Skala Gerak Atmosfer Konsep “Differential Heating”

• Setelah mengikuti materi ini, mahasiswa mampu mengemukakan secara deskriptif tentang konsep dasar “Differential Heating” serta sirkulasi udara skala Global dan Lokal

• Skala Gerak Atmosfer

• Konsep “Differential Heating”

• Konsep Sirkulasi Thermal

• Sistem Angin Lokal

• Sirkulasi Global

Gambar 3 skala gerak atmosfer

• Gambar 3 skala gerak atmosfer

Skala waktu [T] untuk berbagai fenomena dapat ditentukan oleh skala horizontal [L] melalui relasi

• Skala waktu [T] untuk berbagai fenomena dapat ditentukan oleh skala horizontal [L] melalui relasi

• Dengan a = 1 det/m

• Tentukan skala waktu untuk

• a. Turbulen skala mikro berdiameter 1 meter.

• b. Tornado dengan radius angin sekitar 100 meter

• c. Gelombang Kevin dengan panjang gelombang zonal 10.000 km

Sirkulasi global (sirkulasi umum) dikendalikan oleh keseimbangan antara incoming radiation dan outgoing radiation.

• Sirkulasi global (sirkulasi umum) dikendalikan oleh keseimbangan antara incoming radiation dan outgoing radiation.

• Differential Heating : perbedaan pemanasan antara dua tempat dalam ruang

Dalam rata-rata setahun, SST di daerah ekuator lebih hangat dari pada daerah kutub

• Dalam rata-rata setahun, SST di daerah ekuator lebih hangat dari pada daerah kutub

Gradien temperatur secara meridional di permukaan (biru) dan di ketinggian 15 km (biru muda)

• Gradien temperatur secara meridional di permukaan (biru) dan di ketinggian 15 km (biru muda)

• z = 0 km

• z = 15 km

• lintang

Kurva variasi meridional fluks radiasi yang datang (F-in) dan fluks radiasi yang keluar (F-out)

• Kurva variasi meridional fluks radiasi yang datang (F-in) dan fluks radiasi yang keluar (F-out)

• surplus

• F F-in

• F- out

• defisit defisit

Netto radiasi Fnet = Fin – Fout dalam (GW/m)

• Netto radiasi Fnet = Fin – Fout dalam (GW/m)

• SURPLUS
• DEFISIT DEFISIT

Perbedaan antara F-in dan F-out tidak lain adalah “Differential Heating Radiative”

• Perbedaan antara F-in dan F-out tidak lain adalah “Differential Heating Radiative”

• Tampak bahwa perbedaan radiasi yang datang dan radiasi yang keluar (F-netto) bernilai positif di kawasan tropis dan bernilai negatif di luar tropis

• Ketidak seimbangan radiatif yang digambarkan pada grafik tersebut harus dikompensasikan oleh sirkulasi atmosferik dan oseanik

Total transport panas (dalam Watt) yang dibutuhkan untuk mengkompensasi radiasi oleh sirkulasi atmosferik dan oseanik

• Total transport panas (dalam Watt) yang dibutuhkan untuk mengkompensasi radiasi oleh sirkulasi atmosferik dan oseanik

• Lintang

• Dari gambar tampak bahwa akibat sirkulasi atmosferik maupun oseanik, energi banyak dialirkan masuk ke lintang menengah dari pada yang keluar, sehingga terdapat netto pemanasan yang mengkompensasikan pendinginan radiatif di lintang tersebut.

• Secara umum......

• Jika terdapat perbedaan “differential heating” secara horizontal, maka akan terjadi kompensasi panas oleh gerakan fluida, dimana panas itu akan mengalir dari daerah surplus ke daerah defisit, sehingga di daerah defisit terjadi pemanasan

• Karakteristik termal air : panas yang diserap tidak langsung digunakan untuk meningkatkan suhu, tetapi didistribusikan melalui mekanisme konveksi, materi ikut bergerak

• Karakteristik termal daratan : panas yang diserap digunakan untuk meningkatkan suhu, mekanisme distribusi panas melalui konduksi, materi tidak ikut bergerak

• Pengaruh kemiringan permukaan (topografi): Lereng lebih dulu dipanaskan dibanding lembah

• Dari gambar tampak bahwa udara mengalami sirkulasi

• Pada kolom lapisan yang hangat, udara naik (rises), sedangkan pada lapisan yang dingin, udara turun (sinks).

Merupakan sistem angin yang terjadi dalam skala meso-.

• Merupakan sistem angin yang terjadi dalam skala meso-.

