4/25/2013
Sirkulasi Umum Lautan(satellite)
Arus Utama Dunia
Gulf Stream
Arus Utama Dunia
Gulf Stream
California Current
1
4/25/2013
Peta Salinitas rerata tahunan
Dissolved Oxygen
Permukaan
Kedalaman 500 m
Gulf Stream, Plankton Bloom
2
4/25/2013
Gulf Stream Spiral Eddies
Mediterranean Sea, Shear Wall Spiral Eddies
Tropical Atlantic, Spiral Eddy
3
4/25/2013
Greek Island, Spiral Eddies and Wakes
Strait of Gibralter, Solitons
Eastern Pacific Internal Waves
4
4/25/2013
Kelvin Waves, from Ships
Dinamika Pantai California Filaments and Phytoplankton
Hawaiian Island Wakes
Sirkulasi Lautan yang dibangkitkan angin Tujuan Pembelajaran Bagaimana angin menggerakkan arus permukaan
gyres Arus dan transpor Ekman Upwelling and Downwelling Western and Eastern Boundary currents Inertial currents
5
4/25/2013
Perbedaan penting antara lautan dan atmosfer Lautan dipanaskan dari atas Yang dirasakan keduanya Penggerak mekanik oleh angin Pembangkit panas dari matahari
Lautan lebih padat dari atmosfer Pasang Surut Salinitas Atmosfer memiliki awan dan udara (moisture)
Bagaimana energi angin di transfer ke lautan?
Teori Ekman …
6
4/25/2013
3.3 Sirkulasi Dorongan Angin (WIND GRIVEN CIRCULATION) Angin secara langsung telah dianggap yg membangkitkan sirkulasi (arus) lautan. Tetapi kadang2 ada ketidak-cocokan. Ada arus kuat seperti arus sakal (counter-current) di ekuator yg melawan arah angin. Ada juga arus yg kuat dan menyempit di sisi barat samudera tidak berkaitan dgn agin secara langsung. Alasannya ini terdapat pada 3 publikasi: Sverdrup (1947); Stommel (1948) dan Munk (1950). (1) Teori Sverdrup: wind-driven circulation Terinspirasi untuk menjelaskan hasil observasi arus di ekuator timur Pasifik Asumsi: - aliran stasioner, friksi lateral dan viskositas molekuler kecil. - aliran bersifat baroclinic (velositas tgt ked; isobar berpot dgn perm geopot) (arus geostropik tdk tgt ked dan disebut bersifat barotropik) - Sirkulasi akibat dorongan angin hilang pada kedalaman yg disebut no p ~ 1000 m. v 1 p motion u pada1 ked (mom): fu ( Az ) (Sv-1) fv ( Az horz ); pers gerak Dgn asumsi ini, komp
x
z
z
y
z
z
Lalu pers (Sv-1) diintegralkan dari perm (z = 0) sampai ked (z = -D) dimana tdk ada aliran akibat dorongan angin (grad tek = 0)
Pengintegralan komponen velositas dari perm sampai ked – D Transpor (M) 0
0
u( z)dz M
x
;
v( z)dz M
y
(Sv-2)
D
D
Gesekan turbulen pada permukaan = gesekan angin dan pada ked –D = nol x: ( Az
u u ) 0 x ; ( Az ) D 0 z z
y: ( Az
v v ) 0 y ; ( Az ) D 0 (Sv-3) z z
M x M y Pers kontinuitas untuk transpor massa air: 0 (Sv-4) x y Setelah melalui bbrp manipulasi mat thd pers (Sv-1 s/d Sv-4) Pers Sverdrup :
M y
y x curlz ( ); f 2 cos y R x y
θ = lintang R = jari2 bumi
Karena pada sebagian besar lautan terbuka, terutama di daerah tropis ykecil y 1 x Maka transpor arah U – S : M y
y
Dengan menggunakan pers kontinuitas transpor (Sv-4), maka transpor arah T – B : Mx
2 x x tan 2x R 2 cos y y
Batas U – S pada sisi timur samudera merupakan x = 0:
Secara kualitatif, solusi pers Sverdrup menjelaskan terdapatnya sistem arus ekuator, yakni: (1) ke utara 15o N dan ke selatan 2o N, Mx negatip aliran ke barat arus ekuator utara (NEC = North Equotor Current) dan arus ekuator selatan (SEC = South Equator Current) (2) Antara 15o N – 2o N, Mx positip aliran ke timur arus sakal (NECC = North Equator Counter Current)
7
4/25/2013
