5Badai dan Siklon Tropis

Suatu sore musim panas yang terik berakhir dengan badai. Langit menggelap, embusan angin dingin menyapu jalan, sebuah kilatan menerangi awan — dan kamu mulai menghitung: satu, dua, tiga, … sembilan detik kemudian guntur bergemuruh. Badai itu berada sekitar tiga kilometer jauhnya. Satu jam lagi badai itu akan berlalu, dan udara akan terasa sejuk dan bersih. Di atas samudra tropis yang hangat, bahan-bahan yang sama — udara hangat dan lembap yang naik dan mengembun — dapat tersusun menjadi badai dengan ukuran yang sama sekali lain: siklon tropis, yang lebarnya ratusan kilometer, bertahan berhari-hari, dan membawa angin yang cukup kuat untuk merobohkan hutan serta kenaikan muka laut yang membanjiri seluruh pesisir. Bab ini membahas badai guntur, tornado, dan siklon tropis, serta asal energinya.

Keselamatan

Jika kamu dapat mendengar guntur, petir dapat menjangkaumu. Masuklah ke dalam bangunan atau mobil yang tertutup dan tetaplah di sana sampai lama setelah guntur terakhir. Jangan pernah berlindung di bawah pohon yang berdiri sendirian, dan jauhilah puncak bukit, lapangan terbuka, dan perairan.

Yang sudah kamu ketahui

Massa udara, front, depresi (daerah bertekanan rendah), dan antisiklon digambar pada peta cuaca dengan isobar, yaitu garis-garis yang tekanannya sama (Buku 1, kelas 8). Bahaya alam adalah peristiwa alam yang dapat merugikan manusia dan apa yang dibangunnya (Buku 1, kelas 5). Bunyi merambat di udara dengan laju sekitar $340\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$, sedangkan cahaya hampir seketika (buku-buku fisika). Udara hangat dan lembap yang naik akan mendingin, mengembun menjadi awan pada aras kondensasinya, dan melepaskan kalor laten; udara jenuh sering kali tidak stabil (Bab 4).

5.1 Badai guntur

Definisi 5.1 (Badai guntur)

Yang disebut badai guntur adalah badai yang dihasilkan oleh awan kumulonimbus, disertai petir dan guntur, biasanya dengan hujan deras dan embusan angin, kadang-kadang dengan hujan es.

Badai guntur tumbuh dari udara yang lembap dan tidak stabil. Pada tahap pertamanya, sebuah kumulus tumbuh ke atas, dipasok oleh arus naik yang kuat; pengembunan melepaskan kalor laten dan membuat udara yang naik tetap lebih hangat daripada sekitarnya. Pada tahap matangnya, awan itu mencapai udara stabil jauh di atas dan menyebar menjadi landasan tempa; tetes-tetes air dan butir-butir hujan es tumbuh cukup besar untuk jatuh, dan hujan yang jatuh menyeret udara dingin ke bawah bersamanya: arus turun yang menyebar di tanah sebagai front embusan yang dingin. Pada tahap terakhirnya, arus turun menguasai seluruh awan dan memutus pasokan udara hangat dan lembap, sehingga badai itu habis tercurah sebagai hujan.

Di dalam awan, tumbukan antara partikel-partikel es yang dibawa naik dan turun oleh udara memisahkan muatan listrik: awan menjadi bermuatan, biasanya negatif di bagian bawah dan positif di bagian atas, dan tanah di bawahnya memperoleh muatannya sendiri.

Definisi 5.2 (Petir)

Yang disebut petir adalah percikan listrik raksasa yang melepaskan muatan daerah-daerah bermuatan dalam badai, di dalam awan, di antara awan, atau di antara awan dan tanah. Petir memanaskan sebuah saluran udara yang sempit begitu tiba-tiba sehingga udara itu memuai dengan sentakan: bunyi pemuaian ini adalah guntur.

Satelit yang menghitung kilatan cahaya di seluruh planet mendapati sekitar 1.4 miliar kilatan petir setahun, atau 44 setiap detik.

