Karakter Umum Air Laut : Mengenal Termoklin, Haloklin, dan Piknoklin pada Temperatur, Salinitas dan Densitas Air Laut

Tiga hal penting yang menggambarkan karakter umum air laut, yaitu temperatur, salinitas, dan densitas. Selain itu, juga akan diuraikan tentang kecepatan suara, sinar di laut, dan warna air laut pada artikel selanjutnya. Kecepatan suara penting karena berkaitan dengan penerapan teknologi ekosounder dalam mempelajari laut, sinar di laut berkaitan dengan kehidupan organisme, dan warna air laut perlu dipelajari karena berkaitan erat dengan pengetahuan praktis berkaitan dengan berbagai fenomena atau kondisi laut yang tercermin pada warna air laut. Pada artikel ini akan dibahas mengenai tiga karakter umum air laut yang utama.

TEMPERATUR AIR LAUT

Permukaan samudera mendapat panas dari tiga sumber, yaitu: (1) radiasi sinar matahari, (2) konduksi panas dari atmosfir, dan (3) kondensasi uap air. Sebaliknya, permukaan laut menjadi dingin karena tiga sebab, yaitu: (1) radiasi balik dari permukaan laut ke atmosfer, (2) konduksi panas balik ke atmosfer, dan (3) evaporasi. Sementara itu, di bawah permukaan laut, arus-arus horizontal dapat mentransfer panas dari satu kawasan ke kawasan lain.

Radiasi sinar matahari adalah sumber panas utama bagi Bumi. Sebagian dari radiasi itu yang sampai ke Bumi diserap dan sebagian yang lain dipantulkan oleh atmosfer. Radiasi yang diserap oleh atmosfer itu selanjutnya sampai ke permukaan Bumi dan dikenal sebut sebagai “insolation” (insolasi). Insolasi yang sampai ke permukaan laut sebagian dipantulkan dan sebagian yang lain diserap oleh molekul-molekul air. Energi panas matahari yang diserap oleh molekul-molekul air itulah yang dapat menyebabkan air menguap.

Insolasi tidak konstan, melainkan bervariasi sesuai dengan posisi geografi dan waktu. Insolasi sinar matahari di suatu tempat di Bumi berkurang seiring dengan makin tingginya posisi lintang karena sudut sinar matahari yang sampai ke Bumi juga meningkat (Gambar 1).

Daerah ekuator adalah daerah yang menerima insolasi terbanyak karena posisi matahari berada pada sudut terbesar (90o) di atas ekuator. Sebaliknya, daerah kutub adalah daerah yang menerima insolasi paling sedikit, karena matahari berada pada posisi sudut yang kecil. Pengaruh sudut matahari adalah tiga kali. Di daerah lintang rendah, 1) sinar radiasi matahari tersebar di daerah yang sempit, 2) sinar matahari juga melewati ketebalan atmosfer yang lebih kecil, dan 3) sedikit insolasi yang dipantulkan dari permukaan Bumi.

Gambar 1. Variasi intensitas penyinaran matahari sesuai dengan posisi lintang dan sudut datang sinar matahari. Dikutip dari Berner dan Berner (1987).

Pengaruh variasi geografis terhadap insolasi menyebabkan temperatur permukaan air meningkat seiring dengan menurunnya posisi lintang. Perubahan temperatur permukaan air laut harian terjadi karena rotasi Bumi. Sedang fluktuasi musiman adalah akibat dari gerak revolusi Bumi mengelilingi Matahari dan sumbu orbit Bumi yang miring 23,5o terhadap bidang orbit (Gambar 2).

Gambar 2. Revolusi Bumi mengelilingi Matahari. Dikutip dari Libes (1992).

Distribusi temperatur di permukaan samudera terbuka memperlihatkan pola zonal (berzona-zona), dengan garis isotermal secara umum berarah timur—barat (Gambar 3). Di sepanjang sisi timur samudera, temperatur permukaan yang rendah sering terjadi karena “upwelling” air dingin dari bawah permukaan, seperti di pantai barat Amerika pada bulan Agustus. Variasi temperatur permukaan dari daerah kutub utara dan selatan ke ekuator disajikan dalam Gambar 4.

Gambar 3A. Distribusi lateral temperatur permukaan di bulan Febuari. Dikutip dari Pickard dan Emery (1995).

Gambar 3B. Distribusi lateral temperatur permukaan di bulan Agustus. Dikutip dari Pickard dan Emery (1995).

Distribusi temperatur secara vertikal dapat dibagi menjadi tiga zona (Gambar 5), yaitu:

1)    Lapisan campuran (mixed layer). Zona ini adalah zona homogen. Temperatur dan kedalaman zona ini dikontrol oleh insolasi lokal dan pengadukan oleh angin. Zona ini mencapai kedalaman 50 sampai 200 meter.

