4/25/2013
1
Sirkulasi Umum Lautan(satellite)
Arus Utama Dunia Gulf Stream
Arus Utama Dunia Gulf Stream
California Current
4/25/2013
2
Peta Salinitas rerata tahunan
Permukaan
Kedalaman 500 m
Dissolved Oxygen
Gulf Stream, Plankton Bloom
4/25/2013
3
Gulf Stream Spiral Eddies
Mediterranean Sea, Shear Wall Spiral Eddies
Tropical Atlantic, Spiral Eddy
4/25/2013
4
Greek Island, Spiral Eddies and Wakes
Strait of Gibralter, Solitons
Eastern Pacific Internal Waves
4/25/2013
5
Kelvin Waves, from Ships
Dinamika Pantai
California Filaments and Phytoplankton
Hawaiian Island Wakes
Tujuan Pembelajaran Bagaimana angin menggerakkan arus permukaan gyres Arus dan transpor Ekman Upwelling and Downwelling Western and Eastern Boundary currents Inertial currents
Sirkulasi Lautan yang dibangkitkan angin
4/25/2013
6
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)
Perbedaan penting antara lautan dan atmosfer
Bagaimana energi angin di transfer ke lautan?
Teori Ekman …
4/25/2013
7
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
motion pada ked ~ 1000 m.
Dgn asumsi ini, komp horz pers gerak (mom): );(1
z
uA
zfv
x
pz
)(
1
z
vA
zfu
y
pz
(Sv-1)
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
;)(D
xMdzzu
0
)(D
yMdzzv
Gesekan turbulen pada permukaan = gesekan angin dan pada ked –D = nol
;)( 0 xzz
uA
0)(
Dz
z
uA ;)( 0 yz
z
vA
0)(
Dz
z
vAx: y:
Pers kontinuitas untuk transpor massa air: 0
y
M
x
M yx
Setelah melalui bbrp manipulasi mat thd pers (Sv-1 s/d Sv-4) Pers Sverdrup :
(Sv-2)
(Sv-3)
(Sv-4)
);(
zxy
y curlyx
M
Ry
f
cos2
θ = lintang
R = jari2 bumi
Karena pada sebagian besar lautan terbuka, terutama di daerah tropis y
y
kecil
Maka transpor arah U – S : y
M xy
1
Dengan menggunakan pers kontinuitas transpor (Sv-4), maka transpor arah T – B :
R
yy
xM xx
x 2
2
tancos2
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)
4/25/2013
8
(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
friksi
dasar yg besarnya proporsional dgn velositas: ;)( 0 xz
z
uA
Ku
z
uA Dz
)( 0)( 0
yz
z
vA Kv
z
vA Dz
)(x : y : ;
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
Left:. Right:
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
(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
4/25/2013
9
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
2
2
x
uA
z
uA
zfv
x
pHz
2
2
)(1
y
vA
z
vA
zfu
y
pHz
Pers ini dimanipulasi dgn mencari fungsi stream dari transpor massa ():
,4
zH curlx
A
dimana
4
4
22
4
4
44 2
yyxx
Pers Sverdrup friksi
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
4/25/2013
10
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.
4/25/2013
11
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.
4/25/2013
12
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 utara-
selatan (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.
4/25/2013
13
Arus permukaan di S. India
Akhir Muson Timur Laut (Maret - April)
Akhir Muson Barat Daya (September -
Oktober; sirkulasi di selatan 20°S tidak
berubah).
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.
4/25/2013
14
Bagaimana energi angin di transfer ke lautan?
Teori Ekman …
Bagaimana gaya angin membangkitkan lautan ocean?
surface
Kedalaman 100 m
Keseimbangan antara friksi dan rotasi
1
2