Metode 5.3 (Jarak badai dari kilatan sampai guntur)

1. Cahaya kilatan tiba praktis seketika; guntur merambat dengan laju bunyi, sekitar $343\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ pada $20{}^{\circ}\mathrm{C}$.
2. Hitung detik $t$ di antara kilatan dan guntur.
3. Jaraknya $343\,t$ meter: sekitar $1\,\mathrm{km}$ untuk setiap tiga detik.

5.2 Tornado

Definisi 5.4 (Tornado)

Yang disebut tornado adalah kolom udara yang berputar dengan dahsyat dan bersentuhan dengan tanah, menggantung dari dasar sebuah kumulonimbus.

Tornado terkuat berasal dari superkel, yaitu badai guntur yang arus naiknya berputar secara keseluruhan. Tornado kecil dan singkat: biasanya lebarnya beberapa ratus meter, berlangsung beberapa menit, dengan lintasan rata-rata sekitar $5.6\,\mathrm{km}$. Namun anginnya adalah yang terkuat di permukaan Bumi: sebuah radar bergerak mengukur sekitar $135\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ (sekitar $480\,\mathrm{km}/\mathrm{h}$) di atas tanah dalam sebuah tornado di Oklahoma pada Mei 1999. Amerika Serikat mengalami lebih banyak tornado daripada negara lain mana pun, sekitar 1200 setahun; daerah lain tempat tornado sering terjadi antara lain padang rumput Kanada, Bangladesh, Argentina utara dan Brasil selatan, serta Britania Raya.

5.3 Siklon tropis

Definisi 5.5 (Siklon tropis; mata; dinding mata)

Yang disebut siklon tropis adalah badai yang lebarnya ratusan kilometer, yang terbentuk di atas laut tropis yang hangat di sekitar pusat bertekanan rendah, dengan angin yang berpilin masuk ke arah pusat dan pita-pita badai guntur. Bila angin tetapnya mencapai $64$ knot, sekitar $119\,\mathrm{km}/\mathrm{h}$, siklon itu disebut hurikan di Atlantik dan Pasifik timur, taifun di Pasifik barat, dan cukup siklon di Samudra Hindia dan Pasifik Selatan. Pusatnya yang tenang dan hampir tanpa awan adalah mata; cincin badai guntur yang menjulang di sekelilingnya, tempat angin paling kuat, adalah dinding mata.

Di dekat permukaan laut, udara lembap mengalir masuk ke arah tekanan rendah di pusat. Rotasi Bumi membelokkan udara yang bergerak ke kanan di belahan bumi utara: alih-alih langsung menuju pusat, udara itu berputar mengelilinginya, berlawanan arah jarum jam bila dilihat dari atas (searah jarum jam di belahan bumi selatan). Di dekat pusat udara itu naik di dinding mata, mengembun, dan mengalir keluar di puncak badai. Di dalam mata, sedikit udara turun, menghangat, dan mengering: langit menjadi cerah.

Siklon tropis memerlukan samudra yang hangat: air bersuhu sekurang-kurangnya sekitar $27{}^{\circ}\mathrm{C}$ di permukaan, yang hangat sampai kedalaman sekitar $46\,\mathrm{m}$. Siklon tropis tidak terbentuk tepat di khatulistiwa, tempat rotasi Bumi tidak membelokkan udara yang mengalir masuk: sebuah badai harus berada sekurang-kurangnya sekitar $480\,\mathrm{km}$ dari khatulistiwa agar putarannya dapat dimulai.

Peta itu memperlihatkan aturan tersebut. Dari 3 888 badai pada 1980–2024, hanya 24 yang mencapai kekuatan badai tropis dalam jarak $5{}^{\circ}$ dari khatulistiwa. Sebagian besar terbentuk di antara lintang $10{}^{\circ}$ dan $30{}^{\circ}$, lalu hanyut ke barat bersama angin pasat dan membelok menjauh ke arah kutub, tempat laut yang dingin melemahkannya. Atlantik Selatan, yang lebih sejuk dan kurang mendukung, hanya mengalami tiga dalam 45 tahun. Sekitar 87 siklon tropis terbentuk dalam setahun rata-rata, tujuh dari sepuluh di antaranya di belahan bumi utara, dan sedikit lebih dari separuhnya mencapai kekuatan hurikan.

