BAB I SIFAT-SIFAT FISIS AIR TAWAR
Air laut adalah air tawar yang mengandung 3,5% garam-garam. Oleh karena itu sebelum kita membahas sifat-sifat fisis dan kimiawi air laut perlu terlebih dahulu diketahui sifat-sifat fisis air tawar.
Molekul air tawar terdiri dari dua atom H dan satu atom O !. "truktur molekul air tawar #H$O unik, dimana sudut antara atom H dan atom O! adalah &'5 o. #(ambar &.&
(ambar &.&. "truktur molekul air tawar #H$O )arena )arena strukt struktur ur molek molekul ul H$O demiki demikian, an, maka maka moleku molekull air bersif bersifat at bipola bipolar r #mempunyai dua kutub. Atom H dan O! diikat oleh suatu ikatan kimia yang disebut ikatan ko*alen #+o*alent bond. katan ko*alen ini terbentuk dengan +ara +ara saling saling berbag berbagii elektr elektron on antara antara atom atom H dan atom O!. iap atom H berbagi #share elektron tunggalnya dengan atom O !, dan atom O ! berbagi satu elektronnya dengan tiap atom H .
1
Mekan Mekanism isme e terben terbentuk tukny nya a ikatan ikatan ko*al ko*alen en suatu suatu moleku molekull adalah adalah sebag sebagai ai berikut. "ifat kimia suatu atom ditentukan oleh elektronnya dan setiap atom menginginkan suatu kon*igurasi elektron yang simetris seperti yang dimiliki oleh gas-gas mulia. mulia. )on*igura )on*igurasi si elektron elektron yang yang simetris simetris adalah adalah sedemikian sedemikian sehingga kulit #shell pertama mempunyai $ elektron, kulit kedua mempunyai elektron #total &' elektron, kulit ketiga mempunyai elektron #total & elektron dan seterusnya. )on*igurasi elektron yang simetri dari gas-gas mulia He #/umlah elektron $, 0e #/umlah elektron &' dan Ar #/umlah elektron & diperlihatkan oleh gambar &.$.
(ambar &.$. )on*igurasi elektron dari He, 0e dan Ar. Ar. Atom hidrogen #H hanya mempunyai satu elektron. a membutuhkan satu elektron agar dapat mempunyai konfigurasi seperti atom Helium #He. Oleh karena itu ia +enderung untuk bergabung dengan atom-atom lainnya dengan +ara berbagi #share elektron yang dimilikinya. a dapat bergabung dengan atom H yang lain membentuk molekul H $. Atom oksigen mempunyai elektron. a membutuhkan $ elektron agar dapat mempu mempuny nyai ai kon*ig kon*igura urasi si elektr elektron on gas 0eon 0eon #0e. #0e. 1ua elektr elektron on ini dapat dapat dibe diberik rikan an oleh oleh dua dua atom atom hidr hidrog ogen en.. 2adi 2adi atom atom oksi oksige gen n akan akan meng mengal alam amii kon* kon*ig igur uras asii elek elektro tron n atom atom 0e deng dengan an berg bergab abun ung g deng dengan an dua dua atom atom H membentuk molekul air. )edua atom H yang membentuk molekul air /uga mengalami kon*igurasi elektron atom He. 2
embentukan molekul air dengan +ara berbagi elektron antara atom O dan atom H diilustrasikan oleh gambar berikut.
H O
O
+
2
H O
O
H O
(H2O)
Hal yang sama berlaku dalam pembentukan Methan #4H dan Amonia #0H 3. Atom 4arbon mempunyai 6 elektron. a butuh elektron agar mempunyai kon*igurasi elektron atom 0e. elektron ini diberikan oleh atom H.
H O
C
+
4
H O
H O
C
H O
(CH4)
H O
Atom 0itrogen mempunyai 7 elektron, kurang 3 elektron yang dapat diberikan oleh 3 atom H.
3
H O
N
+
3
H O
N
H O
(NH3)
H O
)arena sifat alami air adalah bipolar, maka molekul air akan menarik molekul air yang lain membentuk suatu ikatan yang disebut ikatan hidrogen #hydrogen bond 8 lihat gambar &.3 ikatan hidrogen antar molekul air merupakan ikatan yang sangat kuat. 1iperlukan energi panas yang besar untuk memper+epat gerakan molekul air dan menaikkan suhunya.
(ambar &.3. katan Hidrogen pada molekul air katan hidrogen yang kuat ini membuat air mempunyai kapasitas panas yang tinggi dibandingkan 9at yang lain. )apasitas panas air ! & 4al:g:o4 4ontoh kapasitas panas dari beberapa 9at diperlihatkan pada abel &.& 4
abel &.&. )apasitas panas beragam 9at 4al:g:o4
;at #Materi A+eton
',5&
Alumunium
',$$
Amonia
',&3
embaga
','<
Alkohol
',$3
imah
','3
Air raksa
','3
erak
','6
Air
&,'
)apasitas panas yang tinggi ini +enderung membuat air menolak perubahan suhu bila panas ditambahkan atau diambil #dikurangkan. Apa konsekuensi dari kapasitas panas air yang tinggi= >ange #kisaran suhu air laut /auh lebih ke+il daripada range suhu udara. 4ontoh? >ange suhu air laut? -$ o4 s:d 3' o4
?
-$ o4 di Antartika
>ange suhu udara? -5' o4 s:d 5' o4
?
-5' o4 di Antartika dan 5' o4 di gurun pasir
1alam satu hari perubahan suhu air laut /auh lebih ke+il daripada perubahan suhu udara atau daratan didekatnya.
5
)apasitas panas air yang tinggi berperan dalam pembentukan angin darat dan angin laut serta angin musim #monsun. ada siang hari tekanan udara di atas laut lebih tinggi daripada tekanan udara di atas daratan, sehingga timbul angin laut yang mengalir dari laut ke darat atau mengalir dari tekanan tinggi ke tekanan yang lebih rendah. rosesnya diawali dari kapasitas panas air yang lebih tinggi daripada kapasitas panas daratan yang membuat daratan lebih +epat panas daripada laut. )onsekuensinya tekanan udara di atas daratan lebih rendah daripada tekanan udara di atas laut. "ebaliknya pada malam hari daratan lebih +epat melepaskan panas daripada laut sehingga tekanan udara di atas daratan lebih tinggi daripada tekanan udara di atas laut. Akibatnya berhembus angin dari darat ke laut #angin darat. Analogi yang sama berlaku pada pembentukan angin musim. ada saat matahari berada di selatan khatulistiwa atau musim dingin di benua Asia #1esember @ ebruari tekanan udara diatas benua Asia lebih tinggi daripada tekanan udara diatas lautan Hindia dan perairan ndonesia serta tekanan udara diatas benua Australia. Akibatnya bertiup angin musim #Monsun barat daya dari benua Asia melewati ndonesia menu/u benua Australia. ada saat matahari berada di utara khatulistiwa atau musim panas di benua Asia #2uni @ Agustus tekanan udara di atas benua Asia lebih rendah daripada tekanan udara di atas lautan Hindia dan perairan ndonesia serta tekanan udara di atas benua Australia. Akibatnya bertiup angin musim #Monsun enggara dari benua Australia melewati ndonesia menu/u benua Asia. )arena kapasitas panas air yang tinggi, maka perubahan suhu laut atau danau berlangsung se+ara perlahan dan membuat suhu permukaan bumi stabil. katan hidrogen /uga membuat air +enderung berkelompok atau terikat satu dengan yang lain dan sifat ini disebut sifat kohesif . "ifat kohesif ini membuat air mempunyai tegangan permukaan yang tinggi. 4ontoh ? tetes air pada permukaan ka+a akan membentuk lengkungan. )andungan
garam
mempermudah
memperbesar
terbentuknya
tegangan permukaan
ripples
yang
membantu
air.
ni
akan
terbentuknya
gelombang laut. 6
1isamping bersifat kohesif, air /uga bersifat adhesif . Adhesif adalah ke+enderungan air untuk melekat pada material lain atau membasahi material lain. )ombinasi sifat kohesif dan adhesif ini akan menimbulkan efek kapiler . 4ontoh efek kapiler?
-
air yang naik di dalam pipet
-
air yang merembes dari u/ung handuk yang di+elupkan ke dalam air.
Air mempunyai *iskositas yang rendah. Oli mempunyai *iskositas yang /auh lebih besar daripada air. Biskositas adalah resistensi terhadap suatu gerakan atau gesekan internal. Biskositas bergantung pada suhu. enurunan suhu akan memperbesar *iskositas.
•
DENSITAS AIR
1ensitas ≡ rapat /enis8 dilambangkan dengan ρ
ρ ! m:* Cgr:+m3 8 gr:ml 8 kg:m3D engaruh suhu pada densitas air tawar= Anomali sifat air? idak seperti air laut, penurunan suhu air tawar tidak membuat densitasnya bertambah se+ara kontinu. Air men+apai ρmaE pada suhu 3,<F4 ≈ o4. 1ensitas akan berkurang bila suhu dinaikkan di atas atau diturunkan dibawah F4. )eadaan ini disebut anomali air. enurunan suhu, dibawah $'F4 misalnya, mula-mula akan memperbesar densitas air, tetapi penambahan densitas ini tidak berlangsung se+ara kontinu. Air akan men+apai densitas maksimum pada suhu F4. enurunan suhu di bawah suhu o4 malah memperke+il densitas #gambar &..
7
(ambar &.. "ifat Anomali pada air tawar )enapa pengurangan suhu di bawah o4 memperke+il harga densitas air= 1ibawah suhu F4 molekul air saling berdekatan dan bergerak sangat lambat sehingga dapat membentuk ikatan hidrogen yang terdiri dari 6 molekul #heksagonal. ada suhu 'o4 terbentuk kristal es dengan struktur yang diperlihatkan pada gambar &.5.
8
(ambar &.5. "truktur kristal es #satu lapis "truktur kristal es mempunyai banyak rongga, sehingga densitas air dalam bentuk padat #es lebih ke+il daripada densitas air dalam bentuk +air. Air dalam bentuk padat mengambil ruang lebih banyak daripada air dalam bentuk +air. "ehingga sedikit molekul air yang yang ada dalam & +m3. )enapa air dalam bentuk padat mengambil ruang lebih besar daripada air dalam bentuk +air = ada pembentukan kristal es, sudut antara atom H dan O! bertambah dari &'5G men/adi sedikit lebih dari &'
9
roses ekspansi dan kontraksi air akibat perubahan suhu diperlihatkan pada gambar &.6. o
10oC
o
0 C
4 C
ekspansi
kontraksi
ekspansi
kontraksi
kspansi ? ρ berkurang )ontraksi ? ρ bertambah (ambar &.6 engembangan dan pemadatan massa air
4 oC
Danau air tawar
(ambar &.7. Iinter o*erturning di danau air tawar
Apa konsekuensi anomali sifat air = 1i danau air tawar di daerah yang mengalami musim dingin dapat terbentuk sirkulasi se+ara *ertikal yang disebut Winter Overturning . ada saat musim dingin, karena pendinginan yang tidak merata, sebagian permukaan danau dapat lebih dingin dari bagian yang lain. Jila, bagian dari permukaan danau tersebut suhunya turun men+apai F4, maka pada saat itu densitasnya men+apai maksimum. )arena densitasnya maksimum #berat, maka massa air dipermukaan akan turun ke lapisan dalam dan mendorong massa air yang ringan ke permukaan membentuk sirkulasi air se+ara *ertikal. roses ini akan membuat massa air yang berat selalu berada di lapisan dalam. enomena ini dinamakan winter over turning #(ambar &.7. )arena 10
massa air yang berat selalu berada di lapisan dalam maka suhu danau air tawar dilapisan dalam tidak dapat lebih rendah dari F4.
