Atmosfer Bumi

Atmosfer bumi atau angkasa adalah lapisan gas yang melingkupi bumi, dari permukaannya sampai jauh di luar angkasa. Ketinggian atmosfer antara ketinggian 0 km di atas permukaan tanah hingga pada ketinggian sekitar 10000 km dari atas permukaan bumi. Susunan atmosfer terdiri dari lapisan yang dibedakan berdasarkan komposisi, reaksi kimia, ionisasi, dan tingkatan suhunya. Berdasarkan suhunya, atmosfer tersusun dari lima lapisan dengan suhu yang berbeda-beda yaitu troposfer, stratosfer, mesosfer, termosfer, dan eksosfer. Lapisan atmosfer paling atas sangat tipis dan renggang sehingga partikel yang bergerak bebas dapat lepas dari tarikan gravitasi bumi dan tertiup ke ruang angkasa oleh angin surya. Sebaliknya, kondisi lapisan atmosfer paling bawah sangat tebal dan terdiri dari gas, air, dan debu yang menyebabkan terjadinya hujan serta perubahan musim dan cuaca. Lapisan troposfer dan stratosfer digunakan sebagai jalur transportasi bagi pesawat terbang.

Atmosfer Bumi terdiri atas nitrogen (78.17%) dan oksigen (20.97%), dengan sedikit argon (0.9%), karbondioksida (variabel, tetapi sekitar 0.0357%), uap air, dan gas lainnya. Atmosfer melindungi kehidupan di bumi dengan menyerap radiasi sinar ultraviolet dari Matahari dan mengurangi suhu ekstrem antara siang dan malam. 75% dari atmosfer ada dalam 11 km dari permukaan planet. Sifat utama dari atmosfer yaitu dapat dimampatkan, sehingga lapisan atmosfer yang berada di bawah lebih padat dibandingkan lapisan  atmosfer di atasnya. Ini kemudian membentuk sifat lain dari atmosfer yaitu pengurangan tekanan udara pada peningkatan ketinggian. Massa total atmosfer diperkirakan sebesar 56 x 1014 ton. Dari permukaan Bumi hingga ketinggian 6 km diperkiran terkandung setengah dari massa atmosfer. Pada ketinggian 35 km, diperkirakan persentase keseluruhan atmosfer telah mencapai 99%.

Lapisan

Berdasarkan suhu

Troposfer 
Lapisan troposfer terbentang mulai dari permukaan bumi sampai ketinggian sekitar 0–12 km. Kandungan troposfer mencakup lebih dari 75 % massa gas, air dan debu dari keseluruhan lapisan atmosfer. Troposfer merupakan tempat terjadinya perubahan cuaca. Peningkatan suhu troposfer sangat dipengaruhi oleh pemanasan global. Pada lapisan troposfer, hubungan antara suhu udara dan ketinggian adalah berbanding terbalik. Suhu udara akan menurun bila ketinggian lapisan troposfer meningkat. Fenomena troposfer teramati dari perbedaan suhu antara puncak pegunungan dan pantai atau dataran rendah. Suhu puncak pegunungan lebih rendah bila dibandingkan dengan suhu pantai atau dataran rendah.

Lapisan ini berada pada level yang terendah, campuran gasnya paling ideal untuk menopang kehidupan di bumi. Dalam lapisan ini kehidupan terlindung dari sengatan radiasi yang dipancarkan oleh benda-benda langit lain. Dibandingkan dengan lapisan atmosfer yang lain, lapisan ini adalah yang paling tipis (kurang lebih 15 km dari permukaan tanah). Dalam lapisan ini, hampir semua jenis cuaca, perubahan suhu yang mendadak, angin, tekanan dan kelembapan yang kita rasakan sehari-hari berlangsung. Suhu udara pada permukaan air laut sekitar 30 derajat Celsius, dan semakin naik ke atas, suhu semakin turun.
Setiap kenaikan 100m suhu berkurang 0,61 derajat Celsius (sesuai dengan Teori Braak). Pada lapisan ini terjadi peristiwa cuaca seperti hujan, angin, musim salju, kemarau, dan sebagainya.

