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