Atmosfer Bumi merupakan selubung gas yang sangat vital, berfungsi melindungi kehidupan di permukaan dari radiasi berbahaya dan menjaga keseimbangan termal planet. Lapisan atmosfer terbagi menjadi beberapa zona berdasarkan profil suhu vertikalnya. Salah satu lapisan paling penting, yang sering kali menjadi fokus studi klimatologi dan kimia atmosfer, adalah stratosfer.
Stratosfer menempati posisi unik di atas troposfer—lapisan tempat kita hidup dan tempat sebagian besar fenomena cuaca terjadi—dan membentang hingga mesosfer di atasnya. Meskipun tipis dibandingkan dengan total ketinggian atmosfer, stratosfer memegang peranan krusial, terutama karena ia menampung lapisan ozon yang berfungsi sebagai perisai pelindung utama Bumi. Memahami karakteristik fisik, kimia, dan dinamika pergerakan di lapisan ini adalah kunci untuk memecahkan berbagai teka-teki terkait perubahan iklim global dan kesehatan ekosistem planet.
Stratosfer didefinisikan sebagai lapisan atmosfer kedua di atas permukaan Bumi. Batas bawahnya dikenal sebagai tropopause, yang merupakan titik transisi di mana suhu berhenti menurun seiring dengan peningkatan ketinggian. Ketinggian tropopause bervariasi; ia berada di sekitar 8 km di wilayah kutub dan dapat mencapai 17-18 km di daerah khatulistiwa, dipengaruhi oleh suhu dan sirkulasi troposfer di bawahnya.
Batas atas stratosfer adalah stratopause, sebuah zona transisi yang menandai berakhirnya kenaikan suhu vertikal di lapisan ini dan dimulainya penurunan suhu drastis di lapisan mesosfer di atasnya. Stratopause umumnya terletak pada ketinggian sekitar 50 hingga 55 km di atas permukaan laut.
Ciri fisik stratosfer yang paling membedakan dari troposfer adalah profil suhunya. Di troposfer, suhu menurun seiring dengan bertambahnya ketinggian (disebut laju peluruhan, atau *lapse rate*). Namun, di stratosfer, terjadi fenomena inversi suhu, di mana suhu justru meningkat secara bertahap seiring dengan peningkatan ketinggian. Peningkatan suhu ini signifikan, mulai dari sekitar -60°C di tropopause hingga mendekati 0°C di stratopause.
Peningkatan suhu ini bukanlah hasil dari tekanan, melainkan konsekuensi langsung dari proses kimia yang terjadi di dalam lapisan tersebut. Energi utama yang memicu kenaikan suhu adalah penyerapan radiasi ultraviolet (UV) intensif dari Matahari oleh molekul-molekul ozon (O₃). Ketika molekul ozon menyerap foton UV, energi tersebut diubah menjadi energi kinetik, yang kemudian meningkatkan suhu udara di sekitarnya. Oleh karena konsentrasi ozon tertinggi berada di tengah hingga atas stratosfer, wilayah tersebut menjadi lebih hangat.
Inversi suhu ini memiliki implikasi besar terhadap dinamika atmosfer. Kenaikan suhu ke atas menciptakan stabilitas vertikal yang luar biasa. Udara di stratosfer bagian bawah lebih dingin dan padat daripada udara di atasnya, sehingga pergerakan vertikal menjadi sangat terhambat. Inilah sebabnya mengapa stratosfer hampir bebas dari turbulensi dan percampuran yang parah, menjadikannya lapisan yang relatif tenang dibandingkan dengan troposfer di bawahnya. Stabilitas ini juga berfungsi sebagai penghalang (lid) yang efektif, mencegah sebagian besar uap air dan polutan dari troposfer naik ke stratosfer atas.
Meskipun terjadi inversi suhu, kepadatan udara di stratosfer jauh lebih rendah dibandingkan di troposfer. Sebagian besar massa atmosfer (sekitar 75%) berada di bawah tropopause. Pada ketinggian stratosfer, tekanan dan kepadatan gas terus menurun secara eksponensial seiring dengan ketinggian. Meskipun udaranya lebih panas di stratopause daripada di tropopause, ia tetap jauh lebih encer. Kepadatan udara di stratopause hanya sekitar seperseribu dari kepadatan di permukaan laut.
Kepadatan yang rendah ini memengaruhi perjalanan gelombang suara, yang kadang-kadang dapat merambat sangat jauh di lapisan ini, serta memengaruhi kemampuan pesawat terbang untuk beroperasi secara efisien di wilayah tersebut, meskipun penerbangan jet modern sering kali memanfaatkan lapisan stratosfer bawah untuk menghindari cuaca buruk di troposfer.
Inti fungsional dari stratosfer terletak pada keberadaan lapisan ozon. Meskipun ozon (O₃) hanya merupakan gas minor dalam hal konsentrasi total gas atmosfer, perannya sangat besar dalam menentukan iklim dan memungkinkan kehidupan di permukaan Bumi. Sekitar 90% dari seluruh ozon atmosfer berada di stratosfer, terutama terkonsentrasi di wilayah yang sering disebut sebagai "lapisan ozon" pada ketinggian antara 20 dan 30 km.
