Bab 1: Lembapan Atmosfera

 LEMBAPAN ATMOSFERA

Menurut Chan (1995) lembapan atmosfera merujuk kepada jumlah air dalam bentuk gas atau wap iaitu unsur iklim yang sangat penting dalam sistem atmosfera. Kelembapan atmosfera bukan sahaja penting dalam mempengaruhi cuaca dan iklim tetapi amat penting kepada kehidupan manusia dan terhadap sistem biosfera. Lembapan atmosfera merupakan sumber tunggal kepada penghasilan air tawar. Ia terjadi melalui proses pengawapan wap air yang berada dalam sistem atmosfera. Wap air akan berubah kepada bentuk cecair melalui proses pemeluwapan dan seterusnya menghasilkan awan. Awan akan berubah menjadi kerpasan apabila kandungan wap air menjadi tepu dan turun ke permukaan bumi sebagai air tawar.

Antara proses-proses penting yang berkaitan lembapan atmosfera adalah seperti berikut:

(i) Bahangan Suria. Bahangan  suria merupakan tenaga yang dihasilkan oleh matahari dan dihantar terus melalui angkasa lepas ke bumi dalam bentuk tenaga elektromagnet atau tenaga sinaran. Sebaik sahaja masuk ke lapisan atmosfera ia akan mengalami banyak perubahan (Chan, 1995:3). Antara perubahan bentuk tenaga ialah tenaga elektromagnet kepada tenaga haba, tenaga keupayaan, tenaga kinetik dan tenaga kimia. Perubahan tenaga dari satu bentuk kepada bentuk yang lain adalah penting dalam bidang kaji iklim kerana proses  cuaca dan iklim adalah satu cara untuk mencapai dan mengekalkan satu keadaan keseimbangan dari segi taburan bahangan suria.

(ii) Sejatan. Proses ini berlaku apabila air (cecair) atau pepejal (ais) bertukar bentuk kepada gas (wap air). Kelazimannya proses ini berlaku apabila permukaan badan air dipanaskan oleh bahangan suria (suhu) dan menyebabkan air (cecair) bertukar menjadi wap air (gas). Pertukaran bentuk ini berlaku  apabila tekanan wap air pada permukaan air lebih tinggi berbanding tekanan wap dalam atmosfera yang belum mencapai takat tepu. Wap air yang tersejat adalah ringan dan akan bergerak ke atas ruang atmosfera bagi melalui proses selanjutnya iaitu pemeluwapan dan seterusnya membentuk hujan.

(iii) Perpeluhan. Perpeluhan adalah satu proses yang kompleks iaitu melibatkan kehilangan air dari tumbuhan, haiwan dan manusia. Ia berlaku apabila wujud tekanan wap yang lebih tinggi pada sel di permukaan  daun, batang, kulit atau badan berbanding tekanan wap di atmosfera (Chan, 1995: 47). Perpeluhan dipengaruhi oleh faktor atmosfera dan faktor tumbuhan sendiri seperti kadar umbesaran, saiz daun, suhu daun, bentuk daun dan sebagainya.

(iv)  Pemeluwapan. Proses ini berlaku apabila kandungan wap air yang telah tersejat mengalami perubahan lalu membentuk titisan-titisan air yang terapung di ruang atmosfera. Titisan air ini seterusnya akan bercantum dan membentuk awan. Pertukaran wap air kepada awan berlaku apabila suhu dan jisim udara menurun sehingga mencapai takat embun (0°C). Penurunan kadar suhu di ruang atmosfera khususnya pada lapisan troposfera berlaku disebabkan oleh kadar tukaran adiabatik. Proses  ini berlaku apabila jisim udara naik semakin tinggi  ke ruang atmosfera, maka suhu   di dalamnya akan semakin menurun dan wap air akan bertukar menjadi titisan-titisan air. Antara faktor yang  mempengaruhi proses pemeluwapan ialah (a) kandungan wap air dalam atmosfera yang mencukupi, (ii) proses penyejukan udara mencapai paras takat embun dan (iii) terbentuk nukleus pemeluwapan.

