Materi

Hari Jumat, 15 Februari 2013 sekitar pukul 9:20 waktu setempat di kota Chelyabinsk, Rusia terlihat meteor. Diperkirakan meteoroid yang berkaitan dengan meteor tersebut, jatuh dengan kecepatan 50 km/jam dan meledak di ketinggian 40 km sebelum pecahan-pecahannya tiba di permukaan Bumi (meteorit) dan salah satunya menghantam sebuah danau es. Daya ledaknya 20 kali lebih dahsyat dari bom atom di Hirosima (4 Agustus 1945). Patung Pushkin di perpustakaan kota Yemanzhelinsk 50 km dari kota Chelyabinsk retak. Dilaporkan sekitar 3600 atap apartemen dan pabrik roboh serta 1600 orang mengalami luka-luka. Diperkirakan ukuran meteorit tersebut berdiameter 17 meter dengan berat 10.000 ton dan meteorit terbesar seberat 570 kg. Bagaimana meteoroid tersebut bisa meledak hingga menyisakan bongkahan kecil? Apakah ada pasukan pengamanan yang menembak meteoroid tersebut? Apa yang terjadi di atmosfer, hingga meteoroid tersebut bisa meledak ketika ia jatuh ke Bumi? Mari kita pelajari atmosfer.

Pada bab sebelumnya sudah dibahas perisai elektromagnetik Bumi. Pada bab ini akan dibahas peran udara sebagai pelindung Bumi yaitu atmosfer. Atmosfer merupakan udara yang menyelubungi Bumi dengan kerapatan yang berbeda-beda. Selain itu atmosfer punya komposisi senyawa yang beragam dan ternyata tidak tersebar merata. Oleh karena itu para peneliti mengelompokkan setiap ketinggian atmosfer menurut:

• karakteristik termal (perubahan suhu),
• komposisi kimia udara,
• gerakan udara, dan
• kerapatan udara.

Lapisan terluar atmosfer adalah termosfer pada ketinggian 85-600km. Namun sebagian ilmuwan berpendapat ada lapisan di atas termosfer, yaitu eksosfer (ketinggian 600-10.000 km). Perdebatan ini bukan tidak beralasan, masing-masing pendapat punya alasan kuat. Eksosfer dijadikan sebagai lapisan atmosfer karena di lapisan ini masih terdapat udara-udara tapi sangat ringan seperti hidrogen dan helium. Namun karena sangat tipis (sedikit) udara dan minimnya penyerapan radiasi Matahari menyebabkan suhu di eksosfer hampir sama dengan suhu luar angkasa tanpa udara. Sedangkan termosfer mampu menyerap radiasi sinar x dan sinar gamma yang menyebabkan suhu di bagian atas termosfer bisa mencapai 2.000°C.

Pada lapisan termosfer bagian bawah, kerapatan udara semakin rapat dan radiasi-radiasi berenergi tinggi sudah mengalami penyerapan. Akibatnya suhu turun drastis hingga mencapai -120°C. Meskipun bagian atas termosfer ini sangat panas, bagian ini masih terasa sangat dingin untuk kulit kita karena udaranya sangat tipis. Suhu tinggi hanya menunjukkan jumlah energi yang diserap oleh termosfer sangat tinggi. Analoginya jika ada air panas di gelas dan di panci dengan suhu yang sama. Saat kamu mandi dengan satu ember air dingin. Manakah yang akan membuat air di ember lebih hangat?
Meskipun dengan tipisnya udara di eksosfer, gaya gravitasi Bumi masih kuat. Para ilmuwan justru memanfaatkannya dengan menempatkan beberapa satelit luar angkasa di wilayah ini. Ketika para astronom menggunakan teleskop di permukaan Bumi untuk pengamatan benda luar angkasa, sering kali terganggu dengan adanya udara yang sangat tebal dan cuaca. Karena itulah para astronom menempatkan teleskop luar angkasa berbentuk satelit.

Jadi perbedaan pemahaman mengenai lapisan atmosfer mana yang paling luar, semestinya dijadikan sebagai rahmat bagi kita sebagai pelajar. Karena dengan perbedaan pendapat ini, wawasan dan tantangan bagi ilmu pengetahuan terus berkembang. Jadikanlah perbedaan sebagai Rahmat untuk semua bukan sebagai jurang pemisah.