Siklus pembentukan dan penghancuran ozon, yang dikenal sebagai Siklus Chapman, adalah serangkaian reaksi fotokimia yang terus-menerus terjadi di stratosfer, menjaga keseimbangan dinamis konsentrasi O₃. Siklus ini ditemukan oleh Sydney Chapman pada tahun 1930 dan melibatkan empat reaksi utama yang menggunakan oksigen molekuler (O₂) dan atom oksigen tunggal (O).
Langkah 1: Fotolisis Oksigen Molekuler. Radiasi UV gelombang pendek (di bawah 242 nm), yang sangat energik, memecah molekul oksigen (O₂) menjadi dua atom oksigen tunggal yang sangat reaktif (O). Reaksi ini hanya terjadi di stratosfer atas, di mana radiasi UV terkuat:
O₂ + UV (λ < 242 nm) → O + O
Langkah 2: Pembentukan Ozon. Atom oksigen tunggal (O) yang baru terbentuk kemudian bereaksi dengan molekul oksigen lain (O₂) untuk membentuk ozon (O₃). Reaksi ini memerlukan molekul pihak ketiga (M, biasanya Nitrogen/N₂ atau O₂) untuk menyerap kelebihan energi, memastikan molekul O₃ tetap stabil:
O + O₂ + M → O₃ + M
Langkah 3: Penyerapan UV dan Penghancuran Ozon. Molekul ozon (O₃) yang terbentuk sangat efektif dalam menyerap radiasi UV-B (240–320 nm), yang kurang energik tetapi lebih berlimpah. Proses penyerapan ini memecah ozon kembali menjadi molekul oksigen dan atom oksigen:
O₃ + UV (λ 240-320 nm) → O₂ + O
Langkah 4: Penghancuran Ozon Alami. Ozon juga dapat dihancurkan melalui reaksi alami dengan atom oksigen bebas. Ini adalah proses rekombinasi:
O + O₃ → 2 O₂
Keseimbangan antara pembentukan (Langkah 1 & 2) dan penghancuran (Langkah 3 & 4) inilah yang menentukan konsentrasi ozon secara keseluruhan. Langkah 3 sangat penting karena merupakan mekanisme yang bertanggung jawab atas pemanasan stratosfer (inversi suhu) dan yang paling vital bagi kehidupan, yaitu perlindungan dari UV-B.
Fungsi utama lapisan ozon adalah menyerap sebagian besar radiasi ultraviolet (UV) Matahari. Tanpa lapisan ozon, jumlah UV-B dan UV-C yang mencapai permukaan Bumi akan sangat tinggi, menyebabkan dampak kesehatan dan lingkungan yang merusak:
Dengan menyaring radiasi UV-B yang berbahaya, lapisan ozon telah memungkinkan evolusi dan kelangsungan kehidupan di daratan selama jutaan tahun terakhir. Kehilangan sedikit saja dari perisai ini dapat memiliki konsekuensi ekologis yang besar, itulah sebabnya penemuan dan penanganan penipisan ozon menjadi salah satu kisah sukses terbesar dalam ilmu lingkungan.
Pada paruh kedua abad ke-20, ilmuwan menemukan bahwa keseimbangan alami Siklus Chapman terganggu oleh zat kimia buatan manusia. Penipisan ozon adalah proses di mana konsentrasi ozon di stratosfer, khususnya di wilayah kutub, berkurang secara signifikan.
Peran Klorin dan Bromin: Senyawa yang paling merusak adalah klorofluorokarbon (CFCs), yang digunakan secara luas dalam pendingin, aerosol, dan busa. Meskipun inert di troposfer, ketika CFCs mencapai stratosfer, radiasi UV intensif memecahkannya, melepaskan atom klorin (Cl) atau bromin (Br).
Klorin bertindak sebagai katalis dalam reaksi penghancuran ozon. Artinya, satu atom klorin dapat menghancurkan ribuan molekul ozon tanpa dirinya sendiri habis dalam proses tersebut. Reaksi katalitiknya adalah sebagai berikut:
Hasil Netto: O₃ + O → 2 O₂
Siklus ini sangat efisien, mempercepat penghancuran ozon jauh melebihi laju penghancuran alami. Meskipun bromin (dari halon dan metil bromida) jauh lebih jarang, ia 40 hingga 100 kali lebih efisien dalam menghancurkan ozon daripada klorin.
Penipisan ozon paling dramatis terjadi di Antartika, fenomena yang populer dikenal sebagai "lubang ozon." Lubang ozon bukanlah lubang kosong, melainkan area dengan konsentrasi ozon yang sangat rendah (di bawah 220 Dobson Units). Fenomena ini terjadi setiap musim semi di Kutub Selatan dan melibatkan kombinasi proses kimia dan meteorologi yang unik:
Karena kondisi suhu dan angin yang lebih bergejolak, lubang ozon di Kutub Utara (Arktik) biasanya kurang parah dibandingkan di Kutub Selatan, meskipun penipisan yang signifikan sesekali tetap terjadi.
