Pemahaman Mendalam Mengenai Planet Boundary Layer (PBL)

Lapisan Batas Planet adalah bagian terendah dari Troposfer di mana sifat udara dipengaruhi langsung oleh kedekatannya dengan permukaan bumi
Gambar: https://skybrary.aero

Pendahuluan

Meteorologi Lapisan Batas

Kajian ini memberikan wawasan mendalam tentang karakteristik, struktur, dan peran signifikan Planet Boundary Layer (PBL) atau lapisan batas planet dalam pertukaran energi dan massa di antara atmosfer dan permukaan bumi.

Karakteristik Lapisan Batas Planet (PBL)

Deskripsi Umum

Planet Boundary Layer  (PBL) membentang hingga ketinggian sekitar 1-2 km dari permukaan bumi. Meskipun hanya mengandung sekitar 2% dari total energi kinetik atmosfer, PBL memberikan kontribusi signifikan, yaitu 25% terhadap total generasi dan 35% terhadap total dissipasi energi atmosfer.

Semua aktivitas manusia dan biologis utama terjadi di dalam PBL, termasuk pelepasan polutan udara dari sumber alam dan antropogenik.

Proses pertukaran energi antara Bumi dan udara di atmosfer memegang peranan penting dalam pembentukan PBL. Pola Planet Boundary Layer  juga dipengaruhi oleh kondisi udara, bentuk permukaan bumi, dan cara lahan digunakan.

PBL berfungsi sebagai tempat terjadinya perpindahan vertikal panas, gerakan, kelembapan, kekacauan, dan polutan udara antara permukaan Bumi dan atmosfer atas. Karena itu, PBL memiliki peranan kunci dalam peristiwa cuaca ekstrem dan dimanfaatkan dalam model prediksi cuaca numerik.

Seberapa Tebal PBL?

Bagaimana kita tahu seberapa dalamnya Lapisan Batas Planet (PBL)? Nah, caranya paling mudah adalah dengan melihat tanda-tanda termodinamika. Bagian atas PBL sering kali ditunjukkan oleh hal-hal seperti inversi suhu, perubahan massa udara, hidrolaps (perubahan suhu dan kelembapan), dan perubahan kecepatan serta arah angin.

Inversi suhu itu seperti jebakan udara di dalam PBL yang membuatnya sulit untuk naik ke atmosfer bagian atas. Kalau inversi itu di atas PBL, kita sebut sebagai CAP. Kita bisa menentukan PBL terutama ketika adveksi diferensial terjadi atau ada front dangkal di permukaan. Di depan front, terjadi perubahan massa udara yang tiba-tiba.

Meskipun terkadang, batas antara PBL dan atmosfer bebas tidak jelas. Namun, biasanya, kita bisa melihat ketinggian PBL dengan melihat perubahan halus pada titik embun dan kecepatan/arah angin. Secara umum, PBL biasanya berada dalam kisaran 1000 meter dari permukaan bumi.

Proses Pertukaran Energi di PBL

Pertukaran energi di PBL dikendalikan oleh siklus harian anggaran energi permukaan. Keseimbangan energi di permukaan dapat diungkapkan sebagai:

    Rn + G + H + E = 0, 

di mana Rn adalah fluks radiasi bersih, G adalah fluks panas vertikal ke dalam tanah, dan H serta E adalah fluks panas sensor dan fluks panas laten ke atmosfer.

Fluks radiasi bersih Rn bersifat negatif (turun) selama siang hari, mencapai nilai minimum pada waktu tengah hari matahari lokal. Pada malam hari, Rn bersifat positif, mengilustrasikan kehilangan energi oleh radiasi terestrial. 

Rn adalah nol tepat sebelum matahari terbenam dan tepat setelah matahari terbit. Pada malam hari, istilah E dapat menjadi negatif jika embun terbentuk.

Struktur  PBL

Lapisan Batas Planet (PBL) terbagi menjadi tiga lapisan utama, yaitu:

1. lapisan permukaan yang melekat pada permukaan bumi,
    
2. lapisan campuran di tengah yang penuh dengan turbulensi dan pencampuran termal dan mekanis, dan 
   
   
3. zona penutup atau entrainment yang merupakan lapisan atas di mana udara masuk atau terseret ke tingkat yang lebih rendah melalui udara yang telah mendingin dan kembali ke permukaan.
   
   

Struktur lapisan batas planet berbasis waktu
Gambar: https://www.weatherhawks.com/

PBL meluas dari permukaan hingga sekitar 1,5 kilometer (3000 kaki) di atas bumi. Malam hari membuat kedalaman PBL lebih dangkal karena pencampuran yang sedikit, membuat atmosfer menjadi lebih stabil dan padat seiring berjalannya malam.

Ada situasi di mana PBL bisa sangat tipis hingga hampir tidak terlihat. Saat matahari terbit, panas termal dipindahkan ke atmosfer, gerakan konvektif membawa panas ke atmosfer bawah, dan PBL mengembang. Di atas PBL, keadaannya tetap lebih seragam.

