FISIKA AWAN

PROSES PEMBENTUKAN  AWAN

Siklus hidrologi

Air merupakan satu-satunya komponen Atmosfer yang dapat berupa tiga bentuk zat yaitu cair(air), gas(uap) maupun padat(es). Perubahan dari satu bentuk menjadi bentuk yang lain di alam terjadi dalam suatu siklus yaitu siklus hidrologi. Siklus hidrologi meliputi proses evaporasi, kondensasi, presipitasi air,transpirasi termasuk juga proses transfer uap air,limpasan dan peresapan air tanah.

Awan

Awan merupakan kumpulan dari tetesan air atau Kristal es di Atmosfer yang terjadi karena uap air terlampau jenuh. Awan terbentuk ketika uap air menjadi jenuh dan mengalami kondensasi. Penjenuhan dapat terjadi karena penambahan air (penyatuan), tumbukan, atau kombinasinya.  Kumpulan dari uap air inilah yang dapat menyebabkan terjadinya hujan.

ü    Proses evaporasi

Proses penguapan air di permukaan bentangan air atau dari suatu bahan padat yang mengandung air. Sumber energy utamanya berasal dari matahari.

ü    Proses transpirasi

Penguapan air dari jaringan tumbuhan melalui stomata.

               

Evaporasi dan transpirasi akan menyebabkan bertambahnya uap air di atmosfer. Siklus hidrologi memerlukan energi panas dan kelembaban yang cukup.Untuk mencapai keseimbangan itu harus ada transfer air dan juga energi melalui arus laut atau arus massa udara. Pertukaran lengas juga terjadi antara daratan dan lautan melalui angin darat dan angin laut. Setelah itu terjadi transfer massa air ke laut melalui aliran perm.ukaan. Karena Daratan menerima presipitasi lebih besar dari evaporasi sehingga kelebihan massa air ini akan dikembalikan ke laut melalui aliran permukaan. Siklus ini ialah sirkulasi air yang tetap mulai dari lautan sampai ke udara dan kembali ke lautan.

Proses pembentukan butir awan

Proses pembentukan awan merupakan suatu rangakaian proses yang rumit dan melibatkan proses dinamik dan proses mikrofisik. Proses dinamik berhubungan dengan pergerakan parsel udara yang membentuk suatu kondisi tertentu sehingga terbentuknya awan. Proses mikrofisik adalah proses pembentukan butiran awan melalui kondensasi uap dan tumbuh oleh interaksi antar individu.

ü    Proses dinamik dan proses mikrofisik

Setiap udara bergerak keatas, dia melewati daerah yang secara berturut – turut tekanan udaranya lebih rendah. Konsekuensinya, udara yang naik selalu mengembang dan mendingin secara adiabatic. Udara yang naik terkadang menghasilkan awan dan terkadang tidak. Dalam kondisi atmosferik rata-rata, udara melawan gerakan vertical.

Dengan demikian udara yang terletak dekat permukaan cenderung tetap dekat atmosfer. Walaupun ciri khas udara melawan gerakan vertical, ada mekanisme yang memaksa parsel untuk naik. Mekanisme pergerakan itu adalah

  Pengangkatan Orografik

Terjadi ketika terdapat dataran yang naik, seperti pegunungan yang bekerja sebagai penghalang bagi aliran udara. Ketika udara menaiki lereng pegunungan, pendinginan adiabatic sering membentuk awan yang kadang – kadang menghasilkan presipitasi yang berlimpah. Ketika udara menuruni sisi pegunungan (leeward), dia secara adiabatic memanas, yang tidak mungkin mengakibatkan kondensasi dan menghasilkan presipitasi. Hasilnya dapat merupakan bentangan lahan yang gersang yang dinamakan padang tandus byangan hujan (rain shadow desert).

