Sebagai suatu sistem, Bumi memiliki empat reservoir raksasa yang

menampung materi, dan setiap reservoir itu adalah suatu sistem terbuka

karena baik materi maupun energi dari setiap reservoir itu dapat masuk

dan keluar. Ke-empat reservoir Bumi itu yang merupakan sustu sub-sistem

Bumi adalah:

1) Atmosfer, yaitu campuran gas yang mengelilingi Bumi. Gas-gas yang

dominan adalah nitrogen, oksigen, argon, karbon dioksida, dan uap air.

2) Hidrosfer, yaitu seluruh air yang ada di Bumi, meliputi samudera, danau,

sungai, air bawah tanah, dan seluruh salju dan es, dengan pengecualian uap

air di dalam atmosfer.

3) Biosfer, yaitu seluruh organisme yang ada di Bumi, termasuk juga

berbagai material organik yang belum mengalami dekomposisi.

4) Geosfer, yaitu bagian Bumi yang padat, dan terutama tersusun oleh

batuan dan regolit (partikel-partikel batuan lepas yang menutupi bagian

Bumi yang padat).

Model dari Sistem Bumi dapat dilihat pada Gambar 2. Pada gambar

tersebut terlihat bahwa Bumi sebagai suatu benda langit yang merupakan

salah satu anggota dari Sistem Tata Surya merupakan suatu sistem

tertutup. Bumi menerima pancaran radiasi gelombang pendek dari

Matahari dan kembali memancarkan radiasi gelombang panjang ke ruang

angkasa. Sementara itu, sub-sistem Bumi merupakan sistem terbuka yang

diantara sesamanya dapat terjadi pertukaran energi dan materi.

Gambar 2. Model Sistem Bumi. Bumi sebagai benda angkasa merupakan

sistem tertutup, sedang sub-sistem Bumi yang terdiri dari atmosfer,

hidrosfer, biosfer dan geosfer merupakan sistem terbuka. Sumber: Skinner

dan Porter (2000), Gambar 1.19.

Komponen fisik dari Sistem Bumi terdiri dari sub-sistem Daratan (Geosfer),

Lautan/Air (Hidrosfer), dan Udara (Atmosfer). Setiap komponen tersebut

berinteraksi satu sama lain sehingga di dalam Sistem Bumi terdapat

interaksi Daratan-Lautan, Daratan-Udara, dan Lautan-Udara. Secara visual,

kondisi keberadaan dari ketiga komponen Sistem Bumi itu dan interaksinya

dapat digambarkan sebagai model seperti Gambar 3. Semuanya terintegrasi

dalam Ruang dan Waktu.

Gambar 3. Model Sistem Bumi yang memperlihatkan hubungan dan

interaksi di antara sub-sistem fisik. Sumber: Global Change News Letter no.

68, Feb. 2007.

Pergerakan material di Bumi terjadi dalam bentuk pergerakan bersiklus[1].

Hal ini berarti bahwa pergerakan terjadi secara kontinyu atau terus

menerus. Gambaran ini memberikan kerangka yang baik yang dapat

membantu kita mempelajari bagaimana materi dan energi tersimpan dan

bagaimana keduanya digerakkan dalam suatu siklus dari satu reservoir ke

reservoir yang lain oleh sistem Bumi. Ada dua aspek yang penting bagi

gerakan bersiklus, yaitu (1) reservoir tempat material berada, dan (2) aliran

atau fluks material-material dari reservoir yang satu ke reservoir yang lain.

Ada tiga siklus yang sangat penting yang menggerakkan material dan

energi di Bumi, yaitu:

1) Siklus hidrologi. Siklus ini menggerakkan air di dalam hidrosfer.

Keberadaan siklus ini ditunjukkan oleh adanya hujan, salju dan aliran air

sungai. Siklus ini terjadi dari hari ke hari dan jangka panjang.

2) Siklus batuan. Siklus ini menggambarkan berbagai proses yang

membentuk, memodifikasi, mendekomposisi, dan membentuk kembali

batuan oleh proses-proses internal dan eksternal Bumi.

3) Siklus tektonik. Siklus ini berkaitan dengan pergerakan dan interaksi

antar lempeng-lempeng litosfer, dan proses di bagian dalam Bimu yang

dalam yang mengendalikan pergerakan lempeng-lempeng litosfer.

Ketiga siklus tersebut berkaitan erat satu sama lain melalui proses-proses

fisika, kimia dan biologi. Pentingnya ketiga siklus itu akan terlihat bila

membicara siklus biogeokimia dari unsur-unsur kimia yang penting bagi

kehidupan seperti karbon, oksigen, nitrogen sulfur, hidrogen dan fosfor.

Siklus hidrologi adalah fenomena yang terutama terjadi di atmosfer dan

digerakkan oleh panas dari Matahari yang menguapkan air dari samudera

dan daratan (Gambar 4A). Uap air yang dihasilkan bergerak naik masuk ke

atmosfer dan kemudian bergerak bersama aliran udara. Dalam

perjalanannya bersama aliran udara, beberapa bagian uap air mengalami

kondensasi dan kemudian mengalami presipitasi dalam bentuk hujan atau

salju dan kembali ke samudera atau daratan Gambar 4B. Air hujan yang

jatuh ke daratan dapat mengalir masuk kedalam aliran sungai, meresap ke

dalam tanah, atau menguap kembali ke udara untuk bergerak kembali

dalam siklus. Sebagian air yang di dalam tanah diserap oleh tanaman, dan

kemudian mengembalikan air itu ke atmosfer melalui daun dengan proses

transpirasi. Salju dapat tetap berada di daratan selama satu atau dua

musim dan bisa lebih lama hingga mencair dan airnya mengalir

meninggalkan salju. Berbagai reservoir dan alur pergerakan air dalam

siklus hidrologi adalah seperti pada Gambar 4C.

Gambar 4A. Siklus hidrologi (panah abu-abu) dan energi Matahari (panah

putih). Sumber: Ingmanson dan Wallace (1985).

Gambar 4B. Siklus hidrologi dan transfer material tahunan. Sumber:

Duxbury et al. (2002).

Gambar 4C. Siklus hidrologi. Menggambarkan proses dan pergerakan air

dari reservoir satu ke reservoir yang lain. Sumber: Skinner dan Porter

(2000).

Siklus batuan menggambarkan seluruh proses yang dengannya batuan

dibentuk, dimodifikasi, ditransportasikan, mengalami dekomposisi, dan

dibentuk kembali sebagai hasil dari proses internal dan eksternal Bumi.

Siklus batuan ini berjalan secara kontinyu dan tidak pernah berakhir. Siklus

ini adalah fenomena yang terjadi di kerak benua (geosfer) yang berinteraksi

dengan atmosfer, hidrosfer, dan biosfer dan digerakkan oleh energi panas

internal Bumi dan energi panas yang datang dari Matahari.

Kerak bumi yang tersingkap ke udara akan mengalami pelapukan dan

mengalami transformasi menjadi regolit melalui proses yang melibatkan

atmosfer, hidrosfer dan biosfer. Selanjutnya, proses erosi

mentansportasikan regolit dan kemudian mengendapkannya sebagai

sedimen. Setelah mengalami deposisi, sedimen tertimbun dan mengalami

kompaksi dan kemudian menjadi batuan sedimen. Kemudian, proses-proses

tektonik yang menggerakkan lempeng dan pengangkatan kerak Bumi

menyebabkan batuan sedimen mengalami deformasi. Penimbunan yang

lebih dalam membuat batuan sedimen menjadi batuan metamorik, dan

penimbunan yang lebih dalam lagi membuat batuan metamorfik meleleh

membentuk magma yang dari magma ini kemudian terbentuk batuan beku

yang baru. Pada berbagai tahap siklus batuan ini, tektonik dapat

mengangkat kerak bumi dan menyingkapkan batuan sehingga batuan

tersebut mengalami pelapukan dan erosi. Dengan demikian, siklus batuan

ini akan terus berlanjut tanpa henti (Gambar 5).

Gambar 5. Siklus batuan. Menggambarkan proses yang menyebabkan

batuan berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain dan ditransportasikan.

Sumber: Skinner dan Porter (2000)

Berbeda dari sikus batuan yang terutama merupakan fenomena yang terjadi

di kerak benua, maka siklus tektonik terutama melibatkan kerak samudera,

dan prosesnya didominasi oleh proses-proses di bagian dalam Bumi yang

digerakkan oleh energi geotermal Bumi.

Gambaran siklus tektonik dapat dilihat pada Gambar 6A dan B. Ketika

magma yang datang dari mantle muncul di tempat pemekaran lantai

samudera, maka ditempat itu akan terbentuk kerak samudera baru. Kerak

samudera yang tua akan kembali ke dalam mantle di zona penunjaman.

Dengan demikian, masa hidup kerak samudera lebih pendek daripada masa

hidup kerak benua.

Gambar 6A. Siklus tektonik. Kontak antara magma dengan air laut di zona

pemekaran samudera menunjukkan interaksi antara geosfer dan hidrosfer

yang mempengaruhi komposisi air laut, sementara itu volkanisme

menunjukkan kontak antara geosfer dan atmosfer yang mempengaruhi

komposisi udara. Sumber: Skinner dan Porter (2000).

Gambar 6B. Siklus tektonik. Menggambarkan aliran proses dan pergerakan

material. Sumber: Skinner dan Porter (2000).

Fenomena volkanisme dapat terjadi berkaitan dengan mekanisme

penunjaman. Ketika kerak samudera masuk kembali ke dalam mantel dan

meleleh kembali, unsur-unsur volatil dari kerak samudera itu menyebabkan

kerak benua di atasnya meleleh. Magma yang terbentuk muncul ke

permukaan sebagai gunungapi. Dengan demikian terjadi penambahan

material baru ke kerak benua. Di pihak lain, aktifitas gunungapi yang

mengeluarkan debu dan gas dari dalam Bumi mempengaruhi komposisi

udara. Kondisi ini menunjukkan interaksi antara geosfer dan atmosfer.

Selain di zona penunjaman, magma dapat muncul di daerah pemekar lantai

samudera. Di daerah pemekaran lantai samudera, interaksi antara kerak

samudera dengan samudera di atasnya mempengaruhi komposisi air laut

disekitarnya. Magma yang muncul di zona pemekaran dan membentuk

kerak samudera baru membentuk batuan beku yang panas dan bereaksi

dengan air laut. Unsur-unsur dari dalam batuan yang panas bereaksi

dengan unsur-unsur yang ada di dalam air laut. Ini adalah salah satu cara

mantle mempengaruhi komposisi air laut, dan juga cara yang penting

bagaimana material dan proses dari siklus tektonik berinteraksi dengan

siklus hidrologi.

Keterkaitan antar Siklus

Gambaran hubungan antara siklus hidrologi, siklus batuan dan siklus

tektonik dapat dilihat pada Gambar 7. Interaksi semacam itu telah

berlangsung secara terus menerus sejak di Bumi terdapat air laut sekitar 4

milyar tahun yang lalu.

Gambar 7. Keterkaitan antara siklus hidrologi, siklus batuan dan siklus

tektonik. Sumber: Skinner dan Porter (2000).

Hal yang penting dari interaksi ketiga siklus tersebut adalah gambaran

tentang bagaimana material bergerak dari satu reservoir ke reservoir yang

lain dan proses-proses yang menggerakkannya. Selain itu, ketiga siklus

tersebut juga memperlihatkan bagaimana peranan energi panas yang

berasal dari bagian dalam Bumi dan dari Matahari berperanan dalam

menggerakkan suatu proses dan memindahkan material dari satu reservoir

ke reservoir yang lain.

Ada dua hal utama yang membedakan antara Bumi dengan planet-planet

yang lain di dalam Sistem Tata Surya, yaitu:

1) Bumi memiliki air dalam jumlah besar dan membentuk sub-sistem

hidrosfer sedang planet-planet yang lain tidak memiliki air. Dengan kata

lain, hidrosfer hanya dijumpai di Bumi dan tidak dijumpai di planet-planet

yang lain.

2) Di Bumi terdapat fenomena tektonik lempeng sedang di planet-planet

yang lain tidak ada. Fenomena tektonik lempeng mengindikasikan bagian

internal Bumi yang cair dan memiliki energi panas yang tinggi.

Berlangsungnya siklus hidrologi, siklus batuan dan siklus tektonik di Bumi

berkaitan erat dengan keberadaan dua hal tersebut. Siklus hidrologi tidak

dapat berlangsung bila di Bumi tidak ada hidrosfer, sedang siklus batuan

dan tektonik tidak dapat berlangsung bila tidak ada tektonik lempeng.

Dengan demikian, bila keberadaan hidrosfer dan tektonik lempeng hanya

ada di Bumi, maka ketiga siklus tersebut hanya berlangsung di Bumi dan

tidak dapat berlangsung di planet-planet yang lain.

Bumi berbentuk oblate spheroid, yang berarti diameter ekuator lebih

panjang daripada diameter kutub. Bumi berrotasi pada sumbunya dari barat

ke timur, dan Bumi berrevolusi mengelilingi Matahari dengan orbit yang

berbentuk ellips. Pada titik terdekat – yang disebut perihelion, jarak Bumi

dan Matahari 147.000.000 km dan terjadi pada bulan Juli, sedang pada titik

terjauh – yang disebut aphelion, berjarak 150.000.000 km dan terjadi pada

bulan Januari. Fakta lain adalah bahwa sumbu rotasi Bumi membentuk

sudur 23,5o terhadap bidang orbit Bumi.

Bentuk bumi bulat menyebabkan penyerapan radiasi sinar Matahari oleh

Bumi berkurang sesuai dengan perubahan posisi lintang dari ekuator ke

kutub (Gambar 8). Selanjutnya, posisi sumbu rotasi Bumi yang menyudut

23,5o terhadap bidang orbit Bumi menyebabkan terjadinya variasi

penyinaran tahunan di permukaan Bumi (Gambar 9). Variasi pemanasan

Bumi ini mengendalikan sirkulasi samudera dan atmosfer, dan juga siklus

hidrologi.

Gambar 8. Variasi intersitas penyinaran Matahari terhadap permukaan

Bumi sebagai akibat dari perbedaan posisi lintang. Perbedaan intersitas

penyinaran itu menyebabkan perbedaan energi panas dari Matahari yang

diterima oleh Bumi sesuai dengan posisi lintang suatu tempat di permukaan

Bumi. Sumber: Berner dan Berner (1987).

Gambar 9. Gerak revolusi Bumi terhadap matahari dan posisi sumbu rotasi

Bumi yang membentuk sudut 23,5o terhadap bidang orbit Bumi

menyebabkan perubahan musim sepanjang tahun. Sumber: Berner dan

Berner (1987).

Sirkulasi atmosfer adalah konsekuensi dari ketidakseimbangan panas di

permukaan Bumi yang terjadi karena perbedaan intensitas penyinaran yang

telah dibicarakan di atas, dan gerak rotasi Bumi. Gambaran umum sirkulasi

atmosfer yang menunjukkan angin rata-rata tahunan disajikan dalam

Gambar 10.