Ketinggian yang paling rendah adalah bagian yang paling hangat dari troposfer, karena permukaan bumi menyerap radiasi panas dari matahari dan menyalurkan panasnya ke udara. Biasanya, jika ketinggian bertambah, suhu udara akan berkurang secara tunak (steady), dari sekitar 17℃ sampai -52℃. Pada permukaan bumi yang tertentu, seperti daerah pegunungan dan dataran tinggi dapat menyebabkan anomali terhadap gradien suhu tersebut. Di antara "stratosfer" dan "troposfer" terdapat lapisan yang disebut lapisan "Tropopause", yang membatasi lapisan troposfer dan stratosfer.

Stratosfer 
Lapisan stratosfer merupakan lapisan yang berada di atas lapisan troposfer. Kondisi lapisan stratosfer sangat dingin dan kering. Fenomena alam yang terjadi di lapisan stratosfer ialah pembentukan awan sirus. Suhu lingkungan yang sangat dingin menyebabkan awan sirus terbentuk dari kristal es. Keberadaan lapisan stratosfer sangat penting karena perannya sebagai tempat pembentukan lapisan ozon. Fungsi dari lapisan ozon ialah menghalangi gelombang ultraungu dari sinar matahari yang berbahaya agar tidak menembus ke permukaan bumi. Gelombang ultraungu sangat berbahaya bagi kulit makhluk hidup karena dapat menyebabkan kanker kulit.

Perubahan secara bertahap dari troposfer ke stratosfer dimulai dari ketinggian sekitar 11 km. Suhu di lapisan stratosfer yang paling bawah relatif stabil dan sangat dingin yaitu  atau sekitar . Pada lapisan ini angin yang sangat kencang terjadi dengan pola aliran yang tertentu. Lapisan ini juga merupakan tempat terbangnya pesawat. Awan tinggi jenis cirrus kadang-kadang terjadi di lapisan paling bawah, namun tidak ada pola cuaca yang signifikan yang terjadi pada lapisan ini.

Dari bagian tengah stratosfer keatas, pola suhunya berubah menjadi semakin bertambah seiring kenaikan ketinggian. Hal ini dikarenakan bertambahnya lapisan dengan konsentrasi ozon. Lapisan ozon ini menyerap radiasi sinar ultra violet. Suhu pada lapisan ini bisa mencapai sekitar  pada ketinggian sekitar 40 km. Lapisan stratopause memisahkan stratosfer dengan lapisan berikutnya. Nama pesawat B-52 Stratofortress diambil disini. karena, kemampuan untuk terbang sangat tinggi.

Mesosfer 
Mesosfer merupakan lapisan ketiga dari atmosfer. Suhu lingkungan pada lapisan mesosfer dapat mencapai -90 oC. Pada lapisan mesosfer hanya terdapat sedikit molekul udara. Mesosfer berperan dalam melindungi permukaan bumi dari jatuhnya meteor. Sebelum mencapai lapisan stratosfer dan troposfer, meteor akan habis terbakar di lapisan mesosfer. Suhu atmosfer akan berkurang dengan pertambahan ketinggian hingga lapisan keempat, termosfer. Udara yang di sini akan mengakibatkan pergeseran yang berlaku dengan objek yang datang dari angkasa dan menghasilkan suhu yang tinggi. Kebanyakan meteor yang sampai ke bumi terbakar pada lapisan ini. Kurang lebih 25 mil atau 40 km di atas permukaan bumi, saat suhunya berkurang dari 290 K hingga 200 K, terdapat lapisan transisi menuju lapisan mesosfer. Pada lapisan ini, suhu kembali turun ketika ketinggian bertambah, hingga menjadi sekitar  (dekat bagian atas dari lapisan ini, yaitu kurang lebih 81 km di atas permukaan bumi). Suhu serendah ini memungkinkan tercipta awan noctilucent, yang terbentuk dari kristal es. Antara lapisan Mesosfer dan lapisan Termosfer terdapat lapisan perantara yaitu Mesopause.