Proposisi 5.6 (Sumber energi siklon tropis)

Siklon tropis mengambil energinya dari laut yang hangat: kalor laten yang diserap oleh penguapan di permukaan laut dilepaskan di dinding mata dan pita-pita hujan ketika uap mengembun. Hurikan rata-rata melepaskan dengan cara ini sekitar $6 \times 10^{14}\,\mathrm{W}$; hanya sebagian kecil darinya, sekitar $1.5 \times 10^{12}\,\mathrm{W}$, menjadi energi kinetik anginnya.

Badai itu bekerja seperti mesin: kalor diterima di permukaan laut yang hangat, dilepaskan tinggi di udara atas yang dingin, dan sebagian selisihnya diubah menjadi gerak angin. Itulah sebabnya siklon tropis cepat melemah ketika bergerak ke atas daratan atau ke atas air yang dingin: siklon itu kehilangan pasokan air yang menguap.

5.4 Intensitas, angin, dan gelombang badai

Definisi 5.7 (Skala Saffir–Simpson)

Yang disebut skala Saffir–Simpson adalah skala yang memilah hurikan ke dalam lima kategori menurut angin tetap maksimumnya; kategori 3 sampai 5 adalah hurikan besar.

Makin dalam tekanan rendah di pusat, makin kuat angin yang bertiup mengelilinginya: selisih tekanan antara pusat dan sekitarnya itulah yang mendorong udara ke dalam.

Rekor badai 1980–2024 dalam arsip itu dipegang oleh Hurikan Patricia, di lepas pantai Pasifik Meksiko pada Oktober 2015: angin tetap 185 knot, sekitar $95\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$, dan tekanan pusat $872\,\mathrm{hPa}$.

Definisi 5.8 (Gelombang badai)

Yang disebut gelombang badai adalah kenaikan muka laut di atas aras normalnya, tidak termasuk pasang surut, yang disebabkan oleh badai: angin menumpuk air ke arah pesisir, dan tekanan rendah membuat laut menggembung di bawah badai.

Proposisi 5.9 (Gembungan tekanan)

Di bawah badai yang tekanan pusatnya $\Delta p$ hektopascal di bawah tekanan sekitarnya, laut naik sekitar $\Delta p$ sentimeter.

Gembungan itu adalah bagian yang lebih kecil dari sebagian besar gelombang badai: di bawah tekanan pusat $920\,\mathrm{hPa}$, $90\,\mathrm{hPa}$ di bawah sekitarnya, gembungan itu sekitar $0.9\,\mathrm{m}$. Angin melakukan sisanya, mendorong air ke arah pantai, terutama di atas dasar laut yang lebar dan dangkal. Bila datang bersamaan dengan pasang naik, gelombang badai setinggi beberapa meter dapat membanjiri pesisir yang rendah sampai jauh ke pedalaman.

5.5 Latihan

Latihan 5.1 ★

Definisikan badai guntur dan petir. Apa yang menghasilkan bunyi guntur?

Solusi

Solusi Latihan 5.1.

Badai guntur adalah badai yang dihasilkan oleh kumulonimbus, disertai petir dan guntur, biasanya hujan deras dan embusan angin, kadang-kadang hujan es. Petir adalah percikan listrik raksasa yang melepaskan muatan daerah-daerah bermuatan dalam badai. Guntur adalah bunyi udara di saluran petir, yang dipanaskan begitu tiba-tiba sehingga memuai dengan sentakan.

Latihan 5.2 ★

Definisikan siklon tropis, matanya, dan dinding matanya. Di manakah anginnya paling kuat?

Solusi

Solusi Latihan 5.2.

Siklon tropis adalah badai yang lebarnya ratusan kilometer, terbentuk di atas laut tropis yang hangat di sekitar pusat bertekanan rendah, dengan angin yang berpilin masuk dan pita-pita badai guntur. Mata adalah pusatnya yang tenang dan hampir tanpa awan; dinding mata adalah cincin badai guntur yang menjulang di sekeliling mata. Angin paling kuat di dinding mata.

Latihan 5.3 ★

Dalam kategori Saffir–Simpson manakah hurikan dengan angin tetap $70$ knot? $120$ knot? $140$ knot? Manakah di antaranya yang merupakan hurikan besar?

