SISTEM BUMI

Konsep sistem[1] adalah suatu cara untuk menguraikan suatu masalah yang besar dan rumit menjadi masalah-masalah yang lebih kecil dan lebih mudah dipelajari. Sistem dapat dikatakan sebagai suatu bagian dari alam universal yang dapat diisolasi dari bagian alam universal yang lain untuk keperluan observasi dan mengukur perubahan. Dengan mengatakan bahwa sistem adalah bagian dari alam yang universal, maka berarti dapat didefinisikan sesuai dengan kehendak si pengamat. Kita dapat memilih batasan-batasan sistem sesuai dengan kemudahan penelitian kita. Dengan demikian, sistem bisa kecil dan bisa pula besar, bisa sederhana dan bisa bula kompleks atau rumit.

Selanjutnya, mengatakan bahwa suatu sistem terisolasi dari alam universal di sekitarnya berarti bahwa suatu sistem harus mempunyai batas yang memisahkannya dari sekelilingnya. Berdasarkan kondisi batasnya, sistem dapat dibedakan menjadi tiga (Gambar 1):

1) Sistem terisolasi yaitu sistem dengan batas yang mengisolasi sistem dari lingkungan sekitarnya sehingga tidak dapat terjadi pertukaran energi atau materi antara sistem itu dengan lingkungannya. Di dalam dunia nyata sistem jenis ini tidak ada, karena tidak ada batas yang benar-benar dapat mengisolasi secara sempurna sehingga energi tidak dapat masuk ataupun lepas.

2) Sistem tertutup yaitu sistem dengan batas yang memungkinkan untuk terjadinya pertukaran energi, tetapi tidak memungkinkan pertukaran materi antara sistem dengan lingkungannya. Bumi adalah contoh alam dari sistem tertutup ini.

3) Sistem terbuka yaitu sistem dengan batas yang memungkinkan terjadinya pertukaran energi dan materi melintasi batas. Sub-sistem Bumi merupakan contoh alam dari sistem terbuka ini.
Gambar 1. Gambaran macam-macam sistem. Sumber: Skinner dan Porter (2000), Gambar 1.17.

Dengan beberapa pengecualian yang sangat terbatas, dapat dikatakan bahwa Sistem Bumi adalah sistem tertutup. Energi dapat masuk dan meninggalkan Bumi. Massa Bumi hampir konstan. Pengecualian terjadi pada sejumlah kecil meteorit yang sampai ke Bumi dari ruang angkasa dan sejumlah kecil gas yang lepas dari atmosfer ke ruang angkasa.

Sebagai suatu sistem, Bumi memiliki empat reservoir raksasa yang menampung materi, dan setiap reservoir itu adalah suatu sistem terbuka karena baik materi maupun energi dari setiap reservoir itu dapat masuk dan keluar. Ke-empat reservoir Bumi itu yang merupakan sustu sub-sistem Bumi adalah:

1) Atmosfer, yaitu campuran gas yang mengelilingi Bumi. Gas-gas yang dominan adalah nitrogen, oksigen, argon, karbon dioksida, dan uap air.

2) Hidrosfer, yaitu seluruh air yang ada di Bumi, meliputi samudera, danau, sungai, air bawah tanah, dan seluruh salju dan es, dengan pengecualian uap air di dalam atmosfer.

3) Biosfer, yaitu seluruh organisme yang ada di Bumi, termasuk juga berbagai material organik yang belum mengalami dekomposisi.

4) Geosfer, yaitu bagian Bumi yang padat, dan terutama tersusun oleh batuan dan regolit (partikel-partikel batuan lepas yang menutupi bagian Bumi yang padat).

Model dari Sistem Bumi dapat dilihat pada Gambar 2. Pada gambar tersebut terlihat bahwa Bumi sebagai suatu benda langit yang merupakan salah satu anggota dari Sistem Tata Surya merupakan suatu sistem tertutup. Bumi menerima pancaran radiasi gelombang pendek dari Matahari dan kembali memancarkan radiasi gelombang panjang ke ruang angkasa. Sementara itu, sub-sistem Bumi merupakan sistem terbuka yang diantara sesamanya dapat terjadi pertukaran energi dan materi.

Gambar 2. Model Sistem Bumi. Bumi sebagai benda angkasa merupakan sistem tertutup, sedang sub-sistem Bumi yang terdiri dari atmosfer, hidrosfer, biosfer dan geosfer merupakan sistem terbuka. Sumber: Skinner dan Porter (2000), Gambar 1.19.