Termosfer 
Termosfer merupakan lapisan keempat di dalam atmosfer. Suhu lingkungan dari termosfer mencapai 1.500 oC. Peningkatan suhu bahkan lebih saat matahari sedang aktif membentuk suar. Fenomena alam yang terjadi selama matahari aktif yaitu munculnya aurora yang menerangi langit saat malam hari di lapisan termosfer. Transisi dari mesosfer ke termosfer dimulai pada ketinggian sekitar 81 km. Dinamai termosfer karena terjadi kenaikan temperatur yang cukup tinggi pada lapisan ini yaitu sekitar . Perubahan ini terjadi karena serapan radiasi sinar ultra violet. Radiasi ini menyebabkan reaksi kimia sehingga membentuk lapisan bermuatan listrik yang dikenal dengan nama ionosfer, yang dapat memantulkan gelombang radio. Sebelum munculnya era satelit, lapisan ini berguna untuk membantu memancarkan gelombang radio.

Meski udara di lapisan ini bertemperatur cukup tinggi, tetapi karena jarak antar molekul udara sangat berjauhan (hampa udara) maka tidak ada panas yang cukup untuk dihantarkan ke benda-benda yang berada di lapisan ini, termasuk astronaut. Sebuah termometer normal akan membaca suhu minus derajat celsius.

Lapisan Termosfer Berada di atas mesopouse dengan ketinggian sekitar 75 km sampai pada ketinggian sekitar 650 km. Pada lapisan ini, gas-gas akan terionisasi, oleh karenanya lapisan ini sering juga disebut lapisan ionosfer. Molekul oksigen akan terpecah menjadi oksegen atomik di sini. Proses pemecahan molekul oksigen dan gas-gas atmosfer lainnya akan menghasilkan panas, yang akan menyebabkan meningkatnya suhu pada lapisan ini. Suhu pada lapisan ini akan meningkat dengan meningkatnya ketinggian. Ionosfer dibagi menjadi tiga lapisan lagi, yaitu:
 Lapisan ozon:
Terletak antara 80 – 150 km dengan rata-rata 100 km dpl. Lapisan ini tempat terjadinya proses ionisasi tertinggi. Lapisan ini dinamakan juga lapisan ozon. mempunyai sifat memantulkan gelombang radio. Suhu udara di sini berkisar – 70 °C sampai +50 °C .
 Lapisan udara F:
Terletak antara 150 – 400 km. Lapisan ini dinamakan juga lapisan udara appleton.
 Lapisan udara atom:
Pada lapisan ini, materi-materi berada dalam bentuk atom. Letaknya lapisan ini antara 400 – 800 km. Lapisan ini menerima panas langsung dari matahari, dan diduga suhunya mencapai 1200 °C .
 (lihat teori kinetika gas.

ISS melayang mengelilingi bumi pada lapisan ini.

Ionosfer 
Lapisan ionosfer yang terbentuk akibat reaksi kimia ini juga merupakan lapisan pelindung bumi dari batu meteor yang berasal dari luar angkasa karena ditarik oleh gravitasi bumi. Pada lapisan ionosfer ini, batu meteor terbakar dan terurai. Jika ukurannya sangat besar dan tidak habis terbakar di lapisan udara ionosfer ini, maka akan jatuh sampai ke permukaan bumi yang disebut Meteorit.

Fenomena aurora yang dikenal juga dengan cahaya utara atau cahaya selatan terjadi pada lapisan ini.

Eksosfer 
Eksosfer merupakan lapisan tertinggi dari atmosfer. Lokasi lapisan eksosfer sangat jauh dari inti bumi sehingga gaya gravitasi sangat lemah dan kondisi atom dan molekul mudah lepas ke luar angkasa. Eksosfer adalah lapisan bumi yang terletak paling luar. Pada lapisan ini terdapat refleksi Cahaya matahari yang dipantulkan oleh partikel debu meteoritik. Cahaya matahari yang dipantulkan tersebut juga dikenal sebagai cahaya Zodiakal.

Berdasarkan komposisi 
Atmosfer dapat dibagi berdasarkan komposisinya menjadi dua lapisan yaitu homosfer dan heterosfer. Lapisan homosfer terletak antara permukaan laut hingga ketinggian berkisar 85–100 km. Pada lapisan homosfer, oksigen dan nitrogen masih dalam bentuk molekul. Di dalam homosfer komposisi udara dan massa molekuler cukup konstan karena terdapat percampuran turbulen. Nilainya sama dengan 28,97 gram. Pada ketinggian lebih dari 100 km, terjadi peningkatan lintasan bebas rerata molekuler sehingga percampuran vertikal gas-gas atmosferik dikendalikan oleh difusi molekuler. Tingkatan antara percampuran turbulen dan difusi molekuler disebut turbopause. Lapisan homosfer berada di bawah lapisan turbopause, sedangkan lapisan heterosfer berada di atas lapisan turbopause. Lapisan heterosfer berada pada ketinggian sekitar 100 sampai 1000 km. Heterosfer ditandai oleh pemecahan molekul oksigen menjadi atom oksigen serta perubahan molekul nitrogen menjadi atom nitrogen. Pemecahan ini menyebabkan penurunan massa molekuler atmosfer dari 28,97 gram dalam homosfer menjadi 15,79 gram pada ketinggian 200 km di lapisan heterosfer.

Komposisi 

Atmosfer mengandung campuran gas-gas yang lebih dikenal dengan nama udara dan menutupi seluruh permukaan bumi. Campuran gas-gas ini menyatakan komposisi dari atmosfer bumi. Atmosfer tersusun dari komposisi nitrogen, oksigen, argon, dan karbon dioksida serta gas-gas lainnya. Komposisi nitrogen di dalam atmosfer adalah 78 % dari keseluruhan gas penyusun atmosfer. Komposisi oksigen sebesar 21 %, argon  0,9 %, dan karbon dioksida 0,03 %. Selebihnya merupakan gas-gas lain seperti helium, hidrogen, xenon, ozon, uap air, dan partikel debu atau aerosol. Massa atmosfer sekitar 5 x 1018 kg dengan 75 % dari total massa berada di lapisan troposfer. Semakin tinggi lapisan atmosfer maka massanya semakin kecil dan tekanan atmosfer juga semakin kecil.

Unsur-unsur udara yang menyusun atmosfer memiliki tingkat ketahanan yang berbeda untuk tetap berada di atmosfer. Berdasarkan lamanya suatu gas dapat bertahan di udara, gas atmosfer dapat dibedakan menjadi gas permanen, gas semi permanen dan gas variabel. Gas permanen dapat bertahan dalam waktu tinggal sangat lama, misalnya waktu tinggal Helium yang mencapai 2 juta tahun. Gas semi permanen memiliki waktu tinggal berkisar antara beberapa bulan sampai beberapa tahun. Contoh gas semi permanen ialah Karbon monoksida selama 0,35 tahun, dan hidrokarbon selama 3 tahun. Gas variabel hanya memiliki kemampuan waktu tinggal dari beberapa hari sampai beberapa minggu. Unsur-unsur yang termasuk dalam gas variabel adalah gas yang aktif secara kimia dengan siklus yang dipengaruhi oleh siklus air dan cuaca. Contoh gas variabel adalah uap air (10 hari), sulfur monoksida (5 hari) dan Nitrogen monoksida (1–4 hari).

Bagian bawah dari atmosfer bumi dibatasi oleh daratan, samudera, sungai, danau, es, dan permukaan salju. Gas pembentuk atmosfer disebut udara. Udara adalah campuran berbagai unsur dan senyawa kimia sehingga udara menjadi beragam. Keberagaman terjadi biasanya karena kandungan uap air dan susunan masing-masing bagian dari sisa udara (disebut udara kering).