Kondisi di dalam PBL dapat dianggap sebagai mikrometeorologi, yang artinya dalam skala yang sangat kecil dan terlokalisasi. Mikrometeorologi melibatkan skala ruang kurang dari 3 kilometer dan skala waktu kurang dari satu jam. 

Ini mencakup turbulensi mekanis, bulu-bulu, termal, bangun, awan kumulus, dan tentu saja, lapisan batas. Awan lapisan batas umumnya terdiri dari kumulus cuaca cerah, stratocumulus, dan kabut.

Dinamika Harian Lapisan Batas

Konveksi dan Distribusi Panas

Selama siang hari, energi yang diperoleh di permukaan dipindahkan ke atmosfer melalui konveksi, yang menyebabkan distribusi panas di seluruh PBL. Konveksi berkurang dengan ketinggian, menyebabkan amplitudo suhu harian berkurang. Pada malam hari, inversi suhu dapat terbentuk dekat permukaan.

Pada siang hari tersebut, PBL sering kali tercampur dengan cepat karena adanya panas matahari, terutama ketika cuaca cerah. Tapi, malam hari dengan langit cerah, kebalikannya terjadi. Permukaan Bumi menjadi dingin karena radiasi, menciptakan inversi suhu besar di seluruh PBL.

Pada malam hari dan musim dingin ketebalan PBL cenderung lebih rendah sedangkan pada siang hari dan musim panas cenderung memiliki ketebalan lebih tinggi.

Pencampuran konvektif ini akan menyebabkan PBL mengembang. Pada malam hari, PBL berkontraksi karena berkurangnya kenaikan panas dari permukaan. Udara dingin lebih padat dibandingkan udara hangat, oleh karena itu PBL akan cenderung lebih dangkal pada musim dingin.

Pengaruh Spiral Ekman

Pengaruh spiral Ekman, yang pertama kali diamati di laut, juga terjadi di lapisan batas atmosfer. Angin rata-rata berputar dengan ketinggian tertentu, bergantung pada waktu hari dan lokasi geografis.  Efek ini disebabkan oleh keseimbangan gaya Coriolis, gradien tekanan, dan gaya gesekan.

Skema yang menggambarkan proses di balik spiral Ekman dari (a) tampilan samping dan (b). Diagram ini menunjukkan spiral Belahan Bumi Selatan

Gambar: Potts, Daniel & Timmis, Roger & Ferranti, Emma & Vande Hey, Joshua. (2023). Identifying and accounting for the Coriolis effect in satellite NO 2 observations and emission estimates. Atmospheric Chemistry and Physics. 23. 4577-4593. 10.5194/acp-23-4577-2023. 

Spiral Ekman dinamai dari ilmuwan Swedia, Vagn Walfrid Ekman (1874-1954), yang pertama kali menemukan teori ini pada tahun 1902. Ini terjadi karena efek Coriolis. Ketika air permukaan bergerak karena angin, lapisan air di bawahnya ikut terseret. 

Setiap lapisan bergerak karena digerakkan oleh gesekan lapisan di atasnya. Lapisan yang lebih dalam bergerak lebih lambat daripada yang di atasnya, berhenti setelah mencapai kedalaman sekitar 100 meter. 

Namun, seperti air permukaan, air di bawahnya dibelokkan oleh efek Coriolis—ke kanan di Belahan Bumi Utara dan ke kiri di Belahan Bumi Selatan. Akibatnya, setiap lapisan air yang lebih dalam bergerak lebih lambat ke kanan atau ke kiri, menciptakan efek spiral. 

Karena lapisan air yang lebih dalam bergerak lebih lambat, mereka cenderung berputar dan mengalir berlawanan dengan arus permukaan.

Pentingnya Studi Lapisan Batas Atmosfer

Studi intensif terhadap struktur lapisan batas atmosfer selama beberapa dekade terakhir telah membuka wawasan baru dalam pemahaman aliran udara, awan, dan pengaruhnya terhadap lingkungan, prediksi cuaca numerik, dan analisis iklim. 

Pengetahuan ini diperoleh melalui eksperimen dan pemodelan numerik, termasuk simulasi eddy besar (LES).

Kesimpulan

Artikel ini memberikan wawasan mendalam tentang Lapisan Batas Planet, menguraikan karakteristik, proses pertukaran energi, dan dinamika harian. Pemahaman ini bukan hanya penting secara ilmiah tetapi juga memberikan kontribusi besar dalam mengatasi tantangan lingkungan dan meningkatkan prediksi cuaca. 

Melalui penelitian yang terus-menerus, kita dapat terus memperdalam pengetahuan kita tentang lapisan batas atmosfer dan dampaknya terhadap kehidupan di Bumi.

Referensi:

https://www.researchgate.net/publication/228751584_Air_pollution_meteorology

https://www.mdpi.com/2072-4292/12/16/2571

https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/boundary-layer-meteorology

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"?