Arus

Arus merupakan salah satu komponen fisika laut yang bersifat dinamis, yakni berupa perpindahan atau aliran massa air baik secara mendatar (horizontal) maupun menegak (vertikal) dari satu tempat ke tempat lain sampai mencapai suatu keseimbangan. Skala arus sangat bervariatif, mulai hanya berskala beberapa cm misalnya turbulensi molekuler sampai beberapa ratus kilometer atau eddy berskala besar misalnya North dan South Pasific Gyre. Secara umum sirkulasi laut dunia dapat dibedakan menjadi dua, yakni arus permukaan (surface circulation) dan arus laut dalam (deep sea circulation). Kelompok pertama terutama disebabkan oleh angin permukaan (wind-driven current), sedangkan kelompok kedua terutama disebabkan oleh adanya perbedaan suhu dan salinitas (thermohaline circulation).

Pemahaman tentang arus sangat penting dalam mendalami ilmu perikanan dan kelautan, khususnya dalam eksplorasi sumberdaya laut, marikultur, penangkapan serta pengelolaan sumberdaya alam dan lingkungan laut. Ada beberapa alasan, mengapa memahami arus laut penting? Pertama, arus berperan penting dalam medistribusikan bahang dari lintang rendah ke lintang tinggi (meridional circulation), demikian juga sebaliknya. Bahkan akhir-akhir ini dikenal bahwa arus juga mendistribusikan bahang sejajar garis lintang (zonal circulation) yang dapat mempengaruhi iklim regional contohnya El Nino dan La Nina di perairan Pasifik Tropis serta fenomena dwi kutub (Dipole Mode) di perairan Samudera India Tropis. Kedua, arus berfungsi mendistribusikan semua materi yang terlarut dan berada di dalam kolom air laut, termasuk nutrien dan organisme plankton yang berperan sebagai rantai makanan penting di laut. Di sisi yang lain arus juga mampu mendistribusikan bahan pencemar (pollutant) dari sumber pencemar ke perairan sekitar yang dilalui aliran arus laut tadi.

Sirkulasi Umum Atmosfir

Arus permukaan (surface circulation) tidak akan terlepas dari karakteristik atmosfir yang ada di atas permukaan laut. Kombinasi dari rotasi bumi pada porosnya dan posisi matahari yang berubah secara periodik memberikan pemanasan yang berbeda di permukaan bumi (Gambar 1).

Gambar 1. Sebaran suhu muka laut (SST) pada bulan Januari 1991 (NOAA)

Suhu muka laut di daerah lintang rendah atau daerah tropis lebih panas (ditandai dengan warna merah) dibandingkan dengan lintang rendah atau daerah-daerah mendekati kutub (ditandai dengan warna biru). Penerimaan panas yang berbeda tersebut membuat tekanan udara di atasnya juga menghasilkan tekanan udara yang berbeda pula. Tekanan udara yang lebih tinggi dijumpai pada lintang 23,5^o L.U dan 23,5^o L.S. , sedangkan di daerah tropis yang bersuhu panas memiliki tekanan udara rendah.

Gambar 2 menggambarkan posisi daerah-daerah bertekanan udara tinggi dan bertekanan udara rendah, serta pola umum pergerakan angin permukaan. Angin atau udara bergerak dari daerah bertekanan udara tinggi (23,5^o L.U. dan L.S.) ke daerah bertekanan udara rendah (daerah tropis atau ekuator), daerah tujuan angin dari dua subtropic high di ekuator dikenal sebagai daerah intertropical convergence (doldrums).

Gambar 2. Pola umum sirkulasi udara (angin) dan pusat-pusat tekanan udara rendah dan tinggi
(Open University, 1989).

Pola umum angin permukaan rata-rata untuk bulan Juli dan Januari dihitung dari sejumlah data (tahun 1980-1989). Pola angin permukaan di bagian utara dan selatan ekuator bergerak dari lintang 23,5^o L.U. dan L.S. Di laut selatan sekitar lintang 60^o L.S. angin permukaan tampak bergerak ke timur dengan kecepatan tinggi baik pada bulan Juli maupun pada bulan Januari (Gambar 3).

Gambar 3.

