Saatnya Melirik Interaksi Troposfer-Stratosfer untuk Memahami Perubahan Iklim

FOKUS SAATNYA MELIRIK INTERAKSI TROPOSFER-STRATOSFER UNTUK MEMAHAMI PERUBAHAN IKLIM

Aktivitas kehidupan manusia saat ini memiliki ketergantungan besar terhadap kondisi cuaca dan iklim. Cuaca adalah kondisi atmosfer pada suatu waktu, sedangkan iklim menggambarkan rerata kondisi atmosfer dari pengamatan jangka panjang. Baik secara langsung atau pun tidak langsung, mulai dari perencanaan pembangunan, pengembangan teknologi, kegiatan kebudayaan, kompetisi olahraga, sektor pariwisata, dan lain-lain, memerlukan analisis cuaca dan iklim. Hal ini membuktikan bahwa pengetahuan sains atmosfer penting bagi keberlangsungan hidup.

Atmosfer meliputi empat lapisan utama berdasarkan perubahan karakteristik temperatur: (1) troposfer; (2) stratosfer; (3) mesosfer; dan (4) termosfer. Diantara empat lapisan tersebut terdapat suatu lapisan batas dengan temperatur relatif konstan yakni, tropopause, stratopause dan mesopause. Fenomena cuaca terjadi di troposfer, lapisan atmosfer paling bawah yang dimulai dari permukaan bumi. Di daerah ekuator atau khatulistiwa, ketinggian lapisan troposfer bisa mencapai hingga ~17 km. Di ekstratropis (lintang tengah) ketinggian maksimum troposfer bervariasi dari 12–17 km, sedangkan di kutub hanya mencapai 5–8 km. Semakin jauh dari permukaan bumi, temperatur di troposfer semakin dingin. Hal ini menjadikan bahwa troposfer adalah lapisan tidak stabil.

Stratosfer adalah lapisan di atas troposfer yang dibatasi oleh tropopause. Di stratosfer temperatur kembali hangat karena terdapat ozon (O ), sehingga menjadikannya lapisan stabil. 3 Perbedaan karakteristik temperatur antara troposfer dan stratosfer mengakibatkan kajian sains atmosfer untuk ke dua lapisan atmosfer ini kerap dipisahkan.

Sejarah Penelitian Interaksi Troposfer–Stratosfer

Penelitian interaksi troposfer–stratosfer berawal dari laporan pengamatan oleh Alan Brewer (1949) yang menujukkan adanya sirkulasi di stratosfer. Brewer berargumen bahwa udara di ekuator setelah melalui proses kondensasi di troposfer masuk ke stratosfer, kemudian merambat ke lapisan stratosfer bawah di London (lintang tengah). Udara kering yang masuk ke lapisan stratosfer bawah akan menaikkan temperatur melalui proses termodinamika. Kemudian Brewer berpendapat bahwa apabila sirkulasi ini membawa O dari ekuator, maka 3 akan meningkatkan O di stratosfer wilayah 3 kutub.

Gordon Dobson (1 956) adalah orang yang membuktikan hipotesis Brewer (1 949) terkait perambatan O di stratosfer dari ekuator 3 menuju kutub. Laporan Dobson mengenai penurunan dan peningkatan konsentrasi O di 3 ekuator dan kutub adalah fakta penjalaran udara secara perlahan dari tropis menuju kutub. Mulai periode 1970-an, sirkulasi di stratosfer ini disebut Brewer-Dobson circulation sebagai penghormatan kepada mereka yang telah menemukan. Penelitian dinamika di stratosfer tidak hanya terbatas pada sirkulasi yang terbentang antara ekuator dan kutub, namun di wilayah tropis sendiri ada perubahan arah angin dengan periode rata-rata 26 bulan dan merambat ke bawah di ketinggian 20-30 km. Pada awal tahun 1960-an, R. J. Reed melaporkan pergantian arah angin ini dan menyebutnya sebagai Quasi Biennial Oscillation (QBO). Tahun 1968, Richard Lindzen dan James Holton mengemukakan teori QBO yang dibangkitkan oleh gelombang gravitas dan berinteraksi dengan Stratospheric Semi Annual Oscillation yaitu osilasi 6 bulanan di ~35 km. Pengembangan model dan teori QBO terus bermunculan hingga saat ini seiring dengan perkembangan teknologi pengamatan, baik dari permukaan bumi maupun satelit.

