bab 3 elektrifikasi badai petir_final

7/29/2019 Bab 3 Elektrifikasi Badai Petir_FINAL

1/56

ELEKTRIFIKASI BADAI

PETIR

By:

Hanung Natendra S - 23210105

Widya Anggoro Putro - 23210106

Bambang Cahyono - 23210109


2/56

Referensi

The Institution of Energy andTechnology, London, United Kingdom.Power and Energy Series, TheLightning Flash

Chapter 1Charge Structure and GeographicalVariation of Thunderclouds by Earle

Williams

Chapter 2Thunderstorm Electrification Mechanismby Rohan Jayaratne


3/56

Thunderstorm

Petir, guruh, cumulonimbus

Hujan Es

Salju

Angin Kencang

Hujan Deras

Tidak Hujan sama sekali


4/56

Formasi Awan

Awan di atmosfer terdiri dari tetesanair dan kristal es.

Partikel padat dan cair > panjang

gelombang cahaya yang dapat dilihat.

Udara terkena sinar matahari

dipermukaan bumi dan naik ke atas

Udara mengalami supersaturasimenjadi uap air.

Lifted Condensation Level (1 km)


5/56

Awan Petir

Pemisahan muatan listrik :Tumbukan antara graupeldengan kristal es atau dengan

partikel graupel lainnya. Partikel graupel terbentuk

ketika butiran cairan yang superdingin ditambah dengan butiranes dan membeku sehinggaukurannya bertambah


6/56


7/56

Struktur Muatan Awan Petir

Metode pengindera jarak jauh

Teori G.C. Simpson (pengukuran muatanmenggunakan balon) dan C.T.R. Wilson

(mengukur jarak petir, perubahan medanelektrostatik saat terjadi petir, mengukurbesar dan polaritas muatan)

Simpson = Mengukur kerapatan muatanruang, Wilson = Menentukan besaranmuatan yang ditransfer oleh rangkaian petir


8/56


wilson


9/56



10/56

Variasi Geografis Awan Petir

Bentuk, ukuran, intensitas awan petir

bervariasi dipengaruhi oleh kondisi

lingkungan.

Pertimbangan kondisi lingkungan adalah:

Ketersediaan uap air

Ketidakstabilan atmosfer

Jarak vertikal dari awan apung

Ketinggian daerah fasa campuran

Konsentrasi aerosol

Efek daratan vs lautan


11/56



12/56


Ketersediaan uap air

Energi dari awan petir berasal dari energi laten

panas yang dilepas ketika uap air berubah

menjadi bentuk cair atau padat lewat proseskondensasi, deposisi uap dan pembekuan.

Perbedaan temperatur tergantung pada

konsentrasi uap air pada kondisi saturasi


13/56


Ketidakstabilan atmosfer Gerakan vertikal dari udara disebabkan oleh gaya

awan apung akibat adanya perbedaan temperatur,konsentrasi uap air dan kondensasi antara udara

naik dan turun dan lingkungannya. CAPE yang besar atmosfer akan menghasilkan

updraft yang besar dan badai aktif elektrik yangkuat.

Updraft yang besar akan mengakibatkan endapanpada daerah fasa campuran di awan dan pengaruhdari pemisahan muatan menjadi besar.

CAPE yang besar diakibatkan pemanasanpermukaan, pada daratan lebih mudah panas.


14/56


Panjang Vertikal dari awan apung Air parcels mengalami gaya apung ke atas

pada jarak vertikal yang lebih besar, sehinggakecepatannya meningkat dan akanmenghasilkan badai petir

Ketinggian dimana gaya apung ke atas samadengan nol dinamakan Level of NeutralBuoyancy (di bawah tropopause)

Ketinggian tropopause Tropik 17 km

Midlatitude summer 12-13 km

Midlatitude winter 6-7 km


15/56


Ketinggian daerah fasacampuranDibatasi 0C dan -40C Tinggi pada musim panas 4-5 km

dan semakin dekat pada musim

dingin

Konsentrasi aerosol


16/56


Efek Daratan vs LautanPemanasan daratan

CAPE

Updraft

Teori konvektif


17/56



18/56

Mekanisme elektrifikasi badai

petir

Teori elektrifikasi muatan masih

menjadi misteri yang harus

dipecahkan.

