KELEMBABAN ATMOSFER

BAB 6 KELEMBABAN ATMOSFER kelembaban atmosfer terjadi bukan karena air cair melainkan karena uap air. Salah satu atribut yang paling khas dari air adalah bahwa hal itu terjadi di atmosfer dalam tiga keadaan: padat (salju, hujan es, salju, es), cair (hujan, tetesan air di awan), dan gas (uap air). keadaan gas adalah yang paling penting sejauh dinamika atmosfer yang bersangkutan. Dampak Kelembaban Atmosfer terhadap Daratan , uap air dapat berkondensasi membentuk kabut, awan, hujan, hujan es dan salju. Curah hujan menghasilkan perubahan dramatis jangka pendek di daratan setiap kali hujan membentuk genangan, mengalir dan sungai banjir, atau salju dan es menyelimuti tanah.. Selain itu, ada atau tidak adanya curah hujan sangat penting untuk kelangsungan hidup hampir semua bentuk vegetasi darat. Siklus Hidrologi (Gambar 6-1). Sirkulasi tak berujung mengenai persediaan air di planet kita disebut sebagai siklus hidrologi, dan fitur penting adalah bahwa air cair (terutama dari lautan) menguap ke udara, mengembun menjadi keadaan cairan (atau padat), dan kembali ke bumi dalam beberapa bentuk presipitasi. Gerakan uap air melalui siklus yang rumit berkaitan dengan banyak fenomena atmosfer dan merupakan faktor penentu penting dari iklim karena perannya dalam distribusi curah hujan dan modifikasi temperatur. Gambar 6-1 Siklus hidrologi adalah pertukaran terus menerus uap air antara atmosfer dan Bumi. Sifat Air: Biasa tapi Unik Air adalah zat yang paling luas di permukaan bumi, menempati lebih dari 70 persen dari luas permukaan planet. Air juga mungkin zat yang paling khas ditemukan di Bumi: air murni tidak memiliki warna, tanpa rasa, dan tidak berbau. Ternyata menjadi padat pada 0O C (32O F) dan mendidih di permukaan laut pada 100O C (212O F). Kepadatan air cair pada suhu 4O C adalah 1 gram per sentimeter kubik (1 g/cm3), sedangkan kepadatan es hanya 0,92 g/cm3 – yang berarti bahwa es mengapung di air cair. Molekul Air . Atom hampir tidak dapat dipahami – ada sekitar 100.000.000.000.000.000.000.000 atom dalam sarung jari yang diisi dengan 1 gram air. Atom sendiri terdiri dari partikel subatomik yang kecil: proton bermuatan positif dan neutron netral dibebankan dalam inti atom, dikelilingi oleh elektron bermuatan negatif. Elektron berputar dipegang oleh daya tarik listrik ke proton dalam “cangkang” yang mengelilingi inti atom. Dua atau lebih atom dapat dipegang bersama untuk membentuk molekul dengan ikatan.. Dalam molekul air dua atom hidrogen dan satu atom oksigen (H2O) diselenggarakan bersama oleh ikatan kovalen, di mana oksigen dan elektron hidrogen berbagi atom (beberapa elektron bergerak di antara cangkang energi kedua atom, Gambar 6-2a ). Karena bentuk kulit elektron di sekitar oksigen, struktur yang dihasilkan dari molekul air adalah sedemikian rupa sehingga atom hidrogen tidak berlawanan satu sama lain, melainkan berada di sisi yang sama dari molekul (dipisahkan oleh sudut 105O). Sebagai konsekuensi dari geometri ini molekul air memiliki polaritas listrik: sisi oksigen dari molekul memiliki muatan negatif sedikit, sementara sisi hidrogen memiliki muatan, positif sedikit (Gambar 6-2b). Ini adalah polaritas listrik lemah dari molekul yang memberikan air banyak sifat yang menarik Gambar 6-2 (a) Sebuah molekul air terdiri dari dua atom hidrogen dan satu atom oksigen yang diselenggarakan bersama-sama dengan ikatan kovalen (titik-titik kecil mewakili elektron). Sisi oksigen dari molekul memiliki muatan negatif