Lapisan ini menjulang dari ketinggian 50 km sampai 85 km. Sama halnya dengan lapisan termosfer, semakin bawah molekul udara semakin rapat dan padat. Dengan keberadaan udara yang semakin banyak, semakin ke bawah suhu semakin naik. Bagian atas bersuhu -120°C dan sampai sekitar -15°C di bagian bawah. Karakternya terbalik dengan termosfer, hal ini terjadi karena radiasi berenergi tinggi telah diserap oleh termosfer. Hanya peran rapat udara yang berpengaruh terhadap perubahan suhu.
Cukup rapatnya lapisan udara di lapisan ini, membuat benda yang bergerak cepat akan terbakar. Sehingga memungkinkan membakar batuan yang jatuh dari luar Bumi (meteoroid). Karena terbakar, meteoroid yang sedang melintasi atmosfer memuai. Apa itu memuai? Mari kita coba!

Buatlah kelompok terdiri dari 5-7 orang. Setiap kelompok mempunyai:

  • Pemuaian linear aparatus
  • Ring-ball aparatus
  • Dua gelas kaca dengan ukuran dan bentuk sama
  • Lilin, korek api
  • Macam-macam logam batang (kuningan, tembaga, dan besi)

Perlombaan pertama:
1. Siapkan pemuaian linear aparatus
2. Pilih salah satu logam batang dan letakkan di pemuaian linear apartus
3. Simpan lilin di bawah logam tersebut
4. Set pemuaian linear aparatus pada skala 0
5. Tunggu aba-aba dari guru, kemudian mulai nyalakan lilin
6. Kelompok yang tuasnya terdorong paling cepat yang menang
7. Juara pertama = 4 poin, juara kedua = 3 poin, dst.
Perlombaan kedua:
1. Siapkan ring-ball aparatus
2. Kondisi sebelumnya tuas bola bisa masuk dengan mudah ke tuas ring. Tugasmu membuat bola tersebut tersangkut di ring (jika berhasil mendapatkan poin 1)
3. Berikan dua tuas yang tersangkut tersebut kepada kelompok lain.
4. Tugasmu sekarang adalah melepas bola tersebut dari ring.
5. Kelompok yang paling cepat melepas bola dan ring yang menang.
6. Juara pertama = 4 poin, juara kedua = 3 poin, dst.
Perlombaan ketiga:
1. Dua buah gelas tumpuk, tentu sangat mudah untuk melepasnya kembali.
2. Buatlah dua gelas tersebut tersangkut kuat (jika berhasil mendapatkan poin 1)
3. Berikan dua gelas yang tersangkut tersebut kepada kelompok lain.
4. Tugasmu sekarang adalah melepas dua gelas tersebut.
5. Kelompok yang paling cepat melepas yang menang
6. Juara pertama = 4 poin, juara kedua = 3 poin, dst.

Semua perlombaan yang kalian lakukan berhubungan dengan pemuaian. Pemuaian adalah penambahan panjang benda saat diberi energi (kalor) dan mengecil kembali saat melepas kalor. Penambahan panjang tidak hanya bergantung pada kenaikan suhu benda tersebut, tapi tergantung pada jenis benda itu sendiri. Seperti jenis logam yang kalian pilih saat perlombaan pertama. Kemampuan benda (logam) memanjang saat suhu naik sebesar 1°C untuk setiap 1 meternya dinamakan Koefisien Muai Jenis (α). Jadi setiap benda mengalami penambahan panjang berbanding lurus dengan panjang awal logam (Lf), kenaikan suhu (ΔT), dan Koefisien Muai Jenis (α):

Aplikasi pemuaian ini sudah digunakan di kehidupan sehari-hari. Contohnya antara rel kereta api selalu ada jeda, jarak sambungan jalan layang, ataupun kaca jendela yang selalu dipasang longgar. Semua aplikasi tersebut untuk mengantisipasi pemuaian akibat cuaca panas atau dingin.
Bagaimana dengan meteoroid yang terbakar akibat gesekan udara? Apakah mengalami pemuaian? Mengapa meteoroid bisa meledak saat di atmosfer? Apakah ditembak oleh pasukan pelindung Bumi? Mari kita coba!

Peralatan yang disediakan : Gelas kaca, Air Mendidih, Es batu
Langkah-langkah percobaan :
1. Masukkan es batu dan air ke dalam gelas kaca hingga penuh.
2. Tunggu beberapa saat hingga gelas terasa sangat dingin, kemudian keluarkan es tersebut dari gelas.
3. Tuangkan segera air panas setelah membuang air dingin.
4. Perhatikan apa yang terjadi!