•
EFEK PENAMBAHAN GARAM
fek dari penambahaan garam, yaitu? &.
1ensitas air bertambah8 air tawar berada di atas air laut.
$.
itik
bekunya
berkurang:menurun
#lebih ke+il daripada 'F4 atau bisa men+apai -$ F4 di )utub "elatan #lihat gambar &.. 3.
"uhu
densitas
air
maksimum
berkurang #lebih ke+il daripada F4 .
)apasitas panas air berkurang %. Kntuk menaikkan suhu & gr air laut di sekitar &G 4 hanya diperlukan ',<6 +al.
5.
(aram-garam
yang
larut
mengganggu /aringan ker/a #network dari ikatan hidrogen di dalam air yang mengakibatkan titik beku air laut lebih ke+il dari titik beku air murni # L 'G4 . Mis? air laut dengan " ! 35 %o mempunyai titik beku @&,<&G4 6.
(aram-garam yang larut di dalam air laut +enderung menarik molekul air sehingga air laut lebih lambat menguap daripada air tawar.
7.
ekanan Osmosis bertambah dengan bertambahnya "alinitas. 4atatan? ek. Osmosis adalah tekanan yang dilakukan pada membran biologis biota laut bila salinitas lingkungan berbeda dari salinitas di dalam
11
sel biota laut. ekanan Osmosis merupakan faktor kun+i dalam transmisi air ke dalam atau keluar sel "ifat keempat sampai dengan ketu/uh ber*ariasi dengan salinitas. "ifat-sifat ini disebut Sifat Koligatif ( Colligative Properties ).
(ambar &.. fek penambahan garam pada titik beku air
•
DAYA LARUT
Air merupakan pelarut yang sangat baik. ;at padat, 9at +air maupun gas dapat larut dalam air. Air disebut /uga sebagai pelarut uni*ersal. "ifat pelarut yang baik ini bersumber dari sifat molekul air yang bipolar, sehingga ia mudah melepaskaan ikatan ionik dari garam-garam yang larut di dalam air. Jila 0a4l larut didalam air, polaritas dari air akan mengurangi daya tarik elektrostatik #ikatan
ionik diantara
ion
natrium
#0a
dan
ion
+hlor
#4l-
yang
mengakibatkan ion 0a terpisah dari ion 4l0a4l
0a 4l-
Jagaimana +ara molekul air memisahkan 0a4l men/adi 0a dan 4l-=
12
on 0a akan dikelilingi oleh kutub negatif dari molekul air dan ion 4l - akan dikelilingi oleh kutub positif dari molekul air. 1eskripsinya adalah sebagai berikut? #gambar &.<
H+
H+
H+
H+
H+ H+
O
O
Na+
H+
O
O
H+
H+ H+ H+ H+ + H H+
O
O
H+ H
H
+
+
H+ H+
O
O H+
H+
H+
" " C!C!
H+
H+
H+ H+
O
13
H+ O
(ambar &.<. "truktur ikatan molekul air dan garam
RINGKASAN DARI SIFAT-SIFAT AIR >ingkasan dari pembahasan tentang sifat-sifat air tawar diberikan pada abel &.$. abel &.$. Jeberapa "ifat Air Sifat
Dia!"i!g#a! "$!ga! %at Lai!
egangan permukaan
aling tinggi dari semua 9at +air pada umumnya.
enghantaran panas
aling tinggi dari semua 9at +air pada umumnya, ke+uali air raksa.
Biskositas
>elatif rendah untuk suatu 9at +air #menurun dengan meningkatnya suhu.
anas laten penguapan?
aling tinggi umumnya.
2umlah pertambahan atau kehilangan panas per satuan massa oleh perubahan 9at dari fase +air ke gas atau gas ke +air tanpa disertai kenaikan suhu #+al:g. anas laten peleburan? 2umlah pertambahan atau kehilangan panas per satuan massa oleh perubahan 9at dari fase padat ke +air atau +air ke padat tanpa disertai kenaikan suhu #+al:g. )apasitas panas? 2umlah kebutuhan panas untuk menaikkan suhu & g 9at & o4 #+al:g:o4 )erapatan? Massa per satuan *olume #g:+m 3 atau g:ml.
dari
semua
9at
pada
aling tinggi dari semua 9at +air pada umumnya dan sebagian besar 9at padat.
aling tinggi dari semua 9at padat dan 9at +air pada umumnya.
Jerat /enis ditentukan oleh #& suhu, #$ salinitas, #3 tekanan. Jerat /enis maksimum air murni adalah pada suhu o4. Kntuk air laut, titik beku menurun dengan meningkatnya salinitas.
14
)amampuan melarutkan
Malarutkan banyak 9at dalam /umlah lebih besar daripada 9at +air lain pada umumnya.
Menurut ngmanson dan Ialla+e, &<73.
BAB II SIFAT-SIFAT FISIS DAN KIMIAWI AIR LAUT Ada dua parameter utama yang digunakan oleh ahli oseanografi untuk mempela/ari sifat-sifat fisis dan kimiawi air laut, yaitu? "uhu dan "alinitas #kandungan garam. 1ari distribusi suhu dan salinitas air laut ahli oseanografi dapat mengidentifikasi massa air laut dan mempela/ari gerakan air laut. "uhu dan salinitas air laut sangat menentukan densitas air laut disamping tekanan #kedalaman. 1alam setiap penelitian laut, suhu dan salinitas di samping kedalaman selalu di ukur. ara ahli oseanografi berkepentingan untuk mengetahui distribusi spasial #hori9ontal, *ertikal dan temporal #harian, musim, tahunan dari sifat-sifat fisis dan kimiawi air laut.
•
S&'& Ai La&t
Air laut bila ditin/au dari distribusi sifat-sifat fisis atau kimiawinya, se+ara umum adalah berlapis #stratified . 1istribusi sifat-sifat fisis maupun kimiawi air laut umumnya o!al* dalam arti tidak banyak perubahan dalam sifat-sifat air pada arah barat-timur. )alau kita perhatikan peta distribusi suhu se+ara hori9ontal, kita akan melihat isotherm membentang se+ara 9onal. 1istribusi suhu se+ara 9onal /auh lebih ke+il daripada distribusi suhu dalam arah meridional #utara-selatan dapat dilihat pada gambar $.&.
15
(ambar $.&. 1istribusi suhu 1i samping itu distribusi suhu se+ara *ertikal /auh lebih besar daripada distribusi hori9ontal. 4ontoh ? 1i daerah ekuator suhu permukaan $o4 sementara pada kedalaman & km suhu berkurang men/adi 5 o4. "e+ara hori9ontal, perubahan suhu yang setara dengan perubahan *ertikal memerlukan /arak 5''' km ke arah utara atau selatan ekuator. (radien suhu *ertikal 5''' kali gradien suhu hori9ontal. "uhu permukaan laut terbuka berkisar antara @$G4 sampai dengan $
tahunan
atau
abad.
"uhu
maksimum
ter/adi
pada
bulan
Agustus:"eptember #musim panas dan suhu minimum ter/adi pada bulan ebruari:Maret #musim dingin. 1i bawah permukaan ter/adinya suhu 16
maksimum atau minimum terlambat sekitar $ bulan dibandingkan waktu ter/adinya di permukaan. Di+ti&+i ,$ti#al "ai S&'& Ai La&t "e+ara *ertikal, laut dapat dibagi dalam 3 lapis, yaitu? &.
Napisan homogen atau lapisan ter+ampur sempurna yang dikenal dengan nama mixed layer .
$.
Napisan dimana ter/adi pengurangan suhu yang +epat se+ara *ertikal yang dikenal sebagai lapisan termoklin #thermocline.
3.
Napisan dimana suhu berkurang se+ara perlahan dengan kedalaman. Napisan ini di sebut lapisan dalam #deep layer .
1istribusi suhu se+ara *ertikal diperlihatkan oleh (ambar $.$ ? 0
10
20 #oC 'ie !a&er 50"200 $
% ($)
#er$ok!in !a&er
1000"1500 $ Deep !a&er
(ambar $.$. rofil *ertikal suhu air laut
MiEed layer di daerah ekuator lebih tipis dibanding di lintang menengah, mengapa = MiEed layer merupakan lapisan yang ter+ampur sempurna # well mixed oleh pengaruh angin dan gelombang yang menimbulkan turbulensi yang dapat mengaduk lapisan atas dari air laut. ebal dari lapisan miEed layer ini sangat tergantung pada kekuatan angin. 1i lintang menengah, terutama pada musim dingin, kekuatan angin /auh lebih besar daripada di daerah ekuator. 17
erdapat musim di lintang menengah yang mengakibatkan perbedaan tekanan udara sangat besar sehingga ter/adi angin yang besar pula. "edangkan terdapat $ musim di daerah ekuator yang menyebabkan perbedaan tekanan udara tidak begitu besar sehingga angin /uga tidak begitu kuat. )ondisi ini mengakibatkan miEed layer di lintang menengah lebih tebal daripada miEed layer di daerah ekuator. Nihat gambar $.3.
(ambar $.3. iga lapisan air laut
ermoklin? ada lapisan ini ter/adi perubahan suhu atau pengurangan panas yang besar tehadap kedalaman. ada lapisan ini panas ditransfer oleh proses konduksi. 1eep layer ? erubahan suhu sangat lambat karena suplai panas dari lapisan atas sudah berkurang. 1i daerah-daerah lintang menengah tebal dari mixed layer bergantung pada musim. ermoklin /uga ber*ariasi dengan musim. 1i daerah-daerah yang memiliki musim terdapat termoklin musiman yang berubah mengikuti musim dan termoklin permanen yang tidak dipengaruhi oleh musim. Bariasi dari distribusi suhu se+ara *ertikal dengan musim diperlihatkan oleh gambar berikut ?
