Lapisan Atmosfer: Pelindung Bumi yang Tak Kasat Mata

Lapisan Atmosfer: Pelindung Bumi yang Tak Kasat Mata

Atmosfer adalah lapisan gas yang umumnya dikenal sebagai udara, yang menyelimuti bumi dan ditahan oleh gaya gravitasi. Atmosfer melindungi kehidupan bumi dari radiasi maupun bahaya luar angkasa lainnya.

Banyak sekali jasa atmosfer untuk manusia, mulai dari menciptakan tekanan sehingga air dalam bentuk cair dapat terbentuk di permukaan bumi, menyerap radiasi ultraviolet, menghangatkan bumi lewat efek rumah kaca, hingga mengurangi rentang temperatur diurnal.

Atmosfer memiliki massa sekitar 5.15×1018 kg, 3/4 dari massa tersebut berada pada ketinggian 0-11 km dari permukaan bumi.

Semakin jauh dari permukaan bumi, semakin tipis pula laposan atmosfer. Hal ini disebabkan oleh melemahnya gaya gravitasi yang mengikat partikel-partikel udara.

Garis karman yang terletak pada ketinggian 100 km umumnya dianggap sebagai batas terluar lapisan atmosfer dengan angkasa luar.

 

Komposisi Atmosfer

Bahan penyusun utama atmosfer adalah nitrogen, oksigen, dan argon. Uap air mencakup 0.25% dari massa total atmosfer, namun, konsentrasinya berubah-ubah sesuai dengan kondisi massa udara yang ada serta kondisi lingkungannya.

Nama GasFormulaPPMVPersentase
NitrogenN2780,84078.084%
OksigenO2209,46020,9%
ArgonAr9,3400,934%
Karbon DioksidaCO24000,04%
NeonNe18.180,0018%
HeliumHe5.240,000524%
MetanaCH41.790,000179%
*Uap AirH2O10-50,0000,001 – 5%

Tabel diatas mencoba menggambarkan komposisi atmosfer modern yang diperhitungkan ketika massa udara benar-benar kering. Komposisi ini cukup konsisten hingga ketinggian 10,000 m.

PPMV pada tabel diatas memiliki arti ‘part per million by volume’. Oleh karena itu, 1 ppmv artinya dalam total gas yang sebanyak 1 juta volume, gas tersebut mencakup satu per sejuta dari total volume.

Nitrogen

Nitrogen adalah gas dengan konsentrasi tertinggi di atmosfer. Gas ini mencakup sekitar 78% dari total gas di atmosfer. Namun, mengapa nitrogen sangat banyak di atmosfer ?

Nitrogen banyak terdapat di atmosfer karena sifatnya yang unik yaitu stabil dalam bentuk gas, volatile, serta tidak reaktif terhadap material bumi.

Sifat nitrogen yang volatile menyebabkan nitrogen tidak stabil dalam bentuk padat maupun cair. Oleh karena itu, nitrogen akan otomatis berubah menjadi gas jika berada di alam terbuka.

Sifat nitrogen yang stabil dalam bentuk gas membuatnya sulit untuk berubah menjadi bentuk lain. Oleh karena itu, mayoritas nitrogen di bumi ini berada dalam bentuk gas. Gas nitrogen ini akan menetap di atmosfer dalam jangka waktu yang cukup lama.

Nitrogen juga kesulitan bereaksi dengan material penyusun bumi. Oleh karena itu, nitrogen umumnya tetap dalam bentuk gas di atmosfer tanpa bereaksi dengan gas atau material lainnya.

 

Oksigen

Oksigen adalah gas kedua terbanyak di atmosfer. Oksigen banyak terdapat di atmosfer karena merupakan efek samping dari proses fotosintesis tanaman dan alga.

Oksigen juga merupakan salah satu unsur yang paling banyak ada di planet bumi, tidak mengherankan jika oksigen juga mendominasi lapisan atmosfer.

Namun, mengapa kadar oksigen lebih sedikit dibandingkan dengan nitrogen di atmosfer? Hal ini dapat disebabkan oleh sifat reaktif oksigen yang menyebabkannya menjadi terikat di material lain seperti karat besi maupun oksidasi batuan.

