Angin Topan dalam Kajian Fisika Husna* * Staf

Angin Topan dalam Kajian Fisika
Husna*
* Staf Pengajar Program Studi Fisika STKIP PGRI Sumatera Barat
ABSTRACT
Tornado is a vortex winds with wind speeds of 120 km / hour or more which often occurs in
tropical regions of the northern and southern latitudes, except in areas are very close to the
equator. Early symptoms of a hurricane, it can be seen from; a. the temperature was increased, b.
clumping of white clouds, towering c. occurred thunder / lightning harsh; d. white clouds is a bit
dark, e. birds gathered, or flying away from beaches and open areas. Tornado in study of physics,
namely fluid dynamic (moving). The movement of these storms can be analyzed by using
existing laws in a dynamic fluid, such as the equation continuity and Bernoulli's Law. It is
undeniable that the wind speed will affect many things, including: causing damage to or
destruction of the building, damaging power lines, causing erosion in coastal areas, causing
flooding and endangering safety.
Key words: tornado, fluid dynamic, continuity equation, Bernoulli's Law
A. Pengertian Angin Topan
Angin Topan adalah pusaran angin kencang dengan kecepatan angin 120 km/jam atau
lebih yang sering terjadi di wilayah tropis di antara garis balik utara dan selatan, kecuali di
daerah-daerah yang sangat berdekatan dengan khatulistiwa. Ahli Meteorologi menyebutnya
Angin Topan Tropis, karena terbentuk di atas samudera yang hangat.
Gambar 1. Angin Topan
Angin topan disebabkan oleh perbedaan tekanan dalam suatu sistem cuaca. Angin paling
kencang yang terjadi di daerah tropis ini umumnya berpusar dengan radius ratusan kilometer di
sekitar daerah sistem tekanan rendah yang ekstrem dengan kecepatan sekitar 20 km/jam. Di
Indonesia dikenal dengan sebutan angin badai.
Angin topan tropis dapat terjadi secara mendadak, tetapi sebagian besar badai tersebut
terbentuk melalui suatu proses selama beberapa jam atau hari yang dapat dipantau melalui satelit
cuaca. Monitoring dengan satelit dapat untuk mengetahui arah angin topan sehingga cukup
waktu untuk memberikan peringatan dini. Meskipun demikian perubahan sistem cuaca sangat
kompleks sehingga sulit dibuat prediksi secara cepat dan akurat.
B. Penyebab terjadinya Angin Topan
1. Perbedaan tekanan dalam suatu sistem cuaca.
Angin paling kencang yang terjadi di daerah tropis ini umumnya berpusar dengan radius
ratusan kilometer di sekitar daerah sistem tekanan rendah yang ekstrem dengan kecepatan
sekitar 20 km/jam. Di Indonesia dikenal dengan sebutan angin badai.
2. Tingginya suhu permukaan laut.
3. Perubahan di dalam energi atmosfer mengakibatkan petir dan badai.
Badai tropis ini berpusar dan bergerak dengan cepat mengelilingi suatu pusat, yang
sumbernya berada di daerah tropis. Pada saat terjadi angin ribut ini, tekanan udara sangat
rendah disertai angin kencang dengan kecepatan bisa mencapai 250 km/jam. Hal ini bisa
terjadi di Indonesia maupun negara-negara lain. Di dunia, ada tiga tempat pusat badai, yaitu
di Samudera Atlantik, Samudera Hindia, dan Samudera Pasifik. Perubahan iklim membawa
badai tropis yang semakin hebat.
Angin Topan bisa mempunyai kekuatan hembusan angin sampai 200 km per jam yang
dibarengi oleh hujan yang sangat lebat sehingga menyebabkan badai di daerah pesisir dan
gelombang besar yang sangat kuat di laut. Di pusat badai, mata angin ribut yang bertekanan
rendah membentuk kubah air yang tinggi. Ketika seluruh badai bergerak ke daratan, ia
mendorong kubah air, sehingga menyebabkan banjir di daratan.
C. Proses Terbentuknya Angin Topan
Gambar 2. Terjadinya Angin Topan
Adapun proses terbentuknya angin topan adalah sebagai berikut:
1.
Ketika massa udara dingin terletak di atas sebuah kelompok badai tropis terorganisir,
menimbulkan sebuah suasana yang tidak stabil (hal ini disebut gelombang tropis).
