Pengamatan Udara Atas Penentu Cuaca di Permukaan Bumi

Climate4life.info - Pengamatan Udara Atas Penentu Cuaca di Permukaan Bumi

Udara Atas

Cuaca dan berbagai fenomenanya yang kita alami dan rasakan di permukaan bumi sebenarnya merupakan hasil akhir dari apa yang terjadi di atmosfer jauh di atas kepala kita.

Oleh karena itu, untuk menentukan prakiraan cuaca dan dampaknya di permukaan, kita perlu mengetahui pola cuaca di udara atas terlebih dahulu.

Istilah "udara atas" mengacu pada atmosfer bumi dengan ketinggian di atas sekitar 1.500 meter. Dari udara atas tersebut kita mendapatkan hujan dan kekeringan, angin dan udara tenang, serta panas dan dingin di permukaan bumi.

Semua prakiraan cuaca berasal dari pemahaman kita tentang udara atas, di mana pola cuaca seperti punggung, palung, gangguan udara atas, and upper-lows, terjadi dan bergerak.

Teori Parsel Udara

Umumnya kita menganggap bahwa udara hangat bergerak naik karena lebih ringan dibanding udara yang lebih dingin. Tetapi sebenarnya, perbedaan kerapatan saja tidak dapat menjelaskan mengapa udara yang lebih hangat bisa bergerak naik.

Dengan mengetahui konsep dasar dalam fisika, kita dapat menjelaskan mengapa hal tersebut dapat terjadi.

Kita tahu udara hangat memiliki kepadatan yang lebih rendah dibandingkan dengan udara yang lebih dingin, dan dengan meningkatnya suhu maka kepadatan udara akan berkurang. 

Meskipun demikian, kerapatan yang lebih rendah saja tidak akan dapat membuat udara yang lebih hangat dari sekitarnya dapat bergerak naik dengan sendirinya.

Mari kita buka pemahaman kita dengan Hukum pertama Isaac Newton,  bahwa kecepatan suatu benda akan tetap konstan kecuali ada gaya lain yang diberikan pada benda itu. Artinya adalah "benda diam tetap diam dan benda bergerak tetap bergerak kecuali mendapat kekuatan atau gaya dari luar." 

Inilah sebabnya mengapa berkurangnya kerapatan saja tidak cukup untuk menyebabkan udara naik. Harus ada gaya lain yang diberikan pada udara untuk memulai gerakannya.

Gaya itu adalah gravitasi.

Gravitasi menarik udara yang lebih dingin dan lebih padat ke permukaan bumi. Saat udara yang lebih padat mencapai permukaan bumi, ia menyebar dan menekan udara yang kurang padat.

Pada gilirannya, desakan udara dingin tersebut memaksa udara yang kurang padat naik dan bergerak ke atas, naik ke lapisan yang lebih tinggi.

Mekanisme bagaimana gaya gravitasi menjadi kekuatan luar yang menyebabkan udara hangat bergerak naik¹.

Contoh sederhana, cara kerja balon udara. Nyala api digunakan untuk memanaskan udara di dalam balon, membuat udara menjadi kurang padat. 

Di luar balon, udara yang lebih dingin dan lebih padat ditarik ke bawah oleh gravitasi dan memotong udara yang lebih hangat dan kurang padat yang terperangkap di dalam balon, menyebabkannya terangkat.

Analogi cara kerja naiknya balon udara dengan parsel udara hangat yang bergerak ke atas²

Dalam meteorologi, biasanya menganalogikan cara kerja balon tersebut dengan yang biasa disebut parsel udara. 

Ini dengan menganggap sebuah parsel udara sebagai sebuah gelembung udara tanpa ukuran tertentu yang dapat mempertahankan bentuk dan karakteristik, umumnya saat bergerak naik atau turun di atmosfer.

Teori berkaitan parsel udara ini memiliki beberapa asumsi:

Pertama, jumlah udara lembab dan udara kering di dalam parsel dianggap tetap konstan saat naik atau turun.