(v)   Pembentukan Awan. Awan merupakan titisan-titisan kecil air yang terapung di udara. Ia terbentuk hasil proses pemeluwapan dalam ruang troposfera yang mempunyai ketinggian kurang dari 12 000 meter.  Pembentukan awan sebenarnya mempunyai hubungan positif dengan proses pemeluwapan di mana semakin tinggi kadar pemeluwapan maka semakin tebal awan yang terbentuk. Bagi menghasilkan hujan awan memerlukan angin untuk mendorong beberapa awan kecil (komulus) untuk bergerak dan bergabung menjadi awan yang lebih besar (komulonimbus). Apabila awan-awan kecil ini bergabung, menyatu dan membentuk awan yang lebih besar, dorongan pada bahagian dalam awan akan menjadi semakin besar dan meningkat. Pada masa yang sama dorongan ke atas pada bahagian tengah awan menjadi lebih kuat berbanding bahagian tepi. Keadaan ini menyebabkan kumpulan awan tumbuh semakin besar dan berlaku secara menegak. Pertumbuhan ke atas menyebabkan badan awan mencapai kawasan yang lebih sejuk pada lapisan atas atmosfera. Titisan air dan ais mula terbentuk dan semakin membesar serta menjadi semakin berat dan jatuhlah titisan air atau ais ke permukaan bumi sebagai gerimis, hujan atau pun hujan air.

Rajah 1: Proses Penumpukan Awan

Bab 1 : Struktur & Kandungan Atmosfera

STRUKTUR & KANDUNGAN ATMOSFERA

PENGENALAN

A

tmosfera bumi merujuk kepada satu sistem (critical system) yang penting bagi pelbagai kehidupan yang ada di planet ini. Ia merupakan satu sistem  kompleks yang membentuk tindak balas terhadap unsur kimia dan fizikal di dalamnya khususnya berkaitan cuaca dan iklim. Proses fizikal atau kimia ini  berlaku dalam beberapa bentuk dan mengambil tempat yang sewajarnya dalam sistem atmosfera bumi. Sehubungan itu perbincangan dalam bab ini akan menjurus kepada persoalan berkaitan struktur dan komposisi kandungan unsur dalam sistem atmosfera. Perbincangan seterusnya adalah untuk menjelaskan proses-proses yang berlaku dalam sistem dan bagaimana ia memberi kesan terhadap persekitaran fizikal bumi. Menurut Chan (1995) atmosfera adalah lapisan nipis yang tidak sama tebal mengikut altitud dan terdiri daripada pelbagai jenis gas yang melekat pada bumi kerana daya tarikan graviti. Lapisan ini bergerak bersama-sama pergerakan bumi mengelilingi matahari dan berperanan melindungi hidupan bumi dengan cara menyerap pancaran ultra ungu, memanaskan permukaan bumi dan mengurangkan suhu di antara siang dan malam. Atmosfera juga menjalankan beberapa proses asas yang akan  mewujudkan kitaran atmosfera, membentuk zon iklim dan mempengaruhi perubahan pola cuaca.

Rajah 1: Ruang Atmosfera

STRUKTUR DAN KANDUNGAN ATMOSFERA

                                                                                      

Sebelum memahami proses-proses yang berlaku dalam sistem atmosfera bumi, sewajarnya kita memahami secara mendalam dan menyeluruh tentang struktur dan kandungan atmosfera. Atmosfera terdiri daripada beberapa lapisan dan kandungan utamanya adalah pelbagai jenis gas dan wap air.  Pada dasarnya ruang atmosfera mempunyai 5 lapisan iaitu  (i) troposfera, (ii) stratosfera, (iii) mesosfera, (iv) termosfera dan (v) eksosfera (Alan Buis, 2019; Hetmenstine, 2019).  

Rajah 2: Struktur Atmosfera

Rajah 1.2 menunjukkan secara grafik lima lapisan atmosfera yang boleh dikenalpasti berdasarkan ciri struktur serta komposisi kandungannya. Ia akan dibincangkan seperti berikut:

 (i) Lapisan Troposfera (Troposphere). Lapisan ini merupakan lapisan pertama dalam ruang atmosfera bumi. Ia berada pada ruang altitud antara 0 hingga 16 kilometer dari permukaan bumi. Ketebalan lapisan  troposfera adalah kira-kira 8 hingga 16 kilometer. Kandungan utama dalam lapisan ini ialah wap air, oksigen (O2), karbon dioksida (CO2), nitrogen (N2), awan, bahan cemar udara, gas kekal dan juzuk bukan gas (NASA, 2019). Troposfera merupakan lapisan yang sangat tipis tetapi berperanan menampung udara yang diperlukan oleh tumbuhan untuk proses fotosentesis dan haiwan untuk bernafas. Ia mengandungi 99 peratus wap air dan aerosol. Lapisan troposfera ini bersifat lembab dan amat penting dalam proses penjanaan unsur-unsur cuaca seperti suhu, hujan, kelembapan, awan dan angin. Kedudukan suhu pada lapisan ini adalah bersifat songsang dengan ketinggian di mana semakin tinggi altitud maka suhu menjadi semakin rendah atau sejuk. Secara umumnya setiap kenaikan 1000 meter aras ketinggian, suhu akan turun sebanyak 6.5°C. Fenomena ini amat penting dalam membantu proses pemeluwapan dan adiabatik[1] iaitu proses utama dalam pembentukan hujan. Sehubungan itu lapisan troposfera merupakan ruang yang amat penting dalam konteks alam sekitar fizikal kerana di sinilah kebanyakan proses berkaitan perubahan cuaca dan iklim berlaku.

 (ii) Lapisan Stratosfera (Stratosphere). Stratosfera merupakan lapisan ke dua atmosfera yang berada pada ketinggian 16 hingga 50 km dari lapisan tropopaus[2]. Ketebalan lapisan stratosfera adalah kira-kira 40 kilometer. Kandungan utama lapisan ini ialah gas ozon (O3).  Gas ozon yang berada di lapisan stratosfera adalah gas ozon yang baik dan mampu melindungi hidupan bumi daripada pancaran radiasi ultra violet (UV) matahari. Gas ozon yang turun ke lapisan troposfera pula akan menjadi gas ozon yang tidak baik kerana ia telah tercemar dan membentuk gas rumah hijau. Secara semulajadi lapisan ozon terbentuk hasil tindak balas cahaya ultra lembayung dengan atmosfera bumi lalu membentuk satu lapisan ozon pada ketinggian 50 kilometer. Ozon (O3) membentuk  cecair biru tua pada suhu -112°C dan cecair biru tua gelap pada suhu -193°C. Pada suhu dan tekanan biasa ozon membentuk gas  biru. Secara umumnya gas ozon di lapisan stratosfera amat penting kerana ia berfungsi menapis cahaya lampau ungu dari sinaran matahari.

(iii)     Lapisan Mesosfera (Mesosphere). Mesosfera merupakan lapisan atmosfera yang terbentuk pada altitud antara 50 hingga 80 kilometer di atas permukaan bumi. Ketebalan  lapisan ini adalah kira-kira 30 kilometer dan suhu lapisan ini cenderung semakin sejuk mengikut altitud (ketinggian) dengan taburan yang amat rendah iaitu sekitar 0°C dan boleh mencapai -85°C. Kandungan utama lapisan ini adalah awan noktilucen[3] yang terbentuk daripada kristal ais yang memiliki diameter 100 nanometer. Ia terbentuk hasil  penguwapan air yang kemudiannya menghasilkan partikel-partikel padat berupa debu. Awan nuktilucen  sering terjadi pada musim panas khususnya di kawasan kutub kerana keadaaan mesosfera yang dingin. Kepentingan utama lapisan mesosfera ini adalah sebagai ruang untuk pembakaran meteor sebelum ia sampai ke permukaan bumi.

  

(iv)     Lapisan Termosfera (Termosphere). Termosfera merupakan lapisan ke empat atmosfera yang  terbentuk pada ruang yang mempunyai ketinggian antara 80 hingga 700 kilometer dari permukaan bumi. Ketebalan lapisan ini adalah kira-kira 600 kilometer. Antara lapisan mesosfera dan termosfera terdapat satu lapisan yang dikenali sebagai mesopaus. Lapisan ini merupakan titik atau takat suhu minimum yang menjadi sempadan pemisah antara mesosfera dengan termosfera dalam ruang atmosfera.  Taburan suhu sentiasa meningkat mengikut ketinggian dan boleh mencapai 1200°C.  Kandungan utama lapisan ini adalah  lebihan gas atmosfera iaitu nitrogen dan oksigen dalam bentuk molekul berkepadatan rendah. Fenomena Aurora borealis dan  australis juga kerap berlaku pada waktu malam khususnya   di kawasan kutub utara dan kutub selatan. Lapisan ini berperanan  menyerap radiasi solar khususnya sinaran UV, selain sebagai lapisan gelombang radio dan satelit komunikasi.  Stesen Angkasa Antarabangsa (ISS) yang berada pada ketinggian 360 kilometer dari permukaan bumi juga ditempatkan  dalam lapisan termosfera ini.

