ARUS LAUT - Karya Tulis Ilmiah

1
ARUS LAUT
Ada 2 gaya yang berperan dalam arus yaitu: gaya-gaya primer dan gaya-gaya
sekunder. Gaya primer berperan dalam menggerakkan arus dan menentukan
kecepatannya, gaya primer ini antara lain adalah: stress angin, ekspansi termal dan
kontraksi dari air, serta perbedaan densitas di antara lapisan-lapisan air. Gaya
sekunder mempengaruhi arah gerakan dan kondisi aliran arus. Yang termasuk gayagaya sekunder adalah: gaya coriolis, gravitasi, gesekan. Bentuk dari basin laut juga
mempengaruhi arah arus.
Stress angin yang bekerja di permukaan laut akan mendorong air di permukaan
membentuk arus permukaan. Pola arus permukaan mengikuti pola angin permukaan.
Ekspansi termal dan kontraksi air terjadi di daerah tropis dan lintang menengah dan
tinggi. Pemanasan yang jauh lebih besar di daerah tropis akan membuat massa air di
daerah tropis mengalami ekspansi termal. Akibatnya permukaan air naik, sementara di
lintang menengah dan tinggi efek pendinginan membuat massa air berkontraksi
(densitasnya membesar). Akibat permukaan air menjadi turun. Proses ekspansi termal
dari kontraksi air diantara daerah tropis dan lintang menengah dan tinggi akan
menyebabkan slope muka air yang menurun ke arah lintang tinggi.
Perbedaan tinggi muka air di aderah tropis 8 cm lebih tinggi dari pada muka air di
lintang tinggi. Adanya slope muka air di antara daerah tropis dan lintang tinggi.
Gradien densitas dalam arah horizontal akan menimbulkan gradien tekanan dalam
arah horizontal. Perbedaan densitas di antara lapisan-lapisan air dapat menimbulkan
arus bawah permukaan yang dikenal dengan sirkulasi thermohaline.
Gaya Coriolis timbul akibat pengaruh rotasi bumi. Gaya coriolis berperan di dalam
membelokkan arah arus, di belahan bumi utara (BBU) coriolis membelokkkan arah
arus ke arah kanan, sedangkan di belahan bumi selatan (BBS), coriolis membelokkan
arah arus ke arah kiri.
Gravitasi berperan bila ada slope muka air dan perbedaan densitas antara lapisan air.
Gaya gesekan berperan dalam memperlambat gerakan arus dan memperkecil
kecepatan arus. 10%
dari air laut dunia bergerak secara horizontal di lapisan
permukaan (0-400 m), di lapisan permukaan ini gerakan arus di timbulkan oleh stress
angin dan ekspansi termal dan kontraksi air. Arus permukaan menggerakkan air di
atas pinoklin.
90% dari air laut dunia bergrak di dalam dan di bawah lapisan pinoklin, gerakan arus
bawah permukaan ini digerakkan oleh gravitasi akibat perbedaan desnitas di antara
lapisan air, yang membuat sirkulasi thermohaline.
2
Arus permukaan berperan dalam mentransfer panas dari daerah tropis ke lintang
menengah dan tinggi, mendistribusikan zat hara (nutrien) dan organisme laut, berguna
untuk transportasi laut. Arus permukaan mempengaruhi iklim dan cuaca.
Arus juga dapat terbentuk akibat pengaruh gaya tarik bumi dan matahari yang dikenal
dengan arus pasang surut (arus pasut).
Gelombang yang pecah membentuk sudut tertentu dengan garis pantai juga dapat
menimbulkan arus yang bergerak menyusur pantai yang dikenal dengan longshore
current. Yang akan kita bahas berikut ini adalah arus permukaan yang ditimbulkan
oleha angin dan akibat adanya gradien densitas dalam arah horizontal.
Dalam mempelajari dinamika arus kita perlu mengetahui persamaan pengatur dari
gerak arus. Persamaan pengatur ini terdiri dari persamaan gerak dan persamaan
kontinuitas atau kekekalan massa.
Persamaan gerak diturunkan dari Hukum Newton II.




