Bab 3 Elektrifikasi Badai Petir_FINAL

ELEKTRIFIKASI BADAI PETIR

By: Hanung Natendra S

- 23210105

Widya Anggoro Putro - 23210106 Bambang Cahyono

- 23210109

Referensi The Institution of Energy and Technology echnolog y, London, United Kingdom. Power and Energy Series, “The Lightning Flash” Chapter 1 Charge Structure and Geographical Geographical Variation of Thunderclouds by Earle Williams Chapter 2 Thunderstorm Electrification Mechanism by Rohan Jayaratne

Referensi The Institution of Energy and Technology echnolog y, London, United Kingdom. Power and Energy Series, “The Lightning Flash” Chapter 1 Charge Structure and Geographical Geographical Variation of Thunderclouds by Earle Williams Chapter 2 Thunderstorm Electrification Mechanism by Rohan Jayaratne

Thunderstorm 

Petir, Petir, guruh, cumulonimbus  ◦

Hujan Es

◦

Salju

◦

 Angin Kencang

◦

Hujan Deras

◦

Tidak Hujan sama sekali

Formasi Awan  Awan di di atmosfer terdiri dari dari tetesan air 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 supersaturasi menjadi uap air.  Lifted Condensation Level (1 km) 

 Awan Petir  



Pemisahan muatan listrik : Tumbukan antara graupel dengan kristal es atau dengan partikel graupel lainnya. Partikel graupel terbentuk ketika butiran cairan yang super  dingin ditambah dengan butiran es dan membeku sehingga ukurannya bertambah

Struktur Muatan Awan Petir   



Metode pengindera jarak jauh Teori G.C. Simpson (pengukuran muatan menggunakan balon) dan C.T.R. Wilson (mengukur jarak petir, perubahan medan elektrostatik saat terjadi petir, mengukur  besar dan polaritas muatan) Simpson = Mengukur kerapatan muatan ruang, Wilson = Menentukan besaran muatan yang ditransfer oleh rangkaian petir 

Struktur Muatan Awan Petir 

wilson

Struktur Muatan Awan Petir 

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

Variasi Geografis Awan Petir 

Variasi Geografis Awan Petir  

Ketersediaan uap air  ◦

◦

Energi dari awan petir berasal dari energi laten panas yang dilepas ketika uap air berubah menjadi bentuk cair atau padat lewat proses kondensasi, deposisi uap dan pembekuan. Perbedaan temperatur tergantung pada konsentrasi uap air pada kondisi saturasi

Variasi Geografis Awan Petir  

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 yang kuat. Updraft yang besar akan mengakibatkan endapan pada daerah fasa campuran di awan dan pengaruh dari pemisahan muatan menjadi besar. CAPE yang besar diakibatkan pemanasan permukaan, pada daratan lebih mudah panas.

Variasi Geografis Awan Petir  

Panjang Vertikal dari awan apung ◦

◦

◦

Air parcels  mengalami gaya apung ke atas pada jarak vertikal yang lebih besar, sehingga kecepatannya meningkat dan akan menghasilkan badai petir  Ketinggian dimana gaya apung ke atas sama dengan nol dinamakan Level of Neutral Buoyancy (di bawah tropopause) Ketinggian tropopause   

Tropik 17 km Midlatitude summer 12-13 km Midlatitude winter 6-7 km

Variasi Geografis Awan Petir 

Ketinggian daerah fasa campuran



◦

◦

Dibatasi 0°C dan -40°C Tinggi pada musim panas 4-5 km dan semakin dekat pada musim dingin

Konsentrasi aerosol



Variasi Geografis Awan Petir   ◦

◦

◦

◦

Efek Daratan vs Lautan Pemanasan daratan CAPE Updraft Teori konvektif 

Variasi Geografis Awan Petir 

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 dalam ilmu fisika awan 

Mekanisme pembentukan badai petir (Cont’d) Mason + Moore & Vonnegut : • Ketinggian awan harus > 3-4 km. Semakin tinggi awan memproduksi lebih banyak frekuensi terjadinya petir. • Walaupun petir dapat terjadi di “warm clouds”, proses elektrifikasi yang kuat diobservasi hanya jika awan melebihi “freezing level” • Daerah elektrifikasi awanbadai hampir  selalu berhubungan dengan ice & supercooled water 

Mekanisme pembentukan badai petir (Cont’d) Mason + Moore & Vonnegut (cont’d): • Elektrifikasi yang kuat terjadi ketika awan memperlihatkan aktivitas konveksi secara cepat dan vertikal • Pembentukan muatan dan proses pemisahannya erat berhubungan dengan proses pembentukan hujan • Sambaran pertama petir sering terjadi sekitar 12-20 min setelah penampakan partikel hujan. • Durasi rata-rata pembentukan petir dari satu awan badai sekitar 30 min

Mekanisme pembentukan badai petir (Cont’d) Mason + Moore & Vonnegut (cont’d): • Lokasi pusat muatan ditentukan oleh temperatur, bukannya ketinggian awan. • Nilai muatan yang terkandung sekitar 20-30C • Tahap awan matang , medan elektrik sebesar  400 kV/m dapat terjadi.

Penjelasan diatas menyimpulkan bahwa proses elektrifikasi terjadi pada kondisi es diawan walaupun beberapa kali pernah terjadi pada suhu yang lebih hangat (>0°C)

Mekanisme pembentukan badai petir (Cont’d)

Mekanisme Induksi Salah satu teori lama yang paling populer   Bergantung pada medan listrik vertikal yang ada untuk menginduksikan muatan polarisasi dalam partikel  Partikel yang lebih kecil dibawah partikel yang lebih besar, partikel dengan muatan yang berlawanan terpisah dan muatannya menaikkan medan listrik 

Mekanisme Induksi (Pict)

Mekanisme Induksi (Cont’d) 







Elster&Geitel : tetes air yang jatuh dan menumbuk droplet dan terpolarisasi akibat adanya medan listrik vertikal. Muller-Hillebrand : menghitung magnitude dari muatan terpisah ketika 2 partikel berinteraksi dalam medan listrik (dengan parameter : radius,waktu kontak,titik pertemuan) Jennings : mekanisme induksi droplet hanya menghasilkan medan pecahan dari medan listrik keseluruhan (antara air-air) Latham&Mason : menjelaskan tentang kemungkinan transfer muatan induksi ketika kristal es memantul antar es-es

Mekanisme Induksi (Cont’d)  Aufdermaur&Johnson : menunjukkan bahwa droplet yang sangat dingin dapat mengeluarkan muatan dari butir es dalam medan listrik radial. Pada medan listrik radial, butir es memiliki perbedaan potensial terkait dengan lingkungan sehingga tumbukan sesaat disetiap titik dipermukaan memisahkan sejumlah muatan yang sama.  Gaskell : menemukan bahwa droplet beku yang memantul dari butir es dalam medan listrik memisahkan muatan yang tidak dapat dijelaskan secara sederhana dalam bentuk muatan induktif   Illingworth&Caranti : Konduktivitas es terlalu rendah untuk transfer muatan lengkap oleh proses induktif selama waktu kontak partikel es (secara tipikal,