Oleh karena itu, stabilitas/ketidakstabilan didasarkan pada profil suhu vertikal atmosfer relatif terhadap parsel itu sendiri.

Kedua, bahwa tidak ada sumber panas luar yang ditambahkan ke parsel, atau juga sebaliknya.

Ketiga, suhu setiap parsel yang tidak jenuh dengan kelembapan relatif kurang dari 100%, akan mengalami penurunan suhu dengan laju tetap 9,8 °C per 1.000 meter hingga kelembapan relatif menjadi 100%, saat udara menjadi jenuh.

Keempat, suhu parsel jenuh apa pun dengan kelembaban relatif 100%, akan mendingin dengan laju yang lebih lambat.

Ini karena proses kondensasi uap air menjadi cairan akan terjadi pelepasan panas. Panas yang dilepaskan ini akan ditambahkan ke udara di dalam parsel sehingga memperlambat laju pendinginan.

Namun sesungguhnya di alam terdapat banyak hal yang berpengaruh pada sebuah kolom udara yang naik, karenanya asumsi di atas tidak akan selalu benar 100%.

Teori parsel ini meski terlalu menyederhanakan proses nyata di atmosfer, tetapi masih merupakan cara yang baik untuk memahami faktor utama bagaimana atmosfer menghasilkan beragam kondisi cuaca.

Stabilitas Atmosfer

Konsep parsel udara juga akan menentukan stabilitas atmosfer.

Jika suatu parsel udara yang bergerak naik kemudian suhunya turun menjadi lebih rendah dari suhu atmosfer sekitarnya, parsel tersebut akan menjadi lebih padat daripada lingkungan sekitarnya dan gravitasi akan memperlambat atau bahkan membalikkan kenaikan tersebut. 

Ketika ini terjadi, ini menggambarkan atmosfer pada tingkat stabil.

Selanjutnya, meskipun parsel yang naik tersebut mendingin tetapi suhunya masih lebih tinggi dari atmosfer sekitarnya, parsel tetap kurang padat dibandingkan lingkungan sekitarnya dan akan terus naik. 

Dalam hal ini, kita dapat menggambarkan atmosfer pada tingkat itu sebagai tidak stabil.

Berikut adalah ilustrasi untuk membantu dalam memahami stabilitas dan ketidakstabilan parsel. Mangkuk mewakili keadaan atmosfer. Bola merah melambangkan sebuah parsel udara.

Stabilitas Mutlak

Di atmosfer, jika sebuah parsel udara kembali ke ketinggian awalnya, maka atmosfer dianggap  benar-benar stabil atau stabil mutlak.

Jika kita ilustrasikan sebagai berikut.

Ilustrasi stabilitas mutlak¹

Pada atmosfer, parsel udara yang mengalami keadaan stabilitas mutlak akan terlihat seperti di bawah ini, di mana awan yang terbentuk tidak akan tumbuh tinggi.

Pertumbuhan awan pada saat parsel udara mengalami kondisi stabilitas mutlak³

Kabut dan kabut asap terbentuk dalam kondisi atmosfer yang stabil karena parsel udara yang turun secara besar-besaran, seperti bola yang kembali ke dasar mangkuk di atas.

Hal ini dapat menyebabkan kondisi inversi, yang dikenal sebagai inversi subsiden. Inversi subsiden sering kali terkait dengan sistem tekanan tinggi yang besar. Inversi ini benar-benar stabil karena udara di bawah inversi secara fisik terhalang untuk bergerak ke atas. 

Karenanya menyebabkan banyak partikel terperangkap dekat dengan permukaan tanah yang berfungsi sebagai inti kondensasi pembentuk kabut.

Ketidakstabilan Mutlak

Dengan mangkuk terbalik, bola sekarang berada di atas mangkuk. Saat gaya diterapkan pada bola, bola mulai bergerak sendiri tanpa ada gaya tambahan yang diterapkan.

Ilustrasi tidak stabil mutlak¹

Ketika ini terjadi di atmosfer kita, dianggap sangat tidak stabil mutlak. Maka, pertumbuhan awan yang terbentuk oleh parsel udara yang mengalam keadaan tidak stabil mutlak ini akan terlihat seperti ini.

Pertumbuhan awan oleh parsel udara naik dengan pada kondisi atmosfer tidak stabil mutlak³

Stabilitas Netral

Pada permukaan datar, jika sebuah gaya diberikan pada bola, bola akan bergerak.

Setelah gaya dihilangkan, bola berhenti dan tetap pada posisi barunya. Di atmosfer, ini dianggap  stabilitas netral.

Ilustrasi stabilitas netral¹

Pada saat ini kondisi atmosfer yang terjadi ketika laju suhu lingkungan sama dengan laju suhu adiabatik kering. Awan sulit terbentuk karena parsel udara tidak dapat bergerak naik.

Ketidakstabilan Bersyarat

Mangkuk kaca terbalik memiliki sedikit depresi di mana bola berada. Jika gayanya tidak terlalu besar, bola akan kembali ke posisi semula, mirip dengan stabilitas absolut.

Namun, jika gayanya cukup kuat, bola akan bergerak ke atas dan keluar dari depresi dan terus bergerak dengan sendirinya.

Ilustrasi ketidakstabilan bersyarat¹

Ini adalah salah satu keadaan atmosfer yang paling umum, yang disebut ketidakstabilan bersyarat. Atmosfer tidak stabil jika kondisi tertentu terpenuhi; selain itu stabil.

Pembentukan awan oleh parsel udara yang mengalami kondisi ketidakstabilan bersyarat³

Pengamatan Udara Atas

Pengamatan ini terutama dilakukan dengan bantuan radiosonde. Radiosonde berasal dari kata radio dan sonde. 

Radio berarti sinyal yang berjalan di udara dengan frekuensi tinggi, sedangkan sonde itu artinya alat sensor. 

Radiosonde yang sedang diterbangkan dengan balon pembawanya⁴

Radiosonde adalah paket instrumen kecil yang dipasang di bawah balon yang diisi dengan hidrogen atau helium. 

Pengamatan radiosonde secara teknis hanya menyediakan data tekanan, suhu, dan kelembapan relatif; posisi terlacak radiosonde sebenarnya disebut pengamatan rawinsonde dan digunakan untuk mendapatkan kecepatan dan arah angin. 

Namun, ahli meteorologi dan pengguna data lainnya sering menyebut parameter tersebut sebagai bagian dari pengamatan radiosonde.

Radiosonde ini diterbangkan ke atmosfer dengan menggunakan balon yang terbuat dari karet dan diisi dengan gas helium atau hidrogen.

Ketinggian maksimum yang bisa dicapai oleh balon itu tergantung dari ukuran dan ketebalannya. Biasanya ukuran balon berkisar antara 150-3000 gram. Ketika balon naik ke atas (karena tekanan udara berkurang), balon itu akan pecah karena tekanan udara di dalamnya lebih tinggi.

Radiosonde ini mengirimkan data tentang cuaca di udara tinggi ke komputer di bawah menggunakan sinyal radio secara langsung. Biasanya setelah radiosonde diterbangkan, alat itu menghilang dan tidak pernah ditemukan lagi.

Diagram Aerologis

Setelah pengamatan radiosonde diperoleh kemudian  diplot pada sebuah diagram untuk menunjukkan suhu, titik embun, dan kecepatan/arah angin pada ketinggian yang ditentukan.

Contoh diagram aerologis

Dari nilai-nilai dasar ini, banyak informasi yang dapat diperoleh mengenai kondisi meteorologi udara atas.

Di Indonesia diagram yang digunakan adalah jenis diagram aerologis. Diagram tersebut merupakan transformasi fungsi tekanan (p) dan volume spesifik (v).

Dalam diagram aerologsi tersebtu berisi minimal 5 set garis isoplet yaitu, isobar, isoterm, garis adiabatik kering, garis adiabatik basah dan garis perbandingan campuran jenuh tetap.