Frontal wedging

Menghasilkan udara yang lebih rapat dan lebih dingin berperan sebagai penghalang dimana udara yang kurang rapat dan lebih hangat (lembab) menaiki. Pengangkatan juga terjadi karena fenomena konvergensi yaitu kapan saja udara di atmosfer bagian bawah atau yang lebih rendah mengalir bersama – sama ke satu tempat. Pengangkatan berkaitan dengan konvergensi sering terjadi ketika udara bergerak dari permukaan yang relative licin seperti lautan,

diatas daratan yang tidak beraturan dimana gesekan mengurangi kecepatannya. Pada hari – hari

yang cerah dan  hangat, pemanasan permukaan bumi yang tidak sama bisa menyebabkan parsel udara dipanasi lebih dari udara sekitarnya. Parsel udara yang lebih hangat (kurang rapat) akan mengapung keatas, dan fenomena ini dinamakan localized convective lifting. Naik di atas level kondensasi, awan terbentuk yang kadang – kadang menghasilkan hujan shower di tengah sore hari.

Pemanasan permukaan dan konveksi bebas

Proses pengangkatan karena konvergensi pada permukaan udara

Keberlangsungan proses – proses ini memerlukan faktor – faktor penting yaitu kadar uap air di atmosfer, distribusi aerosol higroskopis dan gerak udara vertical. Kadar uap air bergantung pada proses evaporasi dengan syarat adanya sumber uap air di permukaan, sumber energy pengangkatan dan kondisi atmosfer. Distribusi aerosol berhubungan dengan konsentrasi dan jenis aerosol yang turut serta dalam proses pertumbuhan awan. Keberadaan aerosol higroskopis di atmosfer akan sangat berperan dalam proses pertumbuhan awan. Saat parsel udara yang tidak jenuh terangkat, dia mengembang dan mendingin pada laju adiabatic kering sebesar 10⁰C per 1 Km, begitu pula sebaliknya, ketika udara turun, dia dimampatkan dan dipanasi pada laju yang sama 10⁰C per 1 Km. Jika parsel udara naik cukup tinggi, akhirnya dia akan mendingin hingga temperatur titik

embunnya. Disini uap air akan mulai berkondensasi membentuk awan yang tersusun dari butir – butir air yang sangat halus. Di atas level kondensasi ini, panas latent kondensasi yang tersimpan di uap air akan dilepaskan, mengurangi laju pendinginan adiabatik. Laju pendinginan yang lebih rendah ini karena penambahan panas latent yang dinamakan laju adiabatic basah dari pendinginan. Karena jumlah panas laten yang dilepaskan tergantung pada kuantitas kelembaban di udara, laju adiabatic basah dari pendinginan, bervariasi dari 5⁰C per 1 Km untuk udara dengan kandungan kelembaban yang tinggi hingga 9⁰C per 1 Km untuk udara kering

D.      Proses Pertumbuhan Awan

Secara garis besar proses pertumbuahan awan dimulai dari tetes awan akan tumbuh jika jejari kritis awan dilampaui. Tetes awan kemudian tumbuh menjadi tetes hujan melalui mekanisme Bowen dan Ludlam atau mekanisme kolisi (collision) dan koalisensi (coalescence), serta melaui mekanisme Bergeron dan Findeinsen atau mekanisme Kristal es. Tetes awan terbentuk melalui pengintian heterogen yaitu perubahan fasa uap air menjadi air (tetes) melalui inti kondensasi awan. Kondensasi uap air murni atau pengintian homogen di atmosfer tidak akan terjadi karena memerlukan kelembaban yang tinggi.

Secara garis besar proses pertumbuhan uap air dapt dijelaskan oleh diagram berikut.

Uap air           embrio       Droplets          Drops         Rain drops

Nucleas           Difusi           kondensasi      Accretion
  
Uap air – Embrio (nukleasi)

 Nukleasi Homogen

Nukelasi Homogen adalah proses pembentukan butir embrio air dari lingkungan uap air pada permukaan air murni, atau proses pengembunan (kondensasi) pada permukaan air murni. Adanya fenomena tegangan pada permukaan air, telah menjadi penghambat bagi usaha untuk memperluas permukaan butir embrio air. Tegangan permukaan (surface tension) σ didefinisikan sebagai energi mekanik persatuan luas bidang permukaan. Sering juga disebut energi permukaan (surface energy). Hukum Kelvin menjelaskan bagaimana pengaruh tegangan permukaan terhadap tekanan uap butir air murni.