Solusi

Solusi Latihan 5.3.

$70$ knot: kategori 1. $120$ knot: kategori 4. $140$ knot: kategori 5. Dua yang terakhir adalah hurikan besar (kategori 3 atau lebih).

Latihan 5.4 ★

Kamu menghitung $9$ detik di antara sebuah kilatan dan gunturnya, lalu $15$ detik untuk kilatan berikutnya. Berapa jauh masing-masing, dan apakah badai itu mendekat?

Solusi

Solusi Latihan 5.4.

$343 \times 9 \approx 3.1\,\mathrm{km}$, lalu $343 \times 15 \approx 5.1\,\mathrm{km}$. Kilatan kedua lebih jauh: badai itu sedang menjauh.

Latihan 5.5 ★

Jelaskan mengapa pohon yang berdiri sendirian di lapangan adalah tempat berlindung yang berbahaya saat badai guntur, dan ke mana kamu seharusnya pergi.

Solusi

Solusi Latihan 5.5.

Petir cenderung menyambar titik tertinggi di sekitarnya: pohon yang berdiri sendirian di lapangan adalah titik itu, dan arus sambaran mengalir menuruni pohon dan menyebar melalui tanah di sekitarnya. Masuklah ke dalam bangunan atau mobil yang tertutup, dan tetaplah di sana sampai lama setelah guntur terakhir.

Latihan 5.6 ★★

Satu knot adalah $1852\,\mathrm{m}$ per jam. Ubahlah $64$ knot dan $137$ knot ke dalam $\mathrm{m}/\mathrm{s}$ dan $\mathrm{km}/\mathrm{h}$.

Solusi

Solusi Latihan 5.6.

Satu knot adalah $1852/3600 \approx 0.514\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$. $64$ knot: $64 \times 0.514 \approx 32.9\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$, dan $32.9 \times 3.6 \approx 119\,\mathrm{km}/\mathrm{h}$. $137$ knot: $70.5\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$, sekitar $254\,\mathrm{km}/\mathrm{h}$ (tabel resmi, yang dibulatkan melalui satuan lain, memberikan $252\,\mathrm{km}/\mathrm{h}$).

Latihan 5.7 ★★

Ada 44 kilatan petir setiap detik di Bumi. Berapa banyak itu dalam sehari, dan dalam setahun?

Solusi

Solusi Latihan 5.7.

$44 \times 86\,400 \approx 3.8 \times 10^{6}$ kilatan sehari, dan $3.8\times10^6 \times 365.25 \approx 1.4 \times 10^{9}$, sekitar 1.4 miliar setahun.

Latihan 5.8 ★★

Sebuah hurikan memiliki tekanan pusat $935\,\mathrm{hPa}$ dengan tekanan sekitar $1010\,\mathrm{hPa}$. Berapa tinggi gembungan tekanan laut di bawahnya?

Solusi

Solusi Latihan 5.8.

$\Delta p = 1010 - 935 = 75\,\mathrm{hPa}$: gembungan sekitar $75\,\mathrm{cm}$.

Latihan 5.9 ★★

Dengan peta lintasan, uraikan di mana siklon tropis terbentuk dan ke mana siklon itu pergi setelah terbentuk. Mengapa siklon tropis tidak ada tepat di khatulistiwa?

Solusi

Solusi Latihan 5.9.

Siklon tropis terbentuk di atas samudra tropis yang hangat, sebagian besar di antara lintang $10{}^{\circ}$ dan $30{}^{\circ}$ di kedua belahan bumi, dengan sangat sedikit di Atlantik Selatan. Siklon itu hanyut ke barat, lalu membelok menjauh ke arah kutub, tempat siklon itu melemah di atas air yang lebih dingin. Siklon tropis tidak ada di khatulistiwa karena di sana rotasi Bumi tidak membelokkan udara yang mengalir masuk: tanpa belokan itu, udara mengalir lurus ke dalam tekanan rendah dan mengisinya, sehingga tidak ada badai berputar yang dapat dimulai.