sedikit, sementara sisi hidrogen memiliki muatan yang positif sedikit. (b) Ikatan hidrogen terbentuk antara molekul air karena sisi oksigen bermuatan negatif dari satu molekul tertarik ke sisi hidrogen bermuatan positif dari molekul lain. Sifat Penting Air Air memiliki sejumlah sifat yang penting dalam penelitian kami mengenai geografi fisik. Kepadatan Salah satu sifat yang paling mencolok dari air adalah kepadatan pada suhu ditemukan di sebagian besar tempat di permukaan bumi. Likuiditas air sangat meningkatkan fleksibilitas sebagai agen aktif dalam atmosfer, litosfer, dan biosfer. Ekspansi Es Kebanyakan substansi berhubungan karena mereka mendapat suhu dingin tidak peduli apa perubahan suhunya. Ketika air tawar menjadi lebih dingin, namun mengkontraksi hanya sampai mencapai 4OC (39O F) dan kemudian memperluas (sebanyak 9 persen) karena dingin dari 4O C ke titik beku dari 0O C (32O F ). Ketika air didinginkan dari 4O C ke titik beku, molekul air mulai membentuk struktur heksagonal, yang diselenggarakan bersama oleh ikatan hidrogen. Ketika membeku, air seluruhnya terbuat dari struktur heksagonal – kepingan salju mencerminkan struktur internal dari kristal es Ketegangan Permukaan Karena polaritas listrik, molekul air cair cenderung untuk tetap bersama-sama, memberikan air ketegangan permukaan yang sangat tinggi – “kulit” tipis membentuk molekul pada permukaan air cair menyebabkan ia menjadi manik-maik. Beberapa serangga menggunakan kekakuan air untuk melangkah di atas permukaan badan air –(Gambar 6-3). Gambar 6-3 Berat laba-laba rakit ini (Dolomedes fimbriatus) didukung oleh tegangan permukaan dari permukaan air. Kapilaritas Molekul air juga “menempel” dengan mudah untuk banyak zat yang lain – karakteristik yang dikenal sebagai adhesi. dengan cara ini, air kadang-kadang dapat memanjat ke atas untuk beberapa sentimeter atau bahkan meter, dalam sebuah tindakan yang disebut kapilaritas. Kapilaritas memungkinkan air untuk beredar ke atas melalui celah-celah batu, tanah, dan akar dan batang tanaman. Kemampuan Larut . Molekul air mencantelkan diri dengan cepat ke ion yang merupakan lapisan terluar dari bahan padat dan dalam beberapa kasus dapat mengatasi kekuatan ikatan mereka, merobek ion keluar dari padat dan akhirnya membubarkan materi. Akibatnya, air di alam hampir selalu tidak suci, yang mana kita berarti bahwa itu mengandung berbagai bahan kimia lainnya selain hidrogen dan atom oksigen. Karena air bergerak melalui atmosfer, di permukaan bumi, dan tanah, batu, tanaman, dan hewan, itu disertai dengan keragaman yang luar biasa dari mineral dan nutrisi yang larut serta partikel padat kecil dalam suspensi. Panas spesifik panas spesifik (atau kapasitas panas spesifik) didefinisikan sebagai jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram zat (pada 15O C) oleh 1 derajat Celcius. Ketika air dipanaskan, maka dapat menyerap sejumlah besar energi dengan hanya sedikit peningkatan temperatur. Panas spesifik air (1 kalori / gram) dilampaui oleh yang tidak ada substansi umum lainnya kecuali amonia. Kapasitas panas tinggi merupakan konsekuensi dari jumlah energi kinetik yang relatif besar yang diperlukan untuk mengatasi ikatan hidrogen antara molekul-molekul air. badan air sangat lambat untuk menghangatkan siang hari atau di musim panas, dan sangat lambat untuk mendinginkan pada malam hari atau di musim dingin: Dengan demikian, badan air memiliki efek moderating pada suhu atmosfer atasnya dengan melayani sebagai