Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Serba-Serbi Keping Salju

Butir-butir itu terus berjatuhan turun…

Dengan penuh takjub, Fandi memandangi gedung-gedung yang berlalu lalang, dari balik jendela bus. Tidak hanya gedung, orang-orang pun masih banyak yang berjalan mengiringinya. Semuanya berpadu di luar sana, bergerak menembus badai yang menerpa. Butir-butir putih yang melaju gesit tampak tak dihiraukan oleh mereka yang terus berjalan.

Bus kembali berhenti, kali ini di depan kampus. Dengan muka sumringah, Fandi bergerak gesit untuk membayar dan segera turun. Bersama teman seperjalanannya, Dimas, yang sudah setahun tinggal di kota itu, Fandi keluar dan menghadapkan diri pada butir-butir putih. Butir putih, yang terus menghujam bumi dengan galak sejak tadi.

“Kau sepertinya terlalu bersemangat, Fandi,” ucap Dimas yang terakhir turun dari bus.

“Bagaimana tidak semangat,” seru Fandi dalam langkahnya yang menghentak-hentak dahsyat. Mungkin dia merasa sedang membawa sang saka di tengah lapangan upacara. “Aku belum pernah lihat salju sebelumnya, Dim.”

Dasar anak baru, “ Dimas menghela nafas, “Menurutmu ini salju? Ini bukan salju lho.”

Langkah Fandi yang dihentak-hentak mendadak loyo, “Bukan salju?”

***

Snowflakes (http://www.design-laorosa.com/2013/02/high-def-photos-of-snowflakes-close-up.html)

Snowflakes / kepingan salju. Gambar dari:
http://www.design-laorosa.com/2013/02/high-def-photos-of-snowflakes-close-up.html

Satu hal yang cukup menarik tentang salju adalah bahwa ia cukup dikenal, bahkan di negara-negara tropis yang notabene identik dengan cuaca panas sepanjang tahun. Di Indonesia sendiri, dengan pengecualian sebuah keterangan “di puncak Jayawijaya” yang sering tertulis di buku pelajaran sekolah, praktis tidak ada bentangan es yang terhampar. Tentu saja kita harus mencoret opsi kulkas, yang sama sekali tidak berkaitan dengan ‘cuaca’.

Mungkinkah ada kaitannya dengan mudahnya akses informasi? Atau, ini berkaitan dengan tidak turunnya salju di wilayah tropis? Banyak kesimpulan yang mungkin mempengaruhi.

Butir Air Lebih Dingin dari Es?

Kebanyakan orang mengenali salju sebagai analogi hujan yang turun pada saat suhu udara cukup dingin. Oleh karenanya, syarat-syarat umum yang diperlukan untuk turunnya sebuah hujan secara umum bisa digunakan sebagai syarat turunnya salju di suatu daerah, dengan tambahan kriteria berupa suhu mendekati 0~^\circ{\rm C}. Komposisi standar hujan sendiri berupa sekumpulan besar uap air dan gaya yang mengangkat uap air ini lebih tinggi ke atmosfer. Gaya angkat ini membawa uap air ke bagian atmosfer yang lebih dingin sehingga uap air mengembun menjadi butir-butir air. Kumpulan butir air ini kemudian tampak sebagai awan.

Dalam kasus hujan, cerita berjalan dengan cukup sederhana. Butir-butir air akan bergabung satu sama lain. Suatu saat butir-butir air ini sampai pada suatu kondisi yang terlalu berat untuk bertahan dalam awan, terpengaruh gravitasi untuk terjun menuju Bumi. Akan tetapi, dalam kasus salju, ceritanya sedikit berbeda.

Mungkin mudah terbayang, dalam suhu yang cukup dingin, butir-butir air ini bisa juga membeku menjadi kristal es. Sedingin apa? Nol derajat Celsius? Rupanya tidak begitu! Mari kita bongkar: butir-butir air murni baru benar-benar membeku ketika suhu sudah turun hingga -48~^\circ{\rm C}. Mulai dari suhu itu, butir air akan membeku secara otomatis.

Tapi selama ini air membeku di suhu 0~^\circ{\rm C}, bukan -48~^\circ{\rm C}? Benar, suhu 0~^\circ{\rm C} adalah suhu es meleleh, dan air cair membeku. Buktinya, termometer Celsius, yang skalanya dibuat berdasarkan titik beku dan didih air, mencatat titik beku air pada nol derajat.

Lalu, bagaimana butir air bisa bertahan dalam wujud cair hingga suhu sedingin itu?

Perbedaan yang menentukan dalam hal ini adalah kemurnian butir air terkait. Pada butir air yang hampir murni, di mana-mana hanya ada molekul air yang seragam dan kedinginan. Karena nyaris tak ada perbedaan dalam kelompok besar air tersebut, molekul-molekul air ini merasa nyaman dengan keadaannya, dan tak tertarik untuk bersatu membangun kristal es.