• Sistem angin lokal yang terkenal, yang akan dibahas

• 1. Angin Darat dan Angin Laut

• 2. Angin Gunung dan Angin Lembah

• 3. Angin Foehn (Angin Chinok)

Sejumlah radiasi matahari yang diserap lautan akan didistribusikan lebih luas baik horizontal maupun vertikal daripada daratan dengan jumlah radiasi sama, karena adanya pencampuran dalam kolom air.

• Sejumlah radiasi matahari yang diserap lautan akan didistribusikan lebih luas baik horizontal maupun vertikal daripada daratan dengan jumlah radiasi sama, karena adanya pencampuran dalam kolom air.

• Lautan : konveksi

• Daratan : konduksi

radiasi matahari maksimum:

• radiasi matahari maksimum:

• perbedaan suhu paling besar antara daratan dan lautan, daratan lebih hangat dibanding lautan.

• radiasi minimum :

• permukaan lautan lebih hangat dibanding daratan, tetapi perbedaan suhu di antara keduanya tidak sebesar pada musim panas.

• Selama siang hari, sinar matahari menghangatkan lembah, sehingga udara di lembah akan menghangat

• Udara yang hangat ini menjadi ringan dari pada udara di atas lembah, sehingga udara bergerak dari lembah menuju ke puncak gunung, yang dikenal sebagai angin lembah

• Sedangkan pada malam hari, lembah lebih cepat mendingin, dari pada di tempat yang lainnya, sehingga udara di lembah lebih dingin. Akhirnya udara bergerak dari puncak gunung ke kaki gunung, disebut sebagai angin gunung

• Angin Foehn merupakan angin kering dan hangat yang turun di sisi leeward dari sebuah gunung atau bukit.

• Angin ini terjadi ketika angin horizontal yang kuat mengalir melalui gunung.

• Sebagai contoh lihat gambar

Misalkan angin baratan yang kuat mengalir melalui barisan pegunungan dari utara ke selatan

• Misalkan angin baratan yang kuat mengalir melalui barisan pegunungan dari utara ke selatan

• Kondisi seperti ini akan menghasilkan palung tekanan rendah di sisi timur dari gunung, yang kemudian palung tekanan rendah ini akan memaksa udara untuk turun ke bawah di sisi sebelah timur gunung seperti ditunjukan pada gambar

Ketika udara tersebut turun disisi sebelah timur gunung, maka ia mengalami kompresi dan menghangat.

• Ketika udara tersebut turun disisi sebelah timur gunung, maka ia mengalami kompresi dan menghangat.

• Sehingga sumber penghangatan udara pada angin foehn (chinok) adalah pemanasan kompresi (compresional heating)

Ketika terjadi awan dan presipitasi di sisi windward gunung, maka hal tersebut dapat meningkatkan temperatur chinok, yaitu bahwa panas laten yang dilepaskan dalam awan akan memberikan suplemen bagi compresional heating di sisi leeward gunung.

• Ketika terjadi awan dan presipitasi di sisi windward gunung, maka hal tersebut dapat meningkatkan temperatur chinok, yaitu bahwa panas laten yang dilepaskan dalam awan akan memberikan suplemen bagi compresional heating di sisi leeward gunung.

Hal ini menyebabkan udara yang turun di kaki gunung lebih hangat dari pada udara yang naik di sisi sebelah barat gunugn

• Hal ini menyebabkan udara yang turun di kaki gunung lebih hangat dari pada udara yang naik di sisi sebelah barat gunugn

• Selain itupun, udara yang turun lebih kering, karena uap air sudah mengkondensasi ketika udara naik di sisi windward gunung.

Sirkulasi Umum Atmosfer

• Sirkulasi Umum Atmosfer

• 1. Model Sel Tunggal (Single–Cell Model)

• 2. Model Tiga Sel (Three-Cell Model)

• Angin Pasat dan Jet Stream

• Sirkulasi Walker dan El-Nino serta La Nina

• ENSO

• Sirkulasi Monsoon

• Siklon Tropis

Sirkulasi umum menyatakan gerakan aliran udara secara rata-rata (umum) di dunia. Sedangkan angin aktual bisa bervariasi pada satu tempat dan pada saat yang diberikan.

• Sirkulasi umum menyatakan gerakan aliran udara secara rata-rata (umum) di dunia. Sedangkan angin aktual bisa bervariasi pada satu tempat dan pada saat yang diberikan.