Latihan 5.10 ★★

Garis lurus pada grafik tekanan–angin adalah $p \approx 1031 - 1.56\,v$ ($p$ dalam $\mathrm{hPa}$, $v$ dalam $\mathrm{m}/\mathrm{s}$). Berapa tekanan pusat yang diberikannya untuk batas bawah kategori 5, $70\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$? Untuk badai $40\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$?

Solusi

Solusi Latihan 5.10.

$1031 - 1.56 \times 70 \approx 922\,\mathrm{hPa}$; $1031 - 1.56 \times 40 \approx 969\,\mathrm{hPa}$.

Latihan 5.11 ★★

Jelaskan mengapa siklon tropis cepat melemah ketika bergerak ke atas daratan, dan mengapa siklon itu melemah di atas air yang dingin.

Solusi

Solusi Latihan 5.11.

Di atas daratan, badai kehilangan pasokan air yang menguap, dan bersamanya kalor laten yang menggerakkannya; permukaan yang kasar juga memperlambat angin. Di atas air yang dingin penguapan jauh lebih lemah, karena udara dingin menampung uap air jauh lebih sedikit pada kejenuhan: pasokan kalor laten menyusut.

Latihan 5.12 ★★★

Laju bunyi di udara adalah $\sqrt{1.4\,R\,T/M}$, dengan $R = 8.314\,\mathrm{J}\,\mathrm{mol}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}$, $T$ dalam kelvin, dan $M = 0.028\,97\,\mathrm{kg}/\mathrm{mol}$. Hitung laju itu pada $0{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan pada $30{}^{\circ}\mathrm{C}$. Untuk selang waktu $9\,\mathrm{s}$, berapa selisih kedua jaraknya? Apakah aturan “$3\,\mathrm{s}$ per kilometer” cukup baik?

Solusi

Solusi Latihan 5.12.

Pada $0{}^{\circ}\mathrm{C}$: $\sqrt{1.4 \times 8.314 \times 273.15/0.02897} \approx 331\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$; pada $30{}^{\circ}\mathrm{C}$, dengan $T = 303.15\,\mathrm{K}$: $349\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$. Untuk $9\,\mathrm{s}$: $9 \times 331 \approx 2980\,\mathrm{m}$ dan $9 \times 349 \approx 3140\,\mathrm{m}$, selisihnya sekitar $160\,\mathrm{m}$, sekitar $5\,\%$. Aturan itu memberikan $3\,\mathrm{km}$: cukup baik untuk mengetahui seberapa dekat badai itu, dan memang hanya untuk itulah aturan itu dibuat.

Latihan 5.13 ★★★

Gelombang badai setinggi $4.0\,\mathrm{m}$ terukur di sebuah pesisir ketika hurikan dengan tekanan pusat $940\,\mathrm{hPa}$ (tekanan sekitar $1010\,\mathrm{hPa}$) mendarat. Berapa bagian dari gelombang itu yang disebabkan oleh gembungan tekanan, dan berapa oleh angin? Jika gelombang itu datang saat pasang naik, $1.5\,\mathrm{m}$ di atas muka laut rata-rata, setinggi apa air mencapai di atas muka laut rata-rata?

Solusi

Solusi Latihan 5.13.

$\Delta p = 1010 - 940 = 70\,\mathrm{hPa}$: gembungannya sekitar $0.7\,\mathrm{m}$, bagian angin $4.0 - 0.7 = 3.3\,\mathrm{m}$, lebih dari empat kali lebih besar. Saat pasang naik air mencapai $4.0 + 1.5 = 5.5\,\mathrm{m}$ di atas muka laut rata-rata.

Latihan 5.14 ★★★

Sebuah tornado berputar dengan angin $90\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ pada jarak $100\,\mathrm{m}$ dari sumbunya; sebuah hurikan dengan angin $60\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ di dinding mata $30\,\mathrm{km}$ dari pusat. Berapa lama udara memerlukan waktu untuk berputar satu kali dalam masing-masing kasus? Bandingkan.

Solusi

Solusi Latihan 5.14.