18
(ambar $.. rofil *ertikal suhu air laut dengan memperhatikan musim A ? )ondisi musim dingin yang ekstrim J ? "etelah ada pemanasan8 angin lemah #musim semi 4 ? )ondisi J setelah pengadukan angin yang kuat 1 ? )ondisi musim panas yang ekstrim ada gambar $. dapat kita lihat perubahan suhu permukaan dan pembentukan termoklin musiman dari musim semi ke musim panas dan musim dingin. "uhu permukaan membesar menu/u musim panas dan menge+il menu/u musim dingin. ermoklin musiman mulai terbentuk pada musim semi #J dan men/adi nyata pada musim panas #1. ermoklin yang terbentuk pada musim semi dapat terganggu oleh pengaruh angin yang kuat #4. 1ari gambar $. /uga dapat kita lihat miEed layer lebih tebal pada musim dingin dibandingkan pada musim panas #A dan 1. )etebalan dan kedalaman termoklin permanen tidak berubah dengan musim. (ambaran yang lebih detail tentang pertumbuhan dan peluruhan termoklin musiman diperlihatkan pada gambar $.5. (ambar ini memperlihatkan profil suhu bulanan dari Maret &<56 hingga 2anuari &<57 yang diambil di O+ean 19
Ieather "tation P di asifik utara bagian timur. 1ari Maret sampai Agustus suhu se+ara perlahan bertambah karena penyerapan energi matahari. Napisan miEed layer dari permukaan hingga kedalaman 3' meter atau lebih tampak /elas terlihat. "etelah agustus energi matahari mulai berkurang sementara kekuatan angin terus bertambah yang berperan mehilangkan termoklin musiman hingga kondisi bulan Maret ter+apai kembali. MiEed layer dapat men+apai kedalaman &'' m pada bulan 2anuari. )etebalan miEed layer atau batas atas termoklin ber*ariasi dengan musim yang merefleksikan kekuatan angin.
(ambar $.5. ertumbuhan dan eluruhan ermoklin rofil suhu di daerah lintang rendah, lintang menengah dan lintang tinggi diperlihatkan pada gambar $.6. ipikal suhu di lintang rendah adalah $' o4 di permukaan, o4 di kedalaman 5'' m, 5o4 di kedalaman &''' m dan $ o4 di kedalaman ''' m. 1i lintang tinggi suhu permukaan /auh lebih rendah daripada di lintang rendah. "ementara suhu di lapisan dalam tidak banyak berbeda. 2ika proses pendinginan berlangsung +ukup kuat dapat di+apai profil suhu yang seragam dari permukaan hingga lapisan dalam. 1i lintang tinggi di belahan bumi utara sering di/umpai suatu lapisan air dingin dengan suhu -&,6 o4 berada di antara
20
lapisan permukaan dan lapisan di bawahnya yang lebih hangat sehingga terdapat suatu lapisan dengan suhu minimum pada kedalaman 5' @ &'' m. Napisan ini disebut lapisan dicothermal .
(ambar $.6. rofil suhu di daerah lintang rendah, lintang menengah dan lintang tinggi S&'& i!+it& "a! +&'& ot$!+ial Kntuk menggambarkan suhu air laut, ahli oseanografi menggunakan dua parameter yaitu suhu insitu dan suhu potensial. "uhu insitu adalah suhu air laut pada kedalaman tertentu dan dinyatakan dengan simbol . "uhu potensial #θ didefinisikan sebagai suhu par+el air di permukaan laut setelah ia diangkat dari suatu kedalaman tertentu se+ara adiabatis ke permukaan. roses adiabatis berarti tidak ada pertukaran panas dengan air di sekelilingnya. "uhu potensial selalu lebih rendah daripada suhu insitu. ada saat par+el air dibawa ke permukaan se+ara adiabatis, tekanannya berkurang
sehingga par+el mengalami ekspansi yang mengakibatkan
suhunya berkurang. Misalnya suatu par+el air pada kedalaman &''' m mempunyai suhu &o4 setelah dibawa ke permukaan se+ara adiabatis suhunya berkurang men/adi ',57o4. )onsep suhu potensial dengan mudah dapat diturunkan dari hukum ermodinamika yang menyatakan kekekalan energi ? 21
erubahan energi internal ! panas yang ditambahkan atau dikurangkan ker/a yang dilakukan. )arena proses yang ditin/au adalah adiabatis maka suhu kedua di ruas kanan men/adi nol. 1engan demikian, erubahan energi internal ! ker/a yang dilakukan Jila par+el air dibawa ke permukaan tekanan berkurang dan par+el air melakukan ker/a pada air di sekelilingnya sehingga ia mengalami ekspansi. Akibat
ekspansi
yang
dialaminya
energi
internalnya
berubah
yang
direfleksikan oleh turunnya suhu. "ebaliknya bila par+el air turun ke lapisan dalam #sinks ia mengalami tekanan yang besar dari air disekelilingnya. Air disekelilingnya melakukan ker/a pada par+el air dan par+el mengalami kontraksi yang merubah energi internalnya yang direfleksikan dengan naiknya suhu. )enapa kita perlu menggunakan suhu potensial = 1i lapisan dalam di bawah termoklin suhu umumnya berkurang dengan kedalaman hingga ''' m. etapi di daerah palung #tren+h yang kedalamannya lebih besar daripada ''' m suhu insitu bertambah se+ara perlahan dengan kedalaman karena efek tekanan yang besar #gambar $.7.
(ambar $.7. )ur*a suhu insitu dan suhu potensial di sebuah stasiun di asifik Ktara 22
Jila Jila analis analisis is kita kita hanya hanya didas didasark arkan an pada pada profil profil suhu suhu insitu insitu,, kita kita bisa bisa sa/a sa/a mengira bahwa di kedalaman di bawah ''' m kolom air tidak stabil karena adany adanya a kenai kenaikan kan suhu suhu terhad terhadap ap kedal kedalama aman n yang yang akan akan menga mengakib kibatk atkan an densitas berkurang dan mengakibatkan ter/adinya gerakan *ertikal ke atas. etapi pada kenyataannya dugaan ini tidak ter/adi. )ondisinya adalah stabil netr netral al yang ang ditu ditun/ n/uk ukka kan n oleh oleh suhu suhu pote potens nsia iall yang ang kons konsta tan n di bawa bawah h kedalaman ''' m. 2adi untuk menghilangkan efek tekanan yang mun+ul pada pada suhu suhu insi insitu tu di pera perair iran an yang ang +uku +ukup p dala dalam m maka maka digu diguna naka kan n suhu suhu potensial. "uatu "uatu +ontoh +ontoh yang yang mengga menggamba mbarka rkan n keadaa keadaan n ini diperl diperliha ihatka tkan n oleh oleh data data lapa lapang ngan an eksp eksped edis isii "nel "nelliu lius s yang yang diam diambi bill di tren tren+h +h Mind Mindan anao ao,, ilip ilipin ina a #abel $.&. abel bel $.&. $.&. erb erbed edaa aan n anta antara ra suhu suhu insi insitu tu dan dan suhu suhu pote potens nsia iall di tren tren+h +h Mindanao. S&'&
D$!+ita+
K$"alaa!
Sali!ita+
()
(/)
&55
3,5
3,$'
3,'<
$7,55
$7,56
$7'
3,6
&,$
&,65
$7,7$
$7,73
37'
3,67
&,5<
&,3&
$7,76
$7,7
5'
3,67
&,65
&,$5
$7,76
$7,7
65'
3,67
&,<3
&,$5
$7,7
$7,7<
5'
3,6<
$,$3
&,$$
$7,7$
$7,7<
&''35
3,67
$,
&,&6
$7,6<
$7,7<
I!+it&
Pot$!+ial
t
Pot$!+ial (
)
1ari abel $.& dapat dilihat bahwa suhu insitu berkurang hingga kedalaman 37' m. 1i bawah keadalaman ini suhu insitu bertambah se+ara perlahan dengan kedalaman #efek tekanan. fek tekanan ini tidak terlihat pada suhu potensial. potensial. "uhu potensial potensial berkurang berkurang terhadap terhadap kedalaman kedalaman.. Harga salinitas tidak banyak berubah di daerah palung ini. 1ensitas, yang dinyatakan dengan σt, menun/ukkan harga yang berkurang di bawah kedalaman 5' m, seolah-olah menun/ukkan ketidakstabilan kolom
23
air. etapi kenyataannya tidaklah demikian. )olom air berada dalam keadaan stabil netral yang ditun/ukkan oleh nilai σθ #densitas potensial yang konstan mulai kedalaman 65' m. "uhu potensial dapat digunakan untuk melihat gerakan massa air. Massa air yang sama mempunyai suhu potensial yang sama. Hal ini diperlihatkan oleh gambar $. berikut?
(ambar $.. 1istribusi suhu insitu dan potensial
(ambar (ambar $. memper memperlih lihatk atkan an distrib distribusi usi suhu suhu insitu insitu dan suhu suhu poten potensia siall di tren+h Mindanao yang datanya diperlihatkan pada abel $.&. lot dari suhu insitu #gambar $.a memberi gambaran kepada kita suatu aliran air dingin mengalir melewati melewati sill #Mariana ridge memasuki tren+h dan turun hingga hingga di pertengahan tren+h dan berhenti di atas massa air yang hangat di lapisan lebih dalam dari tren+h. (ambar $.a ini tidak memperlihatkan adanya aliran massa air yang bergerak melewati sill dan turun ke dasar tren+h. Hal yang berlaw berlawana anan n diperl diperliha ihatka tkan n oleh oleh plot plot suhu suhu potens potensial ial #gamba #gambarr $.b. $.b. ada ada gamb gambar ar $.b $.b terl terlih ihat at mass massa a air air deng dengan an suhu suhu pote potens nsia iall &,$ &,$o4 menga mengalir lir 24
melew melewati ati siil siil dan dan turun turun ke dasar dasar tren+ tren+h h yang yang mengga menggamba mbarka rkan n keadaa keadaan n sebenarnya di alam. 4ontoh ini memperlihatkan bagaimana suhu potensial memperlihatkan gerakan massa air. 1i daerah tropis dan ekuator perbedaan suhu antara lapisan permukaan dan di lapisan termoklin dapat men+apai &5 o @ $'o4. erbedaan suhu yang +ukup besa besarr ini ini dapa dapatt digu diguna naka kan n untu untuk k memb memban angk gkit itka kan n ener energi gi list listri rik. k. roy royek ek pembangkit listrik melalui kon*ersi panas laut disebut O4 #O+ean hermal nergy 4on*ersion. "e+ara sederhana prinsip ker/a dari O4 diilustrasikan pada gambar $.<.
*enuap ,$onia ,ir /anat ari per$ukaan
#ur-in *o$pa
#enaa .istrik ,ir inin ari !apisan a!a$
*enkonensasi ,$onia
(ambar $.<. rinsip ker/a O4
Amonia +air dapat menguap pada suhu yang tidak terlalu tinggi dan berkondensasi pada suhu yang rendah. Amonia +air diuapkan dengan air lapisan permukaan yang hangat #$' o @ $o4. Kap amonia digunakan untuk
25
menggerakkan turbin untuk menghasilkan listrik. )emudian didinginkan oleh air di lapisan termoklin #5 o @ o4 agar berkondensasi men/adi amonia +air kembali. "elan/utnya amonia +air ini diuapkan kembali oleh air hangat dari lapisan permukaan, demikian seterusnya.