• Penyebab utama yang mengendalikan sirkulasi umum adalah adanya pemanasan yang tidak sama di permukaan bumi

Di tropis mendapat kelimpahan energi radiatif, sedangkan di kutub mengalami kerkurangan energi radiatif

• Di tropis mendapat kelimpahan energi radiatif, sedangkan di kutub mengalami kerkurangan energi radiatif

• Sehingga untuk menyeimbangkannya , maka atmosfer mentrasportasikan udara yang hangat di tropis ke kutub, dan mentransportasikan udara yang dingin di kutub ke tropis

Asumsi

• Asumsi

• 1. permukaan bumi serba sama

• 2. matahari selalu di ekuator

• 3. bumi tidak berotasi

• Model sirkulasi yang sederhana ini disebut sebagai sel Hadley.

• Walaupun sederhana, model ini tidak ada dalam realitasnya

Karena bumi berotasi, maka sistem konveksi sederhana akan pecah menjadi barisan sel-sel.

• Karena bumi berotasi, maka sistem konveksi sederhana akan pecah menjadi barisan sel-sel.

• Meskipun lebih kompleks dari pada model sel tunggal, akan tetapi masih ada beberapa kemiripan, yaitu : surplus energi di derah tropis, dan defisit energi di kutub

Dari ekuator ke lintang 30, dan dari lintang 60 ke kutub, sirkulasi bersesuaian dengan model sel Hadley

• Dari ekuator ke lintang 30, dan dari lintang 60 ke kutub, sirkulasi bersesuaian dengan model sel Hadley

• Sepanjang sabuk ekuatorial, udara menghangat, dan gradien tekanan horizontal lemah sehingga anginpun lemah (daerah yang demikian disebut DOLDRUMS)

• Udara yang hangat di sabuk ekuator ini kemudian naik, mengkondensasi membentuk awan-awan Cumulus yang besar (Cb).

• panas laten yang dilepaskan akibat formasi awan-awan Cb secara besar-besaran ini memberikan energi yang cukup untuk mengendalikan sel Hadley

Udara yang naik ini akan mencapai tropopause yang berperan seperti barrier, sehingga udara bergerak secara lateral ke kutub.

• Udara yang naik ini akan mencapai tropopause yang berperan seperti barrier, sehingga udara bergerak secara lateral ke kutub.

• Gaya Coriolis akan membelokkan gerak udara tersebut, sehingga menjadi angin baratan (Jet Stream) di lintang 30 BBU dan 30 BBS pada tropopause

Udara yang bergerak ke kutub dari ekuator ini mengalami pendinginan secara radiatif. Akibat pendinginan ini, udara akan menjadi lebih berat, sehingga ketika mendekati lintang menengah, udara ini mulai konvergen.

• Udara yang bergerak ke kutub dari ekuator ini mengalami pendinginan secara radiatif. Akibat pendinginan ini, udara akan menjadi lebih berat, sehingga ketika mendekati lintang menengah, udara ini mulai konvergen.

• Konvergensi ini akan menaikan massa udara di permukaan, sehingga di tekanan permukaan bertambah di sabuk lintang 30

Kemudian karena ada beda tekanan permukaan, maka udara di permukaan bergerak dari lintang menengah ke ekuator, dan mengalami penghangatan.

• Kemudian karena ada beda tekanan permukaan, maka udara di permukaan bergerak dari lintang menengah ke ekuator, dan mengalami penghangatan.

• Gaya coriolis membelokan gerak udara tersebut, sehingga udara bergerak dari timur laut di BBU dan tenggara di BBS (angin pasat/Trade Winds)

Di dekat ekuator, terdapat pertemuan dua angin pasat, yaitu angin pasat timur laut dan angin pasat tenggara, yang membentuk pita daerah konvergensi. Pita daerah konvegensi ini di sebut sebagai Intertropical Convergence Zone (ITCZ)

• Di dekat ekuator, terdapat pertemuan dua angin pasat, yaitu angin pasat timur laut dan angin pasat tenggara, yang membentuk pita daerah konvergensi. Pita daerah konvegensi ini di sebut sebagai Intertropical Convergence Zone (ITCZ)

Di lintang 30, tidak semua udara di permukaan bergerak ke ekuator, tapi sebagian bergerak ke kutub dan mengalami defleksi akibat gaya coriolis, menghasilkan aliran baratan di kedua belahan bumi pada lintang 60.

• Di lintang 30, tidak semua udara di permukaan bergerak ke ekuator, tapi sebagian bergerak ke kutub dan mengalami defleksi akibat gaya coriolis, menghasilkan aliran baratan di kedua belahan bumi pada lintang 60.

• Di lintang 60, gerakan massa udara dari lintang 30 bertemu dengan gerak massa udara dari kutub yang disebut Polar Front

Konvergensi dari 2 massa udara ini membentuk pita tekanan rendah sub-polar (Subpolar low), dimana udara naik dan awan –awan badai terbentuk.

