Bumi, Cuaca, dan Iklim

Modul Olimpiade IPA SD — Bab 12

Berdirilah di halaman rumahmu. Di bawah kakimu ada batuan yang makin ke dalam makin panas, sampai di pusatnya mencapai lebih dari 5.000 °C. Di atas kepalamu ada selimut udara setebal ratusan kilometer yang setiap hari menahan meteor dan menyaring sinar berbahaya.

Keduanya tidak pernah diam. Panas dari dalam Bumi menggeser lempeng-lempeng raksasa, menyebabkan gempa dan menumbuhkan gunung api. Panas dari Matahari menggerakkan udara dan air, melahirkan angin, awan, dan hujan.

Bab ini menjelaskan kedua mesin panas itu — yang satu bekerja dari bawah, yang satu dari atas.

Struktur Lapisan Bumi

Kalau Bumi dipotong melintang, dari luar ke dalam kita akan menemukan empat lapisan: kerak, mantel, inti luar, dan inti dalam.

Ingat! Hanya inti luar yang berwujud cair. Inti dalam justru tetap padat meskipun jauh lebih panas, karena tekanan di sana sangat besar sehingga atom-atomnya tidak bisa bergerak bebas.

Panas dari dalam Bumi disebut panas bumi atau geotermal. Suhunya bertambah hampir sebanding dengan kedalaman, sehingga grafik suhu terhadap kedalaman berupa garis lurus menanjak.

Arus Konveksi dan Medan Magnet Bumi

Panas dari inti berpindah ke mantel secara konveksi, yaitu perpindahan panas dengan cara mengalirkan zatnya. Batuan mantel yang panas memuai, menjadi lebih ringan, lalu naik; setelah mendingin ia turun kembali.

Perhatikan arahnya: konveksi berlangsung dari inti menuju mantel — dari lapisan yang lebih panas ke lapisan yang lebih dingin.

Perhatikan Gambar Asal Medan Magnet Bumi. Dari mana datangnya medan magnet yang membuat jarum kompas selalu menunjuk utara?

Kuncinya adalah aturan dari Bab 10: arus listrik yang mengalir menghasilkan medan magnet. Untuk itu diperlukan penghantar listrik yang dapat bergerak — dan satu-satunya lapisan Bumi yang berupa logam cair adalah inti luar, yang tersusun dari besi dan nikel.

Gerak konveksi logam cair itu, dibantu perputaran Bumi pada sumbunya, menghasilkan arus listrik raksasa yang membangkitkan medan magnet. Peristiwa ini disebut geodinamo.

Karena itu jawaban atas pertanyaan "bagian Bumi mana yang menimbulkan medan magnet" selalu inti luar yang berwujud cair — bukan inti dalam yang padat, dan bukan pula kerak.

Lempeng dan Gempa Bumi

Kerak Bumi tidak utuh, melainkan terpecah menjadi lempeng-lempeng besar yang terapung di atas mantel dan didorong oleh arus konveksi di bawahnya.

• Konvergen — kedua lempeng saling mendekat dan bertumbukan.
• Divergen — kedua lempeng saling menjauh.
• Transform — kedua lempeng saling bergesekan menyamping.

Perhatikan Gambar Zona Subduksi. Ketika dua lempeng bertumbukan secara konvergen, salah satunya pasti menghujam ke bawah yang lain. Yang menentukan siapa yang di bawah adalah massa jenisnya.

Berlaku prinsip yang sama dengan Bab 7: yang lebih rapat akan tenggelam di bawah yang kurang rapat. Kerak samudra tersusun dari basalt yang lebih rapat, sedangkan kerak benua tersusun dari granit yang lebih ringan.

Karena itu pada setiap pertemuan lempeng samudra dan lempeng benua, yang menghujam ke bawah selalu lempeng samudra. Daerah tempat penghujaman ini disebut zona subduksi, dan di sanalah gempa besar serta gunung api paling banyak muncul.

Ingat! Pasangkan namanya dengan penyebabnya: gempa tektonik ← pergeseran lempeng; gempa vulkanik ← aktivitas gunung berapi. Pilihan seperti "tektonik karena aktivitas gunung berapi" atau "vulkanik karena pergerakan ombak" adalah pengecoh yang sengaja ditukar.

Gempa tektonik yang pusatnya berada di dasar laut dapat mengangkat kolom air secara tiba-tiba dan menimbulkan tsunami — gelombang laut raksasa yang merambat ke pantai. Karena itu daerah di sepanjang zona subduksi selalu dipasangi sistem peringatan dini.

Gejala Panas Bumi

Perhatikan Gambar Gejala Panas Bumi. Keempat gejala ini paling mudah dibedakan dari apa yang dikeluarkannya.

Geiser menyemburkan air panas ke udara secara berkala dengan selang waktu yang cukup teratur. Mata air panas mengeluarkan air panas yang mengalir tenang tanpa menyembur.

Fumarol adalah celah atau ventilasi di permukaan Bumi yang mengeluarkan gas dan uap panas — terutama uap air serta gas vulkanik seperti karbon dioksida dan hidrogen sulfida. Jadi kalau soal menyebut yang keluar berupa gas dan uap, bukan air cair, jawabannya fumarol.

Kolam lumpur mengeluarkan lumpur mendidih yang menggelegak.

Contoh Soal 1

Sebuah geiser menyembur pada pukul 10.00 dan 10.10. Jika sekali semburan mengeluarkan 1,5 m³ air, berapa volume air yang keluar antara pukul 10.05 dan 10.25?

Pembahasan:

Langkah 1 — cari periodenya. Dari 10.00 ke 10.10 selisihnya 10 menit, jadi geiser menyembur setiap 10 menit.

Langkah 2 — daftar semburan berikutnya. 10.00, 10.10, 10.20, 10.30, dan seterusnya.

Langkah 3 — mana yang masuk selang 10.05 sampai 10.25? Hanya 10.10 dan 10.20, yaitu 2 kali semburan.

Langkah 4 — hitung volumenya.

2 \times 1{,}5 = 3\ \text{m}^3

Jawaban: 3 m³.

Jenis-Jenis Batuan

• Batuan beku — dari magma atau lava yang membeku. Contoh: granit, basalt, obsidian.
• Batuan sedimen — dari endapan hasil pelapukan dan erosi. Contoh: batu pasir, batu kapur.
• Batuan metamorf — dari batuan lain yang berubah karena suhu dan tekanan tinggi. Contoh: marmer, sabak.

Perhatikan Gambar Cepat atau Lambat Membekunya. Ukuran butiran sebuah batuan beku menceritakan sejarah pembentukannya, dan hubungannya berlawanan arah.

Batuan yang membeku cepat tidak memberi waktu bagi kristal untuk tumbuh, sehingga hasilnya halus seperti kaca. Pendinginan cepat hanya terjadi di permukaan Bumi, tempat lava bersentuhan langsung dengan udara atau air. Batuan hitam mengilap seperti kaca inilah yang disebut obsidian.

Sebaliknya, batuan yang membeku lambat jauh di dalam Bumi memberi waktu bagi kristal untuk tumbuh besar, sehingga butirannya terlihat kasar. Contohnya granit.

Jadi aturan singkatnya: butiran halus berarti membeku cepat di permukaan; butiran kasar berarti membeku lambat di dalam Bumi.

Lapisan-Lapisan Atmosfer

Atmosfer adalah lapisan gas yang menyelimuti Bumi. Dari bawah ke atas urutannya:

1. Troposfer (0–12 km) — tempat terjadinya cuaca: awan, hujan, dan angin.
2. Stratosfer (12–50 km) — tempat lapisan ozon.
3. Mesosfer (50–85 km) — tempat meteor terbakar habis.
4. Termosfer (85–500 km) — tempat ionosfer dan aurora.
5. Eksosfer (di atas 500 km) — batas dengan antariksa.

Cara mengingat urutannya: tro-stra-me-ter-ek.

Salah satu fungsinya adalah melindungi Bumi dari benda-benda langit: meteoroid yang masuk akan terbakar habis karena gesekan dengan udara, sehingga tidak sampai ke permukaan.