Konsep ledakan meteor sama halnya dengan pecahnya gelas. Saat kondisi gelas dingin, ukuran gelas mengecil. Namun saat tiba-tiba dituangkan air sangat panas, bagian dalam gelas langsung memuai. Namun bagian luar gelas belum memuai karena belum mendapatkan kalor (panas) dari air. Sehingga terdapat perbedaan perubahan ukuran. Perbedaan perubahan ukuran ini membuat bagian dalam gelas mendesak bagian luar. Hingga bagian luar tidak bisa menahan tekanan dari dalam gelas, saat itulah gelas pecah. Perubahan suhu berkali-kali yang dialami meteoroid saat melintasi atmosfer menyebabkan meteoroid meledak. Jadi bukan hanya batuan meteorit sisa pembakaran yang perlu diperhatikan, tetapi ledakan meteor saat berada di atmosfer juga berbahaya. Radius ledakan meteor di Chelyabinsk, Rusia mencapai 8 km.

 

Kali ini kita akan memainkan permainan simulasi seberapa bahaya yang ditimbulkan meteorit.
Buka situs : http://simulator.down2earth.eu/
Tantangan 1 : Kawah meteor terbesar terdapat di Arizona, Amerika Serikat, dengan luas kawah selebar 1,2 km. Menurut hasil hitungan NASA meteor tersebut datang dengan kecepatan 12 km/detik dengan material besi sebesar 50 meter. Melalui simulasi pada website tersebut, carilah kecepatan yang sesuai untuk membentuk kawah selebar itu dan catatlah bencana apa saja yang bisa timbul pada 50.000 SM saat meteor tersebut jatuh.
Tantangan 2 : Dengan sudut 90° dan kecepatan 15 km/s, carilah ukuran minimal komet untuk bisa sampai ke permukaan Bumi pada masing-masing jenis meteor (Projectile Density).

Ketinggian stratosfer dimulai dari ketinggian 50km hingga 20 sampai 6 km. Hal ini karena ketinggian setiap tempat berbeda-beda. Pada lapisan ini terdapat 19% gas atmosfer dengan uap air sangat sedikit. Pada bagian atas stratosfer lebih panas daripada bagian bawahnya karena terjadi penyerapan radiasi UV. Suhu pada bagian atas sekitar -15°C dan pada bagian bawah sekitar -51°C. Dengan bagian atas lebih panas memungkinkan uap-uap air dari permukaan Bumi tertahan di bagian bawah stratosfer. Sehingga Bumi tidak akan kehilangan air. Selain itu pula di lapisan ini sinar Ultra Violet (UV) dari Matahari dihamburkan. Stratosfer bagian bawah menghamburkan sinar warna biru, sehingga langit terlihat berwarna biru mulai dari lapisan ini. Jadi sampai bagian ini langit berwarna biru saat siang hari. Pada lapisan stratosfer bagian bawah gelombang Ultraviolet (UV) (panjang gelombangnya lebih pendek dari biru) terhambur. Sehingga bisa dikatakan sinar ini tersaring. Seberapa bahayakah sinar UV jika tidak disaring? Oleh karena itu mari kita menggambar!

Sebelumnya sediakan : Kaca pembesar (lup), kertas satu lembar, dan kenakan pakaian lengan panjang.
Tata cara menggambar:

  1. Lakukan percobaan dua kali, yaitu pagi dan siang hari
  2. Letakkan kertas di bawah sinar Matahari
  3. Ketika sinar Matahari cukup terik, fokuskan sinar matahari menjadi hanya satu titik di atas kertas
  4. Setelah berhasil membakar titik kertas tersebut, lanjutkan dengan membentuk pola seperti gambar di bawah
  5. Potong hasil gambarmu dan tempelkan pada tabel di bawah

Pada bagian atas lapisan stratosfer banyak terdapat molekul oksigen yang mengumpul dan membentuk sebuah lapisan yang dikenal sebagai Ozon (O3). Sinar UV yang disaring oleh ozon adalah UV C dan sebagian UV B, sedangkan UV A dan sebagian UV B diteruskan. UV A yang dibutuhkan oleh tumbuhan untuk fotosintesis dan UV B dalam intensitas kecil diperlukan untuk mengubah provitamin D menjadi vitamin D untuk kesehatan tulang serta menekan kemungkinan beberapa penyakit kanker. Namun dalam intensitas yang besar sinar UV B bisa mengakibatkan penyakit kanker kulit, katarak mata, hingga penurunan sistem kekebalan tubuh. Sinar ini juga akan mengganggu pertumbuhan tanaman. Intensitas radiasi sinar UV B dan UV C juga memiliki kemampuan potensial untuk membunuh plankton sebagai makanan utama ikan di laut.
Bagaimana kita ingin mendapatkan manfaat dari UV A dan UV B? Saat Pagi atau Sore hari, Matahari melewati atmosfer yang tebal di dekat permukaan Bumi. Hal ini mengakibatkan UV B benar-benar tersaring dengan baik. Oleh karena itu sinar Matahari pagi dan sore baik untuk kesehatan. Sedangkan saat siang hari sinar Matahari melewati udara yang kurang menyaring UV B, sehingga konsentrasi UV B cukup kuat saat siang hari. Oleh sebab jangan terlalu banyak beraktivitas luar ruangan saat siang hari serta kenakan kaca mata hitam atau anti-UV. Konsentrasi UV B biasanya kuat antara pukul 10.00 hingga 14.30. Namun dewasa ini lapisan ozon sedikit demi sedikit menipis. Bahkan terdapat lubang raksasa di lapisan atmosfer Antartika. Baik siang ataupun pagi UV B bahkan UVC tidak tersaring sama sekali. Lubang ozon (ozone hole) di atas kutub selatan tersebut sampai sekarang luasnya sudah mencapai dua kali luas kutub selatan itu sendiri.

Jika sinar UV B dan UV C tembus ke permukaan Bumi, maka akan merugikan manusia. Mulai dari penyakit katarak, kanker kulit, tangkapan ikan nelayan jauh berkurang, dll. Katarak adalah pengapuran pada lensa mata. Sehingga lensa mata menjadi keruh. Gejalanya pandangan terasa kabur, bahkan tidak bisa melihat. Selain itu Indonesia merupakan salah satu negara dengan potensi ikan besar karena diapit dua samudera. Dampak jika terjadi lubang ozon akan merugikan negara dari segi perekonomian juga.
Coba tanyakan kepada kerabat atau keluarga yang mengerti tentang mobil, “Apa yang membuat AC mobil terasa dingin?”. Freon adalah bahan baku pembuat zat pendingin (lemari pendingin, AC mobil), busa, zat pembersih, dan zat pendorong seperti pada parfum dan hairspray. Freon secara ilmiah dikenal dengan Chloro Fluoro Carbon (disingkat CFC). Salah satu jenis CFC adalah CFC R-12 (Freon-12). Jenis ini di atmosfer merupakan penyebab terjadinya penipisan lapisan ozon.

Menyadari bahaya kerusakan lapisan ozon, berbagai negara kemudian bersepakat dalam Konvensi Wina (1985) untuk secara bertahap mengurangi pemakaian gas-gas yang berpotensi merusak lapisan ozon yaitu senyawa CFC dan Bromine. Pemerintah Indonesia telah turut berkontribusi terhadap Konvensi Wina melalui beberapa keputusan Presiden untuk melarang penggunaan CFC dan Bromine dan menghentikan impor CFC pada akhir tahun 2007. Bahan pengganti untuk freon CFC R12 adalah dengan bahan freon R134a yang lebih ramah lingkungan.

Selain CFC dan Bromine, gas perusak ozon adalah Karbon monoksida (CO). Karbon monoksida sangat mudah bereaksi. Saat mencapai ozon, ozon (O3) dan Karbon monoksida (CO) akan bereaksi menghasilkan Oksigen (O2) dan Karbon dioksida (CO2), sehingga membuat ozon semakin tipis. Gas Karbon monoksida ini banyak diproduksi oleh aktivitas-aktivitas sehari-hari manusia.

Troposfer adalah bagian paling bawah dari lapisan atmosfer. Ketinggian troposfer bervariasi dari khatulistiwa ke kutub. Di khatulistiwa troposfer berada hingga ketinggian 18-20 km, pada lintang 50° Lintang Utara dan Lintang Selatan setinggi 9 km dan di kutub hanya 6 km. Semakin atas udara menjadi lebih tipis. Oleh karena itu, suhu di troposfer lebih dingin pada tempat yang lebih tinggi. Karena perbedaan rapat udara yang sama besar, maka suhu pun turun sangat drastis dari rata-rata sekitar 17°C hingga -51°C di perbatasan dengan stratosfer. Suhu berkurang 0,6°C saat naik 100 m. Akibat adanya penurunan suhu drastis pada bagian atas troposfer, air akan terjebak dan tidak naik ke stratosfer.

Buat kelompok beranggotakan 4-6 orang.
Sediakan alat dan bahannya :
Kaki Statif
Silinder Ukur 100ml
Kompor spirtus
Boss Head
Labu erlenmeyer
Garam
Statif Panjang
Sumbat 1 lubang
Es
Statif pendek
Selang Silikon
Air biasa
Peyambung selang
Labu erlenmeyer

  1. Susunlah alat-alat seperti gambar di samping. Sumbat 1 lubang dengan peyambung selang yang sudah tersambung dengan selang silikon.
  2. Gunakan silinder ukur untuk tempat ujung selang satunya lagi.
  3. Buat air asin dari garam dan air.
  4. Masukan air asin ke dalam elemeyer.
  5. Nyalakan kompor spirtus.
  6. Tunggu hingga air menetes pada gelas ukur.
  7. Matikan kompor spirtus hingga air pada gelas ukur cukup banyak terisi.