 

Argon

Argon adalah gas ketiga yang paling banyak terdapat di atmosfer. Argon merupakan salah satu gas mulia yang bersifat stabil dan inert sehingga sulit untuk berubah bentuk.

Argon banyak terdapat di atmosfer karena sifatnya yang stabil, berat, serta sering disuplai ulang kedalam atmosfer oleh aktivitas radioaktif.

Sifatnya yang stabil berarti argon tidak akan bereaksi dengan elemen lain sehingga akan tetap dalam bentuk gas di udara. Argon juga berat relatif terhadap gas-gas lain sehingga hanya sedikit yang keluar dari atmosfer, tidak seperti hidrogen.

 

Uap Air

Uap air adalah salah satu komponen atmosfer yang cukup penting. Uap air berperan sebagai pemicu aktivitas hidrometeorologis. Tanpa adanya uap air, tidak akan terjadi perawanan dan hujan di langit.

Uap air banyak terdapat di atmosfer karena senantiasa disuplai oleh siklus air. Siklus ini meliputi evapotranspirasi tanaman, evaporasi badan air, hingga presipitasi.

 

Lapisan-Lapisan Atmosfer

Umumnya, seiring dengan bertambahnya ketinggian lapisan atmosfer, tekanan udara dan kerapatan atmosfer berkurang. Namun, temperatur memiliki hubungan yang lebih unik. Bertambah atau berkurangnya suhu sangat bergantung dengan lapisan yang ada serta komposisinya.

Secara umum, atmosfer terdiri dari 5 lapisan utama sebagai berikut

  • Eksosfer : 700 sampai 10,000 km
  • Termosfer : 80 sampai 700 km
  • Mesosfer : 50 sampai 80 km
  • Stratosfer : 12 sampai 50 km
  • Troposfer : 0 sampai 12 km
Earth's atmosphere.svg
Ilustrasi Lapisan Atmosfer Bumi (Kelvinsong)

Berikut ini adalah penjelasan lebih lanjut mengenai lapisan-lapisan atmosfer yang ada di bumi.

Troposfer

Troposfer merupakan lapisan yang paling dekat dengan permukaan dan merupakan tempat dimana fenomena cuaca dan iklim terjadi. Lapisan ini dibatasi oleh tropopause yang bersifat inert dan stabil.

Awan Kumulus troposfer
Troposfer merupakan lapisan dimana terjadi cuaca

Troposfer memiliki ketinggian rata-rata 12 km, namun, ketinggian ini bervariasi tergantung dengan lokasinya. Pada daerah kutub, ketinggian troposfer dapat mencapai 17 km, namun pada daerah kathulistiwa, ketinggian troposfer umumnya hanya 9 km.

Temperatur pada lapisan troposfer berkurang seiring dengan bertambahnya ketinggian, fenomena ini dikenal sebagai lapse rate.

lapse rate menyebabkan lapisan terbawah dari troposfer lebih panas dari lapisan atas troposfer, sehingga terjadi perputaran udara. Dari peristiwa inilah didapatkan nama troposfer, yang dalam bahasa Yunani artinya memutar.

Lapisan troposfer mencakup sekitar 80% massa total atmosfer, namun, lebih dari 50% massa total atmosfer berada dibawah ketinggian 5,6 km.

Hal tersebut disebabkan oleh kepadatan troposfer yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan lapisan-lapisan diatasnya. Kepadatan yang tinggi ini disebabkan oleh adanya tekanan yang diberikan oleh lapisan-lapisan lain, serta pengaruh gaya gravitasi yang lebih kuat.

Hampir seluruh uap air yang berada di udara terdapat pada lapisan troposfer. Oleh karena itu, hampir semua aktivitas cuaca terletak pada lapisan troposfer.

Semua awan yang terbentuk pasti berada di lapisan troposfer, kecuali awan cumulonimbus yang dapat menjulang hingga lapisan stratosfer bawah.

Mayoritas aktivitas aviasi (penerbangan) konvensional berada pada lapisan troposfer. Selain itu, pesawat dengan bilah baling-baling (propeller) memang tidak dapat terbang lebih tinggi dari lapisan troposfer.