Lapisan Ozon

Perhatikan Gambar Lapisan Ozon. Ozon adalah gas berwarna biru pucat, berbau tajam tidak sedap, dan sebenarnya beracun bila terhirup. Rumus kimianya O_3, yaitu tiga atom oksigen yang terikat menjadi satu.

Meskipun beracun bila dekat, dari jarak jauh ozon justru menyelamatkan kehidupan: ia menyerap sebagian besar sinar ultraviolet dari Matahari yang dapat merusak sel makhluk hidup dan menyebabkan kanker kulit.

Konsentrasi ozon terbesar berada di stratosfer, sekitar 20–30 km di atas permukaan Bumi.

Ingat! Ozon berada di stratosfer, bukan troposfer. Troposfer adalah tempat cuaca; mesosfer tempat meteor terbakar.

Tiga Masalah Atmosfer yang Sering Tertukar

Ingat! Ini jebakan yang paling sering muncul:

• CO₂, CH₄, N₂O, PFC → efek rumah kaca dan pemanasan global.
• CFC (freon) → penipisan lapisan ozon.
• SO₂ dan NOₓ → hujan asam.

Jadi karbon dioksida tidak menipiskan lapisan ozon, dan CFC bukan penyebab utama pemanasan global.

Suhu dan Ketinggian Tempat

Contoh Soal 2

Setiap kenaikan 100 m dari permukaan laut, suhu lingkungan turun 1 °C. Berapa suhu pada ketinggian 1.700 m jika suhu di permukaan laut 35 °C?

Pembahasan:

Langkah 1 — hitung ada berapa kelipatan 100 m.

1700 \div 100 = 17

Langkah 2 — hitung total penurunan suhu.

17 \times 1^\circ\text{C} = 17^\circ\text{C}

Langkah 3 — kurangkan dari suhu awal.

35^\circ\text{C} - 17^\circ\text{C} = 18^\circ\text{C}

Jawaban: 18 °C.

Cuaca dan Iklim

Cuaca adalah keadaan udara di suatu tempat pada waktu yang singkat dan wilayah yang sempit. Iklim adalah keadaan rata-rata cuaca dalam waktu yang panjang (sekitar 30 tahun) dan wilayah yang luas.

Unsur cuaca	Alat ukur	Satuan
Suhu udara	termometer	°C
Tekanan udara	barometer	hPa
Kelembapan udara	higrometer	%
Kecepatan angin	anemometer	m/s
Curah hujan	penakar hujan	mm

Perhatikan pola namanya: hampir semua alat ukur cuaca berakhiran -meter, dan bagian depannya menyebut besaran yang diukur.

Jenis-Jenis Awan

Awan dikelompokkan berdasarkan ketinggiannya:

• Awan tinggi (7–12 km): cirrus, cirrostratus, cirrocumulus.
• Awan menengah (2–7 km): altocumulus, altostratus.
• Awan rendah (1–2 km): stratus, stratocumulus, cumulus.
• Awan tegak: cumulonimbus, menjulang dari bawah sampai ke atas.

Ingat! Awalan cirro- berarti tinggi, alto- berarti menengah. Jadi altocumulus berada di 2–7 km, sedangkan cirrus di 7–12 km dan stratus di bawah 2 km. Soal sering menukar pasangan-pasangan ini.

Perhatikan Gambar Awan Cumulonimbus. Di antara semua jenis awan, hanya cumulonimbus yang tumbuh menjulang tegak dari ketinggian rendah sampai ke puncak troposfer.

Pertumbuhan tegak itu penting sebabnya: arus udara naik yang sangat kuat di dalamnya memisahkan muatan listrik, dan dari sinilah lahir petir. Karena itu cumulonimbus selalu dikaitkan dengan badai petir, hujan lebat, dan angin kencang.

Awan yang sama juga dapat melahirkan waterspout, yaitu pusaran udara berbentuk corong yang menjulur dari dasar awan ke permukaan air — semacam tornado di atas laut.

Angin Darat dan Angin Laut

Kuncinya cuma satu: angin bertiup dari tekanan tinggi ke tekanan rendah, yaitu dari daerah yang lebih dingin menuju daerah yang lebih panas.

Yang perlu diingat berikutnya: daratan lebih cepat panas dan lebih cepat dingin daripada lautan. Dari dua fakta itu, sisanya bisa kamu simpulkan sendiri.

