, pembuatan seluruh siklus fosfor satu dari siklus biogeokimia yang paling lambat.

Bagaimanapun, penemuan baru-baru ini bahwa fosfor diedarkan melalui laut pada skala waktu 10.000 tahun, mengesankan bahwa siklus fosfor bisa memainkan peranan yang penting dalam pemanasan global.

Tidak seperti siklus senyawa bahan yang lain, fosfor tidak dapat ditemukan dalam udara seperti gas. Ini dikarenakan pada temperatur dan keadaan normal, fosfor berbentuk cair. Fosfor biasanya siklusnya melalui air, tanah dan sedimen. Dalam fosfor atmosfer sebagian besar partikel-partikelnya kecil seperti debu.

Fosfor merupakan salah satu dari siklus yang paling lama, dan mengambil waktu yang lama untuk berpindah dari sedimen menuju organisme yang hidup dan kembali lagi ke sedimen.

18

SIKLUS SULFUR

Sulfur merupakan satu unsur pokok dari beberapa protein, vitamin dan hormon. Sulfur dipakai kembali ketika dalam siklus biogeokimia yang lain. Langkah-langkah penting dari siklus sulfur adalah:Mineralisasi sulfur organik untuk bentuk anorganik, hidrogen sulfida: (H2S) Oksidasi sulfida dan unsur sulfur (S) dan menghubungkan senyawa dengan sulfat (SO42). Immobilisasi mikroba dari senyawa sulfur dan penggabungan berikutnya ke dalam bentuk organik sulfur.

Ini sering diistilahkan sebagai berikut: Reduksi Asimilatif sulfat (lihat juga asimilasi sulfur) di mana sulfat (SO42) mengurangi pada kelompok organik sulfhydryl (R-SH) oleh tanaman, fungi dan berbagai prokariot. Oksidasi tetap sulfur adalah +6 dalam sulfat dan -2 dalam R-SH. Desulfurasi dalam molekul organik mengandung sulfur yang dapat didesulfurasi, memproduksi gas hidrogen sulfida (H2S), oksidasi tetap = -2. Mencatat kesamaan untuk deaminasi. Oksidasi hidrogen sulfida memproduksi unsur sulfur (So), oksidasi tetap = 0. Reaksi ini dilakukan oleh fotosintetis hijau dan bakteri sulfur ungu dan beberapa kemolitotrop. Oksidasi unsur sulfur selanjutnya oleh pembuat proses oksidasi sulfur yang memproduksi sulfat. Reduksi dissimilative sulfur dalam unsur sulfur yang dapat dikurangi pada hidrogen sulfida. Reduksi dissimilative sulfat dalam reduktor sulfat yang menghasilkan hidrogen sulfida dari sulfat. Manusia berpengaruh pada siklus sulfur terutama dalam produksi sulfur sulfida (SO2) dari industri (misalnya pembakaran batu bara) dan mesin pembakaran internal. Sulfur dioksida dapat mengendap pada permukaan yang dapat mengoksidasi pada sulfat dalam tanah (ini juga merupakan toksik pada beberapa tanaman), menurunkan sulfida dalam atmosfer, atau dioksidasi pada sulfat dalam atmosfer sebagai asam sulfurik, suatu komponen utama dari hujan asam.

19

SIKLUS AIR Isi 1. 2. 3. 4. 5. 6. Deskripsi Cadangan air (reservoa) Waktu diam Perubahan dari waktu ke waktu Pengaruh iklim Pengaruh pada siklus biogeokimia

Air bumi selalu dalam pergerakan, dan siklus air, juga dikenal sebagai siklus hidrologis, menggambarkan gerakan kontinyu air, di atas, dan di bawah permukaan bumi. Karena siklus air benar-benar sebuah siklus, tidak ada permulaan atau akhir. Air tetap dapat berubah antar cairan, uap air, dan es pada berbagai tempat dalam siklus air, dengan proses ini terjadi dalam sekejap mata dan lebih dari jutaan tahun. Walaupun keseimbangan air di bumi tetap wajar dari waktu ke waktu, molekul individu air dapat datang dan pergi dalam waktu yang cepat.

1. Uraian Siklus air tidak memiliki titik permulaan dan akhir. Matahari, yang menggerakkan siklus air, panas air di lautan. Beberapa dari penguapan ini seperti uap air ke dalam udara. Es dan salju dapat menyublim secara langsung ke dalam uap air. Naiknya uap air ke atas ke dalam atmosfer, bersama dengan air dari evaportranspirasi, di mana air diperoleh dari tanaman dan dievaporasi dari tanah. Uap naik ke udara yang temperaturnya lebih dingin yang menyebabkan menjadi embun di awan. Angin menggerakkan awan di sekitar bola bumi, partikel-partikel awan bertubrukan, tumbuh, dan jatuh dari langit sebagai hujan. Beberapa hujan yang jatuh seperti salju dan dapat berakumulasi seperti berbalut es dan gletser (sungai es), 20

yang dapat menyimpan air beku selama ribuan tahun. Onggokan salju pada iklim yang lebih panas sering melunak dan mencair ketika musim semi tiba, dan arus air yang mencair melalui darat seperti salju yang meleleh. Sebagian besar hujan turun kembali ke laut atau di atas tanah, yang mana, disebut dengan gaya berat, arus hujan di atas tanah ketika bergerak di atas permukaan. Bagian yang bergerak masuk ke dalam sungai dalam lembah, dengan arus yang mengalir menggerakkan air ke arah laut. Tidak semua arus yang bergerak masuk ke dalam sungai. Banyak diantaranya yang meresap ke dalam tanah sebagai perembesan. Sebagian dari air merembes ke dalam tanah dan mengisi aquifer (sub permukaan yang dipenuhi batu), yang menyimpan sejumlah air tawar yang besar sekali untuk periode waktu yang lama. Sebagian infiltrasi/perembesan air tinggal tertutup pada permukaan tanah dan dapat merembes kembali ke dalam tubuh permukaan air (dan laut) sebagai pelepasan air tanah, dan beberapa air tanah ditemukan terbuka pada permukaan tanah dan muncul sebagai sumber mata air tawar. Dari waktu ke waktu, air terus mengalir, sebagian masuk kembali ke laut, di mana siklus air memperbaharui sendiri.

Perbedaan proses sebagai berikut: Precipitation (Hujan) uap air yang mengembun jatuh ke permukaan bumi. Sebagian besar pengendapan terjadi sebagai hujan, tetapi juga termasuk salju, hujan batu es, kabut yang menetes, graupel, dan hujan bercampur es dan salju. Kira-kira 505,000 km3 air yang jatuh sebagai hujan setiap tahun, 398,000 km3 jumlah ini melebihi lautan. Canopy interception (Kanopi penangkap) merupakan penangkapan oleh tanaman daun-daunan dan pada akhirnya menguap kembali ke atmosfer bukannya jatuh ke atas tanah. Snowmelt (salju yang meleleh) berkaitan dengan gerakan yang dihasilkan oleh salju yang meleleh. Runoff (bergerak) mencakup berbagai cara yang mana air bergerak melewati tanah. Ini mencakup keduanya baik bergerak di atas permukaan maupun saluran yang bergerak. Seperti arus, air bisa meresap ke dalam tanah, menguap ke dalam udara, disimpan dalam sungai atau cadangan air, atau diekstrak untuk pertanian atau digunakan untuk yang lain. Infiltrasi (perembesan) merupakan arus air dari permukaan tanah ke dalam tanah. Sewaktu-waktu air yang dirembeskan, air menjadi kelembaban tanah atau air tanah. Subsurface Flow (arus sub permukaan) merupakan arus air bawah tanah, dalam zona vadose dan aquiver. Air sub permukaan bisa kembali ke permukaan (misalnya ketika musim semi atau oleh dipompa). Pada akhirnya merembes ke lautan. Air kembali ke permukaan tanah pada ketinggian yang lebih rendah dibandingkan di mana ia meresap, di bawah tenaga gaya berat atau tekanan gaya berat yang dipengaruhi. Air tanah cenderung bergerak lambat, dan diisi kembali secara berlahan, sehingga dapat tinggal dalam aquifer selama ribuan tahun. Evaporasi (Penguapan) merupakan transformasi air dari bentuk cair menjadi fase gas ketika bergerak dari tanah atau tubuh air ke dalam atmosfer. Sumber 21

energi untuk evaporasi terutama radiasi solar. Evaporasi sering secara implisit mencakup transpirasi dari tanaman, walaupun bersama mereka secara khusus berkaitan sebagai evaportranspirasi. Total jumlah evaportranspirasi tahunan kira-kira sekitar 505.000 km3 dari air, 434.000 km3 dari penguapan laut. Sublimasi merupakan perusahaan keadaan secara langsung dari air berbentuk padat (salju atau es) menjadi uap air. Adveksi merupakan gerakan air dalam bentuk padat, cair, atau uap melalui atmosfer. Tanpa adveksi, air yang diuapkan di atas laut tidak dapat mengendap di atas tanah. Kondensasi merupakan transformasi uap air menjadi droplet cairan air dalam udara, memproduksi awan dan kabut.

