LAPISAN ATMOSFER DAN FUNGSINYA

LAPISAN ATMOSFER DAN FUNGSINYA

Pengertian Atmosfer

            Atmosfer berasal dari kata amos berarti uap dan sphira berarti bolabumi. Atmosfer merupakan lapisan udara yang menyelimuti bumi. Lapisan atmosfer merupakan campuran dari berbagai unsur (Hartono,2007). Secara umum komposisi saat ini atmosfer kering (tanpa kandungan air) adalah 78,6 % (volume) nitrogen (N₂), 21 % oksigen (O₂), 0,9 % argon (Ar), 0,03 % karbon dioksida (CO₂), dan berbagai jenis gas-gas pada level yang sangat kecil (kurang dari 0,002 %) seperti neon (Ne), helium (He), metana (CH4), kripton (Kr), hidrogen (H2), xenon (Xe), sulfur oksida (SO₂), ozon (O₃) ammonia (NH₃), karbon monoksida (CO), dan sebagainya. Normalnya, air terkandung dalam atmosfer sebagai bentuk uap air sebesar 1-3 % volume (Manahan 2000).

            Atmosfer bumi adalah campuran gas yang secara kimia-fisika relatif homogen pada setiap stratanya, yang membungkus permukaan bumi, dan tetap bertahan karena gravitasi bumi. Dibandingkan dengan diameter bumi (sekitar 12.000 km), atmosfer merupakan lapisan tipis (ketebalan 200-500 km) larutan udara sangat mudah dikompresi maupun diekspansi, dan mengelilingi bumi. Karena pengaruh gravitasi bumi, maka sebagian besar gas-gas penyusun atmosfer terkompresi di bagian bawah dekat permukaan bumi. Makin jauh jarak dari permukaan bumi, maka makin renggang struktur gas-gas penyusun atmosfer, sehingga densitas dan tekanan udara akan semakin rendah.

            Sesungguhnya, atmosfer tidak jauh berbeda dengan lautan yang membungkus permukaan bumi. Keduanya merupakan fluida yang membungkus permukaan bumi dan terikat secara gravitasi. Perbedaan yang mendasar antara atmosfer dan lautan adalah bahwa atmosfer merupakan campuran gas yang dapat dikompresi atau ekspansi sedangkan lautan berisi cairan yang relatif tidak terkompresi. Kemampuan kompresi dan ekspansi atmosfer, secara substansial dipengaruhi oleh tekanan, menyebabkan berbagai fenomena atmosfer seperti angin, mendung, hujan, iklim, cuaca, dan sebagainya (Petty 2008).

Sifat Atmosfer

            Atmosfer berfungsi untuk melindungi bumi dari gangguan benda-benda angkasa dan radiasi sinar matahari. Akibat yang ditimbulkan jika tidak adanya lapisan atmosfer yang melindungi bumi, maka bumi akan bolong akbiat tertabrak benda ruang angkas, misalnya meteor. Suhu yang terjadi di bumi akan sangat extreme antara pagi  dan malam hari.

            Menurut penelitian para ahli, ketebalan lapisan atmosfer ini mencapai 1000km yang diukur dari atas permukaan laut. Selai ketebalannya yang besar, lapisan ini juga memiliki berat 6 miliar ton.

            Menurut Hartono (2007),  lapisan atmosfer sebagai lapisan pelindung bumi memiliki beberapa sifat, yaitu sebagai berikut:

1.      Tidak memiliki warna, tidak berbau, dan tidak memiliki wujud, serta hanya bisa dirasakan oleh indra perasa manusia dalam bentuk angin.

2.      Memiliki berat sehingga dapat menimbulkan tekanan

3.      Memiliki seifat dinamis dan elastic yang dapat mengembang dan mngerut.

            Salah satu unsure yang penting dalam atmosfer adalah uap air. Uap air (H₂O) sangat penting dalam proses dinamika cuaca atau iklim karena dapat mengubah fase (wujud) uap air menjadi cair atau padat melalui kondensasi dan depoisisi. Uap air yang terdapatdi atmosfer merupakan hasilpenguapan dari air laut, danau, kolam, sungai, dan transpirasi tanaman.