Dengan mengikuti metode plotting suhu dan suhu titik embun berdasarkan proses adiabatik maka akan didapatkan beberapa keadaan yaitu:

1. ConvectionCondensation Level (CCL)

Merupakan ketinggian dimana parsel udara yang dipanasi dari bawah akan naik secara adiabatik sampai menjadi jenuh.

CCL merupakan ketinggian dasar awan cumuliform yang hanya disebabkan oleh konveksi termal.

2. Lifting Condensation Level (LCL)

Merupakan ketinggian pada saat paket udara yang naik secara adiabatik kering mulai jenuh dan merupakan ketinggian dasar awan.

Ketinggian LCL berada dibawah CCL. Tetapi jika ada lapse rate maka ketinggian LCL dan CCL menjadi sama.

3. Level of Free Convection (LFC)

Merupakan ketinggian dimana parsel udara mulai bergerak bebas secara vertikal karena suhunya yang menjadi lebih rendah sampai kemudian menjadi tidak jenuh lagi.

Ketinggian dimana LFC terhenti merupakan ketinggian puncak awan.

4. Tropopause Level

Menyatakan ketinggian tropopause, batas antara lapisan troposfer dengan stratosfer yang ditandai ada kenaikan suhu terhadap ketinggian.

5. Freezing Level,

Menyatakan ketinggian di mana suhu mencapai 0 ºC.

6. Convection Avaliable Potential Energy

Menyatakan energi potensial yang tersedia untuk proses konvektif.

7. Potential Temperature

Menyatakan suhu yang harus dimiliki suatu parsel udara jika dibawa secara adiabatik kering ke ketinggian 1000 mb.

8. Convection Temperature

Menyatakan suhu di permukaan yang harus dicapai untuk memulai pembentukan awan-awan konvektif melalui pemanasan permukaan dan lapisan udara.

9. Precipitable Water

Menyatakan tinggi kolom air di atmosfer yang dapat curah menjadi hujan.

10. Lifting Condensation Level (LCL)

Merupakan ketinggian pada saat paket udara yang naik secara adiabatik kering mulai jenuh dan merupakan ketinggian dasar awan.

Ketinggian LCL berada dibawah CCL. Tetapi jika ada lapse rate maka ketinggian LCL dan CCL menjadi sama.

11. Level of Free Convection (LFC)

Merupakan ketinggian dimana parsel udara mulai bergerak bebas secara vertikal karena suhunya yang menjadi lebih rendah sampai kemudian menjadi tidak jenuh lagi.

Ketinggian dimana LFC terhenti merupakan ketinggian puncak awan.

12. Tropopause Level

Menyatakan ketinggian tropopause, batas antara lapisan troposfer dengan stratosfer yang ditandai ada kenaikan suhu terhadap ketinggian.

14. Convection Avaliable Potential Energy

Menyatakan energi potensial yang tersedia untuk proses konvektif.

15. Potential Temperature

Menyatakan suhu yang harus dimiliki suatu parsel udara jika dibawa secara adiabatik kering ke ketinggian 1000 mb.

16. Convection Temperature

Menyatakan suhu di permukaan yang harus dicapai untuk memulai pembentukan awan-awan konvektif melalui pemanasan permukaan dan lapisan udara.

17. Precipitable Water

Menyatakan tinggi kolom air di atmosfer yang dapat curah menjadi hujan.

Referensi:

1. https://www.noaa.gov/jetstream/upperair
2. https://cdn.pixabay.com/photo/2017/03/02/06/40/hot-air-balloon-2110514_1280.jpg
3. https://www.ux1.eiu.edu/~jpstimac/1400/stability.html
4. https://radiosondemuseum.org/what-is-a-radiosonde/
5. https://digitalatlas.cose.isu.edu/clima/imaging/clddev.htm

Climate4life.info mendapat sedikit keuntungan dari penayangan iklan dan digunakan untuk operasional blog ini.

Jika menurut anda artikel ini bermanfaat, maukah mentraktir kami secangkir kopi melalu "trakteer id"?