Fenomena tegangan permukaan ini sebagi akibat dari :

·                     Gaya tarik menarik dan tolak menolak antar molekul.

·                     Gaya kohesi antar molekul

Pada molekul yang letaknya lebih dalam dari permukaan, posisinya sangat stabil, karena terkunci oleh gaya antar molekul yang saling meniadakan satu sama lain. Sedangkan pada deretan molekul di permukaan gaya yang menahannya lebih sedikit, gaya inilah yang menyebabkan adanya fenomena tegangan permukaan. Jadi tegangan permukaan berbentuk energy potensial.

Kesimpulan yang bisa ditarik adalah:

v    Pada keadaan RH≤100%, pertumbuhan embrio sangat lamban, kendati energy yang dibutuhkan bertambah dengan cepat. Pertumbuhan butir embrio berlangsung cepat dan energy yang dibutuhkan tidak sebesar jika RH>100%.

v    Pertumbuhan embrio sangat labil. Ketika pertumbuhan embrio mencapai dan melewati jari – jari kritis, embrio tergelincir pada jebakan penguapan yang tidak bisa dihentikan, dan mengalami penyusutan yang sangat cepat, walaupun RH tetap sangat tinggi.

v    Pembesaran dan penyusutan embrio makin cepat pada RH yang makin tinggi.

 Nukleasi Heterogen

Nukleasi heterogen adalah proses pembentukan butir embrio air dari lingkungan uap air pada permukaan air yang mengandung bahan terlarut. Pada pembahasan nukleasi homogen, secara teoritik, terbukti bahwa makin kecil ukuran butir embrio air murni, makin sulit butir emrio tersebut untuk bertambah besar. Dari pembuktian fisis, kesulitan tersebut akibat lebih tingginya tekanan uap air di permukaan butir dibandingkan tekanan uap air sekeliling serta terungkap bahwa tekanan uap air di permukaan butir embrio pada sebanding dengan energi yang diperlukan butir embrio untuk membesarkan dirinya.

Pada butir embrio terdapat benteng energi potensial yang berfungsi mempertahankan dirinya dari usaha luar yang dapat mengganggu kesetimbangannya. Cara agar butir embrio dapat membesar adalah dengan cara memasukkan bahan terlarut kedalam embrio, sehingga tekanan dapat menurunkan tekanan uap air di permukaan butir. Hal ini memungkinkan terjadinya penggemukan butir embrio pada RH < 100 %.

Dari persamaan kurva Kohler, didapatkan bahwa suku lengkungan a/r menunjukkan kenaikan tekanan uap oleh tetes yang lengkung. Maka jika r < r* maka butir embrio hanya akan tumbuh oleh proses kenaikan RH.

Embrio – Droplet (difusi)

Butir embrio atau butir awan dapat tumbuh menjadi lebih besar ukurannya melalui proses pengembunan (kondensasi) atau dapat pula menyusut ukurannya melalui proses penguapan. Kedua proses ini merupakan peristiwa fluks dan difusi.


Fenomena difusi dirumuskan oleh hukum II Fick yang mencoba menhkonstruksikan peristiwa difusi ketika uap air dari satu medan konsentrasi berhasil menembus bidang boundary, kemudian masuk dan menempati medan konsentrasi di sebelahnya. Diasumsikan terjadi perubahan secara local konsentrasi uap air tersebut. Perubahan local ini kemudian di asumsikan menimbulkan beda gradient kerapatan fluks uap air didalam medan konsentrasi campuran tadi yang besarnya perubahan local konsentrasi uap air sama dengan besarnya beda kerapatan fluksnya yang disebut difusi.