2)   Termoklin (thermocline). Di dalam zona transisi ini, temperatur air laut dengan cepat turun seiring dengan bertambahnya kedalaman. Zona ini berkisar dari kedalaman 200 sampai 1000 meter.

3)   Zona dalam (deep zone). Zona ini temperatur berubah sangat lambat atau relatif homogen.

Gambar 4. Variasi temperatur, salinitas dan densitas permukaan menurut posisi lintang. Nilai rata-rata untuk seluruh samudera. Dikutip dari Pickard dan Emery (1995).

Termoklin di daerah kutub tidak terlihat, karena sebagian besar permukaan laut tertutup es pada musim dingin dan mendapat radiasi sinar matahari yang kecil pada musim panas. Di daerah tropis, termoklin dapat mendekat ke permukaan. Di daerah-daerah yang memiliki pemanasan musiman yang kuat, yaitu di daerah lintang menengah, air laut memiliki termoklin temporer atau musiman di lapisan permukaannya.

Gambar 5. Profil vertikal temperatur samudera pada (a) lintang menengah, (b) lintang rendah, dan (c) lintang tinggi. Dikutip dari Libes (1992).

SALINITAS AIR LAUT

Salinitas adalah ukuran yang dipergunakan untuk mengukur kandungan garam (saltiness) di dalam ai laut. Unsur-unsur dalam bentuk ion yang melimpah menyusun kandungan garam di dalam air laut adalah Cl-, Na+, Mg2+, SO42-, Ca2+, dan K+. Ion-ion tersebut proporsinya di dalam air laut adalah konstan karena konsentrasinya ditentukan oleh proses-proses fisika. Karena sifatnya yang demikian itu, ion-ion tersebut disebut ion konservatif (conservative ions). Secara keseluruhan, semua unsur tersebut menyusun lebih dari 99,8% material yang terlarut di dalam air laut. Di antara ion-ion itu, sodium (natrium, Na) dan klorin (Cl) menyusun sekitar 86%. Secara teoritis, salinitas didefinisikan sebagai banyak gram total ion-ion garam yang terlarut di dalam 1 kg air laut. Secara matematis definisi tersebut dapat dituliskan sebagai berikut:

                               

Pengukuran salinitas berdasarkan teori itu sangat sulit dilakukan dan terlalu lambat untuk dilakukan sebagai pekerjaan rutin. Hal itu terutama bila dilakukan di lapangan ketika penelitian dilakukan dengan menggunakan kapal. Cara yang paling akurat dan teliti untuk mengukur salinitas adalah dengan menggunakan salinometer induktif, yang mengukur konduktifitas sampel air laut.

Sebanyak 99% air laut di samudera mempunyai salinitas antara 33‰ sampai 37‰, dengan rata-rata 35‰ yang ekivalen dengan larutan garam 3,5%. Di Laut Baltik, yang banyak curah hujan dan aliran sungai masuk ke dalamnya, tercatat salinitas terrendah, yaitu 12‰. Di Laut Merah, yang sedikit masukan air tawar dan berevaporasi tinggi, tercatat salinitas tertinggi, yaitu 40 sampai 42‰.

Salinitas air permukaan laut sangat ditentukan oleh evaporasi dan presipitasi. Salinitas akan naik bila evaporasi naik dan presipitasi turun (Gambar 6). Faktor-faktor lain yang dapat juga mempengaruhi salinitas air laut adalah pembekuan es, masuknya air sungai ke laut, dan pencairan es. 

Gambar 6. Salinitas permukaan (S, rata-rata untuk semua samudera) dan perbedaan antara evaporasi dan presipitasi (E-P) menurut posisi lintang. Dikutip dari Pickard dan Emery (1995).

Pola distribusi salinitas air permukaan laut pada dasarnya berzonasi, walaupun zona-zona yang ada tidak sejelas temperatur (Gambar 7). Distribusi salinitas permukaan rata-rata memiliki nilai minimum di sebelah utara equator dan nilai maksimum di daerah sub-tropis, yaitu kira-kira 25o Lintang Utara dan Lintang Selatan. Salinitas minimum dan maksimum tampak di setiap samudera. Nilai salinitas menurun ke arah lintang tinggi. 

Gambar 7. Pola distribusi salinitas permukaan bulas Agustus. Dikutip dari Pickard dan Emery (1995).

Seperti halnya temperatur, profil vertikal salinitas air laut bervariasi sesuai dengan posisi lintang. Berlainan dengan profil temperatur, profil vertikal salinitas tidak memperlihatkan adanya pola seragam seiring dengan pertambahan kedalaman. Seperti diperlihatkan pada Gambar 8, di daerah berlintang menengah dan rendah, air-dalam cenderung memiliki salinitas yang lebih rendah daripada air permukaan. Di daerah berlintang tinggi, di daerah kutub, salinitas permukaan lebih rendah daripada salinitas air-dalam.