(2) Teori Stommel : Western Boundary Current (Western Intensification) Adanya fenomena western intensification (aliran menyempit dan kuat pada sisi barat Samudera di BBU) dijelaskan pertama kali secara memadai oleh Stommel (1948). Teori Stommel di aplikasikan di Atlantik Utara. Pada dasarnya Stommel menggunakan pers Sverdrup, tetapi ditambahkan v u v u ( Az ) D Ku y : ( Az ) 0 y 0 ; ( Az ) D Kv ) 0 x ; ( Az x : friksi z z z dasar yg besarnya proporsional dgn velositas: z dimana K adalah konstanta. Stommel menentukan solusi steady-state utk aliran pada basin persegi empat, dgn dimensi: 0 y b; 0 x ; kedalaman D konstan dan ρ (densitas) konstan. Solusi 1: bumi tidak berputar solusi berupa aliran yg simetiris dgn pola tidak ada western intentensification Solusi 2: bumi berputar dgn Gaya Coriolis konstan aliran simetris dgn pola tidak ada western intentensification Solusi 3: bumi berputar dgn Gaya Corilis bervariasi dgn lintang aliran tidak simetris dgn pola terdapat western intentensification Stommel berpendapat akibat variasi Gaya Coriolis dengan lintang dapat menjelaskan mengapa terbentuk wes inten seperti Gulf Stream dan Kuroshio
Stream function for flow in a basin as calculated by Stommel (1948).
Flow for non-rotating basin or flow for a basin with constant rotation
Flow when rotation varies linearly with y
Left:. Right:
(3) Solusi Munk Munk menggabungkan basic features berupa kontribusi dari Ekman, Sverdrup dan Stommel menghasilkan solusi utk aliran (sirkulsi) dorongan angin yg mencakup seluruh basin lautan. Kontribusi utama Munk adalah menambahkan gesekan turbulen lateral shg sirkuasi lautan tetap dalam kondisi steady state. Gesekan vertikal tetap digunakan utk mentrasfer energi angin ke aliran di lapisan Ekman. Ide Sverdrup utk mendapat transfor dgn mengintegralkan dari permukaan sampai kedalaman –D dimana tidak ada aliran akibat dorongan angin. Dengan demikian aliran pada lapisan atas 1000 m adalah boroklinik dan tgt kedalaman. Munk menggunakan eddy koef lateral (AH = Ax = Ay) yg konstan
8
4/25/2013
Left: Mean annual wind stress (y) over the Pacific and the curl of the wind stress. Right: The mass transport stream function for a rectangular basin calculated by Munk (1950) using observed wind stress for the Pacific. Contour interval is 10 × 106 m3/s = 10 Sverdrups. The total transport between the coast and any point x, y is ψ(x, y).The transport in the relatively narrow northern section is greatly exaggerated. Lower : North-South component of the mass transport.
The solution for a triangular basin. (From Munk, 1950).
Pers gerak Munk:
1 p
x
fv
u 2u ( Az ) AH 2 ; z z x
1 p
y
fu
v 2v ( Az ) AH 2 z z y
Pers ini dimanipulasi dgn mencari fungsi stream dari transpor massa ():
AH 4 friksi
curl z , x
dimana 4
4 4 4 2 2 2 4 x 4 x y y
Pers Sverdrup
Friksi besar dekat batas lateral, tetapi kecil di interior lautan. Solusi diterapkan pada basin dgn dimensi dari x = 0 sampai x = r dan y = - s sampai y = + s. Selain itu angin bersifat zonal. Solusi Munk: feature yg dominan berupa sirkulasi skala gyre yg mencakup semua basin. - Ada kesamaan dgn solusi Sverdrup pd bagian timur basin lautan dan arus tepi barat (western intensification) yg kuat. - Dgn menggunakan AH = 5 x 103 m2/det, maka lebar arus tepi barat ~ 225 km; dgn bentuk mirip dgn Gulf Stream dan Kuroshio
Sirkulasi Dorongan Angin menghasilkan: Sirkulasi Arus Permukaan Global (Gyre): Ada 5 gyre: - S. Atlantik : 2 Atl. Utara dan Selatan - S. Pasifik : 2 Pas. Utara dan Pas. Selatan - S. India : 1 India Selatan Karakter umum sirkulasi Atl. Utara dan Pas. Utara: • sisi barat pemusatan aliran (western intensification). Arus ke utara lebih cepat dan lebih terkonsentarsi pada zona yg sempit Penyebab: (i) pengaruh Gaya Coriolis makin kuat ke lintang tinggi (ii) variasi arah dan kekuatan angin (trade dan westerlies) (iii) friksi antara arus laut dengan batas (boundary) basin lautan Akibatnya: aliran (arus) terdesak (kompres) ke arah sisi barat lautan, shg kec aliran hrs lebih tinggi agar mampu mengangkut volume air yg diperlukan dalam gyre dari ekuator ke lintang tinggi. Juga berperan transfer bahang ke lintang tinggi. Nama aliran : Gulf Stream (Atl Utara) dan Kuroshio (Pas Utara) • sisi timur arus tersebar pada zona yg lebih luas, arus lemah dan juga menyebar ke lapisan dalam. Aliran dari lintang tingi ke ekuator. Untuk memenuhi hukum kontinuitas transfor massa air maka harus tetap memindahkan volume air yang sama ke arah ekuator