Angin permukaan rata-rata untuk bulan Juli (panel atas) dan Januari (panel bawah), dihitung dari data cuaca dari tahun 1980-1989 (Stewart, 2000). Di daerah antara lintang 23,5^o dan 60^o L.U. baik di Samudera Pasifik maupun

Atlantik pola angin membentuk aliran melingkar atau eddys beskala besar bergerak anticyclonic yang dikenal dengan nama gyre. Di Pasifik Utara dikenal dengan sebutan North Pacific Gyre, di Atlantik Utara adalah North Atlantik Gyre. Sebaliknya juga terjadi di belahan bumi selatan yang masing-masing dikenal sebagai South Pacific Gyre dan South Atlantic Gyre (Gambar 3).

Pola Umum Arus Permukaan

Arus permukaan yang dibangkitkan oleh angin melalui suatu proses transfer energi dari energi angin menjadi energi gerak, proses ini terjadi dalam bentuk tegangan geser yang disebabkan oleh angin (sea surface wind stress). Besar tegangan geser ini bergantung kepada besar kecilnya kecepatan angin, kekasaran permukaan laut dan densitas udara.

Gambar 4. Pola umum arus permukaan laut yang terutama digerakkan oleh angin permukaan
(Open University, 1989) .

Bila Gambar 4 disandingkan dengan Gambar 3 maka dapat terlihat dengan jelas bahwa pola umum arus permukaan laut hampir sama dengan pola aliran angin permukaan. Nama-nama arus permukaan yang ditulis pada peta tersebut umumnya dikaitkan dengan nama tempat dimana arus tersebut melintas atau mengalir, misalnya arus permukaan yang bergerak ke arah ekuator di pantai barat California disebut dengan California Current, arus yang bergerak ke utara menuju ekuator di sepanjang pantai barat peru disebut dengan Peru Current. Contoh-contoh arus permukaan lainya dapat dilihat pada Gambar 4.

Ekman Spiral

Tubrukan antar molekul udara dan tubrukan antar molekul air di lapisan permukaan laut karena angin menimbulkan gesekan di lapisan permukaan laut akhirnya menyebabkan arus permukaan. Pergerakan mass air permukaan diikuti oleh massa air yang berada di lapisan bawah akibat adanya gaya friksi bekerja. Bila angin mengalir secara konstan dan dalam waktu lama, maka gerakan massa air atau arus ini terjadi sampai di kolom air laut yang lebih dalam. Oleh karena sumber kekuatan angin semakin dalam semakin melemah, maka kekuatan arus juga melemah. Disamping kecepatan arus yang melemah, arah arus juga mengalami perubahan dengan bertambahnya kedalaman. Deviasi ini diakibatkan oleh adanya pengaruh Coriolis. Di belahan bumi utara gerakan air di permukaan dibelokkan ke kanan terhadap arah aliran angin (Gambar 5).

Penurunan kecepatan arus dengan bertambahnya kedalaman dan pembelokan arah arus dari permukaan sampai ke kolom air yang lebih dalam terjadi pegeseran dari lapisan satu ke lapisan berikutnya yang lebih dalam sehingga gerakan arus tampak seperti spiral. Pola aliran berdasarkan kedalaman yang dibangkitkan oleh angin dan dipengaruhi oleh coriolis seperti dijelaskan diatas dikenal dengan Ekman spiral. Pemberian nama ini sebagai tanda penghargaan terhadap fisikawan Skandinavia yang bernama V. Walfrid Ekman yaitu orang yang pertama kali menjelaskan fenomena ini. Kecepatan arus di kolom dimana pengaruh angin sudah tidak ada adalah 4% dari kecepatan arus di permukaan, arahnya juga berlawanan dengan arah arus permukaan akibat dari gerakan arus yang berbentuk spiral. Kedalaman Ekman spiral ini dapat mencapai kedalaman 100 m sampai 200 m bergantung kepada kekuatan angin. Ekman juga menhitung total transport massa air yang terjadi di seluruh kolom Ekman spiral, yakni rata-rata dari seluruh kecepatan pada kolom Ekman spiral. Arah transport massa air tegak lurus ke kanan terhadap arah angin di belahan bumi utara dan tegak lurus kekiri terhadap arah angin di belahan bumi selatan.

Gambar 5. Perubahan arah dan kecepatan arus berdasarkan kedalaman atau Ekman spiral.