2. Cadangan air

Volume air yang disimpan dalam siklus cadangan air (reservoa) Cadangan air Volume air (106km3) Persen total

Laut

1370

97.25

Lapisan es dan gletser

29

2.05

Air tanah

9.5

0.68

Sungai

0.125

0.01

Kelembaban tanah

0.065

0.005

Atmosfer

0.013

0.001

Aliran dan sungai

0.0017

0.0001

22

Biosfer

0.0006

0.00004

Dalam konteks siklus air, suatu cadangan air (reservoa) menunjukkan air yang diisi dengan langkah-langkah yang berbeda dalam siklus. Cadangan air (reservoa) terbesar adalah kumpulan lautan, penghitungan sebesar 97% dari air bumi. Kuantitas terbesar selanjutnya (2%) disimpan dalam bentuk padat pada lapisan es dan gletser. Air mengkombinasi dalam semua kehidupan organisme yang menunjukkan cadangan air (reservoa) terkecil Volume air dalam cadangan air (reservoa) tawar, khususnya yang tersedia untuk digunakan oleh manusia, merupakan sumber daya air.

3. Residence times (waktu tinggal) Waktu tinggal dari suatu cadangan air (reservoa) dalam siklus hidrolik adalah waktu rata-rata molekul air akan menghabiskan cadangan air (reservoa) (lihat tabel di bawah). Ini merupakan suatu ukuran dari usia rata-rata air dalam cadangan air, walaupun beberapa air akan menghabiskan lebih sedikit waktu dibandingkan ratarata, dan beberapa ada yang menghabiskan waktu lebih besar. Air tanah dapat menghabiskan lebih dari 10.000 tahun di bawah permukaan bumi sebelum keluar dari bawah tanah. Khususnya air tanah yang sudah tua disebut air fosil. Air disimpan dalam tanah meninggalkannya dalam waktu yang singkat, karena ini tersebar tipis melewati bumi, dan dengan cepat menghilang oleh evaporasi, transpirasi, arus yang mengalir, atau mengisi air tanah. Setelah menguap, air berada dalam atmosfer selama sekitar 9 hari sebelum memadat dan jatuh ke bumi sebagai hujan.

Rata-rata waktu tinggal cadangan air (reservoa) Cadangan air (reservoa) Laut Gletser Musim laposan salju Kelembaban tanah Air tanah: tempat dangkal Rata-rata waktu tinggal 3.200 tahun 20 - 100 tahun 2 - 6 bulan 1 2 bulan 100 200 tahun

23

Air tanah: dalam Danau (lihat waktu penyimpanan danau) Sungai Atmosfer

10.000 tahun 50 100 tahun 2 6 bulan 9 hari 0

Dalam hidrologi, waktu tinggal dapat ditaksir dalam dua hari. Metode yang lebih umum mengandalkan pada prinsip konservasi massa dan asumsi jumlah air dalam cadangan air (reservoa) yang diberikan tetap. Dengan metode ini, waktu tinggal ditaksir dengan membagi volume dari cadangan air (reservoa) oleh level di mana air salah satunya masuk atau keluar dari cadangan air. Secara konseptual, ini equivalen dengan pemilihan waktu berapa lama cadangan air (reservoa) yang diambil terisi kembali dari kekosongan jika tidak ada air yang tertinggal (atau berapa lama cadangan air (reservoa) yang diambil menjadi kosong dari penuh jika tidak ada air yang masuk). Suatu metode alternatif untuk menaksir waktu tinggal, diperoleh dalam popularitas terutama untuk memberi penanggalan air tanah, menggunakan teknikteknik isotopik. Ini dilakukan dalam sub bidang dari hidrologi isotop.