Respons global terhadap ancaman ini diwujudkan melalui Protokol Montreal (1987), perjanjian internasional yang bertujuan menghentikan produksi dan konsumsi zat perusak ozon (ODS). Protokol Montreal dianggap sebagai salah satu perjanjian lingkungan internasional paling sukses, dan data terbaru menunjukkan bahwa lubang ozon mulai menunjukkan tanda-tanda pemulihan, yang diperkirakan akan mencapai tingkat sebelum tahun 1980-an pada pertengahan abad ini.
Meskipun stratosfer dikenal karena stabilitasnya secara vertikal, pergerakan horizontal dan sirkulasi global di lapisan ini memainkan peran mendasar dalam mendistribusikan ozon, air, dan energi ke seluruh planet. Sirkulasi ini jauh lebih lambat dan lebih terstruktur daripada sirkulasi di troposfer.
Sirkulasi Brewer-Dobson (BDC) adalah mekanisme sirkulasi global yang menjelaskan bagaimana udara bergerak dari troposfer ke stratosfer dan bagaimana ozon didistribusikan. Sirkulasi ini dinamakan berdasarkan penelitian oleh Alan Brewer dan Gordon Dobson pada tahun 1940-an dan 1950-an.
BDC memiliki tiga komponen utama:
BDC adalah mekanisme utama yang mendistribusikan ozon. Ozon diproduksi paling efisien di stratosfer tropis atas karena intensitas radiasi UV tertinggi ada di sana. Namun, konsentrasi kolom ozon total tertinggi ditemukan di lintang tengah dan kutub. Distribusi paradoks ini dijelaskan oleh BDC: ozon diproduksi di tropis, diangkut ke kutub, dan menumpuk di sana sebelum kembali turun ke troposfer.
Perubahan dalam kecepatan BDC, yang diprediksi akan meningkat akibat perubahan iklim, memiliki dampak signifikan. BDC yang lebih cepat akan memindahkan ozon dari stratosfer tropis (di mana ia diproduksi) ke stratosfer kutub (di mana ia menumpuk), yang berpotensi mengurangi ozon di lintang tropis dan meningkatkan ozon di lintang kutub. Selain itu, BDC yang lebih cepat juga akan mempercepat masuknya gas rumah kaca dan ODS yang belum terurai sepenuhnya dari troposfer ke stratosfer, meski efek totalnya terhadap pemulihan ozon masih kompleks.
Salah satu fenomena paling mencolok dan unik dalam dinamika stratosfer adalah Osilasi Kuasi-Biennial (Quasi-Biennial Oscillation, QBO). QBO adalah pembalikan angin horizontal yang terjadi di stratosfer ekuatorial bagian bawah (sekitar 20–35 km).
QBO ditandai oleh pergeseran pola angin zonal (timur-barat) yang bergantian antara fase timur yang kuat dan fase barat yang kuat. Periode pembalikan penuh biasanya membutuhkan waktu sekitar 26 hingga 30 bulan (kuasi-biennial, bukan tepat dua tahun).
Mekanisme Pendorong QBO: QBO bukan didorong oleh proses termal seperti sirkulasi Hadley, melainkan oleh gelombang atmosfer yang bergerak vertikal dari troposfer, khususnya gelombang gravitasi dan gelombang Kelvin. Gelombang-gelombang ini pecah saat mereka naik ke stratosfer, mentransfer momentum mereka. Transfer momentum inilah yang mendorong perubahan arah angin secara periodik.
Implikasi QBO: QBO memiliki dampak luas, tidak hanya pada sirkulasi stratosfer tetapi juga pada cuaca di permukaan.
Pemanasan Stratosferik Mendadak (Sudden Stratospheric Warming, SSW) adalah peristiwa dramatis yang terjadi terutama di stratosfer Kutub Utara selama musim dingin. Biasanya, stratosfer kutub sangat dingin dan dikelilingi oleh pusaran angin yang kuat (vortex kutub). SSW terjadi ketika suhu di stratosfer kutub naik secara tiba-tiba, terkadang lebih dari 50°C dalam beberapa hari.
Penyebab: SSW disebabkan oleh perambatan vertikal gelombang atmosfer raksasa yang disebut Gelombang Rossby (atau gelombang planet) dari troposfer. Ketika gelombang ini pecah di stratosfer kutub, mereka menyebabkan gangguan besar pada vortex, memecahnya atau memindahkannya. Pecahnya gelombang ini melepaskan energi ke dalam atmosfer, menyebabkan pemanasan cepat.
Dampak SSW: SSW tidak hanya memengaruhi stratosfer. Peristiwa ini menunjukkan koneksi vertