Udara adalah salah satu elemen penting dalam kehidupan manusia dan makhluk hidup lainnya di bumi ini yang merupakan bagian dari biosfer. Biosfer sendiri terdiri dari tiga komponen utama, yaitu udara, air, dan tanah. Apa itu udara dan mengapa kita tidak dapat hidup tanpa udara?
Pengertian dan komposisi udara
Secara istilah, menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia (KBBI) udara merupakan campuran berbagai gas yang tidak berwarna dan tidak berbau (seperti oksigen dan nitrogen) yang memenuhi ruang di atas bumi seperti yang kita hirup apabila kita bernapas. Udara juga dapat diuraikan sebagai campuran beberapa macam gas yang didominasi oleh nitrogen (78%), oksigen (21%), dan gas-gas lain seperti xenon, karbon dioksida, argon, neon, hidrogen, helium, serta kripton (1 %).
Selain gas-gas penyusun utama, di dalam udara juga dapat ditemukan kandungan sisa gas lain. Di antaranya adalah gas-gas rumah kaca seperti uap air, karbon dioksida, metan, asam nitrat, dan ozon. Udara disaring mencakup jumlah jejak banyak senyawa kimia lainnya. Banyak zat alami mungkin ada dalam jumlah kecil dalam sampel udara tanpa filter, termasuk debu, serbuk sari dan spora, serta abu vulkanik. Berbagai polutan industri pun mungkin saja ikut tersaring di dalamnya, seperti klorin (dalam bentuk dasar atau senyawa), senyawa fluor, unsur merkuri, dan senyawa sulfur seperti sulfur dioksida (SO2).
Nitrogen di atmosfer dapat diibaratkan orang kehausan yang melihat air di lautan, sangat melimpah dalam jumlah tetapi dalam bentuk kimia yang kurang tepat. Sebuah molekul gas nitrogen terdiri dari dua atom yang terikat sangat erat. Dibutuhkan energi yang sangat besar seperti yang dihasilkan dari sambaran petir untuk memecahkan ikatan tersebut. Nitrogen juga merupakan unsur yang hampir seluruhnya dapat ditemukan di atmosfer, hanya sedikit saja jumlahnya yang dapat ditemukan di darat maupun di lautan. Nitrogen sangat penting fungsinya untuk kehidupan karena merupakan elemen utama dalam protein dan DNA.
Oksigen mempunyai konsentrasi yang cukup stabil dalam atmosfer yaitu sekitar 21%. Karena oksigen merupakan salah satu elemen yang reaktif, ia dengan mudah dapat berinteraksi dengan elemen lain dan menghilang dari atmosfer. Meski demikian, oksigen tetap dapat ditemukan dalam konsentrasi yang tinggi. Stabilitas dan keberadaaannya didukung sepenuhnya oleh proses siklus oksigen melalui fotosintesis dan respirasi.
Sifat-sifat udara
Sifat-sifat udara yang sudah dikenali di antaranya adalah udara menempati ruang, udara mempunyai berat, udara memiliki tekanan, udara mengalir dari tekanan tinggi ke tekanan rendah. Sifat-sifat udara tersebut dapat dibuktikan dengan percobaan yang sederhana seperti mengisi balon dengan gas hidrogen sehingga balon bisa terbang untuk membuktikan bahwa udara mempunyai berat atau massa. Untuk membuktikan bahwa udara memiliki tekanan dapat merujuk kepada kemampuan burung untuk terbang karena udara yang mengalir di bawah sayapnya lebih lambat daripada di bagian atas sehingga burung bisa terangkat ke udara.
Tekanan udara adalah suatu gaya yang timbul akibat adanya berat dari lapisan udara. Besarnya tekanan udara di setiap tempat pada suatu waktu akan berubah-ubah. Semakin tinggi letak suatu tempat dari permukaan laut semakin rendah tekanan udara di tempat tersebut. Hal ini disebabkan oleh semakin berkurangnya udara yang menekan. Besarnya tekanan udara dapat diukur dengan menggunakan alat yang disebut dengan Barometer. Ukuran tekanan udara dinyatakan dalam satuan milibar (mb).
Salah satu sifat udara yang lain adalah apabila dipanaskan akan memuai. Udara yang telah memuai akan menjadi lebih ringan sehingga naik ke bagian yang lebih tinggi. Hal ini menyebabkan tekanan udara menurun karena massa udara di dalamnya berkurang. Udara dingin di sekitarnya akan mengalir ke tempat yang bertekanan rendah tersebut sehingga udara menyusut menjadi lebih berat dan turun ke tanah. Di atas tanah udara menjadi panas lagi dan kembali naik. Nah, aliran naiknya udara panas dan turunnya udara dingin ini disebut dengan konveksi.
Sifat-sifat fisik udara yang lain adalah:
- Ekspansi: peningkatan volume massa udara dengan mengurangi tekanan yang diberikan oleh suatu kekuatan atau karena penambahan panas.