4. Perubahan dari waktu ke waktu Siklus air menggambarkan proses yang mengarah pada gerakan air di seluruh hidrosfer. Bagaimanapun, lebih banyak air dalam penyimpanan selama periode waktu yang lama dibanding pergerakan nyata melalui siklus. Rumah penyimpanan yang mayoritas banyak dari semua air di dunia adalah lautan. Ini ditaksir sekitar 332.500.000 mil kubik (mi3) (1.386.000.000 kilometer kubik (km3) dari suplai air dunia, sekitar 321.000.000 mi3 (1.338.000.000 km3) disimpan dalam laut, atau sekitar 95%. Ditaksir juga bahwa lautan menyuplai sekitar 90 persen dari air yang diuapkan ke dalam siklus air. Selama periode iklim yang lebih dingin lebih banyak bentuk lapisan es dan gletser, dan cukup dari suplai air global yang berakumulasi seperti es untuk mengurangi jumlah dalam bagian siklus air yang lain. Kebalikannya selama periode panas. Selama masa gletser berlangsung menutupi hampir sepertiga dari massa tanah di bumi, menghasilkan lautan sekitar 400 kaki (122 meter) lebih rendah dari saat ini. Selama akhir musim panas, sekitar 125.000 tahun yang lalu, laut seluas sekitar 18 kaki (5.5 meter) lebih tinggi dibandingkan sekarang. Sekitar tiga juta tahun yang lalu laut telah naik setinggi 165 kaki (50 meter) lebih tinggi. Konsensus ilmiah ditunjukkan pada tahun 2007 Saluran Intergovernmental pada Perubahan Musim (IPCC) meringkaskan tentang pembuat kebijakan terhadap siklus air untuk terus meningkatkan seluruh abad ke-21, walaupun ini tidak berarti

24

bahwa hujan salju akan meningkat dalam semua wilayah. Dalam area lahan sub tropis tempat yang telah relatif kering hujan salju diproyeksikan menurun selama abad ke-21, kemungkinan meningkatnya musim kemarau. Kekeringan diproyeksikan mendekati batas ruang kutub terkuat dari sub tropis (sebagai contoh, Lembah Mediterania, Afrika Selatan, Australia utara, dan Barat Daya Amerika). Jumlah hujan tahunan diharapkan meningkat dalam wilayah dekat-equator yang cenderung basah pada musim iklim sekarang, dan juga pada garis lintang yang tinggi. Ini pola berskala besar yang ada dalam semua model simulasi musim yang dilakukan pada beberapa penelitian pusat internasional seperti bagian penaksiran ke4 dari IPCC. Sungai es yang terpencil juga merupakan contoh dari perubahan siklus air, di mana suplai air untuk gletser dari hujan es tidak dapat dipertahankan dengan hilangnya air dari pencairan dan sublimasi. Sungai es yang terpencil sejak tahun 1850 telah intensif. Aktivitas manusia yang merubah siklus air mencakup: Pertanian Perubahan komposisi zat kimia dari atmosfer Konstruksi bendungan Penebangan hutan dan penghutanan Menghilangnya air tanah dari mata air Abstraksi air dari sungai Urbanisasi

5. Berpengaruh terhadap musim Siklus air mendapat tenaga dari energi solar. 86% dari penguapan global terjadi dari laut, temperaturnya berkurang oleh pendinginan evaporatif. Tanpa pengaruh pendinginan dari penguapan efek rumah kaca akan cenderung pada lebih banyaknya temperatur permukaan yang lebih tinggi dari 67oC, dan planet lebih panas.

6. Berpengaruh terhadap siklus biogeokimia Karena siklus air itu sendiri merupakan siklus biogeokimia, arus air di atas dan di bawah bumi merupakan komponen kunci dari siklus dari biogeokimia yang lain. Gerakan merupakan respon terhadap hampir semua transport yang melongsorkan sedimen dan fosfor dari tanah pada badan air. Salinitas laut diperoleh dari erosi dan transport yang melarutkan garam dari tanah. Ahli eutrofikasi sungai terutama untuk fosfor, digunakan berlebih dalam bidang pertanian dalam pupuk, dan k kemudian diangkut melalui darat dan turun ke sungai. Keduanya gerakan dan aliran air tanah memainkan peranan yang penting dalam mengangkut

25

nitrogen dari tanah ke badan air. Zona yang mati pada saluran keluar dari sungai Missisipi merupakan akibat dari nitrat dari pupuk yang dilakukan lahan pertanian dan disalurkan ke bawah dalam sistem sungai ke teluk Meksiko. Gerakan aliran juga memainkan suatu bagian dalam siklus karbon, sekali lagi melalui pengangkutan yang menghanyutkan batuan dan tanah.

SIKLUS HIDROGEN

Hidrogen merupakan salah satu unsur pokok air. Ini diputar kembali dalam siklus biogeokimia yang lain. Ini secara aktif terlibat dengan siklus lain seperti siklus karbon, siklus nitrogen, siklus sulfur dan siklus oksigen juga.

Fermentasi anaerobik dari zat organik menjadi karbondioksida dan metan merupakan suatu usaha kolaboratif yang melibatkan banyak reaksi biokimia yang berbeda, proses dan spesies mikroorganisme. Salah satu dari ini telah digambarkan sebagai integral pada simbiosis antara bakteri yang memproduksi-metan tertentu (metanogen) dan anaerob nonmetanogenik. Dalam simbiosis ini, anaerob nonmetanogenik menurunkan zat organik dan produksi antar suatu molekul hidrogen yang lain (H2). Hidrogen ini kemudian diambil oleh metanogen dan diubah menjadi metan melalui metanogenesis. Satu karakteristik yang penting dari transfer hidrogen antar jenis di mana konsentrasi H2 dalam lingkungan mikroba sangat rendah. Mempertahankan konsentrasi hidrogen yang rendah merupakan hal yang penting karena proses permentasi anaerobik terus meningkatkan thermodinamika yang kurang baik ketika tekanan parsial hidrogen meningkat.

26

KERUSAKAN KARENA IKLIM

Isi : 1. Kerusakan fisika (mekanis) karena iklim 1.1 Ekspansi panas 1.2 Pembekuan yang mencair karena kerusakan iklim 1.3 Melepaskan tekanan 1.4 Gerak hidrolik 1.5 Pertumbuhan kristal-garam (haloclasty) 1.6 Kerusakan biologis karena iklim 2. Kerusakan kimia karena iklim 2.1. Pemutusan 2.2. Hidrasi 2.3. Hydrolisis 2.4. Oksidasi 2.5. Biologis 2.6. Karbonasi 3. Kerusakan bangunan karena iklim Kerusakan karena iklim merupakan dekomposisi batu-batuan, tanah dan mineral melalui kontak langsung dengan atmosfer planet. Kerusakan musim terjadi dalam situ, atau dengan tanpa gerakan, dan kemudian tidak akan dibingungkan dengan erosi, yang melibatkan gerakan dan disintegrasi batu-batuan dan mineral oleh perantara seperti air, es, angin, dan gaya berat. Ada dua klasifikasi yang penting dari proses kerusakan karena iklim. Kerusakan mekanis atau fisik karena iklim melibatkan kerusakan batu-batuan dan tanah melalui kontak langsung dengan kondisi atmosfer seperti panas, air, es dan tekanan. Klasifikasi kedua, kerusakan zat-zat kimia karena iklim, melibatkan efek langsung dari zat-zat kimia atmosfer, atau secara biologis memproduksi zat-zat kimia (dikenal juga sebagai kerusakan biologis karena iklim), dalam kerusakan batubatuan, tanah dan mineral. Bahan-bahan yang ditunda setelah kerusakan batu-batuan dikombinasi dengan bahan organik yang menimbulkan tanah. Kandungan mineral tanah ditentukan oleh bahan induk, jadi tanah diperoleh dari jenis batuan tunggal yang sering tidak sempurna dalam satu atau lebih mineral untuk kesuburan yang baik, sedangkan tanah rusak dari jenis batuan yang bercampur (seperti dalam sungai es, eolian atau sedimen alluvial (tanah yang ditinggalkan oleh air sesudah surut) seringkali membuat tanah lebih subur. 27

1.

Kerusakan fisika (mekanis) karena iklim

Kerusakan mekanis karena iklim menyebabkan disintegrasi batu-batuan. Proses dasar dalam kerusakan mekanis karena iklim adalah abrasi (proses di mana clast dan partikel yang lain berkurang ukurannya). Bagaimanapun, kerusakan kimia dan fisika karena iklim seringkali beriringan. Sebagai contoh, letusan dieksploitasi oleh kerusakan karena iklim yang akan meningkatkan area permukaan yang dibongkar untuk tindakan kimia. Selanjutnya, tindakan kimia pada mineral dalam letusan dapat membantu proses disintegrasi. 1.1. Ekspansi Thermal Ekspansi thermal, juga dikenal sebagai kerusakan anion-kulit karena iklim, pengelupasan kulit, kerusakan insolasi karena iklim atau panas yang mengejutkan seringkali terjadi dalam area, seperti gurun pasir, di mana ada ruang temperatur harian yang luas. Temperatur memuncak tinggi pada waktu siang hari, sedangkan sangat menurun pada waktu malam hari. Ketika panas batu-batuan naik dan meluas pada waktu siang hari, dan dingin dan menurun pada waktu malam, tekanan seringkali didesak pada lapisan luar. Tekanan menyebabkan pengelupasan lapisan luar batu-batuan dalam lembaran tipis. Walaupun ini disebabkan terutama oleh perubahan temperatur, ekspansi panas meningkat oleh adanya kelembaban. 1.2. Pembekuan yang mencair karena kerusakan iklim Proses ini dapat juga disebut pemecahan embun beku. Jenis kerusakan ini umumnya di area gunung di mana temperatur di sekitar pada titik beku. Embun beku mempengaruhi kerusakan, walaupun seringkali dihubungkan dengan perluasan air beku yang ditangkap dalam letusan, umumnya bebas dari ekspansi air-ke-es. Telah lama dikenal bahwa kelembaban tanah meluas atau embun beku mendorong pada pembekuan sebagai hasil dari air yang berpindah tempat sepanjang dari area yang tidak beku melalui lapisan tipis untuk mengumpulkan pertumbuhan lensa es. Fenomena yang sama ini terjadi dalam ruang pori batu-batuan. Mereka tumbuh lebih besar ketika mereka menarik cairan air dari sekeliling pori. Fenomena disebabkan oleh sifat yang unik dari air dalam berat jenis terbesarnya pada 4 C, sehingga es memiliki volume lebih besar dibandingkan air pada temperatur yang sama. Ketika air membeku, kemudian dikembangkan dan diletakkan di sekitar tekanan yang kuat. Pembekuan dipengaruhi tindakan kerusakan karena iklim yang terjadi terutama dalam lingkungan di mana ada beberapa kelembaban, dan temperatur sering berubah-ubah di atas atau di bawah titik beku, yaitu: terutama di pegunungan Alpen, dan area periglacial. Suatu contoh batu-batuan yang peka terhadap tindakan pembekuan adalah kapur, yang memiliki banyak ruang pori untuk pertumbuhan kristal es. Proses ini dapat dilihat dalam Dartmoor yang dihasilkan dalam formasi tor. Ketika air dimasukkan dalam lipatan beku, es membentuk dinding-dinding dari lipatan dan menyebabkan lipatan memperdalam dan meluas. Ini menyebabkan volume air meluas 9% ketika membeku. Ketika es mencair, air dapat mengalir selanjutnya masuk ke batuan. Ketika temperatur menurun di bawah titik beku, dan air membeku kembali, es memperbesar lipatan selanjutnya. Tindakan membeku28

mencair berulang memperlemah batu-batuan yang mana, dari waktu ke waktu, merusak lipatan ke dalam potongan-potongan bersiku. Fragmen-fragmen batuan bersiku pada di kaki lereng membentuk slope talus (atau slope scree). Membelah batu-batuan sepanjang lipatan ke dalam blok yang disebut blok disintegrasi. Blok batu-batuan dipisahkan dari berbagai bentuk tergantung pada struktur batu. 1.3. Melepaskan Tekanan

Dalam melepaskan tekanan, juga dikenal sebagai pembongkaran, sangat material (tidak memerlukan batu-batuan) yang dipindahkan (oleh erosi atau proses yang lainnya), yang menyebabkan dasar batu-batuan meluas dan retak paralel pada permukaan. Seringkali material memadat dan dasar batu-batuan mengalami tekanan tinggi di bawahnya, sebagai contoh, gerakan gletser. Melepaskan tekanan juga bisa menyebabkan terjadinya pengelupasan kulit. Batu-batuan intrusive berapi (misalnya granit) terbentuk di bagian dalam di bawah permukaan bumi. Mereka di bawah tekanan yang sangat besar karena mendasari material batuan. Ketika gerakan erosi mendasari material batuan, batuan intrusive ini membongkar dan menekan terhadap pelepasan. Bagian luar dari batubatuan kemudian cenderung meluas. Dari waktu ke waktu, hamparan batu yang rusak menjauh dari batu-batuan yang terbongkar sepanjang retakan. Pelepasan tekanan juga dikenal sebagai Eksfoliasi atau Sheeting; proses ini dihasilkan dalam batholiths dan kubah granit, suatu contoh Dartmoor. 1.4. Tindakan Hidrolik Ini ketika air (umumnya dari gelombang kuat) mendorong ke dalam retakan dalam permukaan batu secara cepat. Perangkap ini sebuah lapisan udara di bawah retakan, memampatkannya dan memperlemah batu. Ketika gelombang mundur, udara yang terperangkap tiba-tiba dilepaskan dengan gaya eksplosif. Pelepasan eksplosif dari retakan bertekanan udara tinggi menjauh dari pecahan-pecahan pada permukaan batu dan memperluas retakan dengan sendirinya. 1.5.Pertumbuhan kristal-garam (haloclasty)

29

Pola permukaan batu pedestal ini adalah kerusakan sarang lebah karena iklim, disebabkan oleh kristalisasi garam. Contoh ini pada Yehliu, Taiwan.