(v)   Lapisan  eksosfera (Exosphere). Lapisan ini terbentuk pada altitud antara 700 hingga 10 000 kilometer di atas permukaan bumi (NASA, 2019). Ia merupakan lapisan paling atas dalam atmosfera bumi dan bergabung dengan sistem solar. Molekul yang terdapat di sini mempunyai kepadatan yang sangat rendah. Sehubungan itu lapisan eksosfera tidak mempunyai unsur cuaca sama sekali, namun  begitu ‘aurora borealis’ dan ‘aurora australis’ kadang kala kelihatan pada bahagian paling bawah eksosfera dan kebanyakan orbit satelit bumi  berada di lapisan ini.

Karman Line. Karman Line atau garisan karman yang ditunjukkan dalam rajah 1.3 merupakan garisan atau bahagian yang memisahkan antara ruang atmosfera bumi dengan ruang angkasa lepas. Garisan ini berada pada ketinggian 100 kilometer atau 62 batu dari permukaan bumi. Penentuan Karman Line ini penting kerana garisan ini menentukan had sempadan atmosfera dan angkasa lepas. Had ketinggian melebihi 100 kilometer dari permukaaan bumi dikatakan tidak mampu dilepasi oleh pesawat penerbangan biasa yang menggunakan kuasa jet. Oleh itu penentuan had ini amat penting dalam sistem pengangkutan udara.

Rajah 3: Lapisan Atmosfera

Kandungan Atmosfera (Atmosphere Composition). Atmosfera terdiri daripada satu lapisan udara yang mengelilingi dan meliputi bumi dengan anggaran ketinggian kurang 600 kilometer dari permukaan bumi. Kandungan udara yang terdapat dalam ruang ini termasuklah wap air, asap dan partikel terampai seperti debu, habuk, jelaga dan sebagainya. Selain itu, lapisan atmosfera mengandungi beberapa jenis gas yang mana 75 peratus daripadanya terletak dilapisan paling bawah atmosfera iaitu lapisan troposfera. Menurut Anne (2003) gas nitrogen, oksigen, argon, neon, helium dan kripton adalah komponen tetap yang terdapat dalam ruang atmosfera bumi. Nitrogen merupakan komponen paling utama dengan kadar 78.08 peratus dan diikuti oleh oksigen 20.95 peratus. Komponen-komponen lain ialah argon (0.9300 peratus), helium (0.0005 peratus), neon (0.0018 peratus), kripton (0.0001 peratus), karbon dioksida (0.0300 peratus) dan xenon (0.00001).

Gas-gas yang terdapat dalam atmosfera merupakan sumber yang penting  dan mempunyai kegunaan tertentu. Nitrogen melalui proses edaran nitrogen akan membekalkan nutrien nitrat untuk pertumbuhan tumbuhan dan haiwan. Oksigen pula diperlukan oleh semua hidupan di permukaan bumi terutamanya untuk proses pernafasan. Karbon dioksida diperlukan oleh tumbuhan untuk melakukan proses fotosentesis. Pada dasarnya kandungan gas atmosfera bertindak sebagai pengimbang dalam bajet tenaga. Ia bertindak menyerap dan memantul kembali cahaya ultra ungu dan bahangan suria yang dipancarkan oleh matahari ke permukaan bumi.

                     Jadual 1: Komposisi Gas dalam Atmosfera

GAS	SIMBOL	ISIPADU (%)
NITROGEN OKSIGEN ARGON KARBON DIOKSIDA NEON HELIUM	N2 O2 Ar CO2 Ne He	78.0800 20.9500 0.9300 0.0300 0.0018 0.0005

---

[1] Perubahan suhu yang dialami oleh bungkusan udara apabila bergerak naik secara menegak ke ruang atmosfera atas.

[2]  Lapisan yang memisahkan troposfera dengan stratosfera.

[3] Awan yang bersinar dengan sinar biru yang indah pada waktu senja dan berada pada ketinggian sekitar 75 hingga 85 kilometer dari permukaan bumi.