Sali!ita+ "e+ara sederhana salinitas didefinisikan sebagai /umlah total dari 9at yang larut dalam gram di dalam satu kilogram air laut. 2adi salinitas adalah besaran yang tidak berdimensi, ia tidak mempunyai unit #satuan. 1efenisi yang sederhana ini tidak berguna karena dalam praktek sukar mengukur 9at yang larut di dalam air laut. Kntuk mengatasi kesulitan ini nternational 4oun+il for the Eploration of the "ea membentuk suatu komisi tahun &< yang merekomendasikan defenisi mengenai salinitas sebagai berikut? "alinitas adalah /umlah total dari 9at padat #garam-garam dalam gram yang larut di dalam satu kilogram air laut bila seluruh +arbonat telah diubah men/adi oksida, brom dan /od diganti dengan +hlor dan seluruh materi organik dioksidasi se+ara sempurna. 1efenisi ini dipublikasikan tahun &<'$. 1efenisi ini berguna tapi sukar digunakan se+ara rutin. "alinitas dinyatakan dengan simbol " #Q atau " #parts per thousand, ppt. (aram-garam yang larut didalam air laut, dapat dibagi dalam $ kelompok, yaitu ? &. Knsur-unsur atau komponen utama. $. Knsur-unsur atau komponen minor tra+e elemen )omponen utama meliputi <<% dari 9at yang larut di dalam air laut, sedangkan komponen minor tra+e elemen meliputi &%. )omponen Ktama yang terdapat di dalam air laut dengan " ! 3,Q diperlihatkan oleh abel $.$.
26
abel $.$. )onsentrasi komponen utama pembentuk air laut
Io!-io! Utaa
Ko!+$!ta+i (Q )
4hlor # 4l -
&,<
"odium # 0a
&',55
"ulfat # "O$-
$,6<
Magnesium # Mg
$
&,$7$
4al+ium # 4a $
',''
otasium # )
',3'
Ji+arbonat # H4O3-
',&'
2umlah
3,377
Knsur-unsur utama yang paling banyak di dalam air laut adalah 4l- dan 0a. )omponen Minor ?
• Jrom # Jr
! 65 ppm #part per million
• Joron # J
! ppm
• "trontium # "r
! ppm
• "ilika # "i
! 3 ppm
• luor #
! & ppm
ra+e lemen ?
• 0itrogen # 0
! $' ppb # part per billion
• Nithium # Ni
! &$ ppb
• 2od # 2
! 6' ppb
27
• ospor #
! 3' ppb
• Mer+ury # Hg
! ','3 ppb
• imah # b
! ',' ppb
• Alumunium # Al
!$
ppb
• Mangan # Mn
!$
ppb
• "eng # ;n
! &' ppb
• Jesi # e
!6
• mas # Au
! . &'-6 ppb
ppb
Meskipun konsentrasi tra+e elemen ke+il, 0itrogen dan ospor dalam bentuk nitrat dan fosfat merupakan 9at hara yang berguna bagi pertumbuhan phytoplankton. "umber dari garam-garam yang larut di dalam air laut. &. roses pelapukan # weathering dari batu-batuan # ro+k . $. (as-gas yang keluar dari punggung samudra # mid o+ean ridge dan gunung api bawah laut yang meliputi ? +hlor, +arbondioksida, belerang, fluorine, nitrogen dan uap air. Knsur @ unsur yang bukan hasil proses pelapukan disebut E01$++ ,olatil$+. 1ua unsur utama yaitu +l - dan 0a mempunyai sumber yang berbeda. 4l-
? berasal dari gas-gas yang keluar di dasar laut #punggung tengah samudra dan gunung api bawah laut
0a
? berasal dari proses weathering
•
At&a! #oo+i+i 2a!g #o!+ta!
28
1i laut terbuka #open ocean yang /auh dari pantai, salinitas air laut berbeda dari suatu tempat ke tempat lain, mis? salinitas laut 2awa berbeda dengan salinitas laut Janda dan lautan asifik. etapi meskipun salinitas air laut ber*ariasi dari tempat ke tempat lain, perbandingan: ratio unsur-unsur utamanya tetap #konstan. ni disebut At&a! Koo+i+i 2a!g #o!+ta!. 1engan menggunakan aturan komposisi yang konstan kita dapat menentukan konsentrasi suatu komponen unsur utama di perairan dengan salinitas tertentu bila diketahui konsentrasi unsur utama tersebut di perairan lain dengan salinitas tertentu. Misalnya?
kita ingin
menentukan konsentrasi ) pada
suatu
perairan
dengan " ! 36 Q, diketahui konsentrasi ) pada " ! 3, Q adalah ',3 Q # abel . 2awab ? Konsentrasi K + Salinitas Total
Konsentrasi K + 36 o oo
=
038 344
= 0011
= 0011
)onsentrasi ) diperairan dengan " ! 36 Q adalah ','&& E 36 Q ! ',3<6 Q ngat ? erbandingan #ratio di antara unsur-unsur utama dan unsur-unsur utama dengan salinitas total adalah tetap #konstan.
•
Di+ti&+i Sali!ita+
Di+ti&+i Hoio!tal 1istribusi salinitas permukaan laut bergantung pada penguapan, +urah hu/an #presipitasi, run off dan pen+airan es. Jerbeda dengan distribusi suhu, distribusi salinitas permukaan rata-rata mempunyai minimum di daerah
29
ekuator dan maksimum di daerah sub tropis $5 o0 dan $5o", kearah kutub salinitas berkurang. "alinitas maksimum ter/adi di area angin pasat #daerah sub tropis dimana penguapan /auh lebih besar dari presipitasi, sedangkan di daerah ekuator presipitasi /auh lebih besar daripada penguapan. Bariasi salinitas terhadap lintang sangat ditentukan oleh proses penguapan dan presipitasi. " ! " # , dimana ! *aporasi dan ! resipitasi Hubungan empiris antara salinitas permukaan dengan penguapan dan presipitasi diberikan oleh ? " #Q ! 3,6 ','&75 # @ 1istribusi meridional dari e*aporasi, presipitasi dan salinitas diperlihatkan pada (ambar $.&'a.
(ambar $.&'a. 1istribusi meridional salinitas 30
1istribusi hori9ontal rata-rata tahunan dari salinitas permukaan laut-laut dunia diperlihatkan pada gambar $.&'b.
(ambar $.&'b. "alinitas permukaan rata-rata tahunan laut-laut dunia
Di+ti&+i ,$ti#al. 1istribusi *ertikal dari salinitas tidak dapat dinyatakan se+ara sederhana seperti halnya distribusi *ertikal dari suhu. Hal yang menyebabkan adalah? densitas air laut yang merupakan faktor penentu kestabilan kolom air. 1i dalam menyatakan distribusi suhu se+ara *ertikal, kita dengan mudah dapat mengatakan suhu air yang hangat #densitas rendah selalu berada di lapisan permukaan, sementara air yang dingin #densitas tinggi berada di lapisan dalam. Hal ini dikarenakan di lapisan permukaan pengaruh suhu terhadap densitas air laut lebih besar daripada pengaruh salinitas.
31
Bariasi salinitas yang ter/adi di laut lepas efeknya terhadap densitas tidak +ukup besar untuk mengatasi efek suhu. 2adi bisa sa/a ditemui salinitas tinggi atau salinitas rendah di lapisan permukaan yang hangat. 1alam arah *ertikal di daerah kuator, ropis dan "ubtropis ditemukan lapisan dengan salinitas minimum pada kedalaman 6'' @ &''' m dan salinitas bertambah sampai kedalaman $''' m. 1i lautan Atlantik di bawah kedalaman $''' m, salinitas berkurang terhadap kedalaman, di daerah tropis sering terdapat lapisan dengan salinitas maksimum pada kedalaman &'' m. 1i lintang tinggi, dimana salinitas permukaan rendah, salinitas umumnya bertambah sampai kedalaman $''' m tanpa ada lapisan dengan salinitas minimum. 1i lapisan dalam # deep layer pada kedalaman R ''' m, salinitas se+ara relatif adalah uniform dengan range antara 3,6Q @ 3,
(ambar $.&&. 1istribusi salinitas *ertikal di Atlantik, asifik dan daerah tropis
32
>ange salinitas di laut lepas ? 35Q - 37Q. "alinitas rendah terdapat dekat pantai di mana banyak input air sungai dan di daerah kutub di mana ter/adi pen+airan es.
Naut tengah
3
Naut merah
&Q
Atlantik Ktara
35,5Q
"amudera asifik dan samudera Hindia
35,$Q
asifik Ktara
3,$Q
Napisan di mana salinitas berkurang terhadap kedalaman disebut halocline. 0amun istilah halocline ini /uga digunakan untuk menyatakan lapisan dengan pertambahan salinitas terhadap kedalaman #gambar $.&$.
335 340 345
350
()
335 340 345
350
() Ha!o!ine
Ha!o!ine
500
500
1000
1000 % ($)
% ($)
(ambar $.&$. rofil halo+line pada distribusi *ertikal salinitas
,aia+i T$oal Bariasi tahunan dari salinitas di laut terbuka L ',5Q. 1aerah-daerah dengan *ariasi tahunan dari presipitasi yang besar seperti asifik utara, teluk Jenggala memiliki *ariasi tahunan salinitas besar. Bariasi musiman dari salinitas di perairan ndonesia, diperlihatkan pada gambar $.&3 dan gambar $.&. Bariasi harian dari salinitas sangat ke+il. 33
(ambar $.&3. "alinitas permukaan maksimal #Q obser*asi tahun &<5'-&<55.
(ambar $.&. "alinitas permukaan minimal #Q obser*asi tahun &<5'-&<55.
34
4atatan? 1istribusi *ertikal dari salinitas di bawah permukaan sangat dipengaruhi oleh pen+ampuran massa air. Kntuk kondisi-kondisi lokal tertentu aturan komposisi yang konstan tidak berlaku. Misalnya? &. 1aerah estuari #muara sungai? karena pengaruh air sungai total garam yang larut ke+il sehingga ratio antara unsur-unsur utama yang larut dengan salinitas total berbeda dengan yang di laut terbuka. $. 1i /ord dimana terdapat dua lapisan massa air dengan lapisan bawah yang relatif stagnan akibat pertukaran massa air dengan laut lepas dihambat oleh suatu "ill. )arena lapisan bawah stagnan maka kandungan O$ di lapisan ini men/adi minimum karena digunakan oleh mikroorganisme yang hidup di lapisan dalam. )arena konsentrasi O$ sangat minim mikroorganisme yang hidup dilapisan dalam menggunakan "O$- sebagai pengganti O$ sehingga ratio "O$- : salinitas total berbeda dengan di laut terbuka. Open oean
or air tawar /asi! penairan es air asin O2 $ini$u$ i!!
konisi anaro-ik kanunan O 20
(ambar $.&5. lustrasi /ord 3. 1i daerah pemekaran dasar samudera, di daerah ini terdapat banyak input dari gas-gas *ulkanik termasuk 4l-.