Nitrogen bereaksi lambat, tetapi merupakan bagian penting dari kehidupan sehingga keseimbangan nitrogen di udara, di laut dan di dalam bumi sangat dipengaruhi oleh makhluk hidup. Karbondioksida yang berlimpah dari sinar matahari membuat karbohidrat dengan hasil sampingan oksigen (fotosintesis). Oksigen terakumulasi di udara kemudian berkembang makhluk yang membutuhkan oksigen. Gas nitrogen merupakan gas yang paling banyak terdapat dalam lapisan udara atau atmosfer bumi. Salah satu sumbernya yaitu berasal dari pembakaran sisa-sisa pertanian dan akibat letusan gunung api. Gas lain yang cukup banyak dalam lapisan udara atau atmosfer adalah oksigen. Oksigen antara lain berasal dari hasil proses fotosintesis pada tumbuhan yang berdaun hijau. Dalam proses fotosintesis, tumbuhan menyerap gas karbondioksida dari udara dan mengeluarkan oksigen. Gas karbondioksida secara alami besaral dari pernapasan mahkluk hidup, yaitu hewan dan manusia. Serta secara buatan gas karbondioksida berasal dari asap pembakaran industri, asap kendaraan bermotor, kebakaran hutan, dan lain-lain.

Selain keempat gas tersebut di atas ada beberapa gas lain yang terdapat di dalam atmosfer, yaitu di antaranya ozon. Walaupun ozon ini jumlahnya sangat sedikit namun sangat berguna bagi kehidupan di bumi, karena ozon yang dapat menyerap sinar ultra violet yang dipancarkan sinar matahari sehingga jumlahnya sudah sangat berkurang ketika sampai di permukaan bumi. Apabila radiasi ultra violet ini tidak terserap oleh ozon, maka akan menimbulkan malapetaka bagi kehidupan mahkluk hidup yang ada di bumi. Radiasi ini di antaranya dapat membakar kulit mahkluk hidup, memecahkan kulit pembuluh darah, dan menimbulkan penyakit kanker kulit.

Selain unsur pembentuk yang berupa gas, udara juga mengandung partikel padat dan cair, yang begitu kecilnya sehingga gerakan udara dapat mengimbangi kecenderungan partikel tersebut jatuh ke tanah. Partikel itu dapat berasal dari debu yang terangkat oleh angin, partikel garam laut, ataupun hasil pembakaran dan pengolahan dalam industri. Berdasarkan pengalaman sehari-hari kita mengetahui bahwa suhu udara berubah-ubah dari waktu ke waktu; pagi yang sejuk diikuti oleh sore hari yang panas, dan musim dingin yang dingin diikuti musim panas yang panas dalam suatu daur yang tetap. Suhu menjadi beragam dari tempat ke tempat pada waktu yang sama. Pada wilayah yang lintang rendah lebih panas daripada wilayah pada lintang yang lebih tinggi dan daerah yang rendah lebih panas daripada pegunungan tinggi.

Bumi secara keseluruhan selama setahun penuh, suhu rata-rata di dekat tanah pada muka laut (suhu permukaan) adalah 15 °C (288°K, 59 °F). Rata-rata keseluruhan sepanjang tahun turun menurut ketinggian. Namun, kira-kira di atas 17 km (40.000 kaki) penurunan suhu berhenti. Lapisan atmosfer dengan suhu yang rata-rata berkurang menurut ketinggian, disebut troposfer, lapisan diatasnya denagn suhu tetap atau meningkat disebut stratosfer. Pada permukaan di antara troposfer dan stratosfer (kadang-kadang berupa lapisan peralihan) disebut tropopause. Daerah di mana cuaca terjadi adalah bagian terbawah atmosfer, yang disebut troposfer (daerah inilah yang menjadi perhatian bagi para ahli meteorologi).

Troposfer memiliki sifat penting, yaitu bahwa secara umum temperatur berkurang terhadap ketinggian. Di atas troposfer adalah stratosfer yang dicirikan oleh bertambahnya temperatur terhadap ketinggian. Diskontinuitas yang membedakan troposfer dengan stratosfer adalah lapisan tropopause. Pada troposfer campuran gas-gas terdiri dari 78% nitrogen dan 21% oksigen (persen dalam volume). Sisanya sebesar 1% adalah campuran gas yang terdiri dari gas argon, karbondioksida, dan gas-gas lainnya. Campuran gas-gas tanpa uap-air disebut sebagai udara kering, dan campuran gas-gas tanpa terkecuali disebut sebagai udara lembap.

Pesawat ruang angkasa, atmosfer dan orbit 
Proses masuk-kembali dari orbit dimulai pada 122 km (400.000 ft).