Ketidakstabilan ini meningkatkan kemungkinan konveksi, yang mengarah ke arah arus naik
yang kuat, mengangkat udara dan kelembaban ke atas, menciptakan lingkungan yang
menguntungkan bagi pengembangan awan yang menjulang tinggi. Sebuah gangguan tropis
lahir pada saat massa bergerak dari badai guntur mempertahankan identitas untuk jangka
waktu 24 jam atau lebih. Ini adalah tahap pertama dari perkembangan badai.
Gambar 3. Warm Water
2.
Konvergensi permukaan (ditunjukkan oleh panah horisontal kecil dalam diagram di bawah)
menyebabkan gerak naik sekitar siklon permukaan (disebut sebagai "L"). Udara dingin
seperti naik (panah vertikal) dan kondensasi dapat terjadi. Kondensasi uap air untuk air
melepaskan kondensasi kalor laten ke atmosfer. Pemanasan ini menyebabkan perluasan
udara yang memaksa udara untuk menyimpang di tingkat atas (panah horizontal pada bagian
atas awan).
Gambar 4. Konvergensi Permukaan
3.
Karena tekanan adalah ukuran dari berat udara di atas suatu wilayah, pembuangan udara di
tingkat atas dapat mengurangi tekanan di permukaan. Penurunan lebih lanjut dalam tekanan
permukaan mengarah ke peningkatan konvergensi (karena adanya gradien tekanan yang
lebih tinggi), yang selanjutnya mengintensifkan gerakan naik, pelepasan kalor laten, dan
sebagainya. Selama kondisi yang menguntungkan ada, proses ini terus membangun dirinya
sendiri. Ketika sirkulasi siklon dimulai sekitar pusat daerah tekanan rendah, dan kecepatan
angin mencapai 62 km / jam (39 mil / jam) gangguan dianggap badai tropis dan diberi nama
saat kecepatan angin mencapai 119 km / jam (74 mil / jam) menjadi badai. Perhatikan bahwa
semua gelombang tropis, gangguan, atau badai tidak selalu berkembang menjadi badai.
Gambar 5. Siklus Terbentuknya Angin Topan
Badai tropis dashyat ini apabila terjadi di sebelah barat Samudera Pasifik disebut Angin
Taifun (Typhoon), dan apabila terjadi di Samudera India disebut Angin Siklon (Cyclone).
D. Variabel-Variabel yang berkaitan dengan Angin Topan
Seiring
dengan
perkembangan
badai,
digunakan
skala
Saffir-Simpson
untuk
mengklasifikasikan intensitas badai dan potensi dampak. Skala ini terdiri dari 5 kategori yaitu
kategori 1 untuk badai biasa dan kategori 5 untuk badai kuat. Adapun rincian skala SaffirSimpson terlihat pada Tabel 1 sebagai berikut :
Tabel 1. Skala Saffir-Simpson
E. Kajian Fisika dalam Proses Angin Topan
1. Fluida Dinamis
Fluida merupakan suatu zat yang dapat mengalir, yaitu cair dan gas, dalam hal ini
termasuk angin. Fluida dibedakan menjadi fluida statis dan dinamis. Fluida statis adalah fluida
yang dalam keadaan diam, sedangkan fluida dinamis merupakan fluida yang mengalir. Ciri-ciri
umum fluida dinamis adalah sebagai berikut :
a. Aliran fluida dapat merupakan aliran tunak atau tak tunak . Jika kecepatan v di suatu titik
adalah konstan terhadap waktu, aliran fluida dikatakan tunak. Contoh aliran tunak adalah
arus air yang mengalir dengan tenang. Pada aliran tak tunak, kecepatan v pada suatu titik
tidak konstan terhadap waktu. Contoh aliran tak tunak adalah gelombang pasang air laut.
b. Aliran fluida dapat termanpatkan atau tak termanpatkan tidak mengalami perubahan volume
(atau massa jenis) ketika ditekan, aliran fluida dikatakan tak termanpatkan.
c. Aliran fluida dapat merupakan aliran kental dan tak kental.
d. Aliran fluida dapat merupakan aliran garis arus atau aliran turbulen. Garis arus arus adalah
aliran fluida yang mengikuti suatu garis (lurus melengkung) yang jelas ujung dan
pangkalnya. Kecepatan partikel fluida di tiap titik pada garis arus searah dengan garis
singgung di titik itu. Dengan demikian, garis arus tidak pernah berpotongan. Ketika melebihi
suatu kelajuan tertentu, aliran fluida menjadi turbulen. Aliran turbulen ditandai oleh adanya
aliran berputar. Ada partikel-partikel yang memiliki arah gerak berbeda, bahkan berlawanan
dengan arah gerak keseluruhan fluida.
2. Hukum Dasar Fluida Dinamis
a) Persamaan Kontinuitas
Debit fluida / laju aliran fluida (Q) adalah besaran yang menyatakan volume fluida V yang
mengalir melalui suatu penampang tertentu dalam satuan waktu t tertentu.
Secara matematis ditulis sebagai berikut :
=
Misalkan sejumlah fluida melalui penampang pipa seluas A dan setelah selang waktu t
menempung jarak L , maka debit Q dapat dinyatakan sebagai :
=
Jika suatu fluida mengalir dengan aliran tunak, maka massa fluida yang masuk ke salah satu
ujung pipa haruslah sama dengan massa fluida yang keluar dari ujung pipa yang lain selama
selang waktu yang sama. Maka dapat diperoleh suatu persamaan
Gambar 6. Persamaan Kontinuitas
Keterangan:
Q = debit (m3/s)
A = luas penampang (m2)
v = kecepatan aliran (m/s)
b) Hukum Bernoulli
Bagaimana udara dapat beredar dalam lubang yang dibuat marmut atau bagaimana asap naik
dalam cerobong? Semua ini merupakan contoh dari sebuah prinsip yang ditemukan oleh Daniel
Bernoulli (1700-1782). Pada intinya, prinsip Bernoulli menyatakan bahwa pada pipa mendatar
(horizontal), tekanan fluida paling besar adalah pada bagian kelajuan alirnya paling kecil, dan
tekanan paling kecil adalah pada bagian yang kelajuan alirnya paling besar.
Gambar 7. Aliran Fluida untuk Menurunkan Persamaan Bernoulli
Melalui penggunaan teorema usaha-energi yang melibatkan besaran usaha-energi P (mewakili
usaha), besaran kecepatan aliran fluida v (mewakili energi kinetik), dan besaran ketinggian
terhadap suatu acuan h (mewakili energi potensial), Bernoulli menurunkan persamaan yang
menghubungkan ketiga besaran ini secara matematis, yaitu :
+
1
2
+
ℎ =
+
1
2
+
ℎ
Dimana,
adalah energi kinetik per satuan volume dan
ℎ adalah energi potensial per
satuan volume. Oleh karena itu, persamaan di atas dapat dinyatakan sebagai berikut :
1
+ ℎ=
2
Persamaan inilah yang dikenal sebagai hukum Bernoulli, yang menyatakan bahwa jumlah dari
+
tekanan (P), energi kinetik persatuan volume (
(
), dan energi potensial per satuan volume
ℎ) memiliki nilai yang sama pada setiap titik sepanjang suatu garis.
F. Kaitan antara hukum bernoulli dengan Terbentuknya angin topan
Angin topan adalah badai tropis yang terbentuk di atas lautan dengan tekanan atmosfer
yang rendah. Sebagai kawasan badai pendekatan, laut banyak sekali membengkak (sangat
pasang tinggi) menemani angin topan. Kelas-5 fitur badai angin di
lebih dari 155 mph,
meskipun kecepatan angin di "mata" pusat sangat rendah.
Asumsi:
1. Aliran udara di dalam badai yang mantap, mampat, dan berotasi (sehingga persamaan
Bernoulli berlaku).
2. Pengaruh air tersedot ke udara diabaikan.
Berkurangnya tekanan atmosfir diatas air menyebabkan air meningkat. Dengan demikian,
penurunan tekanan pada titik 2 relatif terhadap titik 1 menyebabkan air laut naik pada titik 2. Hal
yang sama berlaku pada titik 3, di mana kecepatan udara badai diabaikan. Perbedaan tekanan
yang diberikan dalam hal merkuri tinggi kolom dinyatakan dalam tinggi kolom air laut oleh :
Kemudian perbedaan tekanan antara titik 1 dan 3 dalam hal air laut tinggi kolom menjadi
yang setara dengan gelombang badai di mata badai karena kecepatan angin ada diabaikan dan
tidak ada efek yang dinamis.
Untuk menentukan kenaikan tambahan air laut pada titik 2 karena tingginya angin pada
titik itu, kita menulis persamaan Bernoulli antara titik A dan B, yang di atas poin 2 dan 3,
masing-masing. Memperhatikan bahwa VB
0 (daerah mata angin topan relatif tenang) dan zA
= zB (kedua titik berada di sama garis horizontal), persamaan Bernoulli digunakan untuk
menyederhanakan
ρ adalah densitas udara dalam angin topan.