35
. 1i dalam sedimen dasar laut, reaksi dengan sedimen dapat menambah konsentrasi unsur-unsur di dalam air laut. 5. 1i perairan dangkal yang mendapat pemanasan yang kuat, akibat reaksi kimia dan : atau biologi bisa mengendapkan 4a$ sehingga ratio
4a$
:salinitas
berbeda dengan di laut terbuka.
total,
P$!$!t&a! Sali!ita+ Ai La&t
a. 3aa Kla+i# 4ara ini merupakan +ara kimia dimana salinitas ditentukan dari konsentrasi +hlor #+hlorinitas di dalam sampel air laut dengan +ara titrasi menggunakan perak nitrat #Ag0O3. "alinitas ditentukan berdasarkan hubungan empiris. "#Q ! &,'655 E 4l #Q )etelitian persamaan empiris ini S ','$Q. "ampai pada tahun &<55 penentuan salinitas air laut, masih menggunakan hubungan empiris di atas. . 3aa Mo"$! 4ara modern merupakan +ara fisika dimana salinitas air laut ditentukan berdasarkan kondukti*itas air laut. )ondukti*itas air laut adalah kapasitas air laut untuk menghantarkan arus listrik. )ondukti*itas ini adalah fungsi dari suhu dan salinitas. Alat ukur salinitas berdasarkan kondukti*itas air laut di sebut salinometer. )etelitian alat ini men+apai S ',''3%o. Alat ukur yang dipakai untuk menentukan salinitas, suhu dan kedalaman #tekanan disebut 41 #4ondu+ti*ity, emperature and 1epth. "e/ak tahun &<6', definisi salinitas #berdasarkan kesepakatan internasional didasarkan pada formula empiris yang melibatkan rasio kondukti*itas, >. R =
Konduktivi tas air laut Konduktivitas laru tan KCl s tan dard
36
)onsentrasi larutan )4l standard adalah 3,$356Q. Hubungan empiris dari salinitas sebagai fungsi dari > pada suhu &5 o4 dan tekanan & atm #> &5 diberikan? "!','''-',&6<$.>&5&:$ $5,35&.>&5 &,'<&. >&5 3:$ @ 7,'$6&. >&5$ ,7'&.>&55:$ "atuan dari " adalah psu yaitu pra+ti+al salinity unit #satuan salinitas praktis yang setara dengan Q. Jila >&5 !&, dari hubungan di atas diperoleh "!35,' psu T 35Q. Algoritma komputer digunakan untuk rasio kondukti*itas pada temperatur dan tekanan selain &5G4 dan & atm ke >&5.
•
Wa#t& Ti!ggal (Recidence time)
Jila proses pengeluaran gas-gas #out gassing di daerah pemekaran dasar samudera dan gunung api bawah laut serta proses pelapukan batuan kerak bumi terus berlangsung tentunya kita menduga laut akan bertambah asin. etapi pada kenyataannya air laut tidak bertambah asin karena laut berada pada kesetimbangan kimia. )arena air laut tidak bertambah asin, maka kita dapat menyimpulkan bahwa la/u perubahan:penambahan ion-ion ke dalam laut sama dengan pengurangan ion-ion dari dalam laut. 1engan perkataan lain proses penambahan garam akan diimbangai dengan la/u yang sama oleh proses pengurangannya. ertanyaannya sekarang? Jerapa lama unsur-unsur yang larut berada di dalam laut = ..I Jarth tahun &<5$ membuat suatu konsep untuk menentukan waktu tinggal dari unsur-unsur yang larut di dalam air laut. 2umlah total 9at yang larut di dalam air laut Iaktu inggal !
Na/u penambahan atau pengurangan 9at tersebut dari laut
37
Iaktu tinggal yang lama menun/ukkan proses pengurangan yang ke+il, misalnya proses pengurangan 4l - dan 0a adalah lewat penguapan. 4a$ di keluarkan se+ara biologis oleh organisme seperti +oral, +oraline algae dan berbagai /enis plankton yang kemudian membentuk 4a4o 3. Iaktu tinggal beberapa unsur yang larut di dalam air laut di perlihatkan oleh abel $.3. abel $.3. Iaktu tinggal komponen utama pembentuk air laut
U!+& 2a!g la&t
Wa#t& ti!ggal (Ta'&!)
4hlor #4l- "odium #0a
6 2uta
Magnesium #Mg$
&3 2uta
otasium #)
&$ 2uta
"ulfat #"O$-
&& 2uta
4alsium #4a$ 4arbonat #4O3$-
•
&'' 2uta
& 2uta &&'.'''
"ilika #"i
$'.'''
Air #H$O
3.5''
Mangan #Mn
&.3''
Aluminium #Al
6''
Jesi #e
$''
T$#a!a! Ai La&t
ekanan air laut ditentukan dari rumus hidrostatis p ! -ρg9
38
anda minus diberikan karena di dalam oseanografi 9 diambil negatif ke arah bawah. "atuan dari tekanan yang dipakai dalam oseanografi adalah de+ibar. & dbar ! &:&' bar! &'5 dyne:+m$. & bar ! & tekanan atmosfer. p
! -ρg9
p
! gr:+m3.+m:det$.+m ! gr +m:det$.&:+m$ ! dyne:+m$ ! dbar.
Misalkan kita ingin menentukan tekanan air pada kedalaman & meter. p ! -ρg9
ρ ! &,'35 gr:+m3 g ! <' +m:det$ 9 ! -&'' +m p ! - #&,'35 gr:+m3 E <' +m:det$ E #-&'' +m ! &'&3' gr +m:+m$ det$ ! &'&3' dyne:+m $. ! &,'&3' dbar ≈ & dbar 2adi tekanan air pada kedalaman & m ≈ & dbar. 1i dalam oseanografi diambil pendekatan tekanan air laut naik sebesar & dbar untuk pertambahan kedalaman & meter. 2adi pada kedalaman &''' meter tekanan air ≈ &''' dbar. )ini ahli oseanografi /uga menggunakan satuan internasional #" untuk menyatakan satuan dari tekanan. 1i dalam satuan nternasional, an/ang CND dinyatakan dalam m. Massa CMD dinyatakan dalam kg. Iaktu CD dinyatakan dalam detik. p ! -ρg9 p ! Ckg:m3D Cm:det$D CmD ! Ckg m:det$m$D ! C0:m$D ! CaD 39
2adi dalam satuan internasional tekanan air laut dinyatakan dengan as+al #a. Jila kita menggunakan satuan
internasional tekanan air
laut dapat
didekati sebagai p ! - &' 9 a. Hal ini dapat kita lihat dari pen/elasan berikut g ! <, m:det$
ρ ! &'35 kg:m3 ρg ! &'35 kg:m 3 E <, m:det$ ! &'&3 kg:m$ det$. p ! -ρg9 ! -&'&3 kg:m$det$m 9 0:m$ ! -&'&3 9 a. atau p ! -&,'&3 E &' ; ≈ -&' 9
•
D$!+ita+ Ai La&t
1ensitas air laut adalah fungsi dari salinitas, suhu dan tekanan #kedalaman
ρ ! ρ#s,t,p 1ensitas akan bertambah besar bila salinitas bertambah, suhu berkurang dan tekanan bertambah. 1i lapisan permukaan perubahan densitas sangat ditentukan oleh salinitas dan suhu air laut, efek suhu lebih dominan daripada efek salinitas. 1i lapisan dalam perubahan densitas ditentukan oleh perubahan tekanan. Jila kita hanya menin/au efek dari salinitas dan suhu sa/a terhadap perubahan densitas, *ariasi dari densitas ke+il yang berkisar antara &,'$'@&,'3' gr:+m3. fek tekanan terhadap perubahan densitas /auh lebih besar daripada efek suhu dan salinitas. Misalnya di permukaan ρ ! &,'$ gr:+m3, di kedalaman 5''' m densitas ρ ! &,&5& gr:+m3. )arena densitas air laut lebih besar daripada & gr:+m 3 tetapi tidak pernah melampaui &,& gr:+m3 maka untuk memudahkan penulisan ahli oseanografi menggunakan parameter sigma # σ untuk menyatakan densitas. 1efinisi dari
σ #s,t,p #sigma insitu. σ",t,p ! #ρ",t,p @& E &'3 40
Misal?
ρ",t,p ! &,'$75 σ",t,p ! #&,'$75 @ &E&' 3 ! $7,5 Jeberapa parameter lain yang digunakan untuk menyatakan densitas adalah sigma-t #σt
σt ! #ρs,t,' @ & E &'3 σt ! densitas air laut pada tekanan atmosfer #di permukaan. a fungsi dari salinitas dan suhu. sigma-nol #σo ?
σo ! #ρs,',' - & E &'3 σo ! densitas air laut pada ! ''4 p ! tekanan atmosfer ni hanya fungsi dari salinitas sa/a. Hubungan empiris antara σo dan salinitas #+hlorinitas diberikan oleh ?
σo ! ','6< &,7' 4l @',''&57' 4l$ ',''''3 4l 3. Hubungan antara σt dan σo diberikan oleh?
σt ! σo @1 di mana 1? faktor koreksi #diberikan dalam tabel 1ensitas air laut dapat /uga dinyatakan oleh *olume spesifik # α.
α",t,p ! &:ρ",t,p 1i dalam perhitungan arus geostropik densitas air laut dinyatakan oleh anomali *olume spesifik #δ.
41
δ ! α",t,p - α35,',p α35,',p ! Bolume spesifik air laut dengan "!35 Q, ! ''4 dan p!dbar. α",t,p ! Bolume spesifik insitu. >umus perhitungan geostropik adalah V 2
p 2 p 2 − V 1 = 2 LΩ sin φ ∫ δ B dp − ∫ δ Adp p1 p1 1
di mana?
δJ
! anomali *olume spesifik di stasiun J
δ A
! anomali *olume spesifik di stasiun A
φ
! lintang tempat
N
! /arak antara stasiun A ke stasiun J
Ω
! ke+epatan sudut rotasi bumi
B$ @ B&
! ke+epatan relatif antara permukaan isobar p& yang dirata ratakan di antara stasiun A dan J.
Anomali *olume spesifik ditentukan oleh 6 parameter.
δ ! δ" δt δs,t δ",p δt,p δ",t,p δ",t,p LL sehingga dapat diabaikan. iga suku pertama di ruas kanan digabung dalam satu parameter
∆ ",t! δ" δt δ",t. ∆ ",t disebut anomali termosterik, ia hanya fungsi dari salinitas dan suhu. δ ! ∆ ",t δ",p δt,p
42
Bolume spesifik pada tekanan atmosfer diberikan oleh ? α S t 0
atau
α S t 0
=
1
ρ S t 0
= 1−
=
10
1
− 1 + 10 3σ t
−3σ
t
−3 1 + 10 σ
t
Anomali termosterik dinyatakan oleh
∆",t ! α",t,' - α35,',' atau
∆S t
= 1−
10
−3σ
1 + 10
t
−3σ
− α 3500
t
1engan mengambil α35,',' ! ',<7$6, diperoleh? ∆S t
= 002756 −
10
−3σ
t
−3 1 + 10 σ
t
)arena adanya hubungan anomali termosterik dengan σt maka ∆",t sering /uga digunakan untuk menyatakan densitas air laut. arameter lain yang /uga sering digunakan untuk menyatakan densitas air laut adalah sigma , θ.
σθ ! #ρ", θ,' @ & E &'3 di mana
θ ! suhu potensial σθ ! densitas potensial air laut. ni adalah densitas air laut bila sampel air laut di bawa ke permukaan se+ara adiabatik. arameter-parameter yang sering digunakan untuk menyatakan densitas air laut adalahσt #paling sering &.
δ
$.