- Kontraksi: mengurangi volume udara yang didorong dengan paksa, tetapi volume mencapai batasnya dan udara cenderung mengembang di luar batas.
- Kerapatan udara pada suhu 25⁰ Celsius adalah 1,18 kg/m3.
- Viskositas udara pada suhu 20⁰ Celsius adalah 0,018 cP.
Sirkulasi Udara
Karena bumi mengalami rotasi, porosnya miring dan menyebabkan lebih banyak daratan di belahan bumi utara dibanding belahan bumi selatan. Pola sirkulasi udara global yang sesungguhnya lebih rumit dari yang kita bayangkan. Model sirkulasi udara global tidak terdiri dari satu sel tetapi dikenal dengan tiga sel sirkulasi di setiap belahan dunia.
Ketiga sirkulasi tersebut adalah:
1. Sirkulasi tropis (Hadley cell)
Udara dari lintang yang lebih rendah bergerak ke arah khatulistiwa dan memanas. Seiring dengan pemanasan, udara tersebut naik secara vertikal dan bergerak menuju titik pusat di bagian atas atmosfer. Peristiwa ini membentuk sel konveksi yang mendominasi iklim di daerah tropis dan sub tropis.
2. Sirkulasi belahan bumi tengah (Ferrel cell)
Sirkulasi ini ditemukan oleh Ferrel di abad ke-19. Dalam sel ini udara mengalir ke arah timur dekat permukaan dan mengarah ke khatulistiwa serta ke arah barat pada lintang yang lebih tinggi.
3. Sirkulasi kutub (Polar cell)
Udara naik, menyebar dan bergerak ke arah kutub. Setelah mencapai kutub, terjadi divergensi massa udara sehingga udara keluar dari kutub.
Atmosfer
Jika kita membahas tentang udara yang ada di bumi, pembahasan akan sangat erat kaitannya dengan persoalan atmosfer. Secara harfiah atmosfer dapat diartikan sebagai lapisan udara. Beberapa manfaat atmosfer adalah sebagai berikut:
- Atmosfer mengandung gas oksigen yang diperlukan untuk proses pernafasan, melindungi manusia dari sinar-sinar matahari yang membahayakan, serta memelihara fungsi cuaca.
- Atmosfer berfungsi sebagai pelindung kehidupan di bumi dari radiasi sinar matahari dan mencegah menguapnya panas ke ruang angkasa pada malam hari.
- Atmosfer berfungsi sebagai penyaring/filter bagi benda-benda ruang angkasa yang bergerak melaluinya sehingga benda-benda berbahaya seperti meteor dengan ukuran yang besar/kecil akan hancur sebelum mencapai permukaan bumi.
Atmosfer terdiri dari empat lapisan utama yaitu troposfer, stratosfer, mesosfer dan termosfer. Dalam tulisan ini kita hanya akan membahas lapisan troposfer karena manusia hidup pada lapisan tersebut. Troposfer berasal dari kata tropein, yang berarti perubahan. Troposfer adalah lapisan atmosfer yang paling dekat dengan permukaan tanah. Dengan kata lain, lapisan ini merupakan lapisan yang paling bawah dari atmosfer. Ketebalan lapisan ini mencapai 10 km di atas permukaan bumi dan merupakan lapisan atmosfer yang paling rapat. Sirkulasi udara terjadi di lapisan ini dan semua sistem cuaca planet bumi dihasilkan dari lapisan ini.
Suhu di dalam lapisan troposfer bervariasi antara 170⁰C hingga -520⁰C. Suhu troposfer tertinggi berada di dekat tanah tempat udara dipanaskan oleh permukaan bumi. Naik lebih tinggi dari lapisan ini, udara menjadi lebih tipis dan kurang mampu mempertahankan panas. Hasilnya, suhu menurun rata-rata sekitar 5,5⁰C setiap kenaikan 1.000 meter ketinggian.
Troposfer merupakan lapisan yang bersentuhan langsung dengan makhluk hidup dan merupakan tempat berlangsungnya proses pembentukan gejala-gejala cuaca seperti angin, hujan, dan petir. Lapisan ini didominasi oleh gas yang sangat berguna bagi keberlangsungan hidup makhluk hidup, yaitu nitrogen dan oksigen seperti yang sudah dijelaskan di bagian sebelumnya. Reaksi-reaksi kimia terpenting bagi kehidupan pun terjadi pada lapisan ini.
Bahan bacaan:
- http://www.sibarasok.com
- http://www.ucar.edu
- http://www.learner.org
- http://www.atmosphere.mpg.de
- http://ag.arizona.edu
- http://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_chemistry
Penulis:
Utia Suarma, mahasiswa S3 bidang geografi di Innsbruck University, Austria.
Kontak: tiasuarma(at)gmail(dot)com.