G. Pengaruh Hubungan Antara Angin Topan dengan Pemanasan Global
Sebuah penelitian oleh Badan Meteorologi Dunia Perserikatan Bangsa-Bangsa (WMO)
selama empat tahun menganalisa penelitian kajian kembali tentang badai lautan yang dikenal
sebagai angin puyuh di Atlantik dan angin topan di Asia. Menggunakan peramalan batas
menengah dari peningkatan suhu pemanasan global sebesar 2,8 Celcius, penelitian WMO
meramalkan badai masa depan dengan angin yang lebih kuat dan curah hujan yang lebih tinggi.
Terlebih lagi beberapa tempat sepertinya akan mengalami peningkatan besar dari pola cuaca
berat. WMO juga melaporkan bahwa penemuan ini konsisten dengan yang telah diterbitkan pada
tahun 2007 oleh Panel Antar Pemerintah untuk Perubahan Iklim Perserikatan Bangsa-Bangsa
yang mencatat kemungkinan lebih banyak topan hebat, dengan tambahan hujan dan kecepatan
angin lebih tinggi.
Berbagai teori baru memang diperlukan untuk menjelaskan fenomena angin topan di
permukaan bumi. Seperti diungkapkan oleh Webster, selain pengaruh pemanasan global suhu
permukaan laut, aliran panas di samudra di dunia, juga dipengaruhi oleh arus thermo-haline,
yakni arus panas yang dipicu perbedaan kadar garam di samudra. Faktor ini juga harus
diperhitungkan dalam penelitian frekuensi maupun durasi angin topan. Sebab, arus thermo-haline
merupakan konveksi panas yang juga mempengaruhi munculnya gejala El Nino. Padahal gejala
El Nino merupakan mekanisme untuk redistribusi panas di kawasan Samudra Pasifik. Sehingga
logikanya, jika muncul El Nino maka intensitas angin topan juga turun secara signifikan. Jadi
memang tetap diperlukan penelitian jangka panjang, untuk mengerti kaitan berbagai fenomena
alam, yang memicu semakin tingginya frekuensi dan kuatnya angin topan.
H. Dampak yang Ditimbulkan oleh Angin Topan
Tidak bisa dipungkiri bahwa kecepatan angin akan berpengaruh pada banyak hal. Berikut
ini adalah beberapa hal yang terjadi sebagai akibat pengaruh angin topan.
1. Bidang Perhubungan
Kecepatan angin sangat mempengaruhi kelancaran jalur penerbangan. Selain kecepatan
angin, faktor cuaca dan iklim juga berperan dalam bidang perhubungan terutama untuk
transportasi. Selain mempengaruhi kelancaran jalur penerbangan, kecepatan angin juga
sangta berpengaruh pada transportasi laut.
2. Bidang Telekomunikasi
Selain faktor iklim dan cuaca, kecepatan angin juga berpengaruh pada bidang
telekomunikasi. Kecepatan angin yang merupakan akibat dari proses-proses yang terjadi di
atmosfer atau lapisan udara bisa mempengaruhi lapisan ionosfer yang mengandung partikelpartikel ionisasi dan bermuatan listrik dimana dengan adanya lapisan ionosfer ini kita bisa
mendengarkan siaran radio/menonton televisi.
3. Bidang Pariwisata
Kecepatan
angin,
banyaknya
cahaya
matahari,
cuaca
cerah,
serta
udara
yang
sejuk/panas/kering sangat mempengaruhi pelaksanaan wisata, baik wisata darat maupun laut.
Dengan cuaca dan iklim yang bersahabat serta kecepatan angin yang sedang maka
pelaksanaan wisata akan semakin dinikmati
4. Bidang Pertanian
Kecepatan angin yang ideal adalah 19-35 km/jam. Pada keadaan kecepatan angin yang tidak
kencang, serangga penyerbuk bisa lebih aktif membantu terjadinya persarian bunga.
Sedangkan pada keadaan kecepatan angin kencang, kehadiran serangga penyerbuk menjadi
berkurang sehingga akan berpengaruh terhadap keberhasilan penangkaran benih.
5. Pada bangunan
Akibat yang timbul pada bangunan, bangunan terangkat, bangunan bergeser dari pondasinya,
robohnya bangunan, atap terangkat, dan bangunan rusak.
Gambar. 8. Dampak Angin Topan
I.
Tindakan yang Dilakukan Sebelum, Saat, dan Sesudah Terjadinya Angin Topan
1.