 F  ma   F / m  a
Persamaan gerak dalam bentuk vektor diberikan oleh:

 
 
dv
   p  (2  x v )  g  F
dt
(1)
dimana :
 p = gaya gradien tekanan


2  x v = gaya coriolis

= gaya gravitasi
g

= gaya-gaya luar (gesekan, stress angin dsb)
F
Dalam bentuk komponen:
du
p
    2 sin  .v  2 cos .w  Fx
dt
x
dv
p
    2 sin  .u  Fy
dt
y
(2)
dw
p
    2 cos  .u  g  Fz
dt
z
2 sin  = f disebut parameter coriolis.
Persamaan kontinuitas:

V 0
atau:
(3)
3
u v w


0
x y z
(4)
Tinjau kembali persamaan (1)

 


dv
  p  (2  x v )  g  F
dt
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
Persamaan (1), ini dapat disederhanakan dengan meninjau suku-suku yang dominan
untuk suatu kasus tertentu.
Kasus-Kasus Sederhana:
A. Arus Inersia
Gerakan arus hanya dipengaruhi gaya coriolis saja. Pada kasus ini kita hanya
meninjau suku (1) dan suku (3) saja. Disini percepatan timbul akibat pengaruh gaya
coriolis disebut arus inersia. Arus inersia ini dapat timbul akibat angin yang bertiup di
atsa permukaan laut dalam waktu yang relatif tidak terlalu lama dan kemudian angin
berhenti. Arus yang timbul akibat pengaruh angin tidak berhenti bergerak saat angin
berhenti bertiup, karena ia sudah mempunyai momentum (inersia). Dalam gerakannya
arus ini akan dipengaruhi oleh gaya coriolis yang membuat arus bergerak dalam arah
melingkar.
Persamaan gerak horizontal dari arus inersia ini adalah :
du
 fv
dt
(2 cos .w  2 sin .v, jadi diabaikan )
dv
  fu
dt
(5)
Solusi dari persamaan (5) diberikan oleh:
U  VH sin (2 sin . t)
V  VH cos (2 sin .t)

2

2
dimana: VH  u  v
4
Y
u
c
B
v
VH
Lingkaran Inersia
X
Bila: B = jari-jari lintasan
C = gaya coriolis
VH2
 2 sin  .VH
B
Persamaan ini menyatakan: percepatan sentripetal sama dengan Gaya Coriolis.
2 sin  = kecepatan sudut, maka:
Lintasan arus inersia searah dengan putaran jarum jam di BBU dan berlawanan
dengan putaran jarum jam di BBS. Seperti pada gambar berikut:
radius,r
ekuator
coriolis force
m
B. Kesetimbangan antara Gaya Gradien Tekanan dan Gravitasi (2) dan (4)

  P  g
Persamaan gerak dalam arah z
dw
p

 2  cos u  g  Fz
dt
z
dw
w 
0
dt
Fz diabaikan dan 2 cos u  g diabaikan
P
g
z
atau

dp   gdz ( persamaan hidrostatik )
Disini terlihat bahwa persamaan hidrostatik masih tetap berlaku untuk fluida yang
bergerak dan untuk kecepatan arus = 2-3 ms-1.
5
C) Kesetimabangan antara gaya gradien tekanan dan gaya coriolis (2) dan (3)


