书籍暂未推出简体中文版——当前显示 Bahasa Indonesia 版。
Ilmu Kebumian dan Antariksa Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · 1–9 年级
17Air di Bawah Tanah
Pada suatu hari yang panas di musim panas, ladang-ladang kering dan sungai-sungai kecil surut. Akan tetapi, di kaki sebuah bukit, air terus keluar dari tanah, dingin dan jernih, seperti sepanjang musim dingin, dan mengisi sebuah kolam. Sudah berminggu-minggu hujan tidak turun. Dari mana air ini berasal, dan bagaimana air itu keluar dari batuan?
Yang sudah kamu ketahui
Hampir semua air di Bumi adalah air asin; air tawar hanya sebagian kecil, yang sebagian besar tersimpan sebagai es dan di bawah tanah (Bab 3). Batuan seperti batu pasir dan batu kapur tersusun dari butiran atau cangkang yang melekat menjadi satu, sedangkan lempung dan serpih tersusun dari partikel yang sangat halus (Bab 15). Dalam buku fisika, kamu sudah mengikuti perjalanan air dalam siklus air: air menguap dari laut, mengembun menjadi awan, dan jatuh kembali sebagai hujan atau salju.
17.1 Hujan meresap
Ketika hujan jatuh di daratan, airnya dapat menempuh tiga jalan. Sebagian menguap kembali ke udara. Sebagian mengalir di permukaan, menuruni lereng, masuk ke sungai-sungai kecil dan sungai: inilah limpasan. Sisanya meresap ke dalam tanah.
Definisi 17.1 (Infiltrasi)
Yang disebut infiltrasi adalah meresapnya air hujan, atau salju yang mencair, ke dalam tanah, melalui lapisan tanah dan terus ke bawah masuk ke batuan.
Banyaknya air yang meresap bergantung pada tanahnya. Pada lereng yang curam, pada tanah yang gundul atau keras, pada jalan atau tempat parkir, atau ketika tanah sudah basah kuyup, sebagian besar air mengalir pergi. Pada lereng yang landai, di bawah rumput dan pepohonan, pada tanah berpasir, lebih banyak air yang sempat meresap.
17.2 Batuan berpori dan permeabel
Amatilah segenggam pasir kering dengan kaca pembesar: di antara butiran-butirannya ada ruang-ruang kosong yang sangat kecil. Tuangkan air ke atasnya, dan air itu mengisi ruang-ruang tersebut. Banyak batuan yang seperti itu: penuh dengan lubang kecil di antara butirannya, atau dengan retakan yang tipis.
Definisi 17.2 (Porositas)
Yang disebut pori sebuah batuan adalah ruang-ruang kosong di antara butirannya dan di dalam retakannya. Batuan yang mempunyai pori disebut berpori. Yang disebut porositas batuan adalah bagian volumenya yang berupa pori, yang dituliskan sebagai persentase.
Definisi 17.3 (Permeabilitas)
Sebuah batuan disebut permeabel jika air dapat mengalir melaluinya, karena pori-porinya cukup besar dan saling terhubung. Batuan itu disebut kedap air jika air tidak dapat mengalir melaluinya. Yang disebut permeabilitas adalah seberapa mudah air mengalir melalui sebuah batuan.
Kedua gagasan ini tidak sama. Lempung sangat berpori: separuh volumenya berupa pori. Akan tetapi, pori-porinya begitu kecil sehingga air tetap terperangkap di dalamnya: lempung itu kedap air. Pasir mempunyai pori yang lebih sedikit daripada lempung, tetapi porinya lebar dan saling terhubung: pasir itu permeabel. Granit yang tidak retak hampir tidak mempunyai pori sama sekali.
Tabel ini memberikan porositas beberapa bahan, dan bagian air yang keluar dengan sendirinya dari bahan itu ketika bahan itu penuh berisi air. Sisanya tetap menempel pada butiran.
| bahan | porositas (%) | air yang keluar (%) |
|---|---|---|
| tanah | 55 | 40 |
| lempung | 50 | 2 |
| pasir | 25 | 22 |
| kerikil | 20 | 19 |
| batu kapur | 20 | 18 |
| batu pasir | 11 | 6 |
| granit | 0.1 | 0.09 |
Metode 17.4 (Berapa banyak air yang ditampung sebuah batuan?)