Komponen fisik dari Sistem Bumi terdiri dari sub-sistem Daratan (Geosfer), Lautan/Air (Hidrosfer), dan Udara (Atmosfer). Setiap komponen tersebut berinteraksi satu sama lain sehingga di dalam Sistem Bumi terdapat interaksi Daratan-Lautan, Daratan-Udara, dan Lautan-Udara. Secara visual, kondisi keberadaan dari ketiga komponen Sistem Bumi itu dan interaksinya dapat digambarkan sebagai model seperti Gambar 3. Semuanya terintegrasi dalam Ruang dan Waktu.

Gambar 3. Model Sistem Bumi yang memperlihatkan hubungan dan interaksi di antara sub-sistem fisik. Sumber: Global Change News Letter no. 68, Feb. 2007.
Pergerakan material di Bumi terjadi dalam bentuk pergerakan bersiklus[1]. Hal ini berarti bahwa pergerakan terjadi secara kontinyu atau terus menerus. Gambaran ini memberikan kerangka yang baik yang dapat membantu kita mempelajari bagaimana materi dan energi tersimpan dan bagaimana keduanya digerakkan dalam suatu siklus dari satu reservoir ke reservoir yang lain oleh sistem Bumi. Ada dua aspek yang penting bagi gerakan bersiklus, yaitu (1) reservoir tempat material berada, dan (2) aliran atau fluks material-material dari reservoir yang satu ke reservoir yang lain.

Ada tiga siklus yang sangat penting yang menggerakkan material dan energi di Bumi, yaitu:

1) Siklus hidrologi. Siklus ini menggerakkan air di dalam hidrosfer. Keberadaan siklus ini ditunjukkan oleh adanya hujan, salju dan aliran air sungai. Siklus ini terjadi dari hari ke hari dan jangka panjang.

2) Siklus batuan. Siklus ini menggambarkan berbagai proses yang membentuk, memodifikasi, mendekomposisi, dan membentuk kembali batuan oleh proses-proses internal dan eksternal Bumi.

3) Siklus tektonik. Siklus ini berkaitan dengan pergerakan dan interaksi antar lempeng-lempeng litosfer, dan proses di bagian dalam Bimu yang dalam yang mengendalikan pergerakan lempeng-lempeng litosfer.

Ketiga siklus tersebut berkaitan erat satu sama lain melalui proses-proses fisika, kimia dan biologi. Pentingnya ketiga siklus itu akan terlihat bila membicara siklus biogeokimia dari unsur-unsur kimia yang penting bagi kehidupan seperti karbon, oksigen, nitrogen sulfur, hidrogen dan fosfor.
Siklus hidrologi adalah fenomena yang terutama terjadi di atmosfer dan digerakkan oleh panas dari Matahari yang menguapkan air dari samudera dan daratan (Gambar 4A). Uap air yang dihasilkan bergerak naik masuk ke atmosfer dan kemudian bergerak bersama aliran udara. Dalam perjalanannya bersama aliran udara, beberapa bagian uap air mengalami kondensasi dan kemudian mengalami presipitasi dalam bentuk hujan atau salju dan kembali ke samudera atau daratan Gambar 4B. Air hujan yang jatuh ke daratan dapat mengalir masuk kedalam aliran sungai, meresap ke dalam tanah, atau menguap kembali ke udara untuk bergerak kembali dalam siklus. Sebagian air yang di dalam tanah diserap oleh tanaman, dan kemudian mengembalikan air itu ke atmosfer melalui daun dengan proses transpirasi. Salju dapat tetap berada di daratan selama satu atau dua musim dan bisa lebih lama hingga mencair dan airnya mengalir meninggalkan salju. Berbagai reservoir dan alur pergerakan air dalam siklus hidrologi adalah seperti pada Gambar 4C.

Gambar 4A. Siklus hidrologi (panah abu-abu) dan energi Matahari (panah putih). Sumber: Ingmanson dan Wallace (1985).

Gambar 4B. Siklus hidrologi dan transfer material tahunan. Sumber: Duxbury et al. (2002).