Struktur Penyusun Atmosfer

            Secara umum atmosfer, dipelajari dengan membaginya menjadi dua yaitu regional rendah (lower) dan regional atas (upper). Regional bawah adalah atmosfer dari permukaan bumi sampai ketinggian kira-kira 50 km. Studi untuk regional ini merupakan studi meteorologi. Sedangkan studi regional atmosfer atas (> 50 km), dikenal dengan studi aeronomi.

            Dari total ketebalan atmosfer, kira-kira 500 km lebih dari permukaan bumi, terdapat zona (sampai sekitar 90 km) dengan komposisi gas yang relatif tetap dalam perbandingannya. Zona ini berisi gas-gas inert (N₂, O₂, He, Ar) yang berinteraksi dengan energi radiasi yang cukup lemah. Sedangkan bagian zona atas (>100 km), merupakan zona yang menerima radiasi dengan intensitas dan energi yang sangat tinggi. Energi spektrum ini memungkinkan terjadinya reaksi molekuler untuk ionisasi, fotolisis, radikalisasi, dan sebagainya. Pada zona ini komposisi menjadi tidak seragam baik karena perubahan altitude maupun latitudnya. Berdasarkan kehomogenan komposisi dan kerapatan pada setiap ketinggian (altitude) dibagi dalam dua lapisan, yaitu:

1.      Lapisan homosfer, merupakan lapisan bawah atmosfer (kurang dari 80 km) yang terdiri atas campuran gas permanen 99,9 % massa atmosfer total dengan perbandingan komposisi tertentu yang tetap untuk setiap segmen altitud. Secara kimia homogen/larutan homogen, pada ketinggian yang sama komposisi kimia dan sifat fisika gas-gas penyusunnya relatif homogen. Jadi lapisan homosfer ini tersusun atas lapisan-lapisan homogen yang tersusun sampai ketinggian 80 km. Terdiri atas troposfer, stratosfer, dan mesosfer.

2.      Lapisan heterosfer, lapisan di atas homosfer yang terdiri atas gas-gas lebih ringan (seperti hidrogen dan helium). Dominasi gas-gas ini berubah karena perbedaan altitude, sehingga perbandingan komposisi berubah-ubah, karena diisi dengan gas-gas yang relatif lebih ringan, mono atau diatomic (seperti hidrogen dan helium). Komposisi yang kurang dari 0,1 % dari massa atmosfer, volume ruang yang sangat besar, dan tekanan yang sangat rendah, menyebabkan distribusi gas-gas di lapisan ini sangat besar. Jarak antar gas relatif jauh, tidak banyak interaksi. Partikel gas-gas di lapisan ini sangat besar dipengaruhi radiasi dan keadaan luar atmosfer. Pada lapisan heterosfer ini, komposisi berubah/heterogen walaupun di altitude yang sama, salah satunya karena intensitas radiasi yang berfluktuasi sangat besar di siang dan malam, serta kapasitas panas yang rendah dari gas-gas yang mayoritas monoatomik, radikal, atau dalam keadaan tereksitasi.

Pembagian lapisan atmosfer juga dapat dilakukan dengan mempelajari sifat keteraturan perubahan sifat fisik (tekanan dan temperatur). Dalam hal ini, atmosfer bumi dibagi menjadi 4 lapisan utama. Keempat lapisan utama tersebut adalah:

1.      Troposfer, berada dalam ketinggian dari permukaan bumi sampai ketinggian rata-rata 11 km, temperature rata-rata 15 ^oC dipermukaan laut menurun dengan bertambahnya ketinggian sampai kira-kira -56 ^oC di bagian atas (tropopause),

2.      Stratosfer, dari ketinggian rata-rata 11 km sampai kira-kira 50 km, temperature rata-rata naik dari -56 ^oC sampai -2 ^oC di bagian atas (stratopause), kenaikan temperature ini utamanya karena penyerapan radiasi ultraviolet oleh ozon di atmosfer,

3.      Mesosfer, lapisan diatas stratosfer (50 km) sampai dalam ketinggian rata-rata 85 km , profil temperatur sama dengan troposfer, menurun dengan bertambahnya ketinggian, dari -2 ^oC sampai sekitar -92 ^oC di bagian lapisan paling atas (mesopause).

4.      Termosfer, merupakan lapisan yang paling tinggi dari atmosfer mulai 85 km sampai dengan rata-rata 500 km, berisi lapisan gas dengan kerapatan rendah, profil temperatur naik sampai 1200 ^oC, kenaikan ini utamanya karena penyerapan radiasi dengan panjang gelombang < 200 nm oleh spesies gas-gas penyusun termosfer.

            Diantara tiap-tiap dua lapisan atmosfer, terdapat lapisan antara (transisi) yang merupakan batas antar muka kedua lapisan. Lapisan batas (antara) berfungsi utama adalah menjaga eksistensi masing-masing lapisan tidak bercampur. Ada 3 lapisan transisi di atmosfer, yaitu:

1.      Tropopause, lapisan transisi antara troposfer dan stratosfer

2.      Stratopause, lapisan transisi antara stratosfer dan mesosofer, dan

3.      Mesopause, lapisan transisi antara mesosfer dan termosfer

Setiap lapisan utama dan lapisan transisi atmosfer, mempunyai karakteristik dan peran spesifik, merupakan bagian sistem atmosfer. Sistem atmosfer ini didesain dalam rangka menopang kehidupan manusia dan kelangsungan sistem lingkungan di bumi. Sinergi setiap lapisan ini diciptakan dengan tugas masing-masing, untuk bersama-sama membuat kondisi bumi sangat layak untuk berlangsungnya kehidupan.

Proses Pembentukan Lapisan Atmosfer Bumi

            Studi tentang atmosfer awalnya dilakukan untuk memahami fenomena-fenomena yang berhubungan dengan permukaan bumi seperti cuaca/iklim, fenomena pembiasan sinar matahari saat terbit dan tenggelam, serta kelap-kelipnya bintang, komet, meteor, dan lain-lain.

            Bumi diperkirakan dibentuk beberapa saat setelah penciptaan jagad raya, kira-kira 5 milyar tahun yang lalu. Dan diperkirakan 500 juta pertama setelah penciptaannya, atmosfer dengan kerapatan tinggi, berisi asap seperti pada nebula matahari, utamanya adalah hidrogen. Bersamaan dengan proses pendinginan gas-gas lain dibentuk dari uap dan gas (asap) yang dikeluarkan dari dalam bumi hasil reaksi-reaksi fusi atau asap dari luar bumi (proses pendinginan planet lain atau bintang atau komet). Asap tersebut diperkirakan terdiri atas utamanya hidrogen (H₂), uap air (H₂O), methana (CH₄), dan karbon dioksida (CO₂). Sampai kira-kira 3,5 juta tahun yang lalu, atmosfer diperkirakan terdiri atas CO₂, CO, H₂O, N₂, dan H₂. Karbon dioksida ini menjadi dominan, karena proses oksidasi termal yang berlangsung milyaran tahun dan tidak banyak dimanfaatkan untuk proses lain. Keberadaan air, menyebabkan pengurangan gas CO₂, melalui proses pelarutan manjadi garam karbonat atau batuan karbonat. Bumi makin mengeras.

            Pada awal penciptaan, atmosfer bumi tidak memiliki molekul-molekul atau atom-atom oksigen bebas di dekat permukaan. Data-data yang menjelaskan ini tersimpan pada formasi batuan purba yang dominan mengandung besi dan uranium, dengan keadaan tereduksi. Unsur-unsur tersebut tidak ditemui lagi pada batuan Precambrian dan yang lebih muda (< 3 juta tahun). Atmosfer bawah pada saat itu lebih bersifat reduktor karena belum mengandung oksigen. Namun beberapa penyelidikan menyebutkan pada bagian atas terdapat molekul oksigen yang cukup melimpah, didesain untuk membentuk lapisan ozon.

            Satu juta tahun yang lalu, ketika bumi sudah cukup dingin, diciptakan organisma-aquatik awal yang oleh para kosmolog dinamakan blue-green algae (tidak ada satupun toeri ilmiah yang dengan meyakinkan dapat membuktikan alga ini terbentuk dengan sendirinya atau karena evolusi alam).  Kehidupan ini masih terbatas pada perairan. Organisma ini, mulai ditugaskan untuk menggunakan energi dari matahari yang tidak terserap ozone, memecah molekul air dan karbon dioksida, dan menggabungkan kembali menjadi senyawa organik esensial dan membuat molekul oksigen. Inilah pertama kali proses fotosintesis terjadi. Walaupun terjadi respirasi yang melepaskan kembali CO₂, tetapi pertumbuhan alga ini cukup besar dengan mendeposit carbon ke jaringan/senyawa organiknya. Proses awal ini berlangsung selama ratusan ribu tahun, sehingga cukup membuat akumulasi oksigen di atmosfer. Bersamaan dengan meningkatnya oksigen (O₂) tersebut, kadar karbon dioksida (CO₂) menurun. Proses ini berlangsung terus, sampai kadar oksigen di permukaan menjadi cukup besar.

            Dalam kesimpulan berbagai penelitian atmosfer awal, terdapat dua proses utama yang mengarah pada perubahan komposisi atmosfer. Pertama, adanya tumbuhan yang mengkonversi karbon dioksida menjadi massa jaringan organik, dengan mengeisikan oksigen ke atmosfer. Kedua peluruhan batuan pyrite yang melepaskan sulfur sehingga kadar sulfur di lautan menjadi tinggi. Proses oksidasi sulfur menurunkan oksigen di atmosfer. Walaupun secara meyakinkan perubahan konsentrasi oksigen di atmosfer ini tidak diketahui penyebab jelasnya, namun periode naiknya oksigen ini menjadikan bumi layak bagi kehidupan hewan dan manusia di jaman-jaman berikutnya.

            Pada atmosfer bagian atas, sebagian molekul-molekul oksigen (O₂) bekerja menyerap energi UV dari matahari dan terpecah menjadi atom oksigen tunggal. Sebagian molekul oksigen tunggal ini berkoalisi dengan molekul oksigen yang masih ada mulai membentu ozon (O₃).Ozon ini akan menyerap UV dengan panjang gelombang yang berbeda, kembali pecah menjadi O₂ dan O. Akumulasi ozon dalam jutaan tahun ini menghasilkan lapisan ozon di bagian atas (sekarang dikenal dengan troposfer). Lapisan ini bereaksi terus menerus dan sangat efektif menyerap UV (200-300 nm), dan melindungi permukaan bumi dari irradiasi UV kuat dari matahari. Reaksi ini merupakan desain siklus yang berkesetimbangan di lapisan ozon atmosfer. Keberadaan lapisan ozon ini, membuat daratan di Bumi menjadi mungkin untuk diberi kehidupan. Radiasi yang diterima permukaan bumi menjadi lebih kecil dan cukup untuk menjaga ikatan senyawa organik tetap utuh. Daratan di Bumi menjadi cukup dingin, untuk memulai kehidupan. Tumbuhan produsen sederhana dan perintis, mulai dipindahkan ke daratan. 

A.   Troposfer

            Troposfer merupakan lapisan atmosfer yang paling dekat dan berinterakasi langsung dengan permukaan bumi. Posisi ini menyebabkan dinamika pada keduanya, baik di permukaan bumi maupun di troposfer, akan saling mempengaruhi satu sama lain. Perubahan tekanan atau suhu di troposfer akan berpengaruh pada dan juga dipengaruhi oleh permukaan bumi. Bentuk permukaan bumi (terrain atau kekasaran), akan sangat berpengaruh pada turbulensi troposfer. Perubahan komposisi troposfer juga sangat besar karena pengaruh emisi gas-gas dari bumi. Pencemaran karena kegiatan manusia sangat berpengaruh besar pada lapisan troposfer ini. Perubahan tekanan, aliran, suhu, dan stabilitas troposfer, akan berpengaruh langsung pada permukaan bumi. Sebaliknya, fenomena hujan, uap air, angin, badai, kekeringan dan seterusnya, merupakan contoh keadaan di bumi yang langsung dipengaruhi oleh kondisi troposfer.