∆",t
3.
σθ 43
Di+ti&+i Hoi+o!tal "a! ,$ti#al "ai D$!+ita+ 1ensitas air laut bertambah dari ekuator menu/u lintang tinggi. σt bertambah dari $$ di dekat ekuator men/adi $6 di 5' G dan $7 di lintang 6'G. 1i luar 6'G σt sedikit berkurang.
Kmumnya densitas air laut bertambah terhadap kedalaman. Air yang ringan berada di atas #permukaan dan air yang berat berada di lapisan dalam. etapi densitas di laut tidak bertambah se+ara seragam. 1i daerah ekuator dan tropis biasanya terdapat suatu lapisan yang mana densitasnya seragam, dan di bawah lapisan ini tedapat suatu lapisan di mana densitas bertambah dengan +epat terhadap kedalaman. Napisan ini disebut lapisan piknoklin. 1i bawah lapisan piknoklin ini densitas bertambah se+ara perlahan dengan kedalaman. 1i lintang tinggi densitas lapisan permukaan tidak /auh berbeda dengan densitas di lapisan dalam, σt di lapisan permukaan ! $7,5 dan di kedalaman lebih besar dari $''' meter, σt ! $7,<. )arena perbedaan yang ke+il ini lapisan piknoklin di lintang tinggi tidak senyata di ekuator dan tropis. Nihat gambar $.&6.
44
(ambar $.&6. 1istribusi *ertikal densitas di kuator, ropis dan Nintang inggi
•
Stailita+ Kolo Ai
"tabilitas kolom air ditentukan oleh la/u perubahan densitas terhadap kedalaman. E = −
1 d ρ ρ
dz
! "tabilitas Jila dρ:d9 L ', densitas bertambah terhadap kedalaman, maka R ' artinya kolom air stabil. ada kondisi ini air yang ringan berada di atas air yang berat. )ondisi yang stabil ini akan menghalangi gerakan *ertikal massa air. "ampel air dengan densitas tertentu di bawa ke le*el dengan densitas yang lebih berat akan kembali ke posisi semula akibat gaya apung #bouan+y karena ia lebih ringan daripada air di sekitarnya. "ebaliknya bila sampel air tersebut ke le*el dengan densitas yang lebih ringan akan kembali ke posisin semula karena ia lebih berat dari pada air disekitarnya. Napisan piknoklin atau termoklin adalah lapisan yang sangat stabil. 1i lapisan yang stabil gerak massa air umumnya hori9ontal. Jila dρ:d9 R '? 1ensitas berkurang terhadap kedalaman, maka L ' artinya kolom air tidak stabil. Air yang berat berada di atas air yang ringan, akibatnya ter/adi gerakan *ertikal dari masa air ke arah bawah. 1i daerah Antartika, akibat proses pendinginan dan pembentukan es maka densitas air di permukaan lebih besar daripada air di lapisan bawah. Akibatnya ter/adi gerakan *ertikal massa air dari permukaan ke lapisan dalam.
45
Jila dρ:d9 ! ', dimana densitas tidak berubah terhadap kedalaman, maka ! ', kolom air disebut netral #stabilitasnya netral. "tabilitas dapat /uga dinyatakan dengan la/u perubahan σt terhadap kedalaman. E =
−
1 d ρ
dz
ρ
,
&:ρ≈&
σt ! #ρ - & E &'38
! -&'-3 dσt:d9
4ontoh perhitungan stabilitas diperlihatkan pada abel $. berikut. abel $.. erhitungan stabilitas kolom air
K$"alaa!()
σt
'
$6,$
-'' E &'-
idak stabil #stabil negatif
-&'
$6,3
-&'' E &'-
idak stabil #stabil negatif
-5'
$6,3
' E &'-
"tabil #stabil positif
-&''
$6,5
'
0etral#stabil netral
-$''
$6,5
E
Ti$ Stailita+
erhitungan stabilitas yang tepat sangatlah rumit karena air pada dasarnya dapat dimampatkan. fek utama dari kompresibilitas #tekanan adalah ke+enderungan turunnya densitas partikel air bila ia bergerak ke arah atas, karena pengurangan tekanan mengakibatkan air mengalami ekspansi. etapi suhu
in
situ
akan
berkurang
karena
pendinginan
adiabatik,
yang
mengakibatkan densitas +enderung untuk bertambah. Kntuk banyak keperluan, stabilitas dapat dihitung dengan ketelitian yang +ukup menggunakan perubahan densitas potensial terhadap kedalaman. E =
−1
ρ
d ρ S θ 0 dz
∂σ θ × 10 − 3 ρ ∂ z
=−1
etapi karena kompresibilitas merubah suhu, kadang-kadang persamaan di atas dapat memberikan kesimpulan yang salah. "uatu formula yang eksak tentang stabilitas adalah 46
E = −
1 d ρ
ρ dz
− g 2 c
dimana ρ adalah densitas insitu dan + adalah ke+epatan suara. Ahli oseanografi sering menggunakan ukuran stabilitas yang lain yang disebut f$#&$!+i B&!t 4 ,5i+5l5. Jayangkan suatu *olume air uang ke+il ditempatkan di dalam suatu balon pada kedalaman $''' m. Air di dalam balon dapat mengalami ekspansi atau kontraksi akibat perubahan tekanan. Misalkan balon diangkat beberapa meter di atas posisi seimbangnya dikedalaman $''' m. Air di dalam balon lebih berat daripada sekitarnya8 bila dilepas ia akan turun. )arena ia telah mempunyai momentum balon tidak berhenti di kedalaman $''' m dimana densitasnya sama dengan densitas air disekitarnya tetapi terus turun melewati kedalaman $''' m dan akhirnya berhenti di suatu kedalaman di bawah $''' m. )arena di kedalaman ini densitas air di dalam balon lebih rendah daripada densitas air di sekitarnya maka ia akan didorong naik ke atas. )embali ia akan melewati le*el $''' m dan bila tidak ada gesekan balon ima/iner kita ini akan berosilasi naik turun di sekitar kedalaman $''' m se+ara kontinu. "emakin besar gradien densitas atau semakin besar stabilitas akan semakin +epat osilasinya. eriode osilasi diberikan oleh T =
2π
N
8
N
=
gE
dimana N disebut frekuensi Jrunt @ BUisUlU. erioda paling pendek yang ditemui di laut adalah sekitar & menit yang berhubungan dengan nilai stabilitas E ≅ 10 −5 cm . 1i laut dalam di mana orde stabilitasnya antara &'-<:+m sampai &'-&':+m, periode Jrunt @ BUisUlU ordenya antara 3 hingga 5 /am. 1i daerah @ daerah dimana laut adalah stabil netral perioda Jrunt @ BUisUlU adalah tidak berhingga. Jila perpindahan parsel air ter/adi di sekitar piknoklin # picnocline maka piknoklin akan berisolasi dan menyebar mebentuk g$loa!g i!t$!al
47
#internal wave. rekuensi atau perioda Jrunt @ BUisUlU dari osilasi piknoklin ini merupakan frekuensi atau perioda gelombang internal. "tabilitas yang dibahas di dalam uraian di atas disebut +tailita+ +tati# #static stability yaitu stabilitas yang dikaitkan dengan perubahan densitas terhadap kedalaman. Jila ke+epatan berubah dengan kedalaman di dalam suatu aliran terstratifikasi yang stabil, aliran dapat men/adi tidak stabil bila perubahan ke+epatan terhadap kedalaman #shear ke+epatan +ukup besar. )etidakstabilan ini disebut #$ti"a#+taila! "i!ai# yaitu fluida yang stabil men/adi tidak stabil karena adanya shear ke+epatan yang besar. entingnya peranan stabilitas statik relatif terhadap ketidakstabilan dinamik dinyatakan oleh ila!ga! Ri1'a"+o! #>i? Ri
=
embilang
gE 2 ∂u ∂ z
menyatakan kekuatan dari stabilitas statik dan
penyebut
menyatakan kekuatan shear ke+epatan yang merupakan faktor penentu ketidakstabilan dinamik. Jila pembilang lebih besar daripada penyebut aliran adalah laminer #stabil sebaliknya bila penyebut lebih besar daripada pembilang, aliran men/adi tidak stabil dan men/adi turbulen.
Ri 〉 0125 aliran stabil #laminer
Ri 〈0125 aliran turbulen )arena laut +enderung terstratifikasi dengan kuat dan arus +enderung lemah maka per+ampuran oleh turbulen #turbulent mixing ke+il atau /arang. Jilangan >i+hardson yang ke+il bukan satu-satunya kriteria untuk turbulen. )riteria lain adalah ila!ga! R$2!ol" #>e yang besar. 48
Re
= uL ν
u =
L
ke+epatan tipikal aliran
= pan/ang tipikal dari aliran untuk aliran di dalam pipa8 L = D
#diameter pipa
ν = *iskositas kinematik dari fluida
Re 〉 2000 aliran turbulen
BAB III HUBUNGAN ANTARA SUHU DAN SALINITAS
1alam setiap penelitian oseanografi parameter-parameter yang selalu diukur ialah suhu, salinitas, kandungan O $, dan kandungan 9at hara #nutrient ? fosfat, nitrat, silikat. 1ari data pengamatan lapangan kita dengan mudah dapat menggambarkan distribusi salinitas atau suhu terhadap kedalaman. 0amun distribusi suhu dan salinitas terhadap kedalaman ini tidak dapat digunakan untuk menyatakan karakteristik suatu perairan karena ia berubah dengan waktu. 1istribusi suhu atau salinitas terhadap kedalaman pada musim dingin berbeda dengan musim panas. 1istribusi suhu atau salinitas terhadap kedalaman pada musim hu/an berbeda dengan musim kemarau. 2adi kita harus memilih +ara lain untuk
menyatakan karakteristik
suatu
perairan yang merupakan
gambaran perairan tersebut sepan/ang waktu #gambaran yang tidak berubah dengan waktu. )arakteristik suatu perairan dapat kita gambarkan dengan memplot data suhu dan salinitas terhadap kedalaman. Hubungan suhu dan salinitas terhadap kedalaman disebut "iaga T-S. 1iagram -" adalah unik untuk tiap perairan, diagram -" suatu perairan berbeda dengan diagram -" perairan yang lain. 1engan perkataan lain masing-masing perairan memiliki diagram -" yang unik8 kita dapat mengatakan diagram -" suatu perairan 49
merupakan sidik /ariP perairan tesebut. 1iagram -" suatu perairan diperlihatkan oleh gambar 3.& #biasanya diagram -" digambarkan bersama kur*a sigma t K$g&!aa! "iaga T-S 6 1.
1apat digunakan untuk menge+ek apakah data suhu dan salinitas yang didapatkan dari lapangan dapat diper+aya atau tidak.
2.
1apat digunakan untuk meng-identifikasi massa air dan menentukan proses pen+ampuran.
3.
1apat digunakan untuk melihat kestabilan kolom air.
4.
1apat digunakan untuk mela+ak gerakan massa air dengan +ara membandingkan beberapa diagram -" dari suatu perairan.