Dari kedua fakta itu, kedua jenis angin bisa kamu turunkan sendiri.

Pada malam hari, daratan lebih cepat melepas panas sehingga menjadi lebih dingin daripada lautan. Daratan yang dingin bertekanan tinggi, maka angin bertiup dari darat ke laut — inilah angin darat, yang dimanfaatkan nelayan untuk berangkat melaut.

Pada siang hari, keadaannya terbalik: daratan lebih cepat panas sehingga bertekanan rendah, dan angin bertiup dari laut ke darat — inilah angin laut, yang dimanfaatkan nelayan untuk pulang.

Perhatikan bahwa nama anginnya diambil dari tempat asal-nya: angin darat berasal dari darat, angin laut berasal dari laut.

Siklus Air

Perhatikan Gambar Nama Tahapan Siklus Air. Tiap tahap punya nama sendiri, dan cara membedakannya adalah dengan melihat arah perubahan wujudnya.

Evaporasi adalah penguapan air dari permukaan laut, danau, dan sungai — perubahan dari cair menjadi gas. Kalau penguapan itu berlangsung lewat daun tumbuhan, namanya transpirasi.

Kondensasi adalah pengembunan uap air menjadi titik-titik air yang membentuk awan — perubahan dari gas menjadi cair. Presipitasi adalah turunnya air dari awan sebagai hujan atau salju.

Infiltrasi adalah meresapnya air dari permukaan tanah masuk ke lapisan tanah, sehingga menjadi air tanah. Air yang tidak meresap mengalir di permukaan sebagai limpasan menuju sungai dan akhirnya kembali ke laut.

Ingat! Kondensasi arahnya berlawanan — dari gas menjadi cair — dan itulah yang membentuk awan.

Rotasi dan Revolusi Bumi

Bumi melakukan dua gerakan sekaligus, dan akibat keduanya sering tertukar di soal.

Rotasi adalah perputaran Bumi pada sumbunya sendiri, memerlukan waktu sekitar 24 jam sekali putaran. Revolusi adalah peredaran Bumi mengelilingi Matahari, memerlukan waktu sekitar 365 seperempat hari.

Akibat rotasi adalah peristiwa harian: pergantian siang dan malam, gerak semu harian Matahari yang seolah terbit di timur dan terbenam di barat, perbedaan waktu antardaerah, serta pembelokan arah angin dan arus laut.

Akibat revolusi adalah peristiwa tahunan: pergantian musim di daerah lintang tinggi, gerak semu tahunan Matahari yang bergeser antara utara dan selatan ekuator, perbedaan lamanya siang dan malam sepanjang tahun, serta terlihatnya rasi bintang yang berbeda pada bulan yang berbeda.

Cara cepat membedakannya: kalau akibatnya berulang tiap hari, itu rotasi; kalau berulang tiap tahun, itu revolusi.

Perlu diingat juga bahwa gerak rotasi Bumi ikut berperan pada geodinamo yang membangkitkan medan magnet, dan pada pembelokan arah angin yang membuat pola angin dunia tidak lurus utara-selatan.

Musim dan Revolusi Bumi

Perhatikan Gambar Musim di Belahan Utara dan Selatan. Pergantian musim disebabkan revolusi Bumi mengelilingi Matahari, ditambah kemiringan sumbu Bumi sebesar 23,5°.

Aturan pokoknya satu: belahan Bumi yang sedang condong ke arah Matahari mengalami musim panas, sedangkan belahan lainnya mengalami musim dingin. Karena itu musim di belahan utara dan selatan selalu berlawanan.

Antara 21 Juni dan 23 September, belahan utara condong ke Matahari sehingga mengalami musim panas — dan pada saat yang sama belahan selatan mengalami musim dingin. Enam bulan kemudian keadaannya bertukar.

Indonesia yang berada di sekitar ekuator tidak mengalami empat musim itu, sebab penyinaran Mataharinya hampir sama sepanjang tahun.