 

Stratosfer

Stratosfer merupakan lapisan terendah kedua di atmosfer bumi, diatas lapisan troposfer. Lapisan ini dipisahkan dari troposfer oleh zona perbatasan yaitu tropopause.

Lapisan stratosfer membentang dari puncak troposfer yang memiliki ketinggian rata-rata 12 km hingga lapisan stratopause pada ketinggian 50 hingga 55 km.

Tekanan udara pada puncak stratosfer dapat mencapai 1/1000 tekanan permukaan laut, atau 1/1000 ATM. Lapisan stratosfer mencakup pula lapisan ozon yang mengandung banyak molekul ozon.

Pada lapisan stratosfer, suhu meningkat seiring dengan bertambahnya ketinggian. Hal ini terjadi karena konsentrasi ozon yang tinggi pada lapisan stratosfer. Radiasi ultraviolet dari matahari diserap oleh ozon dan diubah menjadi energi panas.

 

Mesosfer

Lapisan mesosfer terletak diatas stratosfer dan dibawah thermosfer. Lapisan ini menjulang dari lapisan stratopause pada ketinggian 50 km hingga lapisan mesopause pada ketinggian 80-85 km.

Pada lapisan mesosfer, suhu berkurang seiring dengan bertambahnya ketinggian. Lapisan ini merupakan lapisan terdingin di atmosfer, suhu rata-rata di mesosfer adalah -85 celcius.

Dibawah lapisan mesopause, suhu sangat dingin sehingga uap air yang sangat sedikit pun dapat mengalami sublimasi menjadi awan noktilusen (noctilucent clouds).

Meteor dihancurkan di mesosfer
Mesosfer melindungi bumi dari benda fisik seperti meteor dan sampah luar angkasa

Lapisan mesosfer merupakan lapisan yang melindungi bumi dari serangan benda fisik. Meteor dan asteroid yang jatuh ke bumi rata-rata habis terbakar pada lapisan ini.

Meteor yang tidak habis terbakar setidaknya sudah diperkecil ukurannya sehingga tidak terlalu berbahaya jika menghantam permukaan bumi.

 

Termosfer

Termosfer merupakan lapisan atmosfer terakhir sebelum eksosfer. Lapisan ini membentang dari mesopause pada ketinggian 80 km, hingga lapisan thermopause pada ketinggian 500-1000 km. Lapisan bawah termosfer, dari ketinggian 80 hingga 550 km merupakan rumah bagi lapisan ionosfer.

Ketinggian dari lapisan thermopause bervariasi sesuai dengan perubahan aktivitas matahari. Selain itu, karena merupakan bagian dasar dari lapisan eksosfer, thermopause juga kerap disebut sebagai thermobase.

Pada lapisan termosfer, suhu meningkat seiring dengan bertambahnya ketinggian. Berbeda dengan lapisan stratosfer dibawahnya, inversi pada lapisan ini terjadi karena jumlah partikel udara yang sedikit dan jarak antar partikel yang sangat jauh.

Oleh karena itu, meskipun energi kinetik tiap partikel tinggi, tetap tidak akan terasa hangat oleh manusia.

Aurora Borealis pada lapisan termosfer
Peristiwa Aurora kerap terjadi pada lapisan termosfer

Lapisan ini tidak mengandung uap air sehingga tidak terjadi peristiwa perawanan dan hujan. Namun, peristiwa non-hidrometeorologi seperti aurora borealis dan aurora australis kerap terbentuk pada lapisan ini. International Space Station (ISS) juga mengorbit pada lapisan ini, pada ketinggian 350 hingga 440 km.

 

Eksosfer

Lapisan eksosfer adalah lapisan terluar dari atmosfer bumi. Lapisan ini membentang dari atas exobase pada ketinggian sekitar 700 km hingga ketinggian 10,000 km.

Lapisan ini didominasi oleh partikel ringan seperti hidrogen dan helium. Pada lapisan yang dekat dengan exobase, tetap ada beberapa partikel berat seperti nitrogen, oksigen, dan karbon dioksida.

Lapisan eksosfer terlalu tinggi dan tidak mengandung partikel uap air sehingga tidak mungkin terjadi peristiwa hidrometeorologi. Namun, peristiwa aurora sering terjadi pada lapisan ini dan lapisan termosfer dibawahnya. Mayoritas satelit dunia mengorbit pada lapisan eksosfer.