Droplets – drops (kondensasi)

Pada awal pertumbuhan awan, proses kondensasi memegang peranan penting. Selanjutnya pertumbuhannya hanya dapat terjadi bila ada proses tumbukan dan penyatuan. Selain itu proses pembentukan awan dapat juga dijelaskan melalui mekanisme pertumbuhan butir Bergeron. Teori ini menekankan pentingnya peran inti es dimana hujan terjadi setelah sebelumnya uap air diubah menjadi kristal es dan jatuh ke lapisan yang hangat untuk membentuk butir hujan. Namun teori ini memiliki kelemahan yaitu sulit menjelaskan bagaimana awan-awan yang puncaknya tidak pernah mencapai ketinggian pembekuan juga dapat menghasilkan hujan. Di dalam awan hangat droplet dapat tumbuh secara kondensasi pada lingkungan jenuh. Jika droplet telah melewati puncak pada kurva

Koehler, droplet dapat terus tumbuh secara kondensasi selama tekanan uap jenuh lingkungan jauh lebih besar dari tekanan uap jenuh permukaan droplet. Pertumbuhan melalui kondensasi masih didominasi oleh perbedaan konsentrasi.Perubahan massa butir adalah sebanding dengan jejari butir dan beda kerapatan uap air pada permukaan dan lingkungan jauh dari butir. Untuk keadaan lewat jenuh dimana ρ_v > ρ_w maka butir akan tumbuh. Lazimnya ukuran butir tidak dinyatakan dalam massa tetapi dalam jejarinya saja. Mengingat m= (4/3) πr³ ρ_L (ρ_L kerapatan air) maka persamaan tersebut dapat ditulis :

r (dr/dt)=[ D / ρ_L ] [ρ_v - ρ_w]

dengan menggunakan persamaan gas ideal dapat ditulis dimana:

yang artinya bahwa semakin kecil r (radius) maka laju pertumbuhan awan akan semakin besar dan cepat sedangkan makin besar r maka laju pertumbuhan awan akan menjadi lambat. Jadi tekanan uap jenuh

tergantung pada kelengkungannnya. Efek zat larut adalah menurunkan tekanan uap keseimbangan di atas tetes, sehinnga tetes larutan berada dalam keseimbangan dengan lingkungan pada kelewat jenuh yang lebih rendah dibandingkan dengan tetes air murni pada ukuran yang sama.

Fick juga menunjukan adanya pelepasan panas pada proses kondensasi droplet. Fick merumuskan bahwa:

                                   

dimana K adalah konduktivitas termal udara, L panas laten, Dt/dx negatif. Untuk larutan dapat ditulis:

Ms adalah berat molekul bahan terlarut, Mp_∞ adalah berat molekul pada tekanan jenuh pada suhu mutlak.

Sebelum dan sesudah droplet mencapai ukuran kritis, ia tumbuh melalui proses difusi molekul air dari uap di atas permukaannya.

Proses kondensasi dalam pembentukan awan dipengaruhi oleh proses difusi dan konduksi sehingga Mason (1971) menggabungkan kedua proses ini sebagai persamaan pertumbuhan droplet (growth droplet equation):

S = rasio jenuh lingkungan

Fk= berhubungan dengan konduksi panas ~ [L² ρ_L / R_vKT²]-[ L² ρ_L/        KT]

Fd= berhubungan dengan difusi uap air ~ ρ_L R_vT / D e_s (T)

D = Koefesien difusi uap air udara

K = Konduktivitas termal udara

Jika (S-1)/[Fk+Fd] adalah konstan maka :

Dari formulasi ini kita dapat mengestimasi ukuran pertumbuhan droplet seiring dengan bertambahnya waktu. Pertumbuhan secara kondensasi berlangsung hingga jari-jari butir sekitar 20 μm (mason, 1971). Kesimpulannya adalah bahwa pada proses kondensasi uap air di

permukaan droplet, semakin besar ukuran droplet maka laju pertumbuhannya akan semakin lambat. r (dr/dt)=C maka dr/dt= C/ r, dimana c adalah konstanta.

Drops – rain drops (acreation).