  P   2  x v
Di bagian interior laut di mana pengaruh antara gaya gesekan dapat diabaikan,
terdapat
kesetimbangan
antara
gaya
gradien
tekanan
dan
gaya
coriolis.
Kesetimbangan gaya-gaya ini menimbulkan arus yang kecepatannya konstan dan di
sebut arus geostropik.
Persamaan gerak horizontal dalam arah x dan yang diberikan oleh:
du
P
    fv  2 cos w  Fx
dt
x
dv
P
    fu  Fy
dt
x

du dv
  0 karena v kons tan
dt dt
2 cos w  g diabaikan
Persamaan arus geostropik diberikan oleh:
p
P
 fv  fv  
x
x
P
P
0     fu  fu   
y
y
0  
Dari persamaan ini dapat dilihat bahwa arus geostropik timbul akibat adanya gaya
gradien tekanan dalam arah horizontal. Gradien tekanan horizontal ini timbul akibat
adanya gradient densitas dalam arah horizontal atau terbentuknya slope muka air
akibat pengaruh muka angin permukaan.
Mekanisme terbentuknya arus geostropik adalah sebagai berikut:
-
Slope muka air terbentuk
-
Terjadi gerakan air dari tekanan tinggi ke tekanan rendah
-
Dalam gerakannya ke arah tekanan rendah, partikel air akan mengalami
pengaruh gaya coriolis yang membelokkannya ke arah kanan di BBU dan
ke arah kiri di BBS.
P.Permukaan
isobar
BBU
BBS
X
v
v
Level surface
tegak lurus ke dalam bidang gambar
X
tegak lurus ke luar bidang gambar
6
Pada saat terjadinya kesetimabnagan antara gaya gradien tekanan dan gaya coriolis,
arus bergerak sejajar isobar.
Persamaan geostropik dalam arah x dan yang dinyatakan dalam satu persamaan:
fv H  
P
 H
dimana v H  u 2  v 2
P
 gradien tekanan horizontal tegak lurus arah v H
 H
v


P
x
P
y
u
fv

v
P
 H
fu
vH
VH
u
fvH
D. Arus yang timbul akibat kesetimbangan Gaya Coriolis dn Gaya Gesekan :
pers (3) dan pers (5)
  
2 xV F

Faya gesekan ( F ) :
Fx  
 y
 x
; Fy  
z
z
gesekan dalam arah-y.
;  x = stress gesekan dalam arah-x ;  y = stress
Gesekan antar lapisan air disebut gesekan viskos.
Untuk aliran yang kemiringan   
z
u
x
u
z
7
Untuk aliran yang turbulen  x  A z
u
v
dan  y  A z
z
z
Az = koefisien Eddy dalam arah vertical.
Persamaan gerak horizontal yang menunjukkan kesetimbangan gaya Coriolis dan
gaya gesekan adalah :
fv  
 x
 2u
 fv  A z 2  0
z
z
 y
 2v
 fu  
  fu  A z 2  0
z
z
Gaya Coriolis + Gaya Gesekan = 0
Arus yang timbul akibat kesetimbangan antara gaya Coriolis dan gaya gesekan
disebut Arus Ekman.
Persamaan Arus Ekman
 2uE
0
 z2
 2vE
 fu E  A z
0
 z2
fv E  A z
Indeks E menyatakan Ekman.
Solusi dari persamaan Ekman adalah :

  
 
u E   v o cos 
z exp
z
 4 DE 
 DE 

  
 
v E  v o sin 
z exp
z
 4 DE 
 DE 
vo 


Vo = Kecepatan arus permukaan
f = Magnitudo dari f
DE = Kedalaman Ekman (Kedalaman pengaruh angin)
 y = Stress angin di permukaan dalam arah - y
2   y / DE f
 2A z 
dengan: D E   
f
1/ 2
Catatan : di dalam model Ekman dianggap bahwa angin berhembus dalam arah-y
dengan kecepatan dan arah yang konstan.
Dalam membangun model Ekman, terdapat anggapan-anggapan sbb :
1. Kedalaman laut tak hingga (untuk menghindari gesekan dasar)
2. Tidak ada batas lateral ( untuk menghindari terbentuknya gradien tekanan)
3. Laut homogen (untuk menghindari terbentuknya gradien tekanan)
4. Arus dan kecepatan angin konstan
5. f adalah konstan
6.
Az adalah konstan.