Sistem Gerak Kinematik & Dinamik Atmosfer Dalam Membentuk Awan

Pembentukan awan sejatinya berhubungan dengan sistem termodinamika yang ada di atmosfer berkaitan dengan peristiwa adiabatic. Pengangkatan udara merupakan serangkaian proses tersebut yang melibatkan sistem yang kompleks dalam hal mekanika baik dinamika dan kinematika udara. Analisis skala keruangan membutuhkan formasi 3 dimensi untuk menjelaskan keterkaitan tersebut. Pergerakan udara berbasis horizontal dan vertikal secara berkesinambungan secara komprehensif akan membentuk awan dalam kondisi termodinamika nya yang sesuai, khususnya ketersediaan uap air di atmosfer.

Pergerakan udara di atmosfer disebabkan oleh adanya variasi dan distribusi dalam penerimaan panas (efek pemanasan) oleh matahari yang secara khusus berbeda secara spasial di bumi akibat adanya gradien insolasi secara meridional, adanya variasi albedo akibat sifat dan karakteristik permukaan berkaitan dengan sifat kapasitas panas nya dan factor lainnya. Hal tersebut menciptakan sistem pola surplus dan deficit panas di permukaan. Hal tersebut sesuai dengan hukum gas ideal dan hukum gay lussac yang menjelaskan jika tekanan berbanding terbalik dengan suhu dalam kondisi mol gas dan konstanta gas yang disesuaikan akan menyebabkan sistem pola tekanan udara rendah dan tinggi di permukaan. Sehingga udara bergerak sebagai konsekuensi sekaligus upaya dalam menyeimbangkan dan menyelaraskan variasi panas di permukaan akibat gaya gradien tekanan.

Secara umum, dampak dari gaya gradien tekanan tersebut mengalami proses deformasi secara diferensial parsial seiring pergerakan udaranya secara matematis kinematik. Pergerakan udara ini memiliki kombinasi kompleks  dari gerakan translasi, stretching, shearing, vostisitas dan divergensi.

1.     Gerakan Translasi

Gerakan translasi ini bisa dijelaskan dalam persamaan ekspnasi deret taylor berikut

Pada rumus empiric tersebut secara sederhana menjelaskan jika gerak translasi hanya mengubah koordinat spasial dari parsel udara yang berubah dari titik pertama bergerakn ke titik lainnnya. Gerak translasi ini biasanya akan berasoaisasi dengan peristiwa penyesuaian kondisi energi internal parsel secara mendatar atau pembentukan awan/kabut secara Adveksi.

2.     Gerakan Stretching

Gerkaan ini simpel nya di representasikan dalam persamaan empiris berikut

Perubahan gerakan stretching ini biasanya berasosiasi dengan konsep konfluen dan difluen udara dalam analisis skema gerakan streamline. Misalkan pada kondisi stretching positif, Sumbu konfluen pada sumbu x dan difluen sumbu y menyebabkan parsel memanjang dan perubahan volume parsel nantinya akan membuat tingkat kelembaban relative parsel menjadi berkurang dan bisa menghambat awan.

3.     Gerakan Shearing

Gerakan ini direpresentasikan dalam persamaan berikut

Deformasi ini biasanya berasosiasi dalam proses pembentukan awan di sistem cuaca front. gerakan ini menyebabkan beberapa bagian dari parsel udara bergerak menjauh satu sama lain dan beberapa bagian dari parsel udara bergerak menuju satu sama lain. Udara yang bersatu disebut frontogenesis.

4.     Gerakan Vortisitas

Dijelaskan dalam rumus berikut

 yang anntinya menjadi 

gerakan vortisitas akan bernilai positif jika rotasi berlawanan arah jarum jam dan negatif jika rotasi searah jarum jam. Vortisitas adalah kuantitas penting karena sistem tekanan rendah dan tinggi bertanggung jawab dalam proses pembentukan awan.

5.     Gerkaan Divergensi

Direpresentasikan dalam rumus

Ketika divergensi positif, parsel udara akan mengalami peristiwa ekspansi volume. Jika divergensinya negatif, maka parsel udara menyusut dan mengalami proses kompresi.

 

Pergerakan angin melalui perspektif kinematic tersebut akan dijelaskan berasosiasi dengan sistem adiabatic parsel dalam membentuk awan. Pergerakan angin sendiri juga dipengaruhi oleh factor dinamiknya selain dari pemicu utama yaitu gaya gradien tekanan, namun ada pemicu gaya lain yang menyebabkan variabilitas lokasi/spasial terbentuknya awan seiring proses kinematiknya.

1.     Gaya Gradien Tekanan

Direpresentasikan dengan rumus berikut

Gaya gradien tekanan merupakan pemicu utama dalam pembentukan awan dalam sistem cuaca

2.     Gaya Coriolis

Direpresentasikan oleh rumus berikut

Gaya fiktif yang dimunculkan pada sistem koordinat yang tidak inersial ini menyebabkan pembentukan awan memiliki pola arah tertentu di bumi yang disesuaikan dengan sebaran tekanan

3.     Efek Geser Permukaan

Efek geser ini menyebabkan efek eddy dan turbulen di permukaan yang mempercepat proses pembentukan awan konvektif secara mekanik dan termal dalam turbulen kinetic Energy (TKE)

4.     Keseimbangan Geostrofik dan Angin Gradien

dd 

Terjasdi akibat adanya pengaruh Coriolis pada PGF yang menyebabkan angin bergerak sejajar isobar. Peristiwa ini bisa diaplikasikan pada kejadian front jenis stasioner yang umumnya memnyebabkan terbentuknya awan jenis stratifromis yang membentuk hujan secara terus menerus. Pada kondisi yang geostrofik ini juga bisa membentuk sistem siklonik gradien jika kondisi gaya PGF, Coriolis dan sentrifugalnya hadir & seimbang yang menyebabkan terbentuknya awan akibat proses konvergensi

5.     Keseimbangan Angin Termal

Sistem angin termal berasosasi pada peristiwa Jetstream yang signifikan membentuk awan

Kesemua sistem mekanika udara atmosfer yang beriringan dengan konsep termodinamika udara tersebut akan menciptakan sistem cuaca dimana pembangkit pembentukan awan nya yang beragam baik sifat cumuliform maupun stratiformis terbentuk melalui mekanisme kompleks sebagai berikut

1.     Efek Topografi

Pembentukan awan akibat adanya pemaksaan gerakan udara dari permukaan ke elevasi tinggi

2.     Konvergensi Udara

Konsep gerakan divergence (kondisi negatif) membentuk adanya aliran konfluen yang menyebabkan udara naik vertikal dan pengangkatan udara yang terjadi membentuk awan secara adiabatis

3.     Front/Zenithal

Pembentukan front 2 massa udara berbeda jenis densitas menyebabkan ada udara yang terangakat

4.     Konvektif (Asoasiasi Turbulen Lapisan Batas Atmosfer)

Pengangkatan akibat termal yang dibantu oleh adanya TKE membentuk awan mudah terbentuk