9
4/25/2013
Sirkulasi (gyre) di Sam. Atlantik:
Surface currents of the Atlantic Ocean. Abbreviations are used for the East Iceland (EIC), Irminger (IC), West Greenland (WGC), and Antilles (AC) Currents and the Caribbean Countercurrent (CCC). Other abbreviations refer to fronts: JMF: Jan Mayen Front, NCF: Norwegian Current Front, IFF: Iceland Faroe Front, SAF: Subarctic Front, AF: Azores Front, ABF: Angola - Benguela Front, BCF: Brazil Current Front, STF: Subtropical Front, SAF: Subantarctic Front, PF: Polar Front, CWB/WGB: Continental Water Boundary/Weddell Gyre Boundary.
Sirkulasi di S. Atlantik: Pada bagian utara dan selatan, terdapat masing-masing subtropical gyres yang sangat cocok dgn Sverdrup relation Atlantik Utara paling banyak di teliti Ada 2 sirkulasi: Sub-tropical gyre yang sangat kuat dan subpolar gyre yang lemah Seperti terlihat pd Gambar: subtropical gyre terdiri dari North Equatorial Current dgn pusat dekat 15°U, the Antilles Current, dan Caribbean Current melintasi American Mediterranean Sea, the Florida Current, the Gulf Stream, the Azores Current, serta the Portugal dan Canary Currents. Atlantik selatan, hanya ada 1 gyre yakni subtropical gyre yang terdiri dari the South Equatorial Current yang terpusat di southern hemisphere, tetapi meluas memotong ekuator, lalu ada the Brazil Current, the South Atlantic Current, dan theBenguela Current. The Sverdrup relation secara khusus terbentuk sangat baik di dekat ekuator, dimana gradien arus geostrofik sangat kecil. Juga memperlihatkan adanya equatorial countercurrent (arus sakal) antara the North and South Equatorial Currents. Seperti di Pasifik, arus sakal bergerak ke timur, tetapi lebih lebar dan intensitas lebih kecil.
10
4/25/2013
Arus Permukaan S. Pasifik Ocean: Singkatan: the Mindanao Eddy (ME), the Halmahera Eddy (HE), the New Guinea Coastal (NGCC), the North Pacific (NPC), and the Kamchatka Current (KC). Singkatan lain untuk fronts: NPC: North Pacific Current, STF: Subtropical Front, SAF: Subantarctic Front, PF: Polar Front, CWB/WGB: Continental Water Boundary / Weddell Gyre Boundary. Daerah bergaris (shaded) adalah Subtropical Countercurrents. Pada bagian barat S.Pasifik Selatan, arus yg terlihat adalah utk bln April November dimana angin yg dominan: the Trades (passat). Pada bln Desember - Maret daerah ini dipengruhi the northwest monsoon (muson barat daya), bertiup sepanjang pantai utara Australia di utara lintang 18°S dan sepanjang Papua terjadi pembalikan aliran, Halmahera Eddy berubah arah rotasinya dan the South Equatorial Current bergabung dgn the North Equatorial Countercurrent disebelah timur dari eddy. Aliran sepanjang STF (Subtropical Front) sekarang disebut the South Pacific Current. Secara umum, sirkulasi permukaan yang diperkirakan tiupan angin sangat sesuai dengan aliran yg dihasilkan dari data pengukuran lautan. Fenomena yg dominan di S. Pasifik Utara: the strong subtropical gyre yg terdiri dari the North Equatorial Current dgn aliran terkuat sekitar 15°N, the Philippines Current, the Kuroshio, the North Pacific Current, dan the California Current.
Sirkulasi pada subtropik di S. Pasifik Selatan lebih lemah, tetapi sirkulasi sangat sesuai juga antara perkiraan dari angin dan hasil pengukuran di laut. Subtropikal gyre terdiri dari the South Equatorial Current, terpusat sekitar 15°S, dan the Peru/Chile Current sebagai komponen utama dari southern subtropical gyre serta mengindikasikan adanya western boundary currents sepanjang pantai Australia dan New Zealand. Adanya pemisahan (split) dekat 18°S menjadi ke selatan sbg East Australian Current dan aliran ke utara melalui the Coral Sea serta transpor ke utara melintasi ekuator di timur Papua New Guinea telah dikonfirmasi dgn pengamatan lapangan belakangan. Indikasi subpolar gyre di Pasifik utara terlihat utara 50°N. Transpor ke timur oleh North Pacific Current; sirkulasi menjadi lengkap oleh aliran kekutub dan aliran kebarat Alaska Current, the Alaskan Stream, the southern part of the East Kamchatka Current, and the Oyashio. Sebagai ringkasan, aliran terintegrasi mengindikasikan adanya 6 western boundary currents: (1) Oyashio ke selatan antara 60°N dan 45°N; (2) aliran ke utara Kuroshio antara 12°N dan 45°N; (3) sisi pantai dari Mindanao Eddy yg mengalir ke selatan antara 12°N sampai 5°N; (4) aliran ke utara dari arus yg tak bernama antara 18°S and 5°N; (5) aliran ke selatan East Australian Current antara 18°S dan Tasmania; (6) serta aliran ke selatan lainnya sepanjang pantai timur New Zealand.
Sirkulasi S. India Sistem Muson mendominasi S. India Utara dan pengaruhnya terasa sampai daerah subtropik S. India selatan. Ringkasan siklus muson disajikan pada Fig. 11.2. The Northeast or Winter Monsoon (Muson timur laut) menetukan iklim S. India Utara saat musim dingin di BBU (Desember - Maret). Musim ini dikenali dengan karakter tekanan tinggi di Benua Asia dan angin timur laut bertiup di daerah tropis dan subtropis. Angin diatas S. India Utara mewakili Passat (the Trades), tetapi karena bersifat musiman maka dikenal sebagai Muson Timur Laut (the Northeast Monsoon). (Kata Muson (monsoon) berasal dari Bahasa Arab yang berarti angin berbalik arah secara musiman). Iklim di S. India Selatan didominasi perbedaan tekanan udara antara tek rendah di tropis (sekitar 10°S) dan tek tingggi di subtropis. Hal ini menghasilkan Passat Tenggara (Southeast Trades) yang hampir uniform dan sedikit lebih kuat dari di Pasifik Selatan. The Southwest or Summer Monsoon (Muson Barat Daya) menentukan iklim di S. India Utara saat musim panas di BBU (northern hemisphere summer) yg terjadi pada bulan (Juni - September). Pusat tek rendah terbentuk utara Arab dan Pakistan dan pusat tek udara tinggi terbentuk di Australia dan bagian selatan Afrika.
11
4/25/2013
Fig. 11.2. Skema ringkasan sistem muson di S. India. Bagian atas menjelaskan siklus angin, sedangkan bagian bawah memperlihatkan arus utama yang terbentuk sebagai respons terhadap angin yang bertiup.
Sebagai akibatnya angin S. India berbalik arah dan trades (passat) tidak terlihat lagi. Angin dgn kecepatan Beaufort 6 atau lebih bertiup di seluruh barat S. India Utara. Ke bagian timur, angin lebih lemah. Muson Barat Daya (namanya di BBU) merupakan lanjutan dari Angin Passat Tenggara dari S. India selatan, dimana antara 10 dan 20°S mempunyai kecepatan terkuat pada saat musim ini dibanding wilayah lain di dunia. Karena arah angin di ekuator hampir berorientasi utaraselatan (meridional) maka transpor Ekman yang akan mengakibatkan adanya divergence tidak terbentuk di ekuator sehingga upwelling di ekuator S. India juga tidak terbentuk.