reservoir kehangatan selama musim dingin dan memiliki pengaruh pendinginan di musim panas. Tahap Perubahan Air . Sebagian besar kelembaban dunia adalah dalam bentuk air cair, yang dapat dikonversi ke bentuk gas (uap air) oleh penguapan atau ke bentuk padat (es) dengan pembekuan. Uap air dapat diubah menjadi air cair dengan kondensasi atau langsung ke es dengan sublimasi. Es dapat diubah menjadi air cair dengan peleburan atau menjadi uap air dengan sublimasi. Dalam masing-masing fase perubahan, ada pertukaran energi laten panas, konsep kita pertama kali diperkenalkan pada Bab 4 (Gambar 6-4) Gambar 6-4 Tahap perubahan air yang disertai dengan pertukaran panas laten. Tanda panah merah menunjukkan bahwa panas laten diserap, panah biru menunjukkan bahwa panas laten dilepaskan. Nilai yang diberikan untuk panas yang diserap atau dilepaskan selama proses penguapan, kondensasi sublimasi, dan untuk satu gram air. Panas Laten Gambar 6-5 adalah grafik suhu menunjukkan jumlah energi (kalori) yang dibutuhkan untuk melelehkan blok satu gram es dan kemudian mengubahnya menjadi uap air (ingat bahwa 1 kalori adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 gram air cair dengan 1O C). Dalam contoh ini, kita mulai dengan blok es pada suhu -40O C. KEtika panas ditambahkan, suhu es meningkat dengan cepat hanya 20 kalori panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu es hingga mencapai titik leleh dari 0O C. Setelah es mulai mencair, menyerap 80 kalori panas per gram, namun suhu tidak meningkat di atas 0O C sampai semua es telah mencair. Kami kemudian menambahkan lagi 100 kalori panas untuk meningkatkan suhu air dari 0O C sampai 100 O C, titik didih di permukaan laut. Setelah air mendidih, menyerap 540 kalori per gram, tetapi sekali lagi, suhu tidak meningkat di atas 100O C sampai semua air cair diubah menjadi uap air. Gambar 6-5 Input energi (kalori) dan dihubungkan perubahan suhu ketika salah satu gram es mulai pada suhu -40O C dilebur dan kemudian dikonversi ke uap air. Panas laten penguapan jauh lebih besar daripada panas laten peleburan. Bahkan ketika panas ditambahkan, suhu air tidak meningkat ketika sedang mengalami perubahan fase. Berikut ini alasannya: dengan tujuan untuk mencairkan es, energi harus ditambahkan untuk “menganggu” molekul air yang cukup untuk memecahkan beberapa ikatan hidrogen yang memegang molekul bersama sebagai es kristal – energi yang ditambahkan tidak meningkatkan suhu es tetapi meningkatkan energi struktur internal molekul air sehingga mereka dapat membebaskan diri untuk menjadi cair. Seperti yang kita lihat di Bab 4, energi dipertukarkan selama perubahan fase ini disebut panas laten. Energi yang dibutuhkan untuk melelehkan es disebut panas laten peleburan. Hal ini sebaliknya juga berlaku: ketika air membeku, molekul air cair harus menyerahkan sebagian dari energi internal struktural mereka untuk kembali ke kondisi yang tidak terganggu di mana es dapat terbentuk. Energi yang dilepaskan ketika air membeku yang disebut panas laten fusi. Untuk setiap gram es, 80 kalori panas diserap ketika es mencair, dan 80 kalori panas dilepaskan ketika air membeku. Energi yang dibutuhkan untuk menguapkan air cair disebut panas laten penguapan. Dan, sekali lagi, sebaliknya juga benar: ketika uap air mengembun kembali ke air cair, air sangat menganggu molekul uap air harus menyerahkan sebagian dari energi internal struktural mereka untuk kembali ke keadaan cair. Energi yang dilepaskan selama kondensasi disebut