(ambar 3.&. 4ontoh 1iagram -" suatu perairan P$!7$la+a!6 &. )ur*a -" yang diplot berdasarkan data suhu dan salinitas yang baik akan berupa kur*a yang smooth. Jila kur*a -" yang diperoleh dari data lapangan tidak smoothP maka kita dapat mengatakan bahwa data tersebut salah atau tidak baik #gambar 3.$.
50
$. 4ontoh penggunaan diagram -" untuk mengidentifikasi massa air. 1alam +ontoh ini kita akan men+oba mengidentifikasi 3 massa air yaitu Antarctic Bottom Water #AAJI, Antarctic Intermediate Water #AAI, dan North Atlantic Deep Water #0A1I. )arakteristik ketiga massa air tersebut diatas, adalah sebagai berikut ? AAJI -'.5' 4 @ '' 4
3.6 @ 3.7 ':''
0A1I $' 4 @ ' 4
3.< @ 35
AAI
3' 4 @ ' 4
'
:''
3.$ @ 3.3 ':''
"e+ara umum kita dapat menyatakan AAJI di+irikan oleh suhu yang rendah, 0A1I di+irikan oleh salinitas yang tinggi dan AAI di+irikan oleh salinitas yang rendah.
• • •
# 0C
•
•
•
ura #" :an s$oot/
• 000
•
•
•
•
•
# 0C
•
• •
• •
ura #" &an tiak s$oot/
•
•
•
000
51
(ambar 3.$. 4ontoh diagram -" smooth dan tidak smooth
AAJI terbentuk di Weddell ea di Antartika akibat proses pendinginan dan pembentukan es. Air dengan densitas yang besar dipermukaan turun menyusuri paparan benua dan lereng benua Antartika dan menyusuri dasar laut membentuk AAJI. AAJI bergerak se+ara perlahan menu/u eVuator. AAI terbentuk didaerah kon*ergensi Antartika bergerak turun kelapisan dalam. 0A1I terbentuk di laut-laut 0orwegia dan (reenland, bergerak kearah selatan. 0A1I mengalir diantara AAI dan AAJI. (erakan ketiga massa air tersebut diperlihatkan oleh gambar 3.3 berikut ?
> ρ >> #<
onerensi ,ntartika 0
0
0
9
450
,,><
,ntartika
N,D<
*ena$pan $e!intan ;erakan $assa air Di!autan ,t!antik
,,=<
(ambar 3.3. lustrasi sirkulasi AAJI, AAI dan 0A1I di lautan Atlantik
1iagram -" dari lokasi di lautan Atlantik pada lintang
ini terdapat massa air dari 0A1I yang ditandai oleh harga salinitas yang tinggi maksimum. ada kedalaman '' m kita melihat adanya salinitas yang rendah #salinitas minimum. )isaran suhu dan salinitas dekat dengan kisaran suhu dan salinitas AAI walaupun pada kedalaman '' m tersebut kisaran suhu dan salinitasnya lebih besar dari kisaran suhu dan salinitas AAI.
(ambar 3.. dentifikasi massa air AAI,AAJI,0A1I dari diagram -"
)ita
dapat
menyimpulkan pada
kedalaman
'' m
ini
ter/adi
pen+ampuran antara AAI dengan massa air di laut Atlantik "elatan di lintang
3. "uatu kolom air dikatakan stabil /ika kur*a -" memotong kur*a σt kearah bawah #kearah per-tambahan σt. Jila kur*a -" memotong 53
kur*a σt kearah atas #kearah pengurangan σt maka kolom air dikatakan tidak stabil. Jila kur*a -" se/a/ar dengan kur*a σt maka kolom air netral. 1ari gambar 3.5 dapat kita lihat bahwa dari permukaan sampai kedalaman 3'm kur*a -" se/a/ar dengan kur*a σt , /adi pada kedalaman ini kolom air stabil netral. 1ari kedalaman 3'm @ &'''m kur*a -" memotong kur*a σt kearah bawah #kearah pertambahan σt8 kolom air pada inter*al ini stabil.
(ambar 3.5. enggunaan diagram -" pada penentuan kestabilan kolom air
. 4ontoh penggunaan -" diagram untuk mela+ak gerakan massa air. 1isini kita tin/au gerakan massa air laut engah yang hangat dan asin #"!3.5 ':'' , !&3' 4 memasuki perairan Atlantik utara bagian timur yang massa airnya lebih dingin dan kurang asin #lebih ringan dari air laut engah.
54
)arena massa air laut engah lebih berat daripada massa air lautan Atlantik Ktara bagian timur maka ia turun memasuki laut Atlantik melalui selat (iblartar sampai ke kedalaman &5''m dimana densitasnya sama dengan densitas air lautan Atlantik Ktara bagian timur #gambar 3.6. 1i kedalaman &5''m ini massa air laut engah menyebar ke bagian interior lautan Atlantik.
(ambar 3.6. (erakan massa air laut engah memasuki lautan Atlantik Ktara bagian timur. )ita dapat merekonstruksi gerakkan massa air laut engah memasuki lautan Atlantik utara dengan +ara membandingkan dua diagram -" yang diambil dari dua lokasi yang berbeda dilautan Atlantik. Nokasi "tasiun & dan "tasiun $ dimana
dilakukan
pengambilan
data
suhu
dan
salinitas
dibeberapa
kedalaman diperlihatkan oleh gambar 3.7a ? 1ari diagram -" dari stasiun & dan stasiun $ #gambar 3.7b kita dapat melihat dengan /elas bahwa pada kedalaman &$'' m di "tasiun & dan kedalaman &3'' m stasiun $ tampak adanya kenaikan harga salinitas yang menun/ukkan +iri massa air Naut engah. )ita dapat menyimpulkan bahwa kenaikan harga
55
salinitas pada kedalaman-kedalaman tersebut akibat dari pengaruh massa air laut engah yang ber+ampur dengan massa air Atlantik di kedua stasiun.
(ambar 3.7a. lustrasi letak stasiun & dan $ pada pengamatan dan "
(ambar 3.7b. 1iagram -" pada stasiun pengamatan & dan $ )enaikan harga salinitas di kedalaman &$'' m di stasiun & lebih nyata dibandingkan dengan di stasiun $, karena letak stasiun $ sudah /auh dari laut engah. 1i stasiun $, massa air laut engah sudah banyak ber+ampur dengan massa air laut Atlantik utara.
56
1ari +ontoh ini dapat kita lihat dengan membandingkan diagram -" dari dua stasiun di Atlantik utara kita dapat mela+ak adanya gerakan massa air laut engah memasuki perairan Atlantik Ktara bagian timur.
57
BAB I, MASSA AIR DAN PR8SES PER3AMPURAN
Massa air memperoleh sifat-sifatnya di permukaan8 massa air mempunyai suhu dan salinitas yang spesifik. )arena perbedaan densitas massa air tidak ber+ampur dengan mudah bila mereka bertemu. Jiasanya massa-massa air ini mengalir di atas atau di bawah massa air yang lain. Massa air yang ringan mengalir di atas massa air yang berat. )arena suhu dan salinitas merupakan sifat air yang konser*atif maka massa air dapat dipertahankan sifat-sifatnya untuk /arak /auh dan waktu yang lama. ara ahli oseanografi memberi nama massa air menurut posisi mereka di laut. 1i lintang menengah dan tropis ada lima massa air yang umum yaitu? &. Surface water #massa air permukaan, sampai kedalaman $'' m. $. Central water #massa air pusat, sampai ke dasar #batas bawah thermocline8 ber*ariasi terhadap lintang. 3. Intermediate water #massa air pertengahan, sampai ke kedalaman sekitar &5'' m. . Deep water #massa air lapisan dalam, di bawah Intermediate water tetapi tidak sampai ke dasar, sampai ke kedalaman ''' m. 5. Bottom water #massa air dekat dasar, air yang berada di dasar laut. Arus permukaan bergerak di lapisan yang hangat dari surface dan central waters. )arakteristik massa ditentukan oleh proses-proses pemanasan, pendinginan, pembentukan es, penguapan dan difusi #pengen+eran yang semuanya ter/adi di permukaan dimana massa air terbentuk.
• Massa air paling berat #dan yang paling dalam terbentuk oleh kondisi permukaan yang menyebabkan air men/adi dingin dan asin #proses pendinginan dan pembentukan es di daerah kutub.
58
• Massa air dekat permukaan, lebih hangat dan kurang asin. erbentuk di daerah dimana presipitasi melebihi e*aporasi #R.
• Massa air di kedalaman intermediate, densitasnya pertengahan. • Massa air yang dingin yang berada di bawah termoklin, *ariasi suhu dan salinitasnya lebih ke+il dibandingkan massa air permukaan. Ada dua istilah yang perlu diperhatikan yakni ?
• Water type #tipe air ? mempunyai satu harga dan satu harga ", misalnya air Naut engah.
• Water ass #massa air ? mempunyai range "alinitas dan "uhu tertentu. 1idalam diagram -" water type merupakan suatu titik sementara water mass merupakan porsi #bagian dari kur*a @ " yang mempunyai range suhu dan salinitas tertentu.
en+ampuran dari $ atau lebih water type membentuk
massa air #water mass.
Po+$+ $1a&a! a++a ai Misalkan dua massa air homogen saling bertumpang tindih satu dengan lainnya. Massa air yang mempunyai suhu yang tinggi, salinitas rendah meliputi kedalaman ' @ &'' berada di atas massa air yang mempunyai suhu rendah, salinitas yang tinggi meliputi kedalaman &'' @ 3'' m. 1i dalam diagram @ " kedua massa air ini atau tepatnya kedua tipe air ini digambarkan sebagai titik-titik yang berbeda koordinatnya. )ondisi sebelum dan setelah ber+ampur diperlihatkan pada gambar .&. "ebelum ter/adi proses pen+ampuran kita melihat suatu bidang antara yang ta/am antara massa air dan massa air . "etelah ter/adi pen+ampuran bidang antara ini men/adi smooth dan kur*a -" men/adi suatu garis lurus.