Gambar 8. Tipe profil vertikal salinitas di samudera terbuka. Dikutip dari Pickard dan Emery (1995).

Profil salinitas memperlihatkan adanya tiga atau empat zona (Gambar 8), yaitu:

1) Lapisan campuran (mixed layer). Ketebalannya 50 sampai 100 meter, dan mempunyai salinitas seragam. Daerah tropis dan daerah berlintang tinggi dan menengah, memiliki salinitas permukaan tinggi, sedang daerah berlintang tinggi memiliki salinitas rendah.

2)    Haloklin (halocline), adalah zona dimana salinitas mengalami perubahan besar.

3)  Zona dalam (deep zone) adalah zona di bawah haloklin sampai dasar laut, dan memiliki salinitas relatif seragam.

4) Di daerah berlintang rendah dan menengah, terdapat salinitas minimu pada kedalaman 600 sampai 1000 meter.

DENSITAS AIR LAUT

Nilai densitas air laut dikontrol oleh tiga variabel yang berinteraksi sangat kompleks, yaitu salinitas, temperatur, dan tekanan. Secara umum, densitas meningkat dengan meningkatnya salinitas, meningkatnya tekanan (atau kedalaman), dan turunnya temperatur. Densitas air laut dapat dihitung bila ketiga variabl itu dapat diketahui. Di permukaan laut, perubahan densitas air laut terjadi karena proses-proses evaporasi atau pemanasan yang terjadi di permukaan laut. Hubungan antara densitas air laut dan temperatur dapat dilihat dalam Gambar 4.

Profil vertikal densitas (Gambar 9) memperlihatkan bahwa pengaruh yang kuat dari temperatur terhadap densitas, terutama di daerah lintang rendah dan menengah. Di kedua daerah tersebut, termoklin menghasilkan perubahan gradien densitas yang kuat yang disebut piknoklin (pycnocline). Di daerah berlintang tinggi, kutub, tidak terlihat adanya piknoklin yang kuat.

Stratifikasi densitas di daerah lintang rendah dan menengah adalah sebagai berikut:

1)  Lapisan atas, dengan ketebalan sekitar 100 meter, mempunyai densitas hampir seragam.

2)     Piknoklin (pycnocline), yaitu zona dimana densitas bertambah dengan cepat seiring dengan bertambahnya kedalaman.

3)  Zona dalam, adalah zona di bawah piknoklin, dengan densitas meningkat sangat pelan dengan bertambahnya kedalaman.

Gambar 9. Profil vertikal densitas samudera. Dikutip dari Libes (1992).

Statifikasi vertikal densitas menghambat terjadinya percampuran air laut secara vertikal. Banyak energi yang diperlukan agar dapat terjadi percampuran vertikal di kedua kawasan tersebut. Di daerah berlintang tinggi, kutub, lebih sedikit energi yang diperlukan untuk terjadinya percampuran vertikal. Hal itu karena di daerah tersebut tidak terdapat piknoklin yang kuat.

Stratifikasi densitas dan perbedaan densitas diantara dua massa air di laut-dalam mencerminkan asal-usul proses permukaan laut. Perubahan densitas disebabkan oleh pemanasan dan pendinginan, evaporasi, penambahan air tawar, dan pendinginan oleh es di laut (Berner dan Berner, 1987). Di daerah berlintang tinggi, air di permukaan memiliki densitas yang lebih tinggi dari pada air permukaan di daerah berlintang rendah, karena pengaruh pendinginan dari udara dan dari pembentukan es. Di tempat-tempat tertentu di Samudera Atlantik di utara dan di selatan, air permukaan memiliki densitas yang lebih tinggi dari pada air yang ada di bawahnya. Karena gaya gravitasi dan gaya apung, air dengan densitas tinggi akan bergerak turun ke dalam laut dan air dengan densitas rendah bergerak naik ke permukaan laut. Kecenderungan ini menyebabkan terjadinya gerakan air laut dengan cara adveksi (advection), yaitu gerakan air laut horizontal dan vertikal, seperti yang terjadi pada sirkulasi termohalin (thermohaline circulation) (Gambar 10). Penurunan temperatur di daerah lintang tinggi meningkatkan densitas air laut. Karena densitasnya yang tinggi air laut turun (tenggelam) hingga mencapai tingkat kedalaman dengan densitas yang sesuai. Arus konveksi ini adalah contoh dari gerakan adveksi vertikal. Penenggelaman yang berlanjut menyebabkan air-dalam tertekan secara horizontal di sepanjang daerah dengan densitas yang sesuai, yang menghasilkan arus laut dalam. Arus laut dalam ini adalah contoh adveksi horizontal.

Gambar 10. Sirkulasi termohalin. (a) memperlihatkan gradien temperatur, (b) memperlihatkan gradien salinitas. Dikutip dari Libes (1992).