panas laten kondensasi. Untuk setiap gram air cair pada suhu 100O C, 540 kalori panas diserap ketika air menguap, dan 540 kalori panas yang dilepaskan ketika air mengembun. Perhatikan pada Gambar 6-4 dan 6-5 bahwa sekitar tujuh kali lebih panas yang dibutuhkan untuk menguapkan satu gram air cair daripada yang dibutuhkan untuk melelehkan satu gram es. Perhatikan juga bahwa ketika sublimasi terjadi, pertukaran panas laten hanyalah total pertukaran padat-cair dan cair-gas. Pentingnya Panas Laten di Atmosfer Pentingnya pertukaran panas laten selama fase perubahan – terutama antara air cair dan uap air. Setiap kali penguapan terjadi, energi akan dihapus dari cairan untuk menguapkan sebagian air, sehingga suhu cairan yang tersisa berkurang. Karena energi panas laten “disimpan” di uap air selama proses penguapan, penguapan, pada dasarnya, proses pendinginan. Efek pendinginan evaporative tersebut dialami ketika perenang meninggalkan kolam renang di hari yang hangat kering. Tubuh basah menetes langsung kehilangan air melalui penguapan ke udara sekitar, dan kulit merasakan penurunan suhu yang dihasilkan. Sebaliknya, karena energi panas laten harus dibebaskan selama kondensasi, kondensasi, pada dasarnya, proses pemanasan. Uap air merupakan “reservoir” panas – kapanpun dan dimanapun kondensasi berlangsung, panas ini ditambahkan kembali ke atmosfer. Seperti yang kita akan mulai lihat nanti dalam bab ini, pelepasan panas laten selama kondensasi memainkan peran penting dalam stabilitas atmosfer dan dalam banyak kekuatan badai. Uap Air dan Penguapan Uap air adalah tidak berwarna, tidak berbau, hambar, gas tak terlihat yang bercampur bebas dengan gas-gas lain dari atmosfer. Uap air merupakan konstituen minor atmosfer, dengan jumlah hadir yang cukup bervariasi dari tempat ke tempat dan dari waktu ke waktu. Pada dasarnya, uap air terbatas di troposfer yang lebih rendah. Lebih dari setengah dari semua uap air ditemukan di 1,5 kilometer (sekitar 1 mil) dari permukaan bumi, dan hanya sebagian kecil ada di atas 6 kilometer (sekitar 4 mil). Penguapan dan Tingkat Penguapan Gambar 6-6 Penguapan melibatkan pelepasan dari molekul air dari permukaan cairan ke udara sebagai uap air. Hal ini dapat terjadi pada suhu apa pun, tetapi suhu tinggi meningkatkan energi molekul dalam cairan sehingga meningkatkan laju penguapan. (a) Dengan alat pembakar, beberapa molekul keluar dari permukaan sebagai uap air, sedangkan beberapa kembali dari udara ke permukaan cairan. (b) Dengan meningkatnya suhu air, semua molekul menjadi lebih gelisah, dan jadi lebih dari molekul air yang membebaskan diri dari permukaan sebagai uap air daripada kembali ke permukaan cairan dari udara. (c) pemanasan lanjutan meningkatkan aktivitas molekul sehingga udara dapat menjadi jenuh dengan uap air. Suhu Molekul air di air hangat lebih gelisah daripada di air dingin, dengan demikian, penguapan cenderung lebih banyak pada air hangat dari pada dingin.. Suhu air yang tinggi menghasilkan agitasi lebih dalam molekul air cair, suhu udara begitu tinggi menghasilkan agitasi lebih dalam molekul dari semua gas'yang membentuk udara. Semakin “energik” gas molekul di udara hangat dapat bertabrakan dengan permukaan air cair dan memberikan cukup energi kinetik untuk beberapa molekul air cair untuk memutuskan ikatan hidrogen dan memasuki udara di atas sebagai uap. Isi Uap Air dari Udara Molekul air tidak bisa terus menguap dan memasuki udara tanpa batas.. Jumlah tekanan atmosfer hanya jumlah dari tekanan yang diberikan oleh semua individu dalam gas atmosfer. Tekanan yang diberikan oleh uap air disebut tekanan uap. Pada setiap suhu yang diberikan, ada tekanan uap maksimum yang dapat dikerahkan molekul air. Semakin tinggi suhu maksimum semakin tinggi tekanan uap (dengan kata lain terdapat lebih banyak uap air di udara hangat daripada di udara dingin). Ketika molekul air di udara mengerahkan tekanan uap maksimum yang mungkin pada suhu tertentu, udara yang “jenuh” dengan uap air – pada titik ini, laju penguapan dan laju kondensasi adalah sama. Jika tekanan uap maksimum terlampaui, lebih banyak molekul uap air yang akan meninggalkan udara melalui kondensasi daripada yang ditambahkan ke udara melalui penguapan – kondensasi bersih akan berlangsung sampai tingkat penguapan dan kondensasi cocok dan udara memiliki tekanan uap maksimum lagi. Dalam prakteknya ini berarti bahwa penguapan cenderung berlangsung lebih cepat bila ada relatif sedikit uap air di udara, dan bahwa laju penguapan menurun karena udara semakin mendekati saturasi. Angin Jika udara bergerak, namun, melalui angin dan/atau turbulensi, molekul uap air di dalamnya lebih tersebar luas. Penyebaran molekul uap air ini awalnya di udara dalam hubungan udara-air yang berarti bahwa udara sekarang jauh dari kejenuhan dan sehingga tingkat penguapan meningkat. tingkat penguapan dari permukaan air dipengaruhi oleh suhu air dan udara, jumlah uap air yang sudah di udara, dan tingkat angin. Tinggi suhu, udara kering, gersang besar angin menyebabkan penguapan bersih lebih besar. Evapotranspirasi Meskipun sebagian besar dari air yang menguap ke udara berasal dari air, jumlah yang relatif kecil berasal dari tanah. Penguapan dari tanah memiliki dua sumber: (1) tanah dan permukaan benda mati lainnya, dan (2) tanaman. Jumlah uap air yang menguap dari tanah relatif kecil, dan dengan demikian sebagian besar kelembaban tanah yang diturunkan di udara berasal dari tanaman. Proses dimana tanaman menyerahkan kelembaban melalui daun mereka disebut transpirasi, sehingga proses gabungan dari uap air masuk udara dari sumber tanah disebut evapotranspirasi (lihat Gambar 6-1). Dengan demikian, uap air di atmosfer ditambahkan melalui penguapan dari air dan evapotranspirasi dari permukaan tanah. Apakah lokasi tanah yang diberikan adalah basah atau kering tergantung pada tingkat evapotranspirasi dan curah hujan. Untuk menganalisis tingkat ini, kita perlu tahu tentang konsep yang disebut evapotranspirasi potensial. Ini adalah jumlah evapotranspirasi yang akan terjadi jika tanah di lokasi tersebut adalah basah sepanjang waktu. Untuk menentukan nilai evapotranspirasi potensial di lokasi mana pun, data temperatur, vegetasi, dan karakteristik tanah di lokasi yang ditambahkan ke nilai evapotranspirasi aktual dalam formula yang menghasilkan perkiraan evapotranspirasi maksimum yang dapat mengakibatkan kondisi lingkungan setempat jika kelembaban tersedia. Ukuran Kelembaban Jumlah uap air di udara disebut sebagai kelembaban. Hal ini dapat diukur dan dinyatakan dalam berbagai cara, masing-masing berguna untuk tujuan tertentu. Air yang sebenarnya dalam Kandungan Uap Jumlah aktual air dari uap di udara dapat digambarkan dalam beberapa cara yang berbeda. Kelembaban Absolut Salah satu ukuran langsung dari isi uap air dari udara adalah kelembaban absolut – massa uap air dalam volume yang diberikan udara. Kelembaban absolut dinyatakan dalam gram uap air per meter kubik udara (g/m3, 1 gram adalah sekitar 0,035 ons, dan 1 meter kubik adalah sekitar 35 kaki kubik).. Kelembaban mutlak maksimal (“kemampuan” uap air) untuk paket udara dibatasi oleh suhu: udara dingin memiliki kelembaban absolut maksimum yang kecil sementara udara hangat memiliki kelembaban absolut maksimum yang besar (Gambar 6-7). Gambar 6-7 Jumlah maksimum uap air yang dapat di udara (kapasitas uap air) meningkat dengan meningkatnya suhu. Bagan ini menunjukkan kelembaban saturasi mutlak dalam g/m3. Jika perubahan volume udara (seperti yang terjadi ketika udara mengembang atau tertekan ketika bergerak secara vertikal), nilai kelembaban mutlak juga berubah meskipun tidak ada perubahan dalam jumlah total yang hadir dalam uap air. Kelembaban Spesifik Massa uap air dalam massa udara tertentu disebut kelembaban spesifik dan biasanya dinyatakan dalam butir uap air per kilogram udara (g/kg, untuk perbandingan satu meter kubik udara di permukaan laut memiliki massa sekitar 1,4 kg pada suhu kamar). Misalnya, jika satu kilogram udara mengandung 15 gram uap air, kelembaban spesifik adalah 15 g / kg. Tekanan uap kontribusi uap air dengan tekanan total atmosfer disebut tekanan uap. Tekanan uap dapat dinyatakan, dalam milibar (mb). Tekanan uap maksimum yang mungkin ( “kapasitas” uap air) pada suhu tertentu disebut saturasi tekanan uap. Perhatikan pada Gambar 6-8 bahwa pada suhu 10° C (50° F) tekanan saturasi uap adalah sedikit lebih dari 10 mb, sementara pada 30° C (86° F) tekanan uap jenuh adalah sekitar 40 mb –menggambarkan lagi bahwa udara hangat memiliki potensi mengandung uap air lebih banyak dari pada udara dingin. Kelembaban mutlak, kelembaban tertentu, dan tekanan uap adalah cara-cara untuk mengekspresikan jumlah yang sebenarnya dari uap air di udara – dan karena itu, merupakan indikasi dari jumlah air yang bisa diambil oleh kondensasi dan presipitasi. Kelembaban Relatif Kelembaban relatif adalah rasio (dinyatakan sebagai persentase) yang membandingkan jumlah aktual dari uap air di udara dengan “kemampuan” uap air dari udara.. Sebagaimana telah kita lihat pada Gambar 6-7 dan Gambar 6-8, udara dingin memiliki kapasitas air uap yang rendah, sementara udara hangat memiliki kapasitas air uap tinggi. Gambar 6-8. Saturasi tekanan uap (dalam milibar) dan kelembaban saturasi tertentu (dalam g / kg). Seiring dengan peningkatan suhu, uap air kapasitas meningkat udara. Kelembaban relatif dihitung dengan rumus sederhana: Kelembaban relatif = Hubungan Suhu-Kelembaban Relatif salah satu yang paling penting dalam seluruh meteorologi: dengan meningkatnya suhu, kelembaban relatif menurun, sebagai penurunan suhu, kelembaban relatif meningkat (setidaknya sampai kondensasi dimulai). Hubungan terbalik digambarkan pada Gambar 6-9, yang menunjukkan fluktuasi suhu dan kelembaban relatif selama hari-hari biasa (dengan asumsi tidak ada variasi dalam jumlah uap air di udara). Pada pagi hari, suhu rendah dan kelembaban relatif tinggi karena air udara ini kapasitas uap rendah. Seperti udara memanas pada siang hari, kelembaban relatif menurun – karena udara hangat memiliki kapasitas uap air lebih tinggi dari udara dingin. Dengan pendekatan malam, suhu udara menurun, kapasitas uap air di udara berkurang, dan meningkatkan kelembaban relatif. Gambar 6-9. Biasanya ada hubungan terbalik antara suhu dan kelembaban relatif pada setiap hari tertentu. Dengan naiknya suhu, kelembaban relatif menurun. Dengan demikian, kelembaban relatif cenderung terendah di sore hari dan tertinggi sebelum fajar.