 

Lapisan Lainnya

Lapisan ozon terletak pada lapisan stratosfer. Terdapat konsentrasi ozon yang sangat tinggi pada lapisan ini, antara 2 hingga 8 parts per million (PPM).

Lapisan ini terletak pada bagian bawah stratosfer, pada ketinggian 15-35 km. Hampir 90% kandungan ozon di atmosfer berada pada lapisan ini.

Lapisan ionosfer terletak pada lapisan termosfer dan mesosfer serta merupakan penyebab terjadinya aurora. Lapisan ini menerima radiasi dari matahari dan mengalami ionisasi, sehingga tercipta aurora.

Ionisasi pada lapisan mesosfer berhenti pada malam hari, oleh karena itu, aurora yang terlihat umumnya terjadi pada lapisan termosfer atau exobase.

Lapisan ini merupakan salah satu lapisan dalam dari magnetosfer dan merupakan lapisan yang sangat penting bagi kehidupan di bumi. Lapisan ini mengontrol laju propagasi gelombang radio dan televisi yang dipancarkan oleh stasiun pemancar.

Homosfer dan Heterosfer merupakan pembagian atmosfer menjadi dua berdasarkan kandungan gas yang ada pada lapisan atmosfer tersebut.

Lapisan homosfer merupakan lapisan dimana gas-gas yang ada di atmosfer bercampur secara merata karena fenomena mixing dan turbulensi. Lapisan ini berakhir pada ketinggian 100 km, atau pada batas lapisan turbopause.

Lapisan heterosfer merupakan lapisan dimana gas-gas mengalami stratifikasi ketinggian berdasarkan berat molekul. Gas yang lebih berat akan menempati posisi yang lebih dekat dengan permukaan bumi, sedangkan gas ringan akan lebih jauh dari permukaan bumi.

 

Sifat Fisik Atmosfer

Sifat Fisik Atmosfer
Ilustrasi Diagram Sifat Fisik Atmosfer (Cmglee)

Tekanan dan Ketebalan

Tekanan atmosfer semakin besar seiring dengan berkurangnya ketinggian. Hal ini dikarenakan oleh bertambahnya beban yang harus ditopang oleh lapisan yang lebih rendah.

Lapisan yang lebih rendah harus menopang beban lapisan diatasnya. Oleh karena itu, lapisan terendah memiliki tekanan tertinggi.

Menurut standar internasional, tekanan pada permukaan pantai atau ketinggian 0 m adalah sejumlah 760mmHg, 101325 pascal, atau 1 ATM (standard atmosphere).

Ketebalan atmosfer juga bervariasi seiring dengan berubahnya suhu, lokasi, atau aktivitas matahari. Ketika suatu lapisan mengalami pemanasan berlebih, lapisan tersebut akan mengembang, ketika lapisan tersebut didingingkan, lapisan itu akan mengerut.

Contohnya adalah lapisan troposfer pada katahulistiwa yang lebih tebal dikarenakan updraft dan pemanasan yang lebih besar dibandingkan dengan kutub.

Lapisan ionosfer juga berubah seiring dengan berubahnya temperatur. Pada siang hari, lapisan ionosfer lebih tebal dibandingkan dengan malam hari. Oleh karena itu, terdapat perbedaan dalam resepsi gelombang radio antara siang dan malam.

 

Temperatur

Seiring dengan bertambahnya ketinggian, suhu di lapisan atmosfer cenderung menurun, fenomena ini dikenal sebagai lapse rate.

Namun, pada lapisan stratosfer dan termosfer, suhu justru meningkat seiring dengan bertambahnya ketinggian, kejanggalan ini disebut sebagai inversi.

Secara umum, atmosfer mengalami pemanasan dari gelombang panjang (longwave) yang memantul dari permukaan bumi.

Namun pada stratosfer, ozon dapat menangkap sinar ultraviolet dan mengubahnya menjadi panas, sedangkan pada thermosfer terjadi ionisasi dan penangkapan energi dari radiasi matahari.