Dalam awan panas terdapat tetes – tetes yang berbeda ukurannya. Tetes – tetes yang lebih besar akan mengoleksi tetes – tetes yang lebih kecil. Efisiensi koleksinya bergantung pada ukuran tetes R dan butiran r. Untuk R ≤ 20µm, efisiensi koleksi sangat kecil, sehingga mekanisme tumbukan tidak efisien. Di atas 20µm, efisiensi benturan makin besar mendekati nilai 1. Dengan proses benturan maka tetes tumbuh menjadi besar dan jatuh lebih cepat, yang berarti efisiensi koleksi meningkat, sehingga tetes membesar.Proses koalisensi hanya signifikan setelah spectrum butiran berkembang menjadi ukuran heterogen yang berbeda kecepatan jatuhnya. Semakin besar butiran maka koalisensi lebih dominan dalam proses pertumbuhan. Tetes besar mempunyai kecepatan jatuh lebih cepat dan menangkap tetes – tetes awan kecil yang mempunyai kecepatan jatuh lebih kecil. Untuk membnetuk satu tetes hujan diperlukan ratusan ribu sampai satu juta tetes awan melalui proses koalisensi (tangkapan). Pada persamaan dalam

proses ini memberikan pertumbuhan tetes karena proses koleksi berlangsung kontinu dengan menganggap awan sebagai kontinum. Pertumbuhan sebenarnya terjadi karena peristiwa diskrit dari penangkapan butiran.

AWAN

Awan berwujud gumpalan berisi butir-butir air yang diameternya lebih besar daripada butir-butir air yang terdapat dalam kabut, tetapi lebih kecil dari 200 mikrometer.

Proses Dasar Pembentukan Hujan

Pembentukan Awan

Awan terbentuk ketika udara didinginkan di bawah titik embunnya, yaitu temperatur dimana udara menjadi jenuh (kelembaban relatif 100%). Awan, merupakan bukti yang terlihat akan adanya air atau uap air didalam atmosfer. Campuran udara kering dan uap air disebut udara basah dan kebanyakan awan terbentuk dalam proses pendinginan udara basah.

Oleh karena itu, maka proses-proses didalam atmosfer yang menghasilkan pendinginan udara dapat juga menghasilkan pembentukan awan.

Penyebab Umum Pembentukan Awan

Kebanyak awan terbentuk apabila udara basah bergerak vertikal ke atas dan kemudian mengalami pendinginan karena udara mengembang yang selanjutnya sebagian uap air berkondensasi dan membentuk awan.

Beberapa gerakan vertikal yang menyebabkan pembentukan awan adalah :

1)        Tubulensi mekanis (turbulensi hambat)

2)        Konveksi (turbulensi termis)

3)        Kenaikan karena Orografi

4)        Kenaikan lambat yang luas

 Pembentukan Awan Konvektif

Apabila udara mengalami pemanasan dekat permukaan bumi, maka berkembanglah arus konveksi.  Bersamaan dengan turbulensi mekanis akan mengakibatkan percampuran udara pada lapisan bawah atmosfer.

Pembentukan Awan Karena Orografi

Jika arus udara mencapai kaki gunung atau barisan pegunungan, maka udara dipaksa naik melalui lereng-lereng pegunungan tersebut.  Pengaruh dari naiknya arus udara tersebut dapat mencapai kedalam lapisan atmosfer yang tinggi, sehingga dapat merubah keadaan suhu dalam lapisan tersebut.  Udara yang telah dipaksa naik akan mengalami pendinginan yang selanjutnya memungkinkan terbentuknya awan.

Pembentukan Awan Kenaikan Lambat dan Luas

Awan juga terjadi oleh gerakan udara vertikal pada suatu daerah yang luas karena pengaruh suatu sistem arus udara yang sangat luas. Sistem tersebut adalah sistem tekanan rendah (depresi) dan sistem tekanan tinggi (antisiklon).

Pembentukan Awan di Daerah Front

Jika massa udara dingin bergerak menggantikan tempat massa udara panas disebut sebagai front dingin. Awan yang terbentuk di daerah front dingin berubah-ubah tergantung dari stabilitas dan kelembaban udara massa udara panas, demikian juga kecondongan permukaan front. Umumnya permukaan front dingin lebih terjal dari pada front panas

Artikel masih belum sempurna mendadak buat belajar ujian...smga bisa bermanfaat.....buwat rekan - rekan..copy paste....

source : materi Fisika awan