Sir John Mason mengidentifikasikan

bahwa elektrifikasi badai petir sebagai

satu dari tiga problem yang belum

sempurna untuk dipecahkan dalamilmu fisika awan


19/56

Mekanisme pembentukan badai

petir(Contd)

Mason + Moore & Vonnegut : Ketinggian awan harus > 3-4 km.

Semakin tinggi awan memproduksi lebihbanyak frekuensi terjadinya petir.

Walaupun petir dapat terjadi di warmclouds, proses elektrifikasi yang kuatdiobservasi hanya jika awan melebihifreezing level

Daerah elektrifikasi awanbadai hampirselalu berhubungan dengan ice &supercooled water


20/56


petir(Contd)

Mason + Moore & Vonnegut (contd): Elektrifikasi yang kuat terjadi ketika awan

memperlihatkan aktivitas konveksisecara cepat dan vertikal

Pembentukan muatan dan prosespemisahannya erat berhubungandengan proses pembentukan hujan

Sambaran pertama petir sering terjadi

sekitar 12-20 min setelah penampakanpartikel hujan. Durasi rata-rata pembentukan petir dari

satu awan badai sekitar 30 min


21/56


petir(Contd)Mason + Moore & Vonnegut (contd): Lokasi pusat muatan ditentukan oleh

temperatur, bukannya ketinggian awan.

Nilai muatan yang terkandung sekitar 20-30C

Tahap awan matang , medan elektrik sebesar400 kV/m dapat terjadi.

Penjelasan diatas menyimpulkan bahwaproses elektrifikasi terjadi pada kondisi esdiawan walaupun beberapa kali pernahterjadi pada suhu yang lebih hangat (>0C)


22/56


petir(Contd)


23/56


24/56

Mekanisme Induksi

Salah satu teori lama yang palingpopuler

Bergantung pada medan listrik vertikal

yang ada untuk menginduksikanmuatan polarisasi dalam partikel

Partikel yang lebih kecil dibawah

partikel yang lebih besar, partikeldengan muatan yang berlawanan

terpisah dan muatannya menaikkan

medan listrik


25/56

Mekanisme Induksi (Pict)


26/56

Mekanisme Induksi (Contd)

Elster&Geitel : tetes air yang jatuh danmenumbuk droplet dan terpolarisasi akibatadanya medan listrik vertikal.

Muller-Hillebrand : menghitung magnitudedari muatan terpisah ketika 2 partikelberinteraksi dalam medan listrik (denganparameter : radius,waktu kontak,titikpertemuan)

Jennings : mekanisme induksi droplet hanya

menghasilkan medan pecahan dari medanlistrik keseluruhan (antara air-air)

Latham&Mason : menjelaskan tentangkemungkinan transfer muatan induksi ketikakristal es memantul antar es-es


27/56


Aufdermaur&Johnson : menunjukkan bahwadroplet yang sangat dingin dapat mengeluarkanmuatan dari butir es dalam medan listrik radial.Pada medan listrik radial, butir es memilikiperbedaan potensial terkait dengan lingkungan

sehingga tumbukan sesaat disetiap titikdipermukaan memisahkan sejumlah muatanyang sama.

Gaskell : menemukan bahwa droplet beku yangmemantul dari butir es dalam medan listrik

memisahkan muatan yang tidak dapat dijelaskansecara sederhana dalam bentuk muatan induktif

Illingworth&Caranti : Konduktivitas es terlalurendah untuk transfer muatan lengkap olehproses induktif selama waktu kontak partikel es

(secara tipikal,


28/56


Kesimpulan mekanisme induksi :

- Proses transfer muatan dapat

dipahami

- Magnitude transfer muatan bisadihitung

- Model yang digunakan oleh masing-

masing peneliti berbeda-beda danjuga hasil yang didapatkan, sehingga

kesulitan untuk menggabungkan antar

hasil uji.