Tornado: satu putaran adalah $2\pi \times 100 \approx 628\,\mathrm{m}$, ditempuh dalam $628/90 \approx 7\,\mathrm{s}$. Hurikan: $2\pi \times 30\,000 \approx 188\,\mathrm{km}$, ditempuh dalam $188\,000/60 \approx 3140\,\mathrm{s}$, sekitar $52\,\mathrm{min}$. Tornado berputar sekitar 450 kali lebih cepat: tornado adalah pusaran kecil yang sangat cepat, hurikan pusaran raksasa yang lebih lambat.

Latihan 5.15 ★★★

Dari 3 888 siklon tropis pada 1980–2024, 24 mencapai kekuatan badai tropis dalam jarak $5{}^{\circ}$ dari khatulistiwa, 414 dalam jarak $10{}^{\circ}$, dan 121 di luar $30{}^{\circ}$. Hitung ketiga persentasenya. Pita selebar $5{}^{\circ}$ di kedua sisi khatulistiwa meliputi sekitar $9\,\%$ permukaan Bumi: apa yang akan kamu harapkan jika lintang tidak berpengaruh, dan apa kesimpulanmu?

Solusi

Solusi Latihan 5.15.

$24/3888 \approx 0.6\,\%$; $414/3888 \approx 10.6\,\%$; $121/3888 \approx 3.1\,\%$. Jika lintang tidak berpengaruh, sekitar $9\,\%$ badai, sekitar 350, akan bermula dalam jarak $5{}^{\circ}$ dari khatulistiwa; kenyataannya hanya 24, sekitar lima belas kali lebih sedikit. Di dekat khatulistiwa rotasi Bumi terlalu lemah untuk memulai putaran.

5.6 Soal: Mesin Kalor Sebuah Hurikan

Soal 5.1

Soal akhir pekan — dari hujan sehari sampai daya angin

Hurikan rata-rata menurunkan hujan $1.5\,\mathrm{cm}$ sehari di atas lingkaran berjari-jari $665\,\mathrm{km}$. Gunakan kalor laten $2.5\,\mathrm{MJ}/\mathrm{kg}$, massa jenis air $1000\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$, $86\,400\,\mathrm{s}$ dalam sehari, dan daya angin hurikan rata-rata, $1.5 \times 10^{12}\,\mathrm{W}$.

Bagian I — Hujan sehari.

1. Hitung luas lingkaran itu.
2. Hitung volume hujan yang jatuh di atasnya dalam sehari.
3. Nyatakan volume itu dalam kilometer kubik.
4. Hitung massanya.

Bagian II — Kalor yang dilepaskan.

5. Hitung kalor laten yang dilepaskan dalam sehari oleh pengembunan air ini.
6. Ubahlah kalor itu menjadi daya.
7. Seluruh Bumi menyerap sekitar $1.22 \times 10^{17}\,\mathrm{W}$ cahaya Matahari (Bab 3). Berapa bagian darinya yang dilepaskan oleh satu hurikan?
8. Cahaya Matahari rata-rata yang diserap adalah $240\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$. Hitung cahaya Matahari yang diserap oleh luas badai itu dan bandingkan dengan kalor laten badai itu.
9. Apa yang diperlihatkan perbandingan ini tentang tempat energi badai itu dikumpulkan?

Bagian III — Dari mana airnya berasal.

10. Berapa massa air yang harus menguap setiap hari untuk memasok hujan ini?
11. Penguapan rata-rata permukaan Bumi membawa $82\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$. Di atas luas berapa penguapan rata-rata akan memasok kalor laten badai itu? Bandingkan dengan luas badai.
12. Dengan tabel kandungan jenuh pada Bab 4, bandingkan air yang ditampung udara jenuh pada $28{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan pada $20{}^{\circ}\mathrm{C}$.
13. Jelaskan mengapa siklon tropis hanya terbentuk di atas laut yang hangat.
14. Jelaskan mengapa siklon tropis melemah di atas daratan.

Bagian IV — Angin.