Downwelling yang kuat justru terbentuk pada bulan transisi (Mei dan November) ketika angin bertiup ke timur di ekuator yang menghasilkan transpor Ekman yang diikuti convergence. Kondisi untuk terjadinya coastal upwelling juga terlihat perbedaannya di S. India. Sepanjang pantai timur Samudea, dimana daerah upwelling terpenting terdapat di Pasifik dan Atlantik, angin yang menimbulkan upwelling sangat lemah sepanjang pantai barat Australia saat Muson Timur Laut (Northeast Monsoon) dan sama sekali tidak angin saat Muson Barat Daya (Southwest Monsoon) season. Daerah upwelling kecil terdapat pada Muson Barat Daya sepanjang pantai Jawa. Tetapi upwelling terkuat terjadi sepanjang pantai barat S. India saat Muson Barat Daya (Southwest Monsoon) menghasilkan transpor Ekman yang kuat menjauhi pantai Somalia dan semenanjung Arab.
12
4/25/2013
Arus permukaan di S. India
Akhir Muson Barat Daya (September Oktober; sirkulasi di selatan 20°S tidak berubah).
Akhir Muson Timur Laut (Maret - April)
East Arabian (EAC), South Java (SJC), Zanzibar (ZC), East Madagascar (EMC), and Somali (SC) Currents. STF: Subtropical Front, SAF: Subantarctic Front, PF: Antarctic Polar Front, WGB: Weddell Gyre Boundary.
Sirkulasi permukaan di S. India Selatan. S. India Selatan yang tidak mengalami angin muson memperlihatkan subtropis gyre yang kuat sesuai dengan perkiraan Sverdrup relation. Ke selatan lintang 10°S dan jauh dari pantai Australia, pola sirkulasi sangat cocok dengan observasi. Keduanya memperlihatkan Arus Ekuator selatan (the South Equatorial Current) yang dipasok oleh Arlindo (throughflow) berupa massa air Pasifik yang melintasi perairan Indonesia sehingga aliran ke barat makin kuat. Pemisahan (bifurcation) di timur Madagascar dan lagi di dekat pantai Afrika juga terlihat pada aliran Sverdrup , juga pertemuan kembali arus Mozambique and East Madagascar menjadi arus Agulhas. Lebih jauh , Sverdrup relation mengimplikasikan net aliran ke selatan melintasi lintang 10°S sebagai respons terhadap curl gesekan angin negatip yang kuat yang membangkitkan arus sakal (Equatorial Countercurrent) ke timur di utara dari lintang 10°S. Secara kontras, rata-rata aliran tahunan di S. India Utara tidak terlalu jelas baik menurut sirkulasi Sverdrup maupun observasi. Sekarang akan dideskripsikan sirkaluasi berdasarkan observasi. Saat musim Muson Timur Laut, sistem arus mirip sekali dgn arus di Pasifik dan Atlantik.
Subtropical gyre mendominasi S. India Selatan. Subtropical gyre di S. India Utara tidak terlalu jelas; sebagian besar massa air yang dibawa Arus Katulistiwa Utara (North Equatorial Current) kembali ke timur dengan Arus Sakal dekat 5°S, menyisakan sedikit net transpor untuk arus yang lemah ke S. India bagian utara. Arus sakal bersambung ke dalam Arus Pantai Jawa (South Java Current) yang saat musim muson timur laut ini, memasok air ke perairan Indonesia dan sebagian ke selatan masuk ke Arus Katulistiwa Selatan. Pada saat Musim Muson Barat Daya, arus mengalir ke arah yang berlawanan di utara lintang 10°S, saat mana AKS menguat dan memasok sebagian airnya bergabung ke Arus Somali, yang merupakan western boundary current dari sirkulasi anticyclonic yang berkembang di S. India Utara. AKU menghilang dan Arus Sakal menyatu atau terserap kedalam Arus Muson Barat Daya (Southwest Monsoon Current). Aliran ke timur yang cukup lebar mendominasi aliran di S. India Utara.
13
4/25/2013
Bagaimana energi angin di transfer ke lautan?
Teori Ekman …
Bagaimana gaya angin membangkitkan lautan ocean?
surface
Keseimbangan antara friksi dan rotasi
Kedalaman 100 m
1 2
14