Kesiapsiagaan
Masyarakat yang hidup di daerah pesisir dan rawan akan bencana ini, bisa melakukan
beberapa tindakan persiapan menghadapi badai dan angin topan dengan :
a) Menyadari risiko dan membuat rencana pengungsian
mengetahui risiko dan cara mengungsi yang cepat dan tepat adalah kunci dari tindakan
persiapan dan pencegahan ini
b) Melakukan latihan dengan menelusuri jalur-jalur evakuasi
akan mempercepat dan memudahkan proses pengungsian apabila diperlukan nanti
c)
Menguatkan atap rumah dengan mengikat atap dengan baik
d) Mengembangkan rencana tindakan
 Kapan harus bersiap untuk menghadapi badai dan angin topan?
 Apabila diperlukan, berapa lama dibutuhkan untuk mengungsi?
 Apakah jalur pengungsian perlu diubah karena terlalu sulit?
e)
Menyiapkan kebutuhan yang diperlukan
Pada saat peringatan akan adanya badai, setiap keluarga perlu menyiapkan bahan-bahan
yang diperlukan seperti lilin atau lampu senter dengan persediaan batereinya, dan makanan
paling sedikit untuk tiga hari.
2.
Saat Terjadinya Angin Topan
Tetap berada di dalam rumah, kecuali apabila dianjurkan untuk mengungsi. Walaupun
tidak ada anjuran, masyarakat harus tetap bersiap untuk mengungsi. Apabila dianjurkan untuk
tinggal di dalam rumah maka :
a. Semua persediaan sudah disiapkan
b. Jika diperlukan, tinggal di suatu ruangan yang paling aman di dalam rumah
c. Matikan semua sumber api, aliran listrik dan peralatan elektronik
d. Terus mendengarkan radio agar mengetahui perubahan kondisi
3.
Hindari Banjir
Apabila banjir masuk ke dalam rumah, jika memungkinkan, naik ke tempat yang lebih
tinggi. Waspada terhadap ‘pusat’ angin topan. Pusat badai dan angin topan ini biasanya
mencapai radius 30-50 km dan badainya bisa mencapai radius 600 km. ‘Pusat’ badai dapat
membawa air yang menyebabkan terjadi banjir di daerah pesiisr. Pada saat ‘pusat’ badai ini
lewat, keadaan biasanya lebih tenang dan tidak berawan, namun ini bukan berarti badai telah
berlalu. Tetap tinggal di dalam rumah hingga badai benar-benar berlalu (bisa beberapa jam atau
hari).
4.
Setelah Terjadinya Angin Topan
a.
Usahakan untuk tidak segera memasuki daerah sampai dinyatakan aman. Banyak kegiatan
berlangsung untuk membenahi daerah yang baru terlAnda bencana ini. Untuk memperlancar
proses ini sebaiknya orang yang tidak berkepentingan dilarang masuk.
b.
Gunakan senter untuk memeriksa kerusakan. Jangan menyalakan aliran listrik sebelum
dinyatakan aman. Jauhi kabel-kabel listrik yang terjatuh di tanah. Untuk menghindari
kecelakaan, jalan yang terbaik adalah menjauhi kabel-kabel ini.
c.
Matikan gas dan aliran listrik. Untuk menghindari kebakaran, apabila tercium bau gas segera
matikan aliran gas dan apabila ada kerusakan listrik segera matikan aliran dengan mencabut
sekring. Ini hanya boleh dilakukan oleh orang yang benar-benar paham tentang listrik.
d.
Pergunakan telepon hanya untuk keadaan darurat. Jaringan telepon akan menjadi sangat
sibuk pada saat seperti ini. Kepentingan untuk meminta bantuan harus diutamakan.
e.
Mendengarkan radio untuk mengetahui perubahan kondisi.
Daftar Rujukan
Ahmad
Zakir.
Jenis-jenis
Angin.
http://idkf.bogor.net/yuesbi/eDU.KU/edukasi.net/
Fenomena.Alam/Jenis.Angin/team.html. Diakses tanggal 15 Maret 2011.
Morris, Neil. 2002. Angin Topan dan Tornado. Jakarta: PT Elex Media Komputindo.
Nelson, A. S. 2009. Natural Disasters: Exceptional Weather - Tropical Cyclones. Tulane
University
Tim Penyusun. 2007. Badai dan Angin Topan! Cerita Peran Masyarakat Desa Saat Badai
Terjadi. Bali: Yayasan Idep, w w w. i d e p f o u n d a t i o n . o r g / p b bm.
Undang-Undang Republik Indonesia No. 24 tahun 2007 tentang Penanggulangan Bencana