Kerusakan penggaraman karena iklim dari bangunan batu di pulau Gozo, Malta

Kerusakan penggaraman karena iklim pada batu pasir di dekat Qobustan, Azerbaijan

Kristalisasi garam atau sebaliknya dikenal sebagai Haloclasty menyebabkan disintegrasi batu-batuan ketika larutan garam (lihat salinitas) meresap ke dalam retakan dan lipatan dalam batu-batuan dan menguap, meninggalkan kristal garam di dalamnya. Kristal garam ini meluas ketika dipanaskan, tekanan didesak pada batu yang membatasi.

30

Kristalisasi garam bisa juga berlangsung ketika larutan membusukan batubatuan (sebagai contoh, batu kapur dan kapur) untuk membentuk larutan garam dari sodium sulfat atau sodium karbonat, yang menguapkan kelembaban untuk membentuk kristal garam masing-masing. Garam yang terbukti paling efektif dalam menghancurkan batu-batuan adalah sodium sulfat, magnesium sulfat, dan kalsium klorida. Beberapa dari garam ini dapat diperluas sampai pada tiga kali lipat atau bahkan lebih. Ini secara normal dihubungkan dengan iklim gersang yang mana pemanasan kuat menyebabkan penguapan yang kuat dan oleh karena itu terjadi kristalisasi garam. Ini juga umum terjadi di daerah sepanjang pantai. Sebagai contoh, kerusakan oleh garam karena iklim dapat dilihat pada batu-batuan sarang lebah di dinding laut. Sarang lebah merupakan jenis tafoni, sebuah kelas batuan besar yang strukturnya rusak karena iklim, yang kemungkinan berkembang dalam bagian yang besar oleh proses kerusakan oleh garam secara kimia dan fisika. 1.6. Kerusakan secara biologis karena iklim Kehidupan organisme bisa memperbesar pada kerusakan secara mekanis karena iklim (seperti halnya kerusakan secara kimia karena iklim, lihat kerusakan secara biologis karena iklim di bawah). Pertumbuhan lumut dan sebangsanya pada permukaan batu kosong dan menciptakan suatu lingkungan mikro yang secara kimia lebih lembah. Penambahan organisme ini pada permukaan batu-batuan meningkatkan secara fisika seperti halnya kerusakan kimia pada permukaan lapisan mikro dari batu. Pada skala yang lebih besar pembenihan bertunas dalam retakan dan akar tanaman mendesak tekanan fisik sepertinya menyediakan jalan bagi air dan perembesan kimia. Menggali hewan dan serangga yang mengganggu lapisan tanah yang berbatasan dengan permukaan batu yang buruk jadi selanjutnya air meningkat dan perembesan asam dan penyinaran pada proses oksidasi.

2. Kerusakan oleh zat kimia karena iklim Kerusakan oleh zat kimia karena iklim melibatkan perubahan dalam komposisi batu-batuan, seringkali mengarah pada kerusakan dalam bentuknya. Ini dilakukan melalui sebuah kombinasi air dan berbagai zat kimia untuk menciptakan suatu asam yang secara langsung merusak bahan. Jenis perusahaan ini terjadi dalam suatu periode waktu. 2.1. Penguraian Curah hujan secara alami sedikit asam karena karbondioksida atmosfer diuraikan dalam air hujan yang memproduksi asam karbonit lemah. Dalam lingkungan yang tidak berpolusi, pH curah hujan sekitar 5.6. Hujan asam terjadi ketika gas seperti sulfur dioksida dan nitrogen oksida ada dalam atmosfer. Oksida ini bereaksi dalam air hujan untuk memproduksi asam yang lebih kuat dan dapat pH lebih rendah menjadi 4.5 atau bahkan 3.0. Sulfur dioksida, SO2, datang dari letusan 31

vulkanis atau dari bahan bakar fosil, dapat menjadi asam sulfuric dalam air hujan, yang dapat menyebabkan kerusakan oleh larutan karena iklim pada batu-batuan yang jatuh. Satu dari solusi kerusakan yang paling dikenal-dengan baik adalah karbonisasi, proses dalam karbon dioksida atmosfer mengarah pada kerusakan oleh larutan karena iklim. Karbonisasi terjadi pada batu-batuan yang mengandung kalsium karbonat seperti batu kapur dan kapur. Ini berlangsung ketika hujan bercampur dengan karbon dioksida atau asam organik untuk membentuk asam karbonit lemah yang bereaksi dengan kalsium karbonat (batu kapur) dan membentuk kalsium bikarbonat. Proses ini dipercepat dengan penurunan temperatur dan oleh karena itu merupakan ciri yang besar dari kerusakan sungai es. Reaksinya sebagai berikut: CO2 + H2O ->H2CO3 Karbon dioksida + air -> asam karbonat H2CO3 - > Ca (HCO3+) 2 Asam karbonat + kalsium karbonat -> kalsium bikarbonat Karbonasi pada permukaan dari batu kapur menghasilkan pembedahan trotoar batu kapur yang paling efektif sepanjang lipatan, memperlebar dan memperdalam. 2.2. Hidrasi Hidrasi merupakan sebuah bentuk dari kerusakan oleh zat kimia oleh iklim yang melibatkan penambahan padat ion-ion H+ dan OH- pada atom dan molekul mineral. Ketika mineral batu mengambil air, peningkatan volume menciptakan tekanan fisik dalam batu. Sebagai contoh besi oksida yang diubah menjadi besi hidroksida dan hidrasi dari anhidrit berbentuk gypsum.

32

Kerusakan yang baru terjadi pada batu menunjukkan kerusakan oleh zat kimia karena iklim yang berbeda (kemungkinan kebanyakan oksidasi) berkembang ke dalam. Potongan ini dari batu pasir yang ditemukan dalam timbunan es di dekat Angelica, New York. 2.3. Hidrolisis Hidrolisis merupakan proses kerusakan oleh zat kimia karena iklim yang mempengaruhi mineral silikat. Dalam beberapa reaksi, sedikit ionisasi air murni dan bereaksi dengan mineral silikat. Suatu contoh reaksi: Mg2SiO4 + 4H+ + 4OH- + 4 OH- + H4siO4 Olivine (forsterite) + empat molekul air diionisasi ion-ion dalam larutan + asam silikat dalam larutan Reaksi ini dihasilkan dalam penguraian lengkap dari mineral asli, mengasumsikan cukup air yang tersedia untuk menggerakkan reaksi. Bagaimanapun, reaksi di atas pada tingkat deceptive karena air murni jarang bertindak sebagai donor H+. Karbon dioksida, walaupun, siap terurai dalam air membentuk asam lemah dan donor H+. MgSiO4 + 4H2O 2 Mg2+ + 4 HCO3- + H4SiO4 Olivine (forsterite) + karbon dioksida + air magnesium dan ion bikarbonat dalam larutan + asam silikat dalam larutan. Reaksi hidrolisis ini lebih umum. Asam karbonat dikonsumsi oleh kerusakan oleh silikat karena iklim, menghasilkan lebih banyak dalam larutan alkalin karena dari bikarbonat. Ini merupakan suatu reaksi yang penting dalam mengontrol jumlah CO2 dalam atmosfer dan dapat mempengaruhi iklim. Alumunosilikat ketika dipersoalkan pada reaksi hidrolisis yang memproduksi mineral sekunder dibandingkan melepaskan kation secara sederhana. 2KAISi3O8 + 2H2CO3 + pH2O AI2Si2O5(OH)4 + 4H4SiO4+ 2K+ + 2HCO3 Orthoclase (alumunosilikat fieldspar) + asam karbonat + air Kaolinit (mineral tanah liat + asam silikat dalam larutan + potassium dan ion bikarbonat dalam larutan. 2.4. Oksidasi Dalam kerusakan karena iklim lingkungan oksidasi kimia dari berbagai logam terjadi. Yang paling umum diamati adalah oksidasi Fe2+ (besi) dan kombinasi dengan oksigen dan air untuk membentuk Fe3+ hidroksida dan oksida seperti goethite, limonite, dan hematite. Ini mempengaruhi pewarnaan batu-batuan menjadi coklat kemerahan pada permukaan yang dengan mudah menghancurkan dan memperlemah batu. Proses ini lebih baik dikenal sebagai pengaratan.

33

2.5. Biologis Sejumlah tanaman dan hewan bisa menciptakan kerusakan oleh kimiawi melalui pelepasan senyawa asam, yaitu pada atap yang dikelompokkan sebagai kerusakan karena iklim. 2.6. Karbonasi Karbon dioksida ditambahkan pada mineral batuan dalam bentuk asam karbonat, yang mengambil kandungan CO2-nya dari atmosfer dan vegetasi. Asam karbonat lebih efektif dibandingkan dengan air murni dalam menyerang feldspar dan mineral lain. Silika dan karbonat potassium-sodium kemudian diuraikan. 3. Kerusakan bangunan karena iklim Bangunan yang dibuat dari suatu batu, batu bata atau beton yang peka pada agen kerusakan yang sama ketika permukaan batu dibongkar. Patung juga, monumen dan ornamen pahatan dapat memburuk dirusak oleh proses kerusakan oleh alam karena iklim. Ini dipercepat pada area yang berat dipengaruhi oleh hujan asam.

34