Proses nukleasi, berupa gelembung karbon dioksida yang enempel pada cincin. Gambar dari: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleation_rings.jpg

Proses nukleasi, berupa gelembung karbon dioksida yang enempel pada cincin. Gambar dari: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleation_rings.jpg

 Supaya molekul air tersebut segera berpadu membangun kristal es tanpa mendingin hingga -48~^\circ{\rm C}, diperlukan “gangguan” dari pihak luar. “Gangguan” yang paling umum dalam kasus ini adalah memberikan setitik ketidakseragaman pada butir air terkait, misalnya dengan menambahkan sebutir debu mikroskopis. Penambahan sebutir debu mikroskopis akan mengganggu ‘kenyamanan’ molekul yang berdiam dalam butiran air, dan mendorong molekul-molekul air untuk bergabung. Molekul yang bergabung dengan debu mikroskopis ini tidak suka berdesak-desakan sehingga mereka akan mengatur posisi mereka dengan teratur dan rapi, menjalani sebuah proses yang disebut “nukleasi“, yang secara bahasa berarti “pembentukan inti”. Selama suhu lingkungan masih di bawah 0~^\circ{\rm C}, nukleasi akan terus berlangsung sedemikian rupa sehingga paduan molekul air yang tersusun rapi itu membentuk sebuah kristal es.

(Tambahan: proses nukleasi juga berperan dalam pembentukan buih di dasar panci berisi air yang sedang mendidih, atau dalam botol soda, dll.)

Hujan Dingin, Belum Tentu Salju

Sekarang, andaikata awan sudah menampung sekian banyak kristal es yang terus tumbuh, sebagaimana yang terjadi pada butir air hujan, kristal es ini terus tumbuh hingga terlalu berat untuk tetap menghuni awan. Maka, beramai-ramailah kristal es berjatuhan ke Bumi, sembari ‘merekrut’ butir-butir air yang mungkin dijumpai.

Tentunya, atmosfer Bumi bukanlah satu kesatuan massa udara yang seragam. Kadar air di satu bagian atmosfer dapat berbeda dengan kadar air di bagian lain. Temperatur di satu lapisan atmosfer pun juga berbeda dengan temperatur di lapisan lainnya. Perbedaan ini, terutama yang berkaitan dengan temperatur, menghasilkan 4 jenis presipitasi (hasil pengembunan uap air di atmosfer yang jatuh kembali ke muka Bumi) pada musim dingin.

Jenis-jenis presipitasi dalam musim dingin. Daerah oranye mewakili massa udara hangat (suhu di atas 0°C), sementara daerah biru mewakili massa udara dingin (suhu di bawah 0°C). Gambar dari: http://blog.chron.com/weather/2014/01/whats-the-difference-between-freezing-rain-sleet-and-ice-pellets/

Jenis-jenis presipitasi dalam musim dingin. Daerah oranye mewakili massa udara hangat (suhu di atas nol derajat celcius), sementara daerah biru mewakili massa udara dingin (suhu di bawah nol derajat celcius). Gambar dari: http://blog.chron.com/weather/2014/01/whats-the-difference-between-freezing-rain-sleet-and-ice-pellets/

Keempat jenis presipitasi dibedakan oleh keberadaan massa udara hangat (di atas 0~^\circ{\rm C}) pada perjalanannya menuju muka Bumi:

  • ŸPada kondisi pertama, massa udara hangat dominan menguasai jalur sang kristal es, termasuk di dekat tanah, sehingga kristal es tersebut segera mencair dan tetap dalam keadaan cair saat ia menyentuh muka Bumi. Jenis yang ini dikenal sebagai hujan.
  • Kondisi kedua, alih-alih ditemani massa udara hangat sepanjang perjalanan, butir kristal es yang telah mencair itu kembali bertemu massa udara dingin. Butir-butir air tidak sempat membeku sebelum mencapai segenap muka Bumi, tetapi membeku setelah bersentuhan dengan objek-objek di permukaan, melapisinya dengan es. Jenis yang ini dikenal sebagai ‘hujan beku’ (freezing rain).
  • Kondisi ketiga, massa udara hangat yang dihadapi butir kristal es tidak setebal pada kondisi pertama dan kedua. Karenanya, butir kristal es yang telah meleleh itu bisa kembali membeku, membentuk butir-butir kecil es. Jenis ini dikenal sebagai ‘sleet‘, yang bisa diartikan sebagai “hujan es” menurut Wikipedia dalam bahasa Melayu.
  • Kondisi keempat, tidak ada massa udara hangat yang signifikan untuk melelehkan kristal es sehingga kristal ini bisa mencapai permukaan Bumi tetap dalam bentuk kristal. Bentuk ini yang biasa disebut salju.

Khusus bagi kondisi ketiga, mungkin di antara kita ada yang akan membandingkannya dengan ‘hujan es’ yang kadang terjadi di beberapa wilayah Indonesia, atau istilah bahasa Inggrisnya ‘hail‘. Namun, hail berbeda dengan sleet berdasarkan besar partikel es yang dijatuhkan. Sleet cenderung lebih kecil, kurang lebih sebesar kepala jarum, sementara hail kadang-kadang bisa mencapai ukuran kelereng atau lebih.