29/56

Mekanisme Konveksi

Pertama kali diteliti oleh Grenet, dilanjutkanoleh Vonnegut

Teorinya berdasarkan pergerakan partikel iondi atmosfir secara kuat ke arah atas didalam

awan badai dan dengan kompensasi iondiluar awan yang bergerak turun

Ion Positif yang dihasilkan oleh muatanditanah bergerak naik hingga ke permukaan

awan bagian atas. Kemudian menyebabkansedikit ion negatif menyisip di bagian atasdan banyak ion negatif bergerak turunkebawah untuk menghasilkan kembali ionpositif di tanah.


30/56

Mekanisme Konveksi (Pict)


31/56

Mekanisme Konveksi

Kesimpulan mekanisme konveksi :- Ada pertanyaan dari Chalmers bahwa ion negatif

seharusnya juga ikut terbawa bersamaan dengan ionpositif saat pergerakan keatas.

- Standler & Winn juga menunjukkan total point dischargecurrent terlalu kecil untuk menghasilkan petir.

- Wormell juga menunjukkan bahwa konsentrasi ion tidakcukup untuk meng generate ion berikut untuk siklusselanjutnya.

- Ada juga yang meragukan mengenai proses waktudimana point discharge tidak terjadi jika medan yang

menginduksi tanah tidak mencapai 800 V/m dan lebihjauh lagi, ion positif butuh waktu untuk mencapai bagianatas awan.

- Sehingga : Teori konveksi gagal untuk menjelaskanproses awal elektrifikasi awan badai petir.


32/56

Teori Selective Ion Capture

Diperkenalkan oleh Wilson Tetes hujan yang turun terpolarisasi

akibat adanya medan listrik vertikal ke

arah bawah. Menghasilkan muatan sisa yang

menentukan jenis muatan awan badaipetir

Wormell menyanggahnya bahwakonsentrasi ion di atmosfer tidakcukup untuk menyebabkan adanya

muatan sisa.


33/56

Teori Drop Breakup

Tetes air jatuh yang tidak bermuatan dalam medanlistrik vertikal kearah bawah akan terpolarisasi menjadiion positif di bawah hemisphere dan ion negatif diatashemisphere.

Jika tetes air yang jatuh tersebut pecah sepanjangequator, akan menghasilkan fragmen sebesar 0,3 nC

masing-masing droplet. Matthews dan Mason menunjukkan bahwa muatan

yang terpisah meningkatkan medan listrik dan fragmenyang lebih besar bermuatan positif. Merekaberkesimpulan bahwa muatan positif yang lebih kecilberada dalam titik engah awan badai.

Problem utama mengenai teori ini bahwa tetes air yangbesar tidak dapat pecah dengan mudah hanya jika haltersebut bersinggungan dengan tetes yang lain.Selanjutnya, tetes air jatuh tidak selalu pecah di equatorsehingga mengurangi jumlah muatan yang terpisah.


34/56

Teori Melting of Ice

Dinger&Gunn + Drake : Ketika esmencair, menghasilkan muatan positifnetto

Iribane + Mason : Muatan dipisahkanoleh gelembung udara kecil padabagian permukaan saat prosespeleburan es

Akan tetapi, polaritas dari muatanpositif dalam proses peleburan estidak dijelaskan yang membuat teoriini susah diterima oleh para ahli yanglain


35/56

Percobaan Pengembunan (Riming

Experiment)

Hipotesa Baker dkk mampu menjelaskantanda transfer muatan yang terjadi antara 2partikel es yang berinteraksi sehubungandengan laju pertumbuhan relatif tanpa adanyapengembunan.

Percobaan dilakukan pertama kali olehReynolds dkk memutar sebuah bola logamtertutup es melalui awan yang sangat dingin dankristal es dalam freezer yang dapat didinginkan

ke -25 C. Bola memperoleh: Muatan listrik negatif ketika kadar air awan tinggi

Muatan positif ketika kadar air awan rendah. Dalamkasus terakhir, tanda bisa dibalik untuk negatif

dengan memanaskan bola dengan lampu.


36/56


Experiment)

Takahashi memutarbatang berdiameter 3mmmelalui suatu tetesanawan yang sangat dingindan kristal es pada

kecepatan 9m/dtk,menunjukkan bahwa tandadan besar muatan yangdiperoleh di batangdipengaruhi olehtemperatur dan kadar airdi awan. Temperatur sekitar -10C

muatan di batang (+) disemua kadar air awan

Temperatur lebih rendah

muatan(+) pada kadar airtin i dan rendah ta i



37/56

Studi serupa dilakukan olehJayaratne, menunjukkanbahwa butir graupel mengikutiinteraksi kristal es:

Memberikan muatan positifpada temperatur dan kadar airtinggi di awan

Muatan negatif padatemperatur dan kadar air lebihrendah

Pada kadar air 1gr/m3perubahan tanda muatanterjadi di temperatur20C.

Gambar di samping jugamenjelaskan bahwatemperatur pembalikanmuatan akan tinggi pada kadarair rendah.

Kadar air 0.2g/m3 temperatur

pembalikan muatan 10C.


Experiment)

Muatan yang diperoleh dari kejadian

pemantulan kristal es dengan butir

graupel yang bergerak pada

kecepatan 3m/detik melalui mixedcloud.



38/56

Penelitian Jayaratne tersebut juga

digunakan untuk menjelaskan kehadiranstruktur muatan tripolar klasik di awan petir. Pada temperatur di atas temperatur pembalikan

tanda muatan graupel akan memiliki muatan

(+) dan kristal reboundakan membawa muatannegatif pada updraughts.

Di bagian atas awan, pada temperatur rendah kristal akan membawa muatan (+)

membentuk pusat muatan (+) di bagian atasawan.

Butiran yang jatuh membawa muatan (-) danditambah dengan kristal es dari bawah,membentuk pusat muatan (-) pada temperaturpembalikan tanda.


Experiment)



39/56

Baker dkkmengembangkan studi

Jayaratne sampai suhu -

35C perubahan tanda

terjadi pada suhu 18C Kadar air di awan = 0.3

gr/m3

Rata-rata ukuran kristal = 40m

Konsentrasi kristal = 50/ml

Kecepatan = 3m/detik


Experiment)


40/56

Pertumbuhan Rata-Rata Relatif dan

Lapisan Air (liquid like layer)

Percobaan charging kristal es/graupel,

Baker (1987)

menjelaskan muatan dengan tanda terbalik

dalam faktor pertumbuhan relatif rata-rata

partikel yang berinteraksi.

Target pengembunan :

menangkap butiran air yang sangat dingin

Butiran air juga bertambah akibat proses

diffusi dari penguapan lingkungan.


41/56



Kristal es kecil dalam awan yangtumbuh terjadi karena proses diffusi dari

penguapan lingkungan Waktu proses pembekuan butiran air

pada permukaan embun tergantungpada suhu; pada suhu yang rendah: pembekuan

butiran cepat, hanya ada sedikit uap yangterlepas

pada suhu yang lebih tinggi lebih banyakua terle as


42/56

Baker dan Dash (1989) : mencari mekanisme yang menyebabkan

bertambahnya tingkat pertumbuhan rata-ratamuatan yang berpindah

mendapatkan bahwa orientasi molekuldipermukaan menyebabkan kelebihan ion negatifdalam lapisan yang mengalami pencairan yangkacau pada permukaan es.

Muatan dipermukaan tergantung pada

pertumbuhan rata-rata;partikel yang tumbuh dengan cepat

mempunyai lapisan dengan permukaan yanglebih tipis

mempunyai lebih banyak muatan negatif saat




43/56

Potensial Kontak Charging

Caranti dan Illingworth pengembunanpada permukaan es mempunyai potentialyang lebih negatifdibandingkan denganpermukaan yang tidak mengalami

pengembunan. Potensial kontak menjadi lebih negatif dengan

menurunnya suhu hingga mencapai harga yangsebenarnya sekitar -400 mV pada suhu sekitar -20 0C.

Hipotesa mereka kristal es bertumbukandengan permukaan yang mengembunmenyebabkan charging negatif pada awankarena perbedaan potensial kontak antara kristaldan permukaan yang mengembun.


44/56

Caranti (1985) menemukan perubahanpada potential kontak berhubungandengan perubahan penguapan.

Avila dan Caranti (1991, 1992)

percobaan yang menggunakan butiranes yang berinteraksi dengan permukaanyang mengalami pengembunan mekanisme potensial kontak tidak dapat aktif

karena kedua permukaan yang berinteraksiyang mempunyai potensial kontak yangsama telah dibentuk akibat prosespembekuan yang cepat dari air yang sangatdingin.

Potensial Kontak Charging


45/56

Pengaruh ukuran droplet Percobaan Jayaratne and Saundersspektrum ukuran droplet

berperan penting dalam menentukan tanda muatan yang terpisah

selama tabrakan antara graupel dan kristal es (percobaan

dilakukan dengan rata-rata diameter droplet awan 10 m

diperbesar sampai 30 m). Jayaratne dan Saunders

mengulangi percobaan

menggunakan ukuran dropletlebih kecil ( diameter kurang dari

4m)

Diperoleh hasil, pada suhu 10C

graupel bermuatan (-).

Dengan spektrum ini, maka pengaruh

muatan-temperatur pembalikan muatanakan berubah dibandingkan dengan

menggunakan ukuran sebelumnya

Dari percobaan Avila dkk, menunjukkan hal yang berbeda.

Muatan graupel negatif pada semua temperatur jika ukuran spektrum droplet dibuat jauh

lebih besar dari 30 m

Pengaruh ukuran droplet


46/56

Droplet besarmemerlukan waktu lebih

lama untuk membeku

memberikan kristal waktu

lebih lama untuk

menemukan area

pertubuhan yang cepat di

permukaan graupel Efek ini dapat

memprediksi tanda

pengisian muatan graupel

dengan ukuran droplet

Pengaruh ukuran dropletTerhadap laju pertumbuhan relatif partikel (1)



47/56

Droplet dengan ukuran lebih besarlebih menyebar dan membekuseperti hemispheres;, sementaradroplet ukuran lebih kecil lebihterkonsentrasi dan membekuseperti spheres dan sering

membentuk struktur seperti rantai. Area pertemuan graupel dan

droplet meningkat seiring ukurandroplet droplet lebih besarmemberikan kondukti panas lebihbesar

Pada ambient temperatur sama,droplet lebih besar akan membuatpartikel graupel lebih hangat

Efek ini dapat memprediksi tandapengisian muatan graupel denganukuran droplet besar/kecil


Schematic diagram showing the structure of rime formed by smalldroplets.



48/56

Pada jumlah yang sama, droplet ukuran kecil akanmenghasilkan area pertumbuhan lebih besar dipermukaan graupel. Pada temperatur dan laju pertambahan pengembunan

yang sama, kristal akan memiliki kesempatan lebihbesar untuk menemukan area pertumbuhan

Droplet ukuran besar mempunyai area permukaan lebihkecil dibandingkan droplet kecil pada massa yang sama.

Pada temperatur dan laju pertambahan pengembunanyang sama, droplet besar menyediakan uap kepermukaan graupel lebih sedikit.

Efek ini dapat memprediksi tanda pengisian muatangraupel (-)/(+)dengan ukuran droplet besar/kecil

Pengaruh ukuran dropletTerhadap laju pertumbuhan relatif partikel (3-4)



49/56

Efek ukuran droplet awan terhadap lajupertumbuhan kristal es (lebih kecil, lebih cepat): Laju pertumbuhan kristalmeningkat jika droplet

lebih banyak

Pada kadar air yang sama, flux penguapan lebih

besar pada droplet kecil (karena mempunyai arealebih besar)

Pertumbuhan kristallebih cepat di awan dengandroplet kecil

Laju pertambahan embun sama

(droplet kecil memiliki efisiensi tabrakan lebih kecil)

Pertumbuhan kristal yang lebih cepatmemberikan muatan lebih (-) berdasarkanhipotesa laju pertumbuhan relatif


P h Ch i l I iti


50/56

Kotoran kimia mempunyaiefek yang besar pada tandatransfer muatan saattabrakan antar es: NaCl pada embun graupel

bermuatan (-)

Garam amonium graupelbermuatan (+)

Investigasi Jayaratne dkk : Besarnya pengisian

meningkat tajam seiringpenurunan temperatur.

Saat ini, belum adapenjelasan yang masukakal tentang perbedaanpengisian muatan tersebut

Pengaruh Chemical Impurities

Pengisian muatan setiap tabrakan kristal sebagai fungsi

temperatur. Awam mengandung cairan asam sulfat dan

NaCl

P h Ch i l I iti


51/56

Mobilitas ion di air dan es

berbeda-beda. Contoh: ion Cl- lebih mudah

berdifusi ke es dibandingkan ion

Na+.

Sehingga pemukaan es yangterkontaminasi NaCl, akan bermuatan

(+) di sekitar lapisan kuasi-cair.

Hal ini berdampak kristal es akan

menghilangkan muatan (+) pada

lapisan ini sehingga graupel bermuatan(-)

Demikian juga dengan ion NH4+

yang bergabung di dalam es

memberikan muatan positif selama

interaksi kristal es.


P h Ch i l I iti


52/56

Pengaruh chemical impurities dalam menentukan tandadan besar muatan yang terpisah saat terjadi tabrakanantar partikel es : masih merupakan suatu misteri

belum dapat dijelaskan dengan suatu hipotesa.

Sangat masuk akal apabila membayangkan badai petirdi beberapa lokasi geografis yang berbeda akanmengandung inti kondensasi awan berupa macam-macam zat kimia, seperti kelebihan garam di awandaerah pantai dan maupun laut.

Badai petir di seluruh dunia menunjukkan struktur

muatan yang mirip. Pertanyaan-pertanyaan ini menimbulkan kesulitan

besar untuk menjelaskan elektrifikasi badai dalam halmekanisme pengisian es-es non-konduktif.



53/56

Efek-Efek Medan Listrik Thunderstorm

Medan listrik yang berkembang dalamthunderstorm (hujan angin disertai petirdan guruh) mencapai orde 100 kV/m Medan ini cukup tinggi untuk mempengaruhi

perilaku awan dan partikel-partikel endapan(precipitation particles).

Richards dan Dawson (1971) menaikkantetes air pada terowongan angin (windtunnel) dan menerapkan medan listrik

vertikal yang menyebabkan distorsitetesan. Untuk tetes radius 3mm, medan kritis sekitar

900 kV/m.


54/56

Griffith dan Latham (1972) menunjukkanbahwa pada level tekanan 500-mbar, medankritis turun menjadi 550 kV/m.

Medan kritis paling rendah dicatat oleh Crabb

dan Latham (1974), yang menumbukanpasangan tetes air radius 2,7 mm dan 0,65mm dengan kecepatan relatif 5,8 m/s.

Mendeteksi corona pada medan sampaiserendah 250 kV/mmenunjukkan bahwainteraksi partikel dapat memulai petir.

Medan listrik pada thunderstorm dapatmengubah kecepatan jatuh partikel-partikelbermuatan

Efek-Efek Medan Listrik Thunderstorm


55/56

Penutup

Masih ada masalah-masalahmengenai elektrifikasi thunderstormyang belum terungkap, misalnya: Apakah jelas bahwa materi permukaan,

yang bisa mengangkut muatan, dialihkanselama proses kontak?

Masalah lain yang perlu dijelaskanadalah pengamatan Curran dan Rust(1992) bahwa thunderstorm pengendapanrendah menghasilkan pukulan petir positifke tanah (ground).


56/56

Usaha Yang Dilakukan

Eksperimen untuk simulasi situasi awal riilsedekat mungkinpenting untuk mengisiinformasi dari studi-studi lapangan.

Penggunaan model-model numerik, misalnya,Dye et. al. (1986), Lantham dan Dye (1989), dan

Norville et. al (1991) menggunakan awanCCOPE yang diteliti secara cermat di Montanauntuk menguji elektrifikasi melalui cara tumbukankristal/graupel dengan model satu-dimensi.

Helsdon dan Farley (1987) menggunakan awan

yang sama dalam model dinamis tiga-dimensiyang meliputi pemuatan dengan banyak proses.

Studi-studi dengan radar Doppler pesawat danbalon selanjutnya dibutuhkan, bersama denganteknik penginderaan jarak jauh berbasis-ground .

bab 3 elektrifikasi badai petir_final

Documents