Transpor Ekman (Ekman Transport) merupakan fenomena penting dan menentukan berbagai tipe arus di lapisan permukaan. Sebagai contoh, bila angin berhembus ke utara sejajar garis pantai di sisi barat samudera (sisi timur benua) di belahan bumi utara, maka transport Ekman membawa massa air menjauhi pantai, sehingga massa air di lapisan bawah mengisi kekosongan massa air di permukaan atau terjadi coastal upwelling (Gambar 6a), sebaliknya akan terjadi downwelling (Gambar 6b).

(a) (b)

Gambar 6. Coastal upwelling sebagai contoh dari Ekman transpor
(a) upwelling dan; (b) downwelling

Sirkulasi Thermohalin

Di lapisan permukaan pergerakan massa air terutama dibangkitkan oleh angina. Di perairan dalam walaupun tidak dipengaruhi oleh angin, akan tetapi massa air di perairan dalam ini juga bergerak, gerakan massa air tersebut disebut sebagai sirkulasi termohalin (thermohaline circulation). Sirkulasi termohalin adalah gerak massa air yang dibangkitkan oleh adanya perbedaan densitas yang dikontrol oleh adanya variasi suhu (thermo atau thermal) dan salinitas (haline). Untuk memahami fenomena ini sangat sederhana, ketika dua massa air berbeda (misalnya air tawar dan air laut) ditaruh dalam suatu wadah, mula-mula dipisahkan dengan suatu pembatas, kemudian pembatas tersebut ditarik atau dikeluarkan secara perlahan, maka kedua massa air yang berbeda tersebut bergerak. Massa air tawar yang lebih ringan bergerak ke arah massa air di lapisan permukaan, sedangkan massa air laut yang lebih berat bergerak ke arah air tawar di lapisan bawah.

Salah satu contoh yang terkenal dari sirkulasi termohalin di dalam bidang oseanografi adalah sirkulasi global atau the Great Conveyor Belt (Gambar 7). Di daerah kutub dekat dengan Greenland massa air hangat yang berasal dari daerah lintang rendah atau daerah tropis tenggelam, kemudian arus dalam bergerak di dekat dasar menelusuri basin laut dalam ke arah ekuator sampai ke laut selatan berbelok ke timur, sebagian bergerak menuju Samudera India, sebagian lagi menuju Samudera Pasifik. Di Samudera Pasifik massa air bergerak ke lapisan permukaan sehingga massa air tersebut menjadi lebih hangat.

Massa air hangat yang berada di lapisan permukaan kemudian bergerak menuju ke Samudera India melewati perairan Indonesia. Massa air laut yang bergerak dari Samudera Pasifik ke Samudera India melalui perairan Indonesia dikenal sebagai ARLINDO atau ITF (Arus Lintas Indonesia atau Indonesian Through Flow).

Massa air hangat di lapisan permukaan dari Samudera Pasifik bertemu dengan massa air yang bergerak ke permukaan di Samudera India. Kedua mass air tersebut bergerak menuju daerah lintang tinggi atau kutub melalui Samudera Atlantik. Secara skematik sirkulasi laut global yang dibangkitkan oleh adanya perbedaan densitas sebagai konsekuensi dari adanya variabilitas suhu dan salinitas digambarkan pada Gambar 7.

Gambar 7. Sirkulasi massa air laut secara global atau The Global Conveyor Belt merupakan salah satu contoh sirkulasi termohalin

Beberapa bukti ilmiah telah ditemukan oleh para pakar Oseanografi yang mendukung kebenaran teori atau fenomena sirkulasi termohalin, salah satu diantaranya adalah berupa bukti hidrografi atau hydrographic evidence (Gambar 8). Gambar 8 merupakan sebaran menegak salinitas di Samudera Atlantik mulai dari lintang 50^o L.S. di belahan bumi selatan sampai 60^o L.U. di belahan bumi utara. Di lapisan dekat permukaan pada kedalaman 1000 m massa air terlihat bergerak dari belahan bumi selatan ke belahan bumi utara melalui ekuator (tanda panah berwarna ungu), disisi yang lain massa air yang lebih berat (>35,2 psu) tenggelam di sekitar lintang 40-50 ^o L.U., kemudian bergerak ke arah belahan bumi utara melalui ekuator pada kedalaman >2000 m (Gambar 8).

Gambar 8. Bukti adanya sirkulasi termohalin di laut dalam berupa sebaran menegak salinitas di Samudera Atlantik dari Lintang 50^o L.S. sampai 60^o L.U.

Arus Geostrofik

Sejauh ini diskusi kita berasumsikan bahwa laut sangat luas dan tanpa batas sesuai dengan Ekman dalam memformulasikan teorinya. Bila pengaruh pantai sebagai pembatas (coastal boundary) dimasukkan dalam diskusi tersebut maka permasalahan akan lebih komplek. Aliran massa air tertahan dan cenderung menumpuk dekat pantai sehingga terbentuk kemiringan permukaan laut (slope). Tekanan hidrostatik akan bekerja pada bidang mendatar dan nilainya akan bervariasi sesuai dengan tingkat kemiringan permukaan laut, dengan kata lain terbentuk gradien tekanan mendatar (horizontal pressure gradients).

Gambar 9.

Penumpukan massa air di sisi barat samudera cenderung menimbulkan kemiringan muka laut yang menghasilkan gradien tekanan mendatar. Gerakan massa air dari tekanan tinggi ke rendah diimbangi oleh gaya coriolis menghasilkan arus geostrofik.

Gambar 9 merupakan salah satu contoh dari mekanisme pembentukan arus geostrofik yang berasal dari suatu keseimbangan antara gradien tekanan mendatar dan gaya coriolis. Aliran geostrofik yang terbentuk akibat keseimbangan tersebut bergerak sejajar dengan garis isobar (garis yang memiliki tekanan yang sama).

Secara klasik arus geostrofik bisa dihitung dengan data seberan menegak suhu, salinitas, tekanan (densitas) antara dua stasiun yang berdekatan. Perkembangan teknologi elektronika mempermudah mendapatkan data suhu, salinitas dan tekanan melalui pengukuran CTD secara kontinu di laut. Gambar OS-10 salah satu contoh hasil perhitungan arus geostrofik dengan menggunakan data suhu, salinitas dan tekanan yang diperoleh dengan menggunakan alat CTD.

Gambar 10.
Contoh arus geostrofik yang dihitung dari sebaran suhu, salinitas dan tekana (densitas) di Samudera Atlantik pada bujur 73^o B.B.- 69^o B.B.

Arus Inersia (Inertia Currents)

Pada bagian sebelumnya telah dibahas tentang arus yang dibangkitkan oleh angin. Apabila angin yang berembus di atas permukaan laut secara tiba-tiba berhenti maka tidak ada transfer energi dari angin ke permukaan laut. Walupun tidak ada transfer energi ke permukaan laut, namun massa air di permukaan laut masih tetap bergerak. Gerakan massa air permukaan tersebut kemudian dipengaruhi oleh gaya coriolis sehingga terjadi pembelokan arah ke kanan di belahan bumi utara (ke kiri di belahan bumi selatan). Pada awalnya kekuatan gerak massa air masih cukup kuat sehingga pengaruh coriolis menyebabkan gerak melingkar yang menyerupai spiral. Namun pada akhirnya gerakan massa air melemah. Gerakan massa air laut atau arus tersebut dikenal dengan nama arus inersia (inertial currents). Fenomena arus inersia ini sering dijumpai pada daerah lintang tinggi, misalnya di Laut Baltik (Gambar 11). , di Pasifik Utara dan beberapa tempat lainnya..

Gambar 11.

Arus inersia yang teramati di Laut Baltik. Gambar menunjukan lintasan parcel air. Pengamatan dilakukan antara 17 dan 24 Agustus 1933. Tanda garis hitam pada lintasan menunjukkan interval 12 jam (Open University, 1989)

Gambar 12.

Tampilan sederhana gerak inersia di belahan bumi utara

Arus Langmuir

Fenomena konvergen permukaan dalam skala kecil sering terjadi sejajar dengan arah tiupan angin, pada daerah ini sering ditandai dengan adanya pengumpulan debris (potongan rumput laut atau buih-buih putih) di permukaan laut (Gambar 13a). Pada tahun 1938 Langmuir menemukan sejumlah rumput laut membentuk garis sejajar dengan tiupan angin di Samudera Atlantik Utara. Sehingga arus yang terjadi di permukaan karena tiupan angin dan bergerak dengan sumbu sejajar angin dikenal sebagai Arus Langmuir. Morfolohi arus Langmuir secara skematik digambarkan pada Gambar 13b.