            Lapisan troposfer, berisikan kira-kira lebih dari 80 % total massa atmosfer. Gas-gas yang berada dalam troposfer merupakan gas-gas poliatomik dan berdensitas relatif lebih besar. Gas-gas rumah kaca, oksigen dan nitrogen dominan di lapisan troposfer. Uap air, awan, hujan (presipitasi), merupakan variabel gas yang sangat berpengaruh besar pada fenomena troposfer.

            Gas Rumah Kaca (GRK) adalah gas-gas poliatomik yang menjadi konstituen atmosfer, baik alamiah maupun karena kegiatan manusia, yang menyerap dan mengemisikan kembali radiasi inframerah (energi panas). Secara alamiah GRK ini berkontribusi besar dalam menjaga suhu atmosfer tetap hangat untuk menopang reaksi kimia dan biokimia di permukaan bumi. Dalam termodinamika kimia, zat-zat poliatomik ini menyerap energi tinggi (UV panjang atau IR) dan setelah mengalami proses internal molekul (dilatasi, translasi, dan sebagainya) akan mengemisikan kembali dalam bentuk spektrum dengan energi labih rendah (gelombang lebih panjang dan panas). Mekanisme tersebut terkait dengan kesetimbangan energi yang terjadi di lapisan troposfer.

B.   Stratosfer

            Lapisan stratosfer merupakan lapisan yang berada di atas troposfer. Kedua lapisan ini dibatasi oleh lapisan batas, tropopause, merupakan kondisi perubahan lapse rate (dari lapse rate negatif (troposfer) menuju lapse rate positif (stratosfer)). Ketebalan stratosfer kira-kira 40 km (altitude 10-16 km sampai dengan sekitar 50 km). Lapisan ini ditandai dengan naiknya temperatur lingkungan sebagai fungsi pertambahan altitude. Fenomena ini disebabkan penyerapan spektrum ultra violet (UV) energi yang lebih tinggi di bagian lebih atas, karena makin banyaknya molekul-molekul poliatomik. Sedangkan di bagian lebih bawah, penyerapan spektrum UV lebih rendah, sebanding dengan penurunan jumlah molekul poliatomik dan meningkatnya molekul diatomic atau monoatomik. Secara termodinamika, molekul poliatomik akan menyerap spektrum energi tinggi yang sesuai dan berpotensi meradiasikan spektrum infra red (IR) lebih besar.

            Lapisan stratosfer bagian atas didominasi oleh proses pembentukan ozon dengan menyerap energi UV tinggi, dan meradiasikan IR tinggi. Sedangkan bagian bawah, didominasi oleh proses pemecahan ozon dengan menyerap UV lebih rendah, dan meradiasikan IR lebih rendah dibanding bagian atas. Secara termodinamika, IR mempunyai panjang gelombang lebih pendek dibanding UV. Spektrum panjang gelombang lebih panjang (energi rendah) akan menimbulkan efek panas, sedangkan spektrum panjang gelombang lebih pendek (energi lebih tinggi) lebih menimbulkan efek perubahan ikatan molekuler.

            Pada lapisan stratosfer, fungsi ini (penyerapan spectrum) diwakili oleh desain siklus pembentukan dan pemecahan ozon dilapisan ozonosfer (stratosfer). Siklus pembentukan dan pemecahan ozon memanfaatkan spektrum radiasi ultra violet dengan panjang gelombang 185 – 240 nm dan 280 – 320 nm. Hal ini dijelaskan oleh Crutzen Molina & Rowland (peraih nobel fo chemistry, 1995). Dalam penjelasannya disebutkan, secara alamiah pembentukan ozon dan   pemecahan ozon terjadi secara alaiah dan merupakan siklus yang berkesetimbangan, diperkirakan reaksinya sebagai berikut:

pembentukan ozon (O3) alamiah (menyerap UV λ » 185-240 nm)

O₂ + hv                 2 O

 O + O₂                  O₃  

dan pemecahan ozon alamiah (menyerap UV λ » 280-320 nm)

O₃ + hv                 O  + O₂

O + O₃                  2 O₂

            Dan lebih detail telah dijelaskan memalui “Chapman Reactions”, bahwa ozon terbentuk melalui rekasi yang sama dengan di atas. Selanjutnya, ketika ozon yang terbentuk menyerap UV, akan terjadi kesetimbangan reaksi pemecahan dan pembentukan (Chapman 1930):

O₃ + hv -> O₂ + O (3)

O + O₂ -> O₃        (2)

atau ozon juga bisa mengalami pemecahan ketika bereaksi dengan O radikal, yang berada di atmosfer, hasil reaksi pemecahan oksigen, seperti reaksi 1 di atas:

O + O₃ -> O₂ + O₂     (4)

            Pada reaksi-reaksi di atas, proses pembentukan ozon, makin lambat dengan bertambahnya altitude, sementara proses pemecahan ozon makin cepat. Pada area kesetimbangan pembentukan-pemecahan ozon, jumlah energi dan gas terlibat dalam reaksi juga setimbang. Sehingga secara   relatif jumlah ozon (O₃), oksigen (O₂) dan oksigen radikal (O) dalam kondisi steady, diatur dengan kuantitas penyerapan spektrum UV. Secara alamiah, jumlah elemen yang terlibat dalam reaksi ini sebanding dengan jumlah UV energi menengah (185 nm – 320 nm) yang masuk ke atmosfer. Dengan demikian tidak ada sisa spektrum UV energi menengah yang signifikan untuk bisa terus sampai ke permukaan bumi.

C.   Mesosfer

            Lapisan mesosfer ditandai dengan penurunan suhu (temperatur) udara dengan bertambahnya altitude (ketinggian dari permukaan bumi). Laju penurunan temperatur tersebut dilaporkan rata-rata 0,4°C per seratus meter. Penurunan suhu (temperatur) udara ini menandakan mesosfer memiliki kesetimbangan termal negatif.

            Temperatur tertinggi di mesosfer hampir mendekati -2 °C, di dekat stratopause. Sedangkan di bagian paling atas mesosfer dekat dengan mesopause, yaitu lapisan batas antara mesosfer dengan lapisan termosfer, temperaturnya diperkirakan mencapai sekitar -92 °C. Di daerah mesosfer ini, kadang teramati sebagai daerah dengan fenomena aurora. Ini terjadi karena proses ionisasi gas-gas yang menyusunnya. Pada struktur atmosfer yang dijelaskan sebelumnya (lihat gambar 3), mesosfer dan termosfer masuk dalam wilayah ionosfer. Pada wilayah ionosfer ini, proses reaksi yang dominan adalah ionisasi karena gas-gas menerima radiasi spektrum energi lengkap dari matahari. Spektrum energi tinggi ini yang sangat berpengaruh pada orbital elektron setiap atom, sehingga terjadi proses-proses yang berkaitan dengan ionisasi.

            Pada lapisan mesosfer ini konsentrasi gas ozon makin berkurang tajam ketika altitude makin tinggi, sehingga UV terserap juga makin sedikit. Sebagai akibatnya suhu makin ke atas akan makin turun.

D.   Termosfer

            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 (inversi) yang sangat tinggi pada lapisan ini. Temperatur pada lapisan termosfer ini sangat tergantung pada aktifitas matahari (sunspots atau flares). Kuatnya radiasi matahari (active sun) menyebabkan suhu di termosfer pada lapisan paling atas sangat tinggi, mencapai sekitar 1700 ^oC . Namun pada aktivitas matahari yang cukup rendah, seperti malam hari atau kondisi quiet sun, suhu termosfer menjadi cukup rendah, sekitar 300 ^oC. Pengurangan altitude, menyebabkan perubahan suhu termosfer menurun sangat besar. Perubahan ini terjadi karena menurunnya serapan radiasi sinar ultra ungu terutama UV gelombang sangat pendek (< 0.1 μm) oleh gas-gas penyusun termosfer.

            Pada bagian atas termosfer, radiasi UV pendek begitu kuat menyebabkan reaksi kimia (ionisasi). Hasil rekasi ionisasi ini membentuk lapisan bermuatan listrik yang dikenal dengan nama ionosfer. Lapisan ionosfer ini yang kemudian diketahui dapat memantulkan gelombang radio dan menyebabkan atmosfer memiliki sifat-sifat yang sangat penting.