Ketinggian minimal untuk orbit stabil dimulai sekitar 350 km (220 mil) di atas permukaan laut rata-rata, jadi untuk melakukan penerbangan angkasa orbital nyata, sebuah pesawat harus terbang lebih tinggi dan (yang lebih penting) lebih cepat dari yang dibutuhkan untuk penerbangan angkasa sub-orbital.

Mencapai orbit membutuhkan kecepatan tinggi. Sebuah pesawat belum mencapai orbit sampai ia memutari Bumi begitu cepat sehingga gaya sentifugal ke atas membatalkan gaya grafitasi ke bawah pesawat. Setelah mencapai di luar atmosfer, sebuah pesawat memasuki orbit harus berputar ke samping dan melanjutkan pendorongan roketnya untuk mencapai kecepatan yang dibutuhkan; untuk orbit Bumi rendah, kecepatannya sekitar 7,9 km/s (28.400 km/jam — 18.000 mill/jam). Oleh karena itu, mencapai ketinggian yang dibutuhkan merupakan langkah pertama untuk mencapai orbit.

Energi yang dibutuhkan untuk mencapai kecepatan untuk orbit bumi rendah 32MJ/kg sekitar dua puluh kali energi yang dibutuhkan untuk mencapai ketinggian dasar 10 kJ/km/kg.

Fenomena

Penguapan air 
Gejala cuaca dan pemanasan lingkungan terjadi karena adanya pengaruh penguapan air di atmosfer. Air merupakan salah satu unsur penyusun atmosfer. Air dapat berbentuk uap air, air cair, dan es. Di atmosfer, air berbentuk uap air dengan ukuran partikel. Penguapan air di atmosfer dipengaruhi oleh temperatur, derajat kejenuhan udara, kecepatan angin, komposisi air, dan luas permukaan penguapan. Peningkatan temperatur berbanding lurus dengan peningkatan penguapan air. Pada udara kering, penguapan air di atmosfer lebih cepat dibandingkan pada udara basah. Penguapan juga menjadi cepat jika kecepataan angin meningkat. Selain itu, penguapan juga lebih cepat jika air yang diuapkan merupakan air tawar dan bukan air asin. Penguapan air juga lebih mudah terjadi pada permukaan yang lebih luas dan terbuka.

Jumlah uap air di atmosfer sangat sedikit. Di wilayah tropika, komposisi uap air di atmosfer hanya 4%, sedangkan di wilayah subtropika berkisar antara 0–3%. Kandungan 3% pada wilayah subtropika terjadi pada musim panas saat angin laut bertiup. Kandungan uap air di atmosfer dapat mengubah komposisi dari gas-gas utama yang menjadi penyusun atmosfer. Komposisi dari gas-gas penyusun atmosfer sangat dipengaruhi oleh tingkat kelembapan udara yang nilainya berbanding lurus dengan jumlah kandungan uap air.

Peran 
Atmosfer bumi berperan dalam menjaga keberlangsungan kehidupan makhluk hidup di bumi. Peran utama dari atmosfer bumi ialah membentuk siklus air dan suhu udara yang sesuai sebagai tempat tinggal makhluk hidup. Air dan udara merupakan sumber kehidupan baik bagi manusia, hewan, maupun tumbuhan. Keberadaan atmosfer membedakan bumi dengan planet lain yang kering, tandus, dan sangat panas atau sangat dingin serta tidak ada kehidupan di dalamnya.

Lihat pula 
 Atmosfer benda langit

Catatan

Referensi

Daftar pustaka

Pranala luar 

 NASA atmosphere models 
 NASA's Earth Fact Sheet
 American Geophysical Union: Atmospheric Sciences
 Outreach of the GEOmon project  See how Earth atmosphere is observed and monitored by a European project that combines many approaches.
 Layers of the Atmosphere 
 Answers to several questions of curious kids related to Air and Atmosphere 
 The AMS Glossary of Meteorology
 Paul Crutzen Interview Free video of Paul Crutzen Nobel Laureate for his work on decomposition of ozone talking to Harry Kroto Nobel Laureate by the Vega Science Trust.

Atmosfer
 API