 

Berat jenis dan Massa

Berat jenis atmosfer pada ketinggian 0 m dan tekanan 1 ATM adalah 1.2 kg/m3.

Berat jenis dari lapisan atmosfer berkurang seiring dengan bertambahnya ketinggian karena tekanan dan kerapatannya yang berkurang.

Massa total dari atmosfer diperkirakan mencapai angka 5 quadrillion ton (5 x 10^15 ton), atau sekitar 1/1,200,000 massa bumi. Namun, angka ini dapat bervariasi sesuai dengan perubahan pada konten uap air yang ada di atmosfer.

 

Sifat Optik Atmosfer

Scattering

Ketika sinar matahari masuk kedalam lapisan atmosfer, sinar tersebut berinteraksi dan menyebabkan scattering. Sinar yang langsung masuk tanpa mengalami scattering disebut sebagai direct sunlight.

Contoh scattering adalah saat mendung dimana kita tidak bisa melihat bayangan sendiri karena tidak ada sinar matahari langsung yang menembus awan. Namun, kita tetap dapat melihat sekitar karena ada cahaya tidak langsung yang sudah mengalami scattering.

Contoh lain scattering adalah saat kita melihat langit. Alasan langit berwarna biru adalah karena terjadi scattering pada cahaya yang melewati lapisan atmosfer.

 

Penyerapan (Absorption)

Tidak semua gelombang cahaya dapat menembus lapisan atmosfer. Ada beberapa jenis gelombang yang mengalami penyerapan oleh partikel penyusun atmosfer, seperti ozone, oksigen, dan uap air.

Fungsi penyerapan ini menyebabkan fenomena atmospheric window dan juga menjadi salah satu mekanisme perlindungan dari sinar radiasi luar angkasa.

 

Emisi

Emisi adalah kebalikan dari penyerapan. Ketika pada penyerapan energi diserap oleh atmosfer, pada emisi, energi justru dilepaskan.

Contoh yang sering kita alami adalah ketika malam hari, kota dengan langit yang berawan akan mengalami suhu yang lebih panas dibandingkan dengan kota yang memiliki langit cerah.

Hal ini terjadi karena awan melepaskan energi panas yang sudah diserapnya pada siang hari. Selain itu, awan juga dapat memantulkan radiasi gelombang panjang yang dilepaskan oleh permukaan bumi.

 

Indeks Refraktif

Refraksi adalah fenomena dimana cahaya dibengkokkan oleh medium yang dilewatinya. Indeks refraktif dari atmosfer sedikit lebih besar dari 1. Namun, angka ini dapat bervariasi tergantung dengan komposisi udara serta temperatur pada lokasi tersebut.

Contoh fenomena refraktif adalah ketika matahari sudah tenggelam dibawah garis horizon, kita tetap dapat melihat cahaya kemerahannya di langit.

Contoh lainnya adalah nakhoda kapal yang dapat melihat kapal lain yang berada dibawah batas horizon karena kurva bumi serta refraksi cahaya.

 

Sirkulasi Atmosfer

Sirkulasi Atmosfer
Ilustrasi Sirkulasi Atmosfer di Bumi (

Bumi kita mengalami pemanasan yang tidak sama, terdapat lokasi yang mengalami pemanasan lebih dan lokasi yang hanya mengalami sedikit pemanasan. Oleh karena itu dibutuhkan sebuah sistem untuk mendistribusikan panas/energi yang ada secara merata.

Untuk mendistribusikan energi ini, terbentuklah dua sirkulasi, yaitu sirkulasi atmosfer dan sirkulasi lautan.

Sirkulasi atmosfer adalah pergerakan udara antarwilayah yang umumnya dipengaruhi oleh perbedaan suhu antar wilayah tersebut.

Secara umum, terdapat empat sel sirkulasi udara di bumi, 3 antar lintang dan 1 antar bujur. Sel hadley, ferrel, dan polar mensirkulasikan udara antar lintang sedangkan sel walker mensirkulasikan udara antar bujur.

 

Ternyata rumit juga ya sistem atmosfer kita. Kalian penasaran gak kira-kira aplikasi dari ilmu ini apa? Langsung aja cek soal-soal nya di soal geografi.


Tinggalkan komentar