Sirkulasi Massa Air Permukaan dan Faktor yang Mempengaruhinya : Efek Coriolis dan Transportasi Ekman

Dalam skala global, berbicara tentang arus berarti berbicara tentang sirkulasi massa air global. Untuk kemudahan, kita dapat membedakan sirkulasi massa air menjadi dua bagian yang saling berkaitan satu sama lain, yaitu: (1) sirkulasi massa air permukaan yang sebagian besar disebabkan oleh sirkulasi atmosferik atau angin, dan (2) sirkulasi laut dalam, yaitu pergerakan massa air yang disebabkan oleh perubahan densitas massa air yang disebabkan oleh perubahan temperatur dan salinitas.

Sirkulasi-Massa Air Permukaan

Air laut dalam gerakan yang konstan melintasi samudera, membentuk gerakan berputar raksasa yang bergerak searah jarum jam di Hemisfer Utara (Northern Hemisphere) dan bergerak berlawanan arah dengan gerak jarum jam di Hemisfer Selatan (Southern Hemisphere). Setiap gerakan berputar, atau “gyre” (gir), dapat dibagi menjadi beberapa aliran kecil dengan karakteristik yang bervariasi (Gambar 1).

Setiap samudera memiliki pola arusnya sendiri dalam bentuk gerakan massa air yang melintasi zona iklim yang satu ke zona iklim lain. Meskipun demikian, setiap samudera memiliki pola umum sirkulasi permukaan yang sama satu sama lainnya, karena faktor-faktor yang mencetuskan arus dan memodifikasinya sama di seluruh dunia.

Faktor-faktor Yang Berpengaruh

Angin yang bertiup melintasi permukaan laut menciptakan friksi yang menyebabkan air bergerak. Gerakan air tersebut adalah fungsi dari kecepatan angin dan energ yang ditransfer ke permukaan laut. Kecepatan arus permukan yang ditimbulkan oleh tiupan angin hanya 3% dari kecepatan angin (Ingmanson dan Wallace, 1985).

Arus-arus permukaan dapat dipandang sebagai fungsi dari kecepatan angin dan pola-pola angin. Karena angin bertiup dengan pola tertentu di sekeliling Bumi (Gambar 2 dan 3), maka kita dapat mengharapkan bahwa arus-arus permukaan juga akan menikuti pola yang sama. Namun ternyata tidak demikian, karena ada benua-benua, pulau-pulau di tengah samudera, dan pematang-pematang laut yang membuatnya terdistorsi. Selain itu faktor fisik tersebut, banyak faktor yang mempengaruhi pola pergerakan arus permukaan, tetapi di sini hanya akan diuraikan dua faktor yang utama, yaitu efek Coriolis dan Transportasi Ekman.

Gambar 1. Pola sirkulasi massa air global. Dari Weisberg dan Parish (1974).

Gambar 2. Pola angin global menurut Sturman dan Tapper (1996) untuk kawasan 40S – 0 – 40U. Dikutip dari Tapper (2002) dengan modifikasi. ITCZ = intertropical convergence zone.

Gambar 3. Pola sirkulasi atmosfer global. Dikutip dari Berner dan Berner (1987).

Efek Coriolis

Fenomena ini muncul sebagai konsekuiensi dari gerak rotasi Bumi. Gejala ini diungkapkan pertama kali oleh Gaspard G.. Coriolis (1792-1843), seorang ahli matematika dan fisika bangsa Perancis, di abad ke-19. Efek ini adalah gerak semu dari suatu objek yang bergerak melintasi permukaan Bumi, sementara itu Bumi berrotasi di bawahnya. Efek ini mempengaruhi semua objek yang bergerak melintasi permukaan Bumi, seperti arus laut, angin, dan peluru kendali. Gambaran dari efek ini adalah seperti pada Gambar 4. 

Gambar 4. Efek Coriolis di berbagai tempat di Bumi. Dari Weisberg dan Parish (1974).

Bila seseorang berdiri pada satu titik di Hemisfer Utara dan menghadap ke arah gerakan arus, maka akan orang tersebut akan melihat bahwa arus berbelok ke arah kanan. Sebaliknya, bila hal yang sama dilakukan di Hemisfer Selatan, maka arus akan terlihat berbelok ke arah kiri. Pengaruh dari efek Coriolis tersebut menyebabkan terjadinya gerakan arus berputar searah gerak jarum jam di Hemisfer Utara, dan gerak berputar berlawanan arah gerak jarum jam di Hemisfer Selatan.

Transportasi Ekman

Angin adalah tenaga penggerak pertama dan utama yang menggerakkan arus-arus permukaan. Meskipun demikian, sesungguhnya garakan arus tidak tepat searah dengan arah tiupan angin, melainkan membentuk sudut ke arah kanan. Demikian pula, arus di permukaan samudera tidak memberikan efek yang sama ke seluruhan kedalaman perairan, tetapi terbatas beberapa ratus meter. Gerak menyimpangnya arah arus dari arah angin yang menggerakkannya itu adalah karena pengaruh dari efek Coriolis terhadap gerakan arus. Hal ini pertama kali dijelaskan oleh V.W. Ekman (1874-1954) seorang ahli oseanografi bangsa Norwegia, pada tahun 1905. Sejarahnya, Nansen secara kualitatif mengamati Gunung Es yang hanyut ke arah kanan dari angin angn yang bertiup di Hemisfer Utara. Dia kemudian mengkomunikasikan hal itu kepada Ekman yang kemudian mengembangkan teori kuantitatif upper-layer wind-driven circulation (sirkulasi lapisan atas yang digerakkan oleh angin).

Bayangkan bahwa P adalah tubuh air (Gambar 5,a). Ketika angin bertiup di atasnya, terjadi gaya friksi Ft yang searah dengan arah tiupan angin dan kemudian menggerakkan massa air itu serah dengan arah angin. Setelah aris bergerak, segera gaya Coriolis Fc bekerja ke arah kanan dengan sudut tegak lurus dengan arah tiupan angin, dan menyebabkan aliran Vo berbelok ke kanan (di Hemisfer utara, dan ke kiri di Hemisfer selatan). Pada saat yang sama, massa air yang bergerak itu menunculkan gaya gesekan dengan massa air di sebelah bawahnya. Secara sederhanya dapat dikatakan bahwa Vo berarah 45o terhadap arah angin. Dengan logika yang sama, arah gerakan arus di bawahnya akan terus menyimpang sebesar 45o dari arah arus di atasnya. Sampai kedalaman tertentu, arah arus akan berlawanan arah dengan Vo. Apabila arah-arah arus itu digambarkan pada satu bidang, maka akan tergambar Spiral Ekman (Gambar 5,d). Kedalaman DE dimana air bergerak berlawanan arah dengan air di permukaan Vo, disebut sebagai depth of frictional influence(kedalaman pengaruh friksi). Kedalaman ini diambil sebagai ukuran kedalaman pengaruh angin permukaan terhadap gerakan air laut. Lapisan ini disebut sebagai Lapisan Ekman (Pickard dan Emery, 1995). Arah transportasi massa air yang menyudut 90o terhadap arah angin permukaan disebut Transportasi Ekman (Ingmanson dan Wallace, 1985).

Gambar 5. Spiral Ekman. Dari Pickard dan Emery (1995).