Di sisi lain, penemuan besar di lingkup troposfer terjadi pada tahun 1 971 dan 1 972, ketika Roland Madden dan Paul Julian melaporkan hasil penelitiannya tentang perambatan angin bersamaan dengan awan konvektif (awan hujan) di wilayah tropis dengan periode 40-50 harian. Pada dekade 1990-an, para peneliti mulai menyebut perambatan gelombang 40-50 harian di tropis ini sebagai Madden-Julian Oscillation (MJO). Kemudian Matthew Wheeler dan Harry Hendon (2004) membuat definisi indeks berdasarkan statistik multivariat untuk menentukan fase MJO aktif dan inaktif.

Interaksi QBO-MJO kini tengah menjadi isu yang hangat dibicarakan. Hubungan antara QBO-MJO erat kaitannya dengan perambatan gelombang Kelvin ekuatorial di sekitar tropopause dan pembentukan awan sirus di troposfer atas. Penelitian terkini memunculkan hipotesis bahwa MJO yang terjadi di troposfer dikendalikan oleh dinamika di stratosfer seperti QBO.

Interaksi Troposfer-Stratosfer dan Perubahan Iklim

Troposfer dibagi menjadi lapisan batas atmosfer (planetary boundary layer; PBL) mulai dari permukaan sampai ketinggian ~3 km dan lapisan free troposphere yang meliputi middle dan upper troposphere (di atas 3 km sampai tropopause). Kajian lapisan batas kerap menarik perhatian. Secara umum, lapisan batas di atmosfer menunjukkan dua karakteristik yang berbeda antara lapisan di bawah dan di atas batas, biasanya diidentikkan oleh karakteristik variabel temperatur atau kandungan uap air. Sebagai contoh, kandungan uap air di lapisan dekat permukaan cenderung konstan karena efek turbulen sampai ketinggian PBL (~3 km), kemudian kandungan uap air menurun drastis di atas PBL.

Layaknya PBL di dekat permukaan bumi, lapisan tropopause menjembatani troposfer atas dan stratosfer bawah (upper troposphere and lower stratosphere; UTLS). Di troposfer atas, atmosfer mengalami radiasi pendinginan, sedangkan di stratosfer bawah atmosfer mengalami radiasi pemanasan. Kajian ULTS diantaranya meliputi aktivitas gelombang planeter (gelombang Kelvin dan Rossby) dan gelombang skala lokal (gelombang gravitas), lapisan inversi tropopause dan kaitannya dengan aktivitas konvektif di troposfer, Sudden Stratosphere Warming (SSW) di kutub utara, efek jet polar di kutub selatan, dan hubungan antara QBO-MJO di tropis. Definisi iklim adalah kondisi rerata atmosfer pada jangka waktu panjang. Oleh karena itu, arti perubahan iklim yang mudah dipahami adalah perubahan kondisi rerata atmosfer. Susan Solomon pada tahun 201 0 melaporkan bahwa perubahan komposisi uap air di stratosfer berkontribusi pada perubahan temperatur permukaan dalam jangka waktu panjang (perubahan iklim). Hasil penemuan Solomon ini semakin meyakinkan para peneliti di bidang UTLS bahwa kajian perubahan iklim tidak lepas dari interaksi fluida atmosfer di lapisan batas antara troposfer dan stratosfer.

(Penulis: Noersomadi) FOKUS