Dalam Q.S. al-Baqarah ayat 22 :

“Dialah yang menjadikan Bumi sebagai hamparan bagimu dan langit sebagai atap, dan Dia menurunkan air (hujan) dari langit, lalu Dia menghasilkan dengan hujan itu segala buah-buahan sebagai rizki untukmu; karena itu janganlah kamu mengadakan sekutu-sekutu bagi Allah, padahal kamu mengetahui.”

Dalam ayat Al-Quran tersebut diterangkan jelas bahwa hujan merupakan anugerah Allah SWT. untuk makhluk-Nya, khususnya yang tinggal di daratan. Hujan merupakan cara utama makhluk hidup darat memperoleh air, baik untuk tumbuhan, hewan ataupun manusia.
Terbentuknya hujan sangat erat kaitannya dengan perubahan wujud air. Perubahan wujud air di antaranya: es mencair menjadi air, menguap menjadi uap air, dan mengkristal kembali menjadi es. Perubahan wujud air ini terus menerus berulang hingga menjadi sebuah siklus (perputaran). Siklus perputaran air di Bumi ini dinamakan Siklus Hidrologi. Siklus Hidrologi terdiri dari beberapa proses, yaitu: Evaporasi, Transpirasi, Kondensasi, Presipitasi, dan Runoff.

Dari macam proses yang terjadi selama siklus, siklus hidrologi terdapat tiga macam, yaitu :
1) Siklus Pendek
Siklus pendek adalah siklus hidrologi yang terjadi hanya di laut, di mana air menguap dan turun hujan masih di laut. Sehingga tidak mengalami Runoff (aliran air di darat).

2) Siklus Sedang
Siklus sedang merupakan siklus yang sering dialami di Indonesia karena air hujan turun dalam kondisi cair. Pada siklus ini air hujan tidak menjadi es di gunung. Sehingga tidak mengalami pencairan gletser, tapi terdapat aliran Runoff.

3) Siklus Panjang
Siklus panjang merupakan siklus hidrologi dengan proses lengkap. Hujan turun dalam bentuk salju/es. Sumber air dalam bentuk gletser. Wilayah di Indonesia yang mengalami siklus panjang adalah wilayah pegunungan Jayawijaya di Papua.

Saat membahas suhu benda pada bab Tekanan Atmosfer, kita telah membahas pengaruh suhu pada partikel zat. Mari kita tinjau perubahan wujud air pada Siklus Hidrologi jika dilihat dari ikatan partikelnya.

Pada BAB I diterangkan bahwa kalor mampu mengubah suhu benda karena kapasitas panasnya. Namun kalor tidak hanya digunakan sebagai “pengubah suhu” saja, tapi digunakan juga untuk mengubah bentuk molekul.

Perubahan wujud zat akibat kalor salah satu contohnya saat sinar Matahari menyinari air di Bumi. Radiasi Matahari menyinari gletser (es) bersuhu -5°C, kalor yang diterima menggetarkan molekul es, sehingga menaikkan suhu gletser hingga 0°C (Q1). Pada kondisi ini suhu gletser tidak akan naik lagi karena berada di suhu titik beku air. Kalor yang diterima akan digunakan untuk menghancurkan ikatan kristal es (Q2). Saat kalor cukup untuk menghancurkan struktur kristal es, air akan berubah menjadi fasa cair yaitu air bersuhu sama 0°C. Nilai kalor yang digunakan untuk mengubah fasa padat ke fasa cair untuk satu kilogram dinamakan kalor lebur (L), sedangkan perubahan dari fasa cair ke gas dinamakan kalor uap (U) (Q4). Sehingga untuk mengubah es menjadi air bersuhu normal terdapat tiga tahapan, yaitu : kalor untuk menaikkan suhu es (Q1), kalor meleburkan es (Q2), dan kalor menaikkan suhu air (Q3). Jumlah kalor yang dibutuhkan dihitung dengan dua persamaan:

Dari penjelasan di atas mengenai semua lapisan atmosfer, masing masing
lapisan mempunyai peran untuk mendukung adanya kehidupan di Bumi. Sehingga tidak mudah mengatakan bahwa planet bisa layak huni meskipun sudah banyak planet yang ditemukan manusia. Seperti Bumi yang memiliki pelindung yang lengkap dengan pemanfaatan segala teknologinya.