59
(ambar .&. er+ampuran dari dua massa air. )ita dapat memperluas per+ampuran dua massa air men/adi per+ampuran tiga massa air. Jayangkan tiga massa air yang homogen saling tumpang tindih satu dengan yang lain. )etiga massa air berada pada lapisan $'' @ 6'' m, 6'' @ &''' m dan &''' @ &'' m. )ita anggap massa air di lapisan pertengahan dan lapisan dalam mempunyai suhu yang sama tetapi salinitasnya berbeda. rofil suhu dan salinitasnya diperlihatkan pada gambar .$a dan .$b. "ementara diagram @ " nya diperlihatkan pada gambar .$+. 1iagram & pada gambar .$ menyatakan kondisi sebelum ber+ampur sementara diagram $ dan 3 menun/ukkan urutan dari tahapan per+ampuran. "ebelum ber+ampur #tahap ketiga massa air dinyatakan oleh tiga titik di dalam diagram @ " 3 tipe air. "aat ter/adi per+ampuran #tahap $ bidang antara yang ta/am di antara massa air men/adi daerah transisi, batas-batas yang ta/am men/adi smooth. Air 60
dengan karakteristik antara '' @ '' m dan antara '' @ &$'' m tampak di dalam diagram @ ". Napisan air pertengahan dengan salinitasnya yang rendah. tampak /elas kelihatan. ni dikenal sebagai core water #air inti dan tampak di dalam diagram @ " sebagai titik yang ta/am. atkala core water terus dipengaruhi oleh per+ampuran lapisan atas dan lapisan bawah, sudut yang ta/am pada diagram @ " mulai terkikis dan plot @ " pada tahap 3 tidak tampak lagi sudut yang ta/am tetapi sudah berbentuk kur*a. ada tahap 3 ini +iri-+iri +ore water dari lapisan pertengah masih terlihat walaupun sudah tererosi karena proses per+ampuran. 1ari diagram dan " kita bisa melihat besarnya pen+ampuran yang ter/adi dan menentukan porsi atau prosentase dari massa air yang ber+ampur. Misalkan dua type air dengan dan " yang berbeda ber+ampur membentuk massa air dengan @ " yang tertentu. en+ampuran dua type air ini digambarkan dengan suatu garis lurus dalam diagram @ " dan massa air yang terbentuk oleh pen+ampuran terletak pada garis lurus tersebut. 1isini kita ingin mengetahui berapa besar porsi #prosentase dari dua tipe air tersebut dalam membentuk massa air baru lewat proses pen+ampuran. Misalkan massa air #&, "& ber+ampur dengan massa air #$, "$ membentuk massa air > #>, ">. #gambar .3
61
(ambar .$ er+ampuran tiga tipe air
62
#'4
&
a
>
>
b
> ! massa air dengan > dan "> yang terbentuk akibat per+ampuran type air dan type air
$
"$
">
"&
"#':''
(ambar .3. enentuan porsi massa air dan massa air dalam membentuk massa air > menggunakan diagram dan "
1ari gambar .3 dapat ditentukan massa air massa air
=
b a
Atau prosentase massa air ! b: #ab E &''%. 4ontoh? Massa air mempunyai suhu ! 5F4, salinitas 35.5 ':'' ber+ampur dengan massa air dengan ! $ '4 dan " ! 3,5 ':''. Massa air yang terbentuk oleh pen+ampuran mempunyai ! 3 '4 dan " ! 3,5 ':''. Jerapa porsi dari massa air dan massa air yang membentuk massa air baru #> tersebut di atas= lot massa air , dalam massa air > hasil per+ampuran massa air dan di dalam diagram diperlihatkan pada gambar .. orsi massa : orsi massa ! b:a engukuran segmen a dan segmen b dari gambar memberikan nilai & ? $ b a
=
3−2
atau 34,85 − 34,5 = 5 − 3 35,5 − 34,85
orsi massa air !
1 1+ 2
1 2
× 100% =
33.3%
63
orsi massa air !
2 1+ 2
× 100% =
66.7%
(ambar .. enentuan prosentase massa air dan pada massa air hasil per+ampuran #>.
)ontribusi massa air /auh lebih besar daripada kontribusi massa air dalam membentuk massa air yang diwakili oleh titik > pada diagram -". Anda dapat menin/au titik > pada kur*a @ " yang dinyatakan oleh garis lurus dengan lokasi yang berbeda-beda. Jesar kontribuasi dari massa air yang terlibat dalam pen+ampuran tergantung pada /arak titik > terhadap titik yang mewakili massa air atau massa air . rosedur pen+ampuran dua massa air membentuk suatu massa
air dapat
dikembangkan untuk kasus
pen+ampuran 3 massa air # , , .
64
1alam kasus per+ampuran tiga massa:type air, massa air hasil per+ampuran #> di dalam diagram @ " terletak di dalam segitiga yang dibentuk oleh penyatuan titik-titik yang mewakili massa air , dan . 2ika suhu dan salinitas massa air > #>, "> diketahui dari pengukuran, se+ara grafis kita dapat menentukan berapa persen kontribusi massa air , dan dalam membentuk >. Hal ini diperlihatkan pada gambar .5.
(ambar .5. enentuan prosentase massa air , dan dalam membentuk massa air >. an/ang segmen a, b, +, d dan e ditentukan menggunakan mistar. erbandingan porsi massa air , massa air dan massa air adalah ? ? =
b a+b
?
d ++d
?
f e + f
1ari gambar .5 diperoleh ? ? = 0,40 ? 0,45 ? 0,15
= 40 % ? 45 % ? 15 % 65
2adi massa air > merupakan hasil per+ampuran '% massa air , 5% massa air dan &5% massa air .
4ontoh? )ita ingin mengetahui kontribusi massa air 0orth Atlanti+ 1eep Iater #0A1I, massa air Antarti+ ntermediate Iater #AAI dan massa air di kedalaman '' dalam membentuk massa air di kedalaman '' m. Nihat gambar .6.
(ambar .6. 1iagram @ " di lautan Atlantik
× 100% =
17 14 + 17
× 100% =
55%
2adi prosentase AAI dalam membentuk massa air di kedalaman '' m adalah 55%. 66
1engan +ara yang sama diperoleh prosentase 0A1I di kedalaman '' m sebesar $5%, sementara prosentase massa air di kedalaman '' m adalah $'%.
Dif&+i Ga!"a Aliran di laut adalah turbulen dan proses pen+apuran terutama akibat adukan turbulent eddies. 0amun demikian walaupun tanpa turbulen perbedaan dari suhu dan salinitas dapat menghasilkan pen+ampuran akibat proses difusi molekuler. 1i beberapa daerah laut diamati, air yang ringan berada di atas air yang berat tetapi kolom air tidak stabil meskipun tidak ada arus. Misalnya ? air yang hangat dan asin berada di atas air yang dingin tetapi kurang asin8 kondisi ini akan mengakibatkan ter/adinya transfer panas dan transfer garam, dari air lapisan atau ke air lapisan bawah akibat proses difusi molekuler. 1i sini ada $ proses difusi yaitu difusi panas dan difusi garam atau difusi ganda #double diffusion. 1ifusi ganda panas dan garam ini disebut /uga Salt !ingering #(ambar .7
! diffusi garam
8
↓ ! ransfer anas atau diffusi panas
(ambar .7 lustrasi difusi garam dan difusi panas pada proses salt fingering
67
1iffusi panas &'' kali lebih +epat daripada diffusi garam. ransfer panas yang +epat dari lapisan yang hangat lebih asin ke lapisan yang dingin dan kurang asin dapat menyebabkan ketidakstabilan skala ke+il yang berkontribusi pada per+ampuran *ertikal. in/au dua lapisan tipis dengan ketebalan beberapa meter di lapisan oleh suatu bidang batas yang ta/am. 2ika lapisan atas hangat dan asin sementara lapisan bawah dingin dan kurang asin, bidang batas tidak stabil meskipun lapisan atas lebih ringan dari pada lapisan bawah. en/elasannya adalah sebagai berikut. )arena transfer panas lebih +epat daripada transfer garam maka suatu lapisan air yang dingin dan asin terbentuk diantara kedua lapisan yang semula. Napisan antara yang dingin dan asin ini lebih berat dari pada lapisan bawah yang dingin dan kurang asin. Akibatnya air dari lapisan antara ini turun ke lapisan bawah. Air yang turun dari lapisan antara ini bentuknya mirip /ari dengan diameter & @ 5 +m dan pan/ang sepuluhan +entimeter. )arena berbentuk /ari maka difusi ganda ini disebut /uga salt fingering #lihat gambar .. roses difusi ganda pertama kali diamati di bawah aliran keluar dari air Naut engah memasuki Nautan Atlantik Ktara bagian imur. "ekarang telah diketahui bahwa "alf ingering dan proses-proses yang terkait dengannya dapat memberikan konstribusi yang signifikan pada pen+ampuran *ertikal di laut. fek dari "alf ingering yang mempunyai skala sangat ke+il mempengaruhi karakteristik massa air skala besar. 1ensitas awal
Hangat, asin ρ& dingin, kurang asin ρ$
1ensitas densitas setelah beberapa menit Hangat, asin ρ& dingin, asin ρ R ρ$ dingin, kurang asin ρ$
(ambar .. Mekanisme ter/adinya salt fingering
68
P$!1a&a! "i Da$a' Ko!9$g$!+i 1aerah kon*ergensi ? daerah pertemuan dua atau lebih arus. pertemuan ini
ter/adi per+ampuran massa air dan
1i daerah
massa air
hasil
pen+ampuran akan turun #inking ke lapisan dalam #(ambar .<.
)on*ergensi
inking Water
(ambar .<. lustrasi proses terbentuknya sinking water di daerah kon*ergensi
Ada dua tipe pen+ampuran massa air di daerah kon*ergensi yaitu pen+ampuran lateral dan pen+ampuran *ertikal ? &. en+ampuran Nateral Jila di daerah kon*ergensi σ berubah se+ara teratur maka pen+ampuran t
yang ter/adi merupakan pen+ampuran lateral. en+ampuran
ter/adi
di sepan/ang
permukaan
σ t ,
pen+ampuran
ini
membutuhkan energi yang ke+il #gambar .<. Jila diagram @ " dibuat di daerah kon*ergensi dalam arah hori9ontal maka bentuknya akan identik dengan diagram @ " se+ara *ertikal di suatu lokasi di luar daerah kon*ergensi. 4ontoh en+ampuran lateral ? en+ampuran air laut engah dengan air Naut Atlantik. Air Naut engah turun #!arena berat memasuki Atlantik Ktara bagian imur.
69
(ambar .&'. rofil densitas pada perairan yang mengalami per+ampuran lateral
$. en+ampuran Bertikal Jila pertambahan σt σ di daerah kon*ergensi ter/adi se+ara a+ak atau tidak t
teratur, pen+ampurannya ter/adi bukan di sepan/ang permukaan σ tetapi t
memotong permukaan σ . en+ampuran ini membutuhkan energi yang lebih t
besar dan disebut pen+ampuran *ertikal #gambar .&&. 1iagram @ " dalam arah hori9ontal di daerah kon*ergensi tidak identik dengan diagram @ " se+ara *ertikal di luar daerah kon*ergensi.
(ambar .&&. rofil densitas pada perairan yang mengalami per+ampuran *ertikal 70
3aalli!g 1ua massa air dengan densitas yang sama tetapi suhu dan salinitasnya berbeda yang be+ampur di daerah kon*egensi membentuk massa air baru dengan densitas yang lebih berat dan kemudian tenggelam #sink. roses pen+ampuran dan sinking ini disebut 3aalli!g. en+ampuran dua massa air dengan densitas yang sama tetapi suhu dan salinitas yang berbeda membentuk massa air baru dengan salinitas yang lebih besar diperlihatkan pada (ambar .&$. 1ari (ambar .&$. dapat dilihat bahwa massa air a dan massa air b densitasnya sama #karena terletak pada kur*a σt yang sama tetapi suhu dan salinitasnya berbeda. Massa air + merupakan hasil pen+ampuran a dan b yang densitasnya lebih besar daripada densitas a dan b. Massa air
Antarti+ ntermediate Iater, 0orth
Antarti+ ntermediate Iater dan beberapa Antarti+ Jottom Iater terbentuk oleh proses +aballing ini.
71