Gambar 4C. Siklus hidrologi. Menggambarkan proses dan pergerakan air dari reservoir satu ke reservoir yang lain. Sumber: Skinner dan Porter (2000).
Siklus batuan menggambarkan seluruh proses yang dengannya batuan dibentuk, dimodifikasi, ditransportasikan, mengalami dekomposisi, dan dibentuk kembali sebagai hasil dari proses internal dan eksternal Bumi. Siklus batuan ini berjalan secara kontinyu dan tidak pernah berakhir. Siklus ini adalah fenomena yang terjadi di kerak benua (geosfer) yang berinteraksi dengan atmosfer, hidrosfer, dan biosfer dan digerakkan oleh energi panas internal Bumi dan energi panas yang datang dari Matahari.

Kerak bumi yang tersingkap ke udara akan mengalami pelapukan dan mengalami transformasi menjadi regolit melalui proses yang melibatkan atmosfer, hidrosfer dan biosfer. Selanjutnya, proses erosi mentansportasikan regolit dan kemudian mengendapkannya sebagai sedimen. Setelah mengalami deposisi, sedimen tertimbun dan mengalami kompaksi dan kemudian menjadi batuan sedimen. Kemudian, proses-proses tektonik yang menggerakkan lempeng dan pengangkatan kerak Bumi menyebabkan batuan sedimen mengalami deformasi. Penimbunan yang lebih dalam membuat batuan sedimen menjadi batuan metamorik, dan penimbunan yang lebih dalam lagi membuat batuan metamorfik meleleh membentuk magma yang dari magma ini kemudian terbentuk batuan beku yang baru. Pada berbagai tahap siklus batuan ini, tektonik dapat mengangkat kerak bumi dan menyingkapkan batuan sehingga batuan tersebut mengalami pelapukan dan erosi. Dengan demikian, siklus batuan ini akan terus berlanjut tanpa henti (Gambar 5).

Gambar 5. Siklus batuan. Menggambarkan proses yang menyebabkan batuan berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain dan ditransportasikan. Sumber: Skinner dan Porter (2000)
Berbeda dari sikus batuan yang terutama merupakan fenomena yang terjadi di kerak benua, maka siklus tektonik terutama melibatkan kerak samudera, dan prosesnya didominasi oleh proses-proses di bagian dalam Bumi yang digerakkan oleh energi geotermal Bumi.

Gambaran siklus tektonik dapat dilihat pada Gambar 6A dan B. Ketika magma yang datang dari mantle muncul di tempat pemekaran lantai samudera, maka ditempat itu akan terbentuk kerak samudera baru. Kerak samudera yang tua akan kembali ke dalam mantle di zona penunjaman. Dengan demikian, masa hidup kerak samudera lebih pendek daripada masa hidup kerak benua.

Gambar 6A. Siklus tektonik. Kontak antara magma dengan air laut di zona pemekaran samudera menunjukkan interaksi antara geosfer dan hidrosfer yang mempengaruhi komposisi air laut, sementara itu volkanisme menunjukkan kontak antara geosfer dan atmosfer yang mempengaruhi komposisi udara. Sumber: Skinner dan Porter (2000).

Gambar 6B. Siklus tektonik. Menggambarkan aliran proses dan pergerakan material. Sumber: Skinner dan Porter (2000).

Fenomena volkanisme dapat terjadi berkaitan dengan mekanisme penunjaman. Ketika kerak samudera masuk kembali ke dalam mantel dan meleleh kembali, unsur-unsur volatil dari kerak samudera itu menyebabkan kerak benua di atasnya meleleh. Magma yang terbentuk muncul ke permukaan sebagai gunungapi. Dengan demikian terjadi penambahan material baru ke kerak benua. Di pihak lain, aktifitas gunungapi yang mengeluarkan debu dan gas dari dalam Bumi mempengaruhi komposisi udara. Kondisi ini menunjukkan interaksi antara geosfer dan atmosfer.

Selain di zona penunjaman, magma dapat muncul di daerah pemekar lantai samudera. Di daerah pemekaran lantai samudera, interaksi antara kerak samudera dengan samudera di atasnya mempengaruhi komposisi air laut disekitarnya. Magma yang muncul di zona pemekaran dan membentuk kerak samudera baru membentuk batuan beku yang panas dan bereaksi dengan air laut. Unsur-unsur dari dalam batuan yang panas bereaksi dengan unsur-unsur yang ada di dalam air laut. Ini adalah salah satu cara mantle mempengaruhi komposisi air laut, dan juga cara yang penting bagaimana material dan proses dari siklus tektonik berinteraksi dengan siklus hidrologi.
Keterkaitan antar Siklus

Gambaran hubungan antara siklus hidrologi, siklus batuan dan siklus tektonik dapat dilihat pada Gambar 7. Interaksi semacam itu telah berlangsung secara terus menerus sejak di Bumi terdapat air laut sekitar 4 milyar tahun yang lalu.