- Carilah volume batuan itu (untuk sebuah balok: panjang lebar tinggi).
- Kalikan dengan porositasnya dan bagilah dengan 100: hasilnya adalah volume pori, jadi air yang ditampung batuan itu ketika penuh.
- Untuk air yang keluar, pakailah persentase kedua dengan cara yang sama. (1 meter kubik sama dengan 1000 liter.)
Contoh 17.5 (Satu meter kubik pasir)
Satu meter kubik pasir, yang penuh berisi air, menampung liter air di dalam pori-porinya. Dari jumlah itu, liter keluar dengan sendirinya; 30 liter tetap menempel pada butiran. Satu meter kubik lempung menampung air dua kali lebih banyak, 500 liter, tetapi hanya 20 liter yang keluar.
Di laboratorium — Pasir atau lempung? (di kelas, bersama guru)
Dua pot bunga yang berlubang di dasarnya diletakkan di atas dua gelas. Pot yang satu diisi pasir kering, yang lain diisi tanah lempung kering yang dipadatkan. Guru menuangkan segelas air yang sama banyaknya ke dalam masing-masing pot, pada saat yang sama. Melalui pasir, air segera menetes ke dalam gelas di bawahnya. Di atas lempung, air tetap berada di permukaan sebagai genangan dan hanya beberapa tetes yang keluar, perlahan-lahan: pasir itu permeabel, lempung tidak.
17.3 Air tanah dan muka air tanah
Galilah lubang di pasir pantai, beberapa langkah dari laut: setelah beberapa saat, air muncul di dasar lubang. Kamu sudah sampai di tempat yang semua pori pasirnya penuh berisi air.
Definisi 17.6 (Air tanah)
Yang disebut air tanah adalah air di bawah permukaan tanah yang mengisi pori dan retakan pada tanah dan batuan.
Definisi 17.7 (Muka air tanah)
Di bawah kedalaman tertentu, semua pori batuan penuh berisi air. Yang disebut muka air tanah adalah batas atas zona yang penuh air ini. Di atasnya, pori-pori berisi udara dan sedikit air; di bawahnya, pori-pori penuh berisi air.
Muka air tanah tidak datar. Muka air tanah mengikuti bentuk daratan, tetapi lebih landai: lebih tinggi di bawah bukit, lebih rendah di bawah lembah. Muka air tanah juga naik dan turun mengikuti musim. Setelah musim hujan, air hujan yang meresap menaikkannya; setelah musim kemarau yang panjang, air perlahan-lahan mengalir pergi ke mata air dan sungai, dan muka air tanah turun.
Air tanah adalah simpanan air tawar yang besar. Dari seluruh air tawar di Bumi, kira-kira 69 % berupa es dan salju abadi, dan kira-kira 30 % berupa air tanah; air tawar di semua danau hanya kira-kira seperempat dari satu persen. Air tanah lebih dari seratus kali lebih banyak daripada air tawar di danau-danau.
17.4 Mata air dan sumur
Definisi 17.8 (Mata air dan sumur)
Yang disebut mata air adalah tempat air tanah keluar dari tanah dengan sendirinya, di tempat muka air tanah bertemu dengan permukaan. Yang disebut sumur adalah lubang yang digali atau dibor sampai di bawah muka air tanah, sehingga air tanah mengisi dasarnya dan dapat diangkat keluar.
Penampang di bawah ini melintasi sebuah lembah di Perbukitan Varden, wilayah latihan-latihan kita. Perbukitan itu tersusun dari kapur, sejenis batu kapur yang putih, lunak, berpori, dan permeabel. Di bawah kapur terdapat lapisan serpih, yang kedap air. Air hujan meresap ke dalam kapur, mengisi pori-porinya, dan berhenti di atas serpih.
Mata air itu mengalir di tempat dasar lapisan kapur bertemu dengan lereng bukit: air tidak dapat turun menembus serpih, jadi air mengalir di sepanjang permukaan atas serpih dan keluar di lereng. Selama masih ada air di dalam kapur di atas serpih, mata air itu terus mengalir, bahkan pada musim panas yang kering: itulah jawaban atas pertanyaan di awal bab ini.
Perhatikan kedua sumur itu. Sumur A sedalam 100 m; dasarnya berada di bawah muka air tanah pada setiap musim, jadi sumur itu selalu memberikan air. Sumur B bahkan lebih dalam, 105 m, tetapi digali lebih tinggi di bukit: dasarnya berada di bawah muka air tanah setelah musim hujan dan di atasnya setelah musim kemarau. Pada musim panas, sumur B mengering. Yang penting bukanlah seberapa dalam sebuah sumur, melainkan seberapa jauh dasarnya berada di bawah muka air tanah yang paling rendah.
Catatan 17.9 (Sumur dapat mengering)
Memompa air keluar dari sumur menurunkan muka air tanah di sekitarnya. Jika air dipompa keluar lebih cepat daripada hujan mengisi kembali batuannya, muka air tanah terus turun: sumur itu memberikan air yang makin lama makin sedikit dan dapat mengering. Dua tetangga yang memompa dari batuan yang sama berbagi air yang sama: satu pompa dapat mengeringkan sumur tetangganya.
17.5 Akuifer
Definisi 17.10 (Akuifer)
Yang disebut akuifer adalah lapisan batuan yang berpori dan permeabel, yang penuh berisi air tanah, dan yang membiarkan air ini mengalir keluar ke mata air dan sumur. Air hujan yang meresap mengisinya kembali.
Kapur di Perbukitan Varden adalah sebuah akuifer: kapur itu berpori, permeabel, dan pertanian-pertanian di perbukitan itu mengambil air darinya. Serpih di bawahnya bukan akuifer: air tidak dapat mengalir melaluinya. Lebih dalam lagi, di bawah serpih, terdapat batu kapur dan batu pasir, yang juga dapat menampung air; untuk mencapai air itu, sebuah sumur harus dibor menembus lapisan serpih.
Air tanah adalah bagian dari siklus air. Hujan meresap ke dalam akuifer; air tanah mengalir perlahan-lahan melalui pori-pori; air itu keluar di mata air dan masuk ke sungai, yang membawanya ke laut; di sana air menguap, lalu jatuh lagi sebagai hujan. Mengambil air dari akuifer itu seperti mengambil air dari tangki yang diisi hujan secara perlahan: air itu hanya akan cukup jika kita tidak mengambil lebih banyak daripada yang dikembalikan hujan.
17.6 Menjaga air tanah tetap bersih
Air yang meresap ke dalam tanah tersaring dalam perjalanannya: daun, partikel tanah, dan makhluk kecil tertahan oleh tanah dan batuan. Itulah sebabnya air dari mata air atau sumur biasanya tampak sebening kristal. Akan tetapi, zat-zat yang terlarut di dalam air tidak tertahan: zat itu ikut turun bersama air sampai ke muka air tanah.
Air tanah dapat tercemar oleh apa yang dibuang manusia ke tanah: pupuk dan pestisida yang ditebarkan di ladang dan kebun, garam yang ditaburkan di jalan yang membeku, bahan bakar yang bocor dari tangki, sampah yang dibuang di tempat terbuka, luapan tangki septik rumah yang tidak terawat. Begitu terlarut di dalam akuifer, zat-zat ini sulit dihilangkan, dan airnya mungkin tidak lagi aman diminum tanpa diolah. Jadi air sumur harus diuji sebelum diminum, dan sebaiknya pupuk, bahan bakar, dan sampah dijauhkan dari sumur dan mata air.
Zat-zat terlarut berpindah bersama air tanah. Di bawah muka air tanah, air merayap perlahan-lahan menuruni lereng: dari tempat muka air tanah tinggi, di bawah bukit, ke tempat muka air tanah rendah, di mata air dan sungai. Karena itu, tumpahan yang meresap tidak tinggal di tempat jatuhnya. Tumpahan itu turun sampai ke muka air tanah, lalu hanyut menuruni lereng bersama air tanah, menuju apa pun yang terletak di bawahnya pada lereng itu.
Metode 17.11 (Apakah sebuah sumur terancam?)