• Konvergensi dari 2 massa udara ini membentuk pita tekanan rendah sub-polar (Subpolar low), dimana udara naik dan awan –awan badai terbentuk.

• Ketika udara mencapai tropopause, maka sebagian kembali ke lintang 30 dan sebagian lagi kembali ke kutub. Kemudian di masing-masing lintang tersebut udara turun ke permukaan. Demikian seterusnya

Model tiga sel diatas masih mengasumsikan bahwa permukaan bumi itu homogen.

• Model tiga sel diatas masih mengasumsikan bahwa permukaan bumi itu homogen.

• Faktanya : permukaan bumi tidak homogen. [permukaan bumi itu terdiri atas daratan dan lautan, maka permukaan bumi ini berinteraksi antara model tiga sel]

Adanya kontras antara daratan dan lautan

• Adanya kontras antara daratan dan lautan

• Terdapat 4 sistem tekanan semipermanen

• 1. Bermuda high (Azores high)

• 2. Pacific high

• [keduanya merupakan zona antisiklon subtropis]

• 3. Icelandic low

• 4. Aleutian low

• [keduanya merupakan zona siklonik di subpolar]

Selain itu terdapat 1 sistem tekanan yang tidak semipermanen yang terbentuk akibat pendinginan yang intensif di daratan

• Selain itu terdapat 1 sistem tekanan yang tidak semipermanen yang terbentuk akibat pendinginan yang intensif di daratan

• 1. Siberian high (di Cina)

Jumlah daratan sangat sedikit dibandingkan dengan lautan-nya, akibatnya tidak ada kontras antara daratan dan lautan. Sehingga subtropical high sesuai dengan yang didefinisikan oleh model sirkulasi 3 sel.

• Jumlah daratan sangat sedikit dibandingkan dengan lautan-nya, akibatnya tidak ada kontras antara daratan dan lautan. Sehingga subtropical high sesuai dengan yang didefinisikan oleh model sirkulasi 3 sel.

• Di subpolar: pola tekanan rendah terbentang sepanjang pita keliling bumi di 60LS

Di BBU

• Di BBU

• Secara umum, terdapat pusat-pusat tekanan rendah di benua, seperti menggantikan pola pusat-pusat tekanan tinggi pada saat januari.

• Diatas samudera, pola tekanan tinggi cenderung tetap seperti di bulan januari

• Di BBS

• Terdapat barisan pola-pola tekanan tinggi di subtropis dan mirip seperti model 3 sel

Pola tekanan rendah di sub-polar terbentuk sangat kuat pada saat januari di BBU

• Pola tekanan rendah di sub-polar terbentuk sangat kuat pada saat januari di BBU

• Pola tekanan tinggi sub-tropis dominan di kedua belahan bumi

• Posisi ITCZ bergeser mengikuti posisi matahari, yaitu ITCZ di BBS pada saat Januari, dan di BBU pada saat Juli

Merupakan sistem angin skala sinoptik yang berubah arahnya secara musiman: arah angin berbeda pada saat winter dan summer

• Merupakan sistem angin skala sinoptik yang berubah arahnya secara musiman: arah angin berbeda pada saat winter dan summer

• Mekanisme angin monsun mirip dengan pembentukan angin darat – laut, hanya ketika udara bergerak, maka gaya coriolis akan bekerja pada gerak udara tersebut.

Selama winter, maka udara diatas benua Siberia lebih dingin dari pada udara di atas samudera Hindia dan laut cina selatan, dan membentuk tekanan tinggi dalam daerah yang cukup luas di atas benua Siberia

• Selama winter, maka udara diatas benua Siberia lebih dingin dari pada udara di atas samudera Hindia dan laut cina selatan, dan membentuk tekanan tinggi dalam daerah yang cukup luas di atas benua Siberia

• Akibatnya udara bergerak dari siberia ke samudera Hindia. Selama pergerakan ini, udara dibelokkan ke kanan akibat gaya coriolis.

karena massa udara terbentuknya adalah massa udara yang dingin dan kering, maka winter monsoon ini memberikan musim kering dari timur hingga ke selatan Asia.

• karena massa udara terbentuknya adalah massa udara yang dingin dan kering, maka winter monsoon ini memberikan musim kering dari timur hingga ke selatan Asia.

Pada saat summer, maka terjadi sebaliknya, sehingga udara bergerak dari samudera hindia dan laut cina selatan ke benua siberia

• Pada saat summer, maka terjadi sebaliknya, sehingga udara bergerak dari samudera hindia dan laut cina selatan ke benua siberia

• Udara ini hangat dan kaya akan uap air (karena berasal dari samudera), sehingga di Asia timur hingga selatan mengalami musim basah