Gambar 7. Keterkaitan antara siklus hidrologi, siklus batuan dan siklus tektonik. Sumber: Skinner dan Porter (2000).

Hal yang penting dari interaksi ketiga siklus tersebut adalah gambaran tentang bagaimana material bergerak dari satu reservoir ke reservoir yang lain dan proses-proses yang menggerakkannya. Selain itu, ketiga siklus tersebut juga memperlihatkan bagaimana peranan energi panas yang berasal dari bagian dalam Bumi dan dari Matahari berperanan dalam menggerakkan suatu proses dan memindahkan material dari satu reservoir ke reservoir yang lain.
Ada dua hal utama yang membedakan antara Bumi dengan planet-planet yang lain di dalam Sistem Tata Surya, yaitu:

1) Bumi memiliki air dalam jumlah besar dan membentuk sub-sistem hidrosfer sedang planet-planet yang lain tidak memiliki air. Dengan kata lain, hidrosfer hanya dijumpai di Bumi dan tidak dijumpai di planet-planet yang lain.

2) Di Bumi terdapat fenomena tektonik lempeng sedang di planet-planet yang lain tidak ada. Fenomena tektonik lempeng mengindikasikan bagian internal Bumi yang cair dan memiliki energi panas yang tinggi.

Berlangsungnya siklus hidrologi, siklus batuan dan siklus tektonik di Bumi berkaitan erat dengan keberadaan dua hal tersebut. Siklus hidrologi tidak dapat berlangsung bila di Bumi tidak ada hidrosfer, sedang siklus batuan dan tektonik tidak dapat berlangsung bila tidak ada tektonik lempeng. Dengan demikian, bila keberadaan hidrosfer dan tektonik lempeng hanya ada di Bumi, maka ketiga siklus tersebut hanya berlangsung di Bumi dan tidak dapat berlangsung di planet-planet yang lain.
Bumi berbentuk oblate spheroid, yang berarti diameter ekuator lebih panjang daripada diameter kutub. Bumi berrotasi pada sumbunya dari barat ke timur, dan Bumi berrevolusi mengelilingi Matahari dengan orbit yang berbentuk ellips. Pada titik terdekat – yang disebut perihelion, jarak Bumi dan Matahari 147.000.000 km dan terjadi pada bulan Juli, sedang pada titik terjauh – yang disebut aphelion, berjarak 150.000.000 km dan terjadi pada bulan Januari. Fakta lain adalah bahwa sumbu rotasi Bumi membentuk sudur 23,5o terhadap bidang orbit Bumi.

Bentuk bumi bulat menyebabkan penyerapan radiasi sinar Matahari oleh Bumi berkurang sesuai dengan perubahan posisi lintang dari ekuator ke kutub (Gambar 8). Selanjutnya, posisi sumbu rotasi Bumi yang menyudut 23,5o terhadap bidang orbit Bumi menyebabkan terjadinya variasi penyinaran tahunan di permukaan Bumi (Gambar 9). Variasi pemanasan Bumi ini mengendalikan sirkulasi samudera dan atmosfer, dan juga siklus hidrologi.

Gambar 8. Variasi intersitas penyinaran Matahari terhadap permukaan Bumi sebagai akibat dari perbedaan posisi lintang. Perbedaan intersitas penyinaran itu menyebabkan perbedaan energi panas dari Matahari yang diterima oleh Bumi sesuai dengan posisi lintang suatu tempat di permukaan Bumi. Sumber: Berner dan Berner (1987).

Gambar 9. Gerak revolusi Bumi terhadap matahari dan posisi sumbu rotasi Bumi yang membentuk sudut 23,5o terhadap bidang orbit Bumi menyebabkan perubahan musim sepanjang tahun. Sumber: Berner dan Berner (1987).

Sirkulasi atmosfer adalah konsekuensi dari ketidakseimbangan panas di permukaan Bumi yang terjadi karena perbedaan intensitas penyinaran yang telah dibicarakan di atas, dan gerak rotasi Bumi. Gambaran umum sirkulasi atmosfer yang menunjukkan angin rata-rata tahunan disajikan dalam Gambar 10.

Gambar 10. Gambaran umum sirkulasi atmosfer. Sumber: Berner dan Berner (1987).

Pos ini dipublikasikan di Uncategorized. Tandai permalink.

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s