4Mengapa Awan Terbentuk

Di sebuah teras pada musim panas, segelas air es berdiri di atas meja. Dalam semenit, sisi luarnya tertutup titik-titik air yang kecil, dan genangan air melebar di kakinya. Air itu tidak merembes menembus gelas: air itu keluar dari udara, yang mendingin di tempat udara itu menyentuh gelas yang dingin. Beberapa jam kemudian, berkilometer-kilometer di atas dataran, hal yang sama terjadi dalam skala besar: gelembung-gelembung udara hangat naik, mendingin, dan pada ketinggian tertentu air yang dibawanya muncul sebagai gumpalan awan putih berdasar datar yang disebut kumulus. Bab ini menjelaskan seberapa banyak uap air yang dapat ditampung udara, mengapa udara yang naik mendingin, pada ketinggian berapa awan terbentuk, mengapa pada hari tertentu awan tetap datar sedangkan pada hari lain menjulang menjadi badai guntur, dan bagaimana titik-titik awan yang mungil berubah menjadi hujan dan salju.

Yang sudah kamu ketahui

Awan terdiri atas titik-titik air atau kristal-kristal es yang sangat kecil; awan dikelompokkan menurut bentuk dan ketinggiannya, dan awan menghasilkan hujan, salju, dan hujan es, yang diukur dengan penakar hujan (Buku 1, kelas 4). Suhu udara turun terhadap ketinggian di lapisan terbawah atmosfer, rata-rata sekitar $6.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer; inilah laju penurunan suhu lingkungan, dan front memisahkan massa-massa udara yang suhunya berbeda (Buku 1, kelas 8). Tekanan turun terhadap ketinggian (buku-buku fisika). Air menguap dan mengembun, dan penguapan menyerap kalor laten yang dilepaskan kembali oleh pengembunan (buku-buku fisika dan Bab 3).

4.1 Uap air dan kejenuhan

Udara selalu mengandung sejumlah uap air, yaitu gas yang tidak terlihat. Seberapa banyak uap air yang dapat dikandungnya terutama bergantung pada suhunya.

Definisi 4.1 (Kejenuhan; kelembapan relatif)

Udara disebut jenuh bila mengandung massa uap air terbesar yang dapat ditampungnya pada suhunya, yaitu kandungan jenuhnya; uap tambahan apa pun mengembun menjadi titik-titik air. Yang disebut kelembapan relatif udara adalah kandungan uap airnya dibagi kandungan jenuhnya pada suhu dan tekanan yang sama, dinyatakan dalam persen.

Kandungan air dalam udara di sini diukur dalam gram uap per kilogram udara kering ($\mathrm{g}/\mathrm{kg}$): parsel udara yang naik atau turun tanpa memperoleh atau kehilangan air kandungannya tetap sama, meskipun parsel itu memuai.

Kurva itu naik dengan curam: $3.8\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$ pada $0{}^{\circ}\mathrm{C}$, $14.7\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$ pada $20{}^{\circ}\mathrm{C}$, $27.2\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$ pada $30{}^{\circ}\mathrm{C}$. Setiap pemanasan $10{}^{\circ}\mathrm{C}$ hampir menggandakan air yang dapat ditampung udara. Itulah sebabnya udara tropis dapat membawa hujan lebat, dan udara musim dingin kutub, sekalipun jenuh, hampir tidak mengandung apa-apa.

Definisi 4.2 (Titik embun)

Yang disebut titik embun udara adalah suhu yang harus dicapai udara itu bila didinginkan, dengan kandungan air dan tekanannya tetap, agar menjadi jenuh.

Metode 4.3 (Kelembapan relatif dan titik embun dari tabel)

1. Baca dalam tabel kandungan jenuh pada suhu udara itu.
2. Kelembapan relatif: bagilah kandungan air udara dengan nilai itu.
3. Titik embun: carilah dalam tabel suhu yang kandungan jenuhnya sama dengan kandungan air udara.

Contoh 4.4 (Suatu pagi musim panas)

Pada $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ udara mengandung $11.4\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$. Kandungan jenuh pada $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ adalah $14.7\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$, jadi kelembapan relatifnya $11.4/14.7 \approx 78\,\%$. Kandungan jenuhnya $11.4\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$ pada $16{}^{\circ}\mathrm{C}$: itulah titik embunnya. Pada sore hari, udara yang sama yang telah menghangat menjadi $28{}^{\circ}\mathrm{C}$ (kandungan jenuh $24.1\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$) hanya memiliki kelembapan relatif $47\,\%$ — dengan jumlah air yang tepat sama.

Gelas pada awal bab lebih dingin daripada titik embun udara di sekitarnya: udara yang menyentuhnya didinginkan sampai di bawah titik embunnya dan melepaskan air pada gelas. Pada malam yang cerah, rumput dan atap mobil kehilangan kalor dengan memancarkan inframerah ke langit dan menjadi lebih dingin daripada udara: embun terbentuk di atasnya, atau embun beku di bawah $0{}^{\circ}\mathrm{C}$. Bila seluruh lapisan udara di dekat tanah mendingin sampai titik embunnya, titik-titik air terbentuk di dalam udara itu sendiri: itulah kabut.

4.2 Udara yang naik mendingin

Sebagian besar awan tidak terbentuk karena udara menyentuh sesuatu yang dingin. Awan terbentuk karena udara naik. Tekanan turun terhadap ketinggian; parsel udara yang naik memuai dan mendorong udara di sekitarnya, dan energi untuk usaha ini diambil dari parsel itu sendiri.

Definisi 4.5 (Pendinginan adiabatik; laju adiabatik kering)

Yang disebut pendinginan adiabatik adalah pendinginan parsel udara yang memuai tanpa bertukar kalor dengan sekitarnya. Laju pendinginan udara tak jenuh yang naik dengan cara ini disebut laju adiabatik kering, mendekati $9.8{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer kenaikan; udara yang turun menghangat dengan laju yang sama.

Proposisi 4.6 (Laju adiabatik kering)

Laju adiabatik kering adalah $g/c_p$, dengan $g = 9.81\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}$ dan $c_p \approx 1005\,\mathrm{J}\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}$ adalah energi yang menghangatkan satu kilogram udara sebesar satu derajat pada tekanan tetap: $9.81/1005 \approx 0.0098{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{m}$, yaitu $9.8{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$. (Diterima tanpa bukti: buktinya termasuk buku-buku fisika.)

Titik embun parsel itu juga turun ketika parsel naik, tetapi perlahan: kandungan airnya tetap sama, sedangkan penurunan tekanan membuat uap sedikit lebih mudah menjadi jenuh. Perhitungan untuk udara di dekat tanah memberikan sekitar $1.8{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer. Karena itu suhu parsel mendekati titik embunnya sekitar $9.8 - 1.8 = 8{}^{\circ}\mathrm{C}$ untuk setiap kilometer kenaikannya.

Definisi 4.7 (Aras kondensasi)

Yang disebut aras kondensasi parsel udara adalah ketinggian tempat parsel itu, ketika naik, menjadi jenuh. Di atasnya air mengembun: aras kondensasi adalah dasar datar awan-awan yang dibentuk oleh udara yang naik.

Proposisi 4.8 (Ketinggian aras kondensasi)

Udara yang naik dari tanah dengan suhu $T$ dan titik embun $T_d$ (dalam ${}^{\circ}\mathrm{C}$) menjadi jenuh pada ketinggian sekitar

$$z = \frac{T - T_d}{8}\ \text{km} = 125\,\mathrm{m} \times (T - T_d).$$

Contoh 4.9 (Kumulus sore hari)

Pada sore hari dalam Contoh 4.4, udara di tanah bersuhu $28{}^{\circ}\mathrm{C}$ dengan titik embun $16{}^{\circ}\mathrm{C}$. Gelembung-gelembung yang naik menjadi jenuh pada $125 \times 12 = 1500\,\mathrm{m}$: dasar datar kumulus berada sekitar $1.5\,\mathrm{km}$ di atas tanah. Pada pagi hari, pada $20{}^{\circ}\mathrm{C}$, udara yang sama sudah mengembun pada ketinggian $125 \times 4 = 500\,\mathrm{m}$ saja: dasar awan naik sepanjang hari seiring menghangatnya tanah.

4.3 Udara stabil dan udara tidak stabil

Apakah parsel yang naik terus naik bergantung pada udara di sekitarnya. Parsel yang lebih hangat daripada sekitarnya lebih ringan daripada udara yang didesaknya dan naik, seperti balon udara panas; parsel yang lebih dingin daripada sekitarnya turun kembali.

Definisi 4.10 (Udara stabil; udara tidak stabil)

Udara disebut stabil bila parsel yang didorong ke atas menjadi lebih dingin daripada udara di sekitarnya, sehingga turun kembali ke tempat asalnya. Udara disebut tidak stabil bila parsel itu menjadi lebih hangat daripada udara di sekitarnya dan terus naik dengan sendirinya.

Parsel yang naik mendingin dengan laju adiabatik kering, $9.8{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer, selama parsel itu belum jenuh. Begitu jenuh, parsel mendingin lebih lambat: pengembunan melepaskan kalor laten ke dalam parsel. Perhitungan memberikan sekitar $4.7{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer pada udara hangat di dekat tanah, sekitar $5.8$ pada $0{}^{\circ}\mathrm{C}$, dan lebih besar lagi pada udara dingin yang lebih tinggi, tempat tinggal sedikit air yang dapat mengembun; inilah laju jenuh. (Rumusnya diturunkan dalam jilid-jilid universitas.)

Metode 4.11 (Apakah udara ini stabil?)

1. Tentukan seberapa cepat suhu udara di sekitarnya turun terhadap ketinggian (laju penurunan suhu lingkungan, dari pengukuran balon sonde).
2. Bandingkan dengan laju pendinginan parsel: laju kering, sekitar $9.8{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, di bawah aras kondensasinya; laju jenuh, sekitar $5{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, di atasnya.
3. Jika udara di sekitarnya mendingin lebih lambat daripada parsel, parsel akhirnya lebih dingin: stabil. Jika udara di sekitarnya mendingin lebih cepat, parsel akhirnya lebih hangat: tidak stabil. Lapisan yang suhunya naik terhadap ketinggian sangat stabil: lapisan itu menghentikan udara yang naik seperti sebuah tutup.

Dengan laju penurunan rata-rata sekitar $6.5{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, udara stabil selama belum jenuh (parsel mendingin lebih cepat) dan tidak stabil begitu jenuh (parsel mendingin lebih lambat). Udara seperti itu disebut tidak stabil bersyarat: udara itu stabil kecuali ada sesuatu yang mengangkatnya sampai aras kondensasinya, dan sesudah itu awan tumbuh dengan sendirinya.

Bila udara stabil tetapi tetap terangkat — melewati gunung, atau di sepanjang front — awan yang terbentuk menyebar dalam lapisan-lapisan kelabu yang datar: stratus. Bila udara tidak stabil, awan bergulung-gulung ke atas dalam gumpalan: kumulus, dan bila ketidakstabilan itu mencapai ketinggian yang cukup, kumulonimbus badai guntur, yang puncaknya menyebar seperti landasan tempa ketika bertemu dengan udara yang sangat stabil di atas lapisan terbawah atmosfer.

4.4 Empat cara mengangkat udara

Udara naik karena empat sebab.

• Pemanasan dari bawah. Pada hari yang cerah, tanah menghangatkan udara di atasnya; gelembung-gelembung udara hangat naik dari bagian tanah yang paling panas. Gelembung-gelembung inilah yang menghasilkan kumulus sore hari.
• Pegunungan. Angin yang bertiup ke arah pegunungan dipaksa naik menyusuri lerengnya.
• Front. Di tempat massa udara hangat dan dingin bertemu, udara hangat yang lebih ringan naik di atas udara dingin, atau udara dingin menyusup ke bawahnya (Buku 1, kelas 8).
• Konvergensi. Bila angin-angin mengalir menyatu di dekat tanah, udara tidak punya jalan lain selain ke atas, seperti pada sabuk udara naik di dekat khatulistiwa dan di pusat depresi.

Metode 4.12 (Mengikuti parsel melewati gunung)

1. Tentukan aras kondensasi dengan aturan 125 meter; sampai aras itu parsel mendingin $9.8{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$.
2. Dari sana sampai ke puncak, parsel mendingin dengan laju jenuh; air yang mengembun jatuh sebagai hujan atau salju di lereng di hadapan angin.
3. Di balik puncak parsel turun dalam keadaan tak jenuh: parsel menghangat $9.8{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ sepanjang jalan turun.

Contoh 4.13 (Angin hangat kering di lereng di balik angin)

Udara di permukaan laut bersuhu $20{}^{\circ}\mathrm{C}$, dengan titik embun $12{}^{\circ}\mathrm{C}$, didorong melewati punggung pegunungan setinggi $2500\,\mathrm{m}$. Udara itu menjadi jenuh pada $125 \times 8 = 1000\,\mathrm{m}$, pada sekitar $10{}^{\circ}\mathrm{C}$. Dari sana sampai ke puncak, udara itu mendingin dengan laju jenuh menjadi sekitar $2{}^{\circ}\mathrm{C}$, dan kehilangan sekitar sepertiga airnya sebagai hujan (dari $8.7$ menjadi $6.0\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$). Ketika menuruni sisi seberang, udara itu menghangat dengan laju kering sepanjang $2.5\,\mathrm{km}$: udara itu mencapai dataran pada sekitar $27{}^{\circ}\mathrm{C}$, tujuh derajat lebih hangat daripada saat berangkat, dengan kelembapan relatif sekitar $27\,\%$. Angin hangat dan kering seperti itu bertiup di lereng di balik angin banyak pegunungan.

4.5 Dari titik-titik air menjadi hujan dan salju

Uap air tidak mudah mengembun di udara yang benar-benar bersih. Titik-titik air terbentuk pada butir-butir materi.

Definisi 4.14 (Inti kondensasi)

Yang disebut inti kondensasi adalah partikel sangat kecil yang melayang di udara — sebutir garam laut, debu, asap, atau jelaga — tempat uap air mengembun membentuk titik awan.

Inti kondensasi yang khas berukuran sekitar $0.0002\,\mathrm{mm}$, titik awan sekitar $0.02\,\mathrm{mm}$, tetes gerimis $0.5\,\mathrm{mm}$, dan tetes hujan sekitar $2\,\mathrm{mm}$. Tetes hujan seratus kali lebih lebar daripada titik awan, jadi volumenya $100^3$ kali lebih besar: sejuta titik awan membentuk satu tetes hujan. Titik awan begitu kecil sehingga arus udara naik yang paling lemah pun membuatnya tetap melayang; agar hujan dapat jatuh, titik-titik air harus tumbuh seratus kali lipat.

Ada dua proses yang membuatnya tumbuh.

Definisi 4.15 (Proses hujan hangat; proses kristal es)

Dalam proses hujan hangat, titik-titik air yang lebih besar di dalam awan jatuh lebih cepat daripada yang kecil, bertumbukan dengannya, dan bergabung, sehingga makin besar selama jatuh. Dalam proses kristal es, di bagian awan yang lebih dingin daripada $0{}^{\circ}\mathrm{C}$ tempat kristal es dan titik-titik air superdingin (cair di bawah $0{}^{\circ}\mathrm{C}$) bercampur, kristal-kristal itu tumbuh dengan mengambil uap yang diuapkan titik-titik air; kristal itu jatuh sebagai kepingan salju, dan mencair menjadi tetes hujan jika udara di bawahnya hangat.

Proses kristal es bekerja karena kandungan jenuh di atas es lebih rendah daripada di atas air cair pada suhu yang sama: pada $-10{}^{\circ}\mathrm{C}$ tekanan uap jenuh adalah $287\,\mathrm{Pa}$ di atas air dan $260\,\mathrm{Pa}$ di atas es. Udara yang jenuh bagi titik-titik air mengandung uap $10\,\%$ lebih banyak daripada yang dapat ditanggung es: uap mengembun pada kristal, dan titik-titik air menguap untuk menggantikannya.

Catatan 4.16 (Kalor laten memberi makan badai)

Setiap kilogram air yang mengembun di dalam awan memberikan sekitar $2.5\,\mathrm{MJ}$ kepada udara, yaitu kalor laten yang diambil dari laut atau dari tanah ketika air itu menguap (Bab 3). Kalor inilah yang membuat laju jenuh lebih lambat daripada laju kering dan membuat kumulonimbus terus naik; Bab 5 mengikutinya sampai ke badai-badai terbesar.

4.6 Latihan

Untuk latihan-latihan ini, gunakan kandungan jenuh (dalam $\mathrm{g}/\mathrm{kg}$, pada tekanan permukaan laut) pada tabel di bawah, laju kering $9.8{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, penurunan titik embun $1.8{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, dan laju jenuh $5{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$.

Latihan 4.1 ★

Definisikan kelembapan relatif dan titik embun udara.

Solusi

Solusi Latihan 4.1.

Kelembapan relatif adalah kandungan uap air udara dibagi kandungan jenuhnya pada suhu dan tekanan yang sama, dinyatakan dalam persen. Titik embun adalah suhu yang harus dicapai udara bila didinginkan, dengan kandungan air dan tekanannya tetap, agar menjadi jenuh.

Latihan 4.2 ★

Dari tabel, sebutkan kandungan jenuh pada $0$, $10$, $20$, dan $30{}^{\circ}\mathrm{C}$. Kira-kira dengan faktor berapa kandungan itu bertambah untuk setiap pemanasan $10{}^{\circ}\mathrm{C}$?

Solusi

Solusi Latihan 4.2.

$3.8$, $7.6$, $14.7$, dan $27.2\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$. Setiap $10{}^{\circ}\mathrm{C}$ mengalikannya dengan sekitar 2 ($7.6/3.8 = 2.0$, $14.7/7.6 \approx 1.9$, $27.2/14.7 \approx 1.9$).

Latihan 4.3 ★

Udara bersuhu $24{}^{\circ}\mathrm{C}$ mengandung $10.0\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$ uap air. Tentukan kelembapan relatif dan titik embunnya.

Solusi

Solusi Latihan 4.3.

Kandungan jenuh pada $24{}^{\circ}\mathrm{C}$: $18.9\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$; kelembapan relatif $10.0/18.9 \approx 53\,\%$. Kandungan jenuhnya $10.0\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$ pada $14{}^{\circ}\mathrm{C}$: itulah titik embunnya.

Latihan 4.4 ★

Jelaskan mengapa segelas air es “berkeringat” pada musim panas, dan mengapa hal itu tidak terjadi di dalam ruangan pada hari musim dingin yang sangat kering.

Solusi

Solusi Latihan 4.4.

Pada musim panas udara lembap dan titik embunnya jauh di atas suhu gelas: udara yang menyentuh gelas didinginkan sampai di bawah titik embunnya dan air mengembun pada gelas. Udara musim dingin yang sangat kering di dalam ruangan memiliki titik embun yang lebih rendah daripada suhu gelas: meskipun didinginkan oleh gelas, udara itu tetap tidak jenuh.

Latihan 4.5 ★

Sebutkan empat cara udara dibuat naik, beserta satu contoh untuk masing-masing.

Solusi

Solusi Latihan 4.5.

Pemanasan dari bawah (kumulus sore hari di atas tanah yang tersinari Matahari); pegunungan (angin dipaksa naik melewati punggung pegunungan); front (udara hangat naik di atas udara dingin); konvergensi (angin-angin mengalir menyatu di dekat khatulistiwa atau ke dalam depresi).

Latihan 4.6 ★★

Dengan Proposisi 4.8, tentukan ketinggian dasar awan untuk udara bersuhu $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ dengan titik embun $18{}^{\circ}\mathrm{C}$, dan untuk udara bersuhu $22{}^{\circ}\mathrm{C}$ dengan titik embun $20{}^{\circ}\mathrm{C}$. Hari manakah yang kemungkinan kelabu dengan awan rendah?

Solusi

Solusi Latihan 4.6.

$125 \times (30 - 18) = 1500\,\mathrm{m}$; $125 \times (22 - 20) = 250\,\mathrm{m}$. Hari kedua: awan terbentuk hanya $250\,\mathrm{m}$ di atas tanah.

Latihan 4.7 ★★

Sebuah parsel udara tak jenuh meninggalkan tanah pada $18{}^{\circ}\mathrm{C}$. Berapa suhunya pada ketinggian $1\,\mathrm{km}$ dan $2\,\mathrm{km}$, jika parsel itu tetap tak jenuh? Bila turun kembali dari $2\,\mathrm{km}$, pada suhu berapa parsel itu mencapai tanah?

Solusi

Solusi Latihan 4.7.

Pada $1\,\mathrm{km}$: $18 - 9.8 = 8.2{}^{\circ}\mathrm{C}$; pada $2\,\mathrm{km}$: $18 - 19.6 = -1.6{}^{\circ}\mathrm{C}$. Ketika turun, parsel itu menghangat dengan laju yang sama dan mencapai tanah kembali pada $18{}^{\circ}\mathrm{C}$.

Latihan 4.8 ★★

Pengukuran balon sonde menunjukkan suhu turun $4{}^{\circ}\mathrm{C}$ per km. Apakah udara itu stabil bagi parsel tak jenuh? Bagi parsel jenuh? Pada sore hari yang panas, suhu turun $12{}^{\circ}\mathrm{C}$ pada kilometer pertama di atas tanah: apa yang terjadi pada gelembung-gelembung udara hangat?

Solusi

Solusi Latihan 4.8.

Dengan $4{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, baik parsel tak jenuh ($9.8{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$) maupun parsel jenuh ($5{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$) mendingin lebih cepat daripada sekitarnya: stabil dalam kedua kasus. Dengan $12{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, gelembung tak jenuh pun mendingin lebih lambat daripada sekitarnya: gelembung itu tetap lebih hangat dan terus naik, dan gelembung-gelembung udara hangat naik dengan bebas.

Latihan 4.9 ★★

Udara jenuh bersuhu $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ didinginkan menjadi $10{}^{\circ}\mathrm{C}$. Berapa gram air yang mengembun per kilogram udara? Ke mana perginya kalor laten yang dilepaskan?

Solusi

Solusi Latihan 4.9.

$14.7 - 7.6 = 7.1\,\mathrm{g}$ per kilogram udara. Kalor laten itu menghangatkan udara tempat air itu mengembun, sehingga memperlambat pendinginannya.

Latihan 4.10 ★★

Berapa titik awan berdiameter $0.02\,\mathrm{mm}$ yang membentuk satu tetes gerimis berdiameter $0.5\,\mathrm{mm}$? Satu tetes hujan berdiameter $2\,\mathrm{mm}$?

Solusi

Solusi Latihan 4.10.

Volume bertambah sebanding dengan pangkat tiga diameter: $(0.5/0.02)^3 = 25^3 = 15\,625$ titik awan untuk satu tetes gerimis; $(2/0.02)^3 = 100^3 = 1\,000\,000$ untuk satu tetes hujan.

Latihan 4.11 ★★

Jelaskan, langkah demi langkah, mengapa pada waktu fajar setelah malam yang cerah dan tenang kabut terbentuk di lembah, bukan di puncak bukit.

Solusi

Solusi Latihan 4.11.

Di bawah langit cerah, tanah memancarkan inframerah dan mendingin, begitu pula udara yang menyentuhnya. Udara dingin ini lebih rapat daripada udara di atasnya; di lereng-lereng, udara itu mengalir turun dan berkumpul di dasar lembah. Di sana udara itu terus mendingin sepanjang malam sampai mencapai titik embunnya, dan titik-titik air terbentuk di dalam udara itu sendiri: kabut. Di puncak bukit udara tidak sedingin itu dan tetap di atas titik embunnya.

Latihan 4.12 ★★★

Laju kering adalah $a$ dan titik embun turun dengan laju $b$ (keduanya dalam ${}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$). Tunjukkan bahwa aras kondensasi berada pada $z = (T - T_d)/(a - b)$. Di atas sebuah dataran tinggi titik embun turun $1.7{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$: menjadi apakah aturan “$125\,\mathrm{m}$ per derajat”?

Solusi

Solusi Latihan 4.12.

Pada ketinggian $z$ suhunya $T - a z$ dan titik embunnya $T_d - b z$; keduanya sama bila $(a - b) z = T - T_d$, jadi $z = (T - T_d)/(a - b)$. Dengan $b = 1.7$: $a - b = 8.1$, dan $1000/8.1 \approx 123\,\mathrm{m}$ per derajat.

Latihan 4.13 ★★★

Udara di permukaan laut bersuhu $15{}^{\circ}\mathrm{C}$, dengan titik embun $11{}^{\circ}\mathrm{C}$, melintasi punggung pegunungan setinggi $2000\,\mathrm{m}$. Dengan mengikuti Metode 4.12, tentukan aras kondensasi, suhu di sana, suhu di puncak, dan suhu udara itu ketika mencapai dataran di sisi seberang.

Solusi

Solusi Latihan 4.13.

Aras kondensasi: $125 \times (15 - 11) = 500\,\mathrm{m}$; suhu di sana: $15 - 9.8 \times 0.5 \approx 10.1{}^{\circ}\mathrm{C}$. Puncak: $10.1 - 5 \times 1.5 = 2.6{}^{\circ}\mathrm{C}$. Turun $2\,\mathrm{km}$ dengan laju kering: $2.6 + 9.8 \times 2 \approx 22.2{}^{\circ}\mathrm{C}$, sekitar tujuh derajat lebih hangat daripada di sisi hadapan angin.

Latihan 4.14 ★★★

Pada $-20{}^{\circ}\mathrm{C}$ tekanan uap jenuh adalah $126\,\mathrm{Pa}$ di atas air dan $103\,\mathrm{Pa}$ di atas es. Berapa persen udara yang jenuh bagi titik-titik air itu lewat jenuh bagi es? Bandingkan dengan $-10{}^{\circ}\mathrm{C}$, dan sebutkan di bagian awan mana proses kristal es bekerja paling baik.

Solusi

Solusi Latihan 4.14.

Pada $-20{}^{\circ}\mathrm{C}$: $126/103 \approx 1.22$, lewat jenuh $22\,\%$ bagi es; pada $-10{}^{\circ}\mathrm{C}$: $287/260 \approx 1.10$, $10\,\%$. Di antara suhu-suhu ini, makin dingin awan, makin besar keunggulan es: proses itu bekerja paling baik di bagian atas awan yang dingin, tempat titik-titik air dan kristal es bercampur.

Latihan 4.15 ★★★

Udara di sekitarnya mendingin $6.5{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$. Sebuah parsel mula-mula bersuhu sama dengan sekitarnya dan naik $1\,\mathrm{km}$. Hitung selisih suhunya dengan suhu udara di sekitarnya jika parsel itu tak jenuh, lalu jika parsel itu jenuh. Jelaskan ungkapan “tidak stabil bersyarat”.

Solusi

Solusi Latihan 4.15.

Tak jenuh: parsel mendingin $9.8{}^{\circ}\mathrm{C}$, sekitarnya $6.5{}^{\circ}\mathrm{C}$: parsel $3.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ lebih dingin dan turun kembali. Jenuh: parsel mendingin $5{}^{\circ}\mathrm{C}$, jadi $1.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ lebih hangat dan terus naik. Udara itu tidak stabil hanya dengan satu syarat: udara yang naik itu jenuh.

4.7 Soal: Suatu Sore Musim Panas di Atas Dataran

Soal 4.1

Soal akhir pekan — dari kelembapan pagi hari sampai dasar awan sore hari

Di atas sebuah dataran yang luas, pada suatu hari musim panas, udara di dekat tanah mengandung $11.4\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$ uap air sepanjang hari. Suhunya $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ pada pagi hari dan $28{}^{\circ}\mathrm{C}$ pada sore hari. Pengukuran balon sonde (contoh rekaan) memberikan suhu udara di atasnya:

ketinggian (km)	0	0.5	1.0	1.5	2.5	3.5	3.6	4.0
suhu (${}^{\circ}\mathrm{C}$)	28.0	23.1	18.2	13.4	6.9	0.4	$-0.3$	1.2

Gunakan tabel kandungan jenuh dan laju-laju yang diberikan sebelum latihan.

Bagian I — Kelembapan.

1. Sebutkan kandungan jenuh pada $20{}^{\circ}\mathrm{C}$.
2. Hitung kelembapan relatif pada pagi hari.
3. Tentukan titik embun udara itu.
4. Hitung kelembapan relatif pada sore hari.
5. Apakah udara menjadi lebih kering pada sore hari? Jelaskan.

Bagian II — Malam dan embun.

6. Pada malam hari udara di dekat tanah mendingin. Pada suhu berapa embun mulai terbentuk?
7. Jika udara mendingin menjadi $12{}^{\circ}\mathrm{C}$, berapa gram air per kilogram udara yang telah mengembun?
8. Mengapa embun terbentuk pada rumput dan atap mobil sebelum terbentuk di udara?

Bagian III — Hasil sonde.