15. Hitung energi kinetik yang diberikan kepada angin dalam sehari.
16. Ubahlah batas bawah kategori 3, $96$ knot, ke dalam $\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ($1$ knot = $1852\,\mathrm{m}/\mathrm{h}$).
17. Udara di dekat permukaan laut memiliki massa jenis sekitar $1.16\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$. Hitung energi kinetik satu meter kubik udara itu yang bergerak dengan laju tersebut.
18. Bandingkan kalor laten yang dilepaskan dalam sehari dengan energi angin dalam sehari.
19. Apa yang terjadi dengan sisa kalor yang dilepaskan?
20. Berapa bagian kalor yang dilepaskan oleh pengembunan yang menjadi angin?

Solusi

Solusi Soal 5.1.

1. $\pi \times (665\,000)^2 \approx 1.39 \times 10^{12}\,\mathrm{m}^{2}$.

2. $0.015 \times 1.39\times10^{12} \approx 2.08 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$.

3. Satu kilometer kubik adalah $10^{9}\,\mathrm{m}^{3}$: sekitar $21\,\mathrm{km}^{3}$.

4. $2.08\times10^{10} \times 1000 \approx 2.08 \times 10^{13}\,\mathrm{kg}$.

5. $2.08\times10^{13} \times 2.5\times10^6 \approx 5.2 \times 10^{19}\,\mathrm{J}$.

6. $5.2\times10^{19}/86\,400 \approx 6.0 \times 10^{14}\,\mathrm{W}$.

7. $6.0\times10^{14}/1.22\times10^{17} \approx 0.005$, sekitar $0.5\,\%$.

8. $240 \times 1.39\times10^{12} \approx 3.3 \times 10^{14}\,\mathrm{W}$. Badai itu melepaskan kalor hampir dua kali cahaya Matahari yang diserap oleh seluruh luasnya.

9. Badai itu tidak berjalan dengan cahaya Matahari yang jatuh di atasnya: badai itu melepaskan kalor yang tersimpan sebagai uap air, yang diuapkan dari laut hangat yang lebih luas dan ditarik masuk oleh angin. Badai itu memusatkan energi yang dikumpulkan di atas daerah yang jauh lebih luas.

10. Massa yang sama dengan hujannya, sekitar $2.1 \times 10^{13}\,\mathrm{kg}$ sehari (uap yang dibawa masuk harus diperbarui secepat uap itu tercurah sebagai hujan).

11. $6.0\times10^{14}/82 \approx 7.3 \times 10^{12}\,\mathrm{m}^{2}$, sekitar lima kali luas badai: badai itu harus menarik uap dari daerah yang jauh lebih luas, dan anginnya membuat laut di bawahnya menguap jauh lebih cepat daripada rata-rata.

12. $24.1\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$ pada $28{}^{\circ}\mathrm{C}$ dibandingkan dengan $14.7\,\mathrm{g}/\mathrm{kg}$ pada $20{}^{\circ}\mathrm{C}$: $24.1/14.7 \approx 1.64$, sekitar $64\,\%$ lebih banyak.

13. Air hangat menguap dengan cepat dan udara hangat menampung uap jauh lebih banyak: udara yang mengalir masuk membawa jauh lebih banyak kalor laten untuk dilepaskan, dan, dalam keadaan jenuh, udara itu naik dengan bebas. Di atas laut yang lebih sejuk, pasokannya terlalu kecil untuk menggerakkan mesin itu.

14. Di atas daratan tidak ada laut yang dapat menguap: pasokan kalor laten terhenti, dan tanah yang kasar memperlambat angin.

15. $1.5\times10^{12} \times 86\,400 \approx 1.3 \times 10^{17}\,\mathrm{J}$.

16. $96 \times 1852/3600 \approx 49.4\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$.

17. $\frac12 \times 1.16 \times 49.4^2 \approx 1.4 \times 10^{3}\,\mathrm{J}$.

18. $5.2\times10^{19}/1.3\times10^{17} = 400$: kalor laten itu sekitar 400 kali energi yang diberikan kepada angin.

19. Sebagian besar kalor itu menghangatkan udara atas badai, yang menyebar di puncaknya dan melepaskan kalor ke angkasa sebagai radiasi inframerah; angin itu sendiri kehilangan energinya karena gesekan dengan laut dan tanah.

20. $1/400 = 0.25\,\%$ (skrip memberikan rasio 402): sekitar satu bagian dari 400 kalor yang dilepaskan oleh pengembunan menjadi angin.