Selain itu, sleet bisa terjadi pada semua awan yang membawa cukup cadangan air, sementara hail hanya terbentuk dalam awan badai yang dikenal dengan nama kumulonimbus. Ukuran keping hujan es yang cukup besar adalah hasil dari pergerakannya yang berputar-putar antara bagian bawah dan atas awan, yang temperaturnya cukup untuk membekukan butir-butir air yang ada.

Awan kumulonimbus, dipotret dari Tokyo, 20 Agustus 2007. Selain bahaya hujan es (hail), awan ini juga identik dengan kondisi badai petir dan angin kencang. Gambar dari: http://www.flickr.com/photos/altus/1193761206/

Awan kumulonimbus, dipotret dari Tokyo, 20 Agustus 2007. Selain bahaya hujan es (hail), awan ini juga identik dengan kondisi badai petir dan angin kencang. Gambar dari: http://www.flickr.com/photos/altus/1193761206/

Sesuai dengan karakteristiknya, sleet hanya terjadi ketika suhu udara dekat tanah berada di bawah titik beku. Di sisi lain, hail tetap bisa terjadi ketika suhu udara berada jauh di atas titik beku (di atas 15~^\circ{\rm C}) karena keping-keping es yang terbentuk cukup besar sehingga berpeluang tidak habis mencair sebelum sampai ke muka Bumi.

Keping Salju yang Nyentrik

Sebelumnya sempat dibahas bahwa perbedaan kondisi atmosfer dalam perjalanan sebutir kristal es bisa menghasilkan perbedaan tertentu. Perbedaan yang muncul tersebut, pada gilirannya, ikut membentuk keping-keping salju yang berjatuhan dengan bentuknya masing-masing yang unik.

Dalam perjalanannya jatuh ke muka Bumi, si keping salju senantiasa ‘merekrut’ butir-butir air yang ia temui di perjalanannya. Bagaimana dan di mana butir-butir ini bergabung memperluas kristal salju akan sangat bergantung pada kondisi lingkungan ketika satu per satu butir air bergabung padanya.

Penelitian dan rasa kepo orang-orang akan wujud keping salju ini mendapat banyak kemajuan ketika Wilson A. Bentley (1865-1931) memublikasikan karya fotografinya, yang memanfaatkan mikroskop untuk memotret hingga 5.000 keping salju. Hasil foto Bentley menunjukkan keberagaman yang begitu luas antar bentuk-bentuk keping salju yang terpotret, meskipun secara umum bentuk-bentuk keping salju yang demikian beragam itu kemudian dikelompokkan pada tahun 1951. IACS (International Association of Cyrospheric Sciences) adalah organisasi yang mengelompokkan bentuk-bentuk keping salju ke dalam 10 bentuk umum.

Klasifikasi 10 bentuk umum keping salju oleh IACS. Gambar dari:http://earthsky.org/earth/how-do-snowflakes-get-their-shape

Klasifikasi 10 bentuk umum keping salju oleh IACS. Gambar dari: http://earthsky.org/earth/how-do-snowflakes-get-their-shape

Berbagai studi lebih lanjut oleh Kenneth Libbrecht, profesor fisika di California Institute of Technology, menyibak lebih lanjut hubungan antara kondisi udara (terutama kelembapan dan suhu) dengan bentuk keping salju yang dihasilkan. Secara umum, makin kering dan dingin kondisi udara saat pembentukan, makin sederhana bentuk keping salju yang terbentuk.

Ed35-fisika-6

Hubungan antara kelembapan udara, suhu, dan bentuk keping salju yang terbentuk. Gambar dari: http://earthsky.org/earth/how-do-snowflakes-get-their-shape.

 Melihat sensitivitas yang ada dalam proses ini, bisa disimpulkan, bahwa secara praktis akan sangat sulit mendapatkan dua keping salju yang identik. Kalau yang nyentrik… mungkin banyak… Tetapi, dari sekian banyak keping salju tersebut, ataupun sepuluh bentuk yang disetujui pengelompokannya, semua keping salju ini mematuhi tata letak kristal yang sama, yaitu segienam. Bentuk segienam ini sendiri berasal dari susunan atom hidrogen dan oksigen penyusun molekul air, yangseluruhnya tertata dalam bangun-bangun segienam, sehingga pada akhirnya menjadi kesatuan keping salju yang juga berbasis bentuk segi enam.

Dengan demikian, jika kita diberi gambar keping salju dengan tata kristal segilima, atau tujuh, kemungkinan besar itu bukan keping salju sungguhan. Meskipun terkadang keping salju bersudut tiga atau dua belas bisa terbentuk.

Bonus: Jika ingin menikmati suguhan lebih mengenai proses terbentuknya kristal es, kita bisa simak video pendek dari Vyacheslav Ivanov, yang menampilkan pertumbuhan sekeping salju:
http://www.iflscience.com/chemistry/watch-snowflake-form-your-eyes .

Bahan bacaan:

Penulis:
Gianluigi Grimaldi Maliyar, alumnus Tohoku University, Jepang.
Kontak: gian.gmaliyar(at)gmail(dot)com.