9. Hitung laju penurunan suhu antara $0$ dan $1.5\,\mathrm{km}$. Bandingkan dengan laju kering.
10. Hitung laju itu antara $1.5$ dan $3.5\,\mathrm{km}$.
11. Apakah udara antara $1.5$ dan $3.5\,\mathrm{km}$ stabil bagi parsel tak jenuh? Bagi parsel jenuh?
12. Apa yang terjadi antara $3.6$ dan $4.0\,\mathrm{km}$? Apa akibatnya bagi awan yang sedang tumbuh ke atas?

Bagian IV — Dasar awan.

13. Hitung selisih antara suhu udara dan titik embunnya di tanah pada sore hari.
14. Hitung suhu dan titik embun sebuah gelembung udara ini setelah naik $1\,\mathrm{km}$, masih dalam keadaan tak jenuh.
15. Berapa besar selisih keduanya telah menyusut? Dengan laju berapa selisih itu menyusut?
16. Tunjukkan bahwa laju ini menghasilkan aturan “$125\,\mathrm{m}$ per derajat”.
17. Berapa ketinggian dasar awan pada pagi hari?
18. Jelaskan mengapa dasar kumulus naik sepanjang hari.
19. Tuliskan persamaan yang menyatakan bahwa suhu gelembung sama dengan titik embunnya pada ketinggian $z$ (dalam km).
20. Selesaikan persamaan itu: pada ketinggian berapa dasar kumulus sore hari berada?

Solusi

Solusi Soal 4.1.

1. $14.7\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$.

2. $11.4/14.7 \approx 78\,\%$.

3. $16{}^{\circ}\mathrm{C}$, tempat kandungan jenuhnya $11.4\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$.

4. $11.4/24.1 \approx 47\,\%$.

5. Tidak: udara itu tetap mengandung $11.4\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$. Kelembapan relatifnya turun karena, setelah lebih hangat, udara itu dapat menampung lebih banyak.

6. Pada titik embunnya, $16{}^{\circ}\mathrm{C}$.

7. $11.4 - 8.7 = 2.7\,\mathrm{g}$ per kilogram udara.

8. Di bawah langit malam yang cerah, rumput dan atap memancarkan inframerah dan menjadi lebih dingin daripada udara; udara yang menyentuhnya didinginkan sampai di bawah titik embunnya sebelum udara lainnya.

9. $(28.0 - 13.4)/1.5 \approx 9.7{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, praktis sama dengan laju kering: gelembung-gelembung sore hari telah mengaduk lapisan ini.

10. $(13.4 - 0.4)/2.0 = 6.5{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$.

11. Stabil bagi parsel tak jenuh, yang mendingin lebih cepat ($9.8{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$); tidak stabil bagi parsel jenuh, yang mendingin lebih lambat ($5{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$).

12. Suhu naik terhadap ketinggian, dari $-0.3$ menjadi $1.2{}^{\circ}\mathrm{C}$: lapisan yang sangat stabil, yang bekerja sebagai tutup. Awan yang tumbuh ke atas berhenti di sana: puncaknya berada di dekat $4\,\mathrm{km}$.

13. $28 - 16 = 12{}^{\circ}\mathrm{C}$.

14. Suhu $28 - 9.8 = 18.2{}^{\circ}\mathrm{C}$; titik embun $16 - 1.8 = 14.2{}^{\circ}\mathrm{C}$.

15. Dari 12 menjadi $18.2 - 14.2 = 4.0$: selisihnya menyusut $8{}^{\circ}\mathrm{C}$, dengan laju $8{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer.

16. Selisih satu derajat tertutup dalam $1/8$ km, yaitu $125\,\mathrm{m}$.

17. $125 \times (20 - 16) = 500\,\mathrm{m}$.

18. Titik embun tetap $16{}^{\circ}\mathrm{C}$, sedangkan udara di dekat tanah menghangat: selisihnya bertambah, begitu pula ketinggian tempat selisih itu tertutup.

19. $28 - 9.8\,z = 16 - 1.8\,z$.

20. $8\,z = 12$, jadi $z = 1.5$: dasar kumulus sore hari berada sekitar $1.5\,\mathrm{km}$ di atas dataran (perhitungan yang tepat dengan sifat-sifat air memberikan $1.51\,\mathrm{km}$).