- Carilah tempat muka air tanah tinggi dan tempat muka air tanah rendah: muka air tanah tinggi di bawah bukit dan rendah di dekat mata air dan sungai.
- Air tanah mengalir dari tempat yang tinggi ke tempat yang rendah: gambarlah arahnya dengan sebuah panah.
- Sumur atau mata air yang terletak di bawah sumber pencemaran, pada jalur panah itu, terancam; sumur yang terletak di atasnya tidak.
Contoh 17.12 (Tangki bahan bakar baru untuk pertanian)
Seorang petani di lereng bukit kapur meminum air dari sumurnya sendiri, di tengah lereng, dan ingin meletakkan tangki bahan bakar baru di salah satu dari dua ladang: satu di atas sumur, satu di bawahnya, dekat sungai kecil. Air tanah mengalir menuruni lereng. Kebocoran dari ladang di atas akan hanyut turun menuju sumur; kebocoran dari ladang di bawah akan hanyut menjauhi sumur, menuju sungai kecil. Ladang di bawah sumur adalah pilihan yang lebih baik bagi sumur itu — dan tangki di atas wadah penampung yang dapat menahan kebocoran apa pun lebih baik lagi, karena sungai kecil itu juga penting.
Di lapangan — Mencari mata air
Saat berjalan-jalan bersama orang dewasa, amatilah sepanjang kaki sebuah lereng. Mata air sering kali tampak sebagai sepetak tanah yang basah, sebaris rumput yang lebih hijau atau alang-alang di ladang yang kering, sungai kecil yang muncul entah dari mana, atau bak batu atau palung yang dibangun untuk menampung airnya. Pada peta jalan kaki yang terperinci, mata air ditandai dengan sebuah simbol kecil. Amatilah dari jalan setapak: jangan pernah meminum air dari mata air yang belum diuji.
17.7 Latihan
Latihan 17.1 ★
Kelompokkan bahan-bahan berikut menjadi “permeabel” dan “kedap air”: pasir, lempung, kerikil, granit yang tidak retak, serpih, kapur.
Latihan 17.2 ★
Pasangkan setiap kata dengan artinya: mata air; sumur; muka air tanah; akuifer. (a) Batas atas zona yang semua porinya penuh berisi air. (b) Lapisan berpori dan permeabel yang menampung air tanah. (c) Tempat air tanah keluar dengan sendirinya. (d) Lubang yang menembus sampai di bawah muka air tanah.
Latihan 17.3 ★
(a) Sebutkan tiga jalan yang dapat ditempuh air hujan ketika jatuh di daratan. (b) Setelah badai, di manakah lebih banyak air yang mengalir pergi: di tempat parkir atau di padang rumput? Mengapa?
Solusi
Solusi Latihan 17.3.
(a) Air menguap kembali ke udara; air mengalir di permukaan masuk ke sungai-sungai kecil; air meresap ke dalam tanah (infiltrasi). (b) Di tempat parkir: permukaannya yang keras hampir tidak membiarkan air meresap, jadi air mengalir pergi. Di padang rumput, tanah dan rumput membiarkan banyak air meresap.
Latihan 17.4 ★
Benar atau salah? Perbaiki kalimat yang salah. (a) Batuan yang berpori selalu permeabel. (b) Di bawah muka air tanah, pori-pori penuh berisi air. (c) Muka air tanah itu datar, seperti permukaan danau. (d) Air tawar di bawah tanah lebih banyak daripada air tawar di semua danau.
Solusi
Solusi Latihan 17.4.
(a) Salah: lempung sangat berpori tetapi kedap air, karena porinya sangat kecil. (b) Benar. (c) Salah: muka air tanah mengikuti bentuk daratan, lebih landai, dan naik turun mengikuti musim. (d) Benar: kira-kira 30 % dari seluruh air tawar adalah air tanah, dibandingkan dengan kira-kira seperempat dari satu persen di danau.
Latihan 17.5 ★★
Sebuah ember berisi 10 liter pasir kering. Porositas pasir itu 25 %. Berapa banyak air yang dapat kamu tuangkan ke dalam ember sebelum meluap? Berapa banyak air yang akan keluar melalui lubang di dasarnya (22 %)?
Solusi
Solusi Latihan 17.5.
: kamu dapat menuangkan 2.5 liter sebelum ember itu meluap. : 2.2 liter akan keluar melalui lubang itu.
Latihan 17.6 ★★
Sebuah balok batu kapur berukuran 2 m kali 1 m kali 1 m. (a) Berapa volumenya, dalam meter kubik dan dalam liter? (b) Porositasnya 20 %: berapa liter air yang ditampungnya ketika penuh? (c) Dari air ini, 18 % dari volume balok keluar. Berapa liter yang keluar, dan berapa liter yang tetap terperangkap?
Solusi
Solusi Latihan 17.6.
(a) meter kubik, yaitu 2000 liter. (b) liter. (c) liter keluar; liter tetap terperangkap.
Latihan 17.7 ★★
Gunakan penampang melalui Perbukitan Varden. (a) Pada ketinggian berapakah mata air itu? Sungainya? (b) Apakah mata air itu di atas atau di bawah sungai? Ke mana air dari mata air itu pergi? (c) Mengapa tidak ada mata air di tengah lereng bukit kapur?
Solusi
Solusi Latihan 17.7.
(a) Mata air itu berada pada kira-kira 203 m, sungainya pada kira-kira 132 m. (b) Mata air itu kira-kira 70 m di atas sungai: airnya mengalir menuruni lereng masuk ke sungai. (c) Di dalam lereng bukit kapur, muka air tanah berada di bawah permukaan tanah; muka air tanah hanya bertemu dengan permukaan di tempat dasar lapisan kapur, yang terletak di atas serpih yang kedap air, muncul di lereng.
Latihan 17.8 ★★
Di sumur A, permukaan tanah berada pada 401 m; muka air tanah berada pada 336 m setelah musim hujan dan pada 314 m setelah musim kemarau. (a) Berapa dalam letak air di bawah permukaan tanah pada setiap musim? (b) Berapa meter muka air tanah turun di antara kedua musim itu?
Latihan 17.9 ★★
Seorang petani ingin membuat sumur baru di puncak bukit, di ujung kanan penampang. Haruskah sumur itu lebih dalam atau lebih dangkal daripada sumur A? Jelaskan dengan muka air tanah.
Solusi
Solusi Latihan 17.9.
Lebih dalam. Muka air tanah mengikuti bentuk daratan, tetapi lebih landai: di puncak bukit muka air tanah lebih tinggi daripada di bawah sumur A, tetapi permukaan tanahnya naik jauh lebih banyak, sehingga airnya terletak lebih jauh di bawah permukaan (pada penampang, lebih dari 110 m di bawah).
Latihan 17.10 ★★
Satu meter kubik lempung menampung 500 liter air tetapi hanya memberikan 20 liter. Jelaskan mengapa sumur yang digali di dalam lempung hampir tidak memberikan air, walaupun lempung itu penuh berisi air.
Latihan 17.11 ★★★
Dari seluruh air tawar di Bumi, 30.1 % adalah air tanah dan 0.26 % berada di danau. (a) Berapa kali lebih banyak air tawar di bawah tanah daripada di danau? (b) Dari seluruh air tawar, kira-kira 69 % berupa es dan salju. Berapa bagian yang tersisa untuk semua yang lain (air tanah, danau, sungai, udara, tanah…)? (c) Mengapa air tanah begitu penting untuk air minum?
Solusi
Solusi Latihan 17.11.
(a) : lebih dari seratus kali lebih banyak. (b) : kira-kira 31 % yang tersisa, dan air tanah saja sudah kira-kira 30 di antaranya. (c) Air tanah adalah simpanan air tawar cair yang jauh paling besar; es itu membeku dan sebagian besar letaknya jauh, di daerah kutub dan di pegunungan. Selain itu, air tanah terdapat hampir di mana-mana di bawah kaki kita.
Latihan 17.12 ★★★
Dua pertanian berdampingan di atas kapur yang sama. Pada suatu musim panas, pertanian pertama memasang pompa yang kuat dan mengisi sebuah kolam besar; beberapa minggu kemudian, sumur pertanian kedua mengering, walaupun tidak ada yang menyentuhnya. Jelaskan apa yang terjadi, dan apa yang dapat dilakukan kedua petani itu.
Solusi
Solusi Latihan 17.12.
Kedua sumur itu mengambil air dari akuifer kapur yang sama. Pompa yang kuat itu mengeluarkan air lebih cepat daripada hujan mengisi kembali kapurnya, jadi muka air tanah turun di seluruh sekitarnya, sampai di bawah dasar sumur kedua, yang lalu mengering. Kedua petani itu dapat bersepakat untuk memompa lebih sedikit, terutama pada musim panas, berbagi satu sumur, atau memperdalam sumur kedua; yang terpenting, mereka tidak boleh mengambil air lebih banyak daripada yang dikembalikan hujan.
17.8 Soal: Sumur Pertanian di Perbukitan Varden
Soal 17.1
Soal akhir pekan — batuan di bawah sebuah pertanian di Perbukitan Varden, air yang tersimpan di dalam kapurnya, dan berapa hari air itu akan cukup tanpa hujan
Sebuah pertanian di Perbukitan Varden berdiri di atas kapur, di samping sumur A pada penampang. Petaninya ingin mengetahui berapa lama sumur itu dapat mencukupi pertanian selama kemarau panjang, jika sama sekali tidak ada hujan yang mengisi kembali kapur itu.
Bagian I — Batuan di bawah pertanian.
- Sebutkan batuan tempat pertanian itu berdiri, dan batuan di bawahnya. Manakah yang permeabel?
- Jelaskan mengapa ada mata air yang mengalir di kaki lereng di bawah pertanian itu.
- Gunakan penampang: permukaan tanah di pertanian berada pada 401 m dan muka air tanah berada pada 336 m setelah musim hujan. Berapa dalam letak airnya?
- Setelah musim kemarau, muka air tanah berada pada 314 m. Sumur A sedalam 100 m. Apakah sumur itu masih mencapai air? Berapa meter?
Bagian II — Air di dalam kapur. Petani itu dapat mengeringkan kapur di sekitar sumur dalam sebuah balok sepanjang 100 m, selebar 50 m, dan setebal 2 m, di bawah muka air tanah. Kapur adalah sejenis batu kapur: pakailah porositas 20 % dan bagian air yang keluar 18 %.
- Berapa volume balok itu, dalam meter kubik?
- Berapa meter kubik air yang mengisi pori-porinya?
- Berapa meter kubik air yang keluar dari balok itu ke dalam sumur? Berapa yang tetap terperangkap di dalam kapur?
- Tuliskan air yang keluar itu dalam liter.
Bagian III — Berapa lama air itu cukup.
- Pertanian itu (rumah, hewan ternak, dan kebun sayur) memakai 18 meter kubik air setiap hari. Berapa liter itu?
- Berapa banyak air yang dipakai pertanian itu dalam seminggu?
- Mengapa simpanan air di dalam kapur tidak habis pada tahun yang biasa?
- Tanpa hujan sama sekali, selama berapa hari air yang keluar dari balok itu dapat mencukupi pertanian?
Solusi
Solusi Soal 17.1.
1. Pertanian itu berdiri di atas kapur; di bawahnya terdapat serpih. Kapur itu permeabel, serpih tidak.
2. Hujan meresap ke dalam kapur dan berhenti di atas serpih. Di tempat dasar lapisan kapur muncul di lereng, muka air tanah bertemu dengan permukaan tanah dan airnya keluar: itulah mata air.
3. m di bawah permukaan tanah.
4. Dasar sumur itu berada pada m, di bawah muka air tanah yang berada pada 314 m: sumur itu masih mencapai air, sedalam m.
5. meter kubik.
6. meter kubik.
7. meter kubik keluar; meter kubik tetap terperangkap.
8. liter.
9. liter setiap hari.
10. meter kubik seminggu.
11. Hujan pada musim hujan meresap ke dalam kapur dan mengisinya kembali setiap tahun (asalkan pertanian-pertanian tidak memompa lebih banyak daripada yang dikembalikan hujan).
12. 100 hari: sedikit lebih dari tiga bulan tanpa hujan sama sekali.