Contoh Soal 3

Grafik suhu tahunan Lokasi 1 sangat rendah hampir sepanjang tahun dan hanya sedikit di atas nol saat musim panas, sedangkan Lokasi 2 hangat 25–28 °C sepanjang tahun. Di mana kira-kira letak keduanya?

Pembahasan:

Langkah 1 — apa arti suhu yang berayun tajam? Perbedaan musim yang sangat kuat — ciri daerah kutub atau lintang tinggi.

Langkah 2 — apa arti suhu yang hampir tetap? Penyinaran Matahari hampir sama sepanjang tahun — ciri daerah ekuator.

Jawaban: Lokasi 1 di daerah kutub (misalnya Kutub Utara atau Antartika), dan Lokasi 2 di daerah ekuator.

Pasang Surut Air Laut

Perhatikan Gambar Pasang Surut Air Laut. Naik turunnya permukaan laut disebabkan gaya gravitasi Bulan dan Matahari yang menarik air laut — bukan gaya magnet, listrik, maupun radiasi.

Pengaruh Bulan jauh lebih besar daripada Matahari meskipun Matahari jauh lebih berat, sebab Bulan letaknya jauh lebih dekat.

Besar kecilnya pasang bergantung pada sudut antara ketiganya. Ketika Matahari, Bumi, dan Bulan berada segaris — yaitu saat bulan baru dan bulan purnama — kedua gaya tarik saling menguatkan sehingga terjadi pasang maksimum (pasang purnama).

Ketika Bulan membentuk sudut siku-siku terhadap garis Matahari–Bumi — yaitu saat bulan separuh — kedua gaya saling melemahkan sehingga terjadi pasang minimum (pasang perbani).

Aurora

Aurora terjadi karena interaksi antara angin Matahari (aliran partikel bermuatan dari Matahari) dengan medan magnet Bumi atau magnetosfer.

Partikel bermuatan itu dibelokkan menuju daerah kutub, lalu menabrak gas di atmosfer sehingga memancarkan cahaya berwarna-warni. Karena itu aurora hanya terlihat di daerah dekat kutub.

Angin Matahari yang sangat kuat juga dapat menimbulkan fluktuasi medan magnet, yang menginduksi arus listrik di kerak Bumi dan sempat mengganggu jaringan listrik serta komunikasi.

Latihan Yuk!

1. Sebutkan empat lapisan Bumi dari luar ke dalam, dan sebutkan wujud masing-masing.
2. Mengapa inti dalam tetap padat padahal suhunya lebih tinggi daripada inti luar?
3. Lapisan mana yang menimbulkan medan magnet Bumi? Jelaskan alasannya.
4. Apa perbedaan gempa tektonik dan gempa vulkanik?
5. Sebuah geiser menyembur setiap 15 menit dengan volume 2 m³ sekali semburan. Berapa volume air yang keluar dari pukul 09.00 sampai 10.00 jika semburan pertama tepat pukul 09.00?
6. Batuan A berbutir sangat kasar, batuan B halus seperti kaca. Mana yang membeku di dalam Bumi?
7. Sebutkan lima lapisan atmosfer dari bawah ke atas. Di lapisan mana terjadi cuaca, dan di lapisan mana terdapat ozon?
8. Apa rumus kimia ozon, dan apa perannya bagi Bumi?
9. Suhu di permukaan laut 30 °C. Berapa suhu di puncak sebuah bukit setinggi 800 m?
10. Jelaskan perbedaan cuaca dan iklim, masing-masing dengan satu contoh kalimat.
11. Pada ketinggian berapa awan altocumulus terbentuk? Awan apa yang menimbulkan badai petir?
12. Mengapa angin laut bertiup pada siang hari? Jelaskan dengan aturan tekanan udara.

Kunci Jawaban Latihan

• Kerak (padat), mantel (padat kental), inti luar (cair), inti dalam (padat).
• Karena tekanan di inti dalam sangat besar, sehingga atom-atomnya tetap terkunci rapat meskipun sangat panas.
• Inti luar, karena tersusun dari besi dan nikel cair yang menghantarkan listrik. Gerak konveksinya membangkitkan arus listrik yang menghasilkan medan magnet (geodinamo).
• Gempa tektonik disebabkan pergeseran lempeng; gempa vulkanik disebabkan aktivitas gunung berapi.
• Semburan pada 09.00, 09.15, 09.30, 09.45, dan 10.00 = 5 kali. Volumenya 5 \times 2 = 10 m³.
• Batuan A, karena butiran kasar menandakan pendinginan yang lambat di dalam Bumi.
• Troposfer, stratosfer, mesosfer, termosfer, eksosfer. Cuaca terjadi di troposfer; ozon berada di stratosfer.
• Rumusnya O_3. Ozon menyerap sebagian besar sinar ultraviolet dari Matahari.
• 800 \div 100 = 8, jadi suhu turun 8 °C menjadi 22 °C.
• Cuaca singkat dan wilayahnya sempit, misalnya "sore ini Surabaya hujan deras". Iklim panjang dan wilayahnya luas, misalnya "Indonesia beriklim tropis".
• Altocumulus pada ketinggian 2–7 km. Badai petir ditimbulkan awan cumulonimbus.
• Siang hari daratan lebih cepat panas, sehingga tekanan udaranya rendah; lautan tetap sejuk sehingga tekanannya tinggi. Angin bertiup dari tekanan tinggi ke rendah, yaitu dari laut ke darat.

Rangkuman

• Lapisan Bumi: kerak – mantel – inti luar (cair) – inti dalam (padat). Suhu dan tekanan naik seiring kedalaman.
• Medan magnet Bumi berasal dari inti luar yang cair (geodinamo); panas berpindah dari inti ke mantel secara konveksi.
• Batas lempeng: konvergen (mendekat), divergen (menjauh), transform (menyamping). Lempeng samudra menunjam karena densitasnya lebih besar.
• Gempa tektonik ← pergeseran lempeng; vulkanik ← aktivitas gunung berapi.
• Gejala panas bumi: geiser (menyembur berkala), fumarol (uap dan gas), mata air panas, kolam lumpur.
• Batuan: beku, sedimen, metamorf. Cepat membeku di permukaan → butiran halus (obsidian); lambat di dalam → kristal kasar (granit).
• Atmosfer: troposfer (cuaca), stratosfer (ozon), mesosfer (meteor terbakar), termosfer (aurora), eksosfer.
• Ozon (O₃) menyerap ultraviolet. CO₂ dkk → efek rumah kaca; CFC → penipisan ozon; SO₂ dan NOₓ → hujan asam.
• Setiap naik 100 m, suhu turun 1 °C.
• Cuaca = singkat dan sempit; iklim = panjang dan luas.
• Awan: cirrus (7–12 km), altocumulus (2–7 km), stratus (di bawah 2 km), cumulonimbus (tegak, penyebab badai petir dan waterspout).
• Angin bertiup dari tekanan tinggi (dingin) ke tekanan rendah (panas). Angin darat malam hari, angin laut siang hari.
• Siklus air: evaporasi/transpirasi → kondensasi → presipitasi → infiltrasi dan limpasan.
• Rotasi (24 jam) menyebabkan siang-malam, gerak semu harian, dan perbedaan waktu. Revolusi (365¼ hari) menyebabkan musim, gerak semu tahunan, dan perubahan rasi bintang.
• Musim di belahan utara dan selatan selalu berlawanan; penyebabnya kemiringan sumbu 23,5°.
• Pasang surut disebabkan gaya gravitasi; maksimum saat segaris, minimum saat siku-siku.
• Aurora = angin Matahari × medan magnet Bumi.

Penutup

Bab ini sebenarnya bercerita tentang dua mesin panas yang bekerja tanpa henti.

Mesin pertama ada di bawah kaki kita: panas dari inti Bumi yang menggerakkan arus konveksi di mantel, mendorong lempeng, dan melahirkan gempa, gunung api, serta geiser.

Mesin kedua ada di atas kepala kita: panas dari Matahari yang memanaskan darat dan laut secara tidak merata, menimbulkan perbedaan tekanan, lalu melahirkan angin, awan, hujan, dan musim.

Jadi ketika kamu menghadapi soal bab ini, cukup tanyakan: panasnya datang dari mana, dan ke mana ia berpindah? Dari situ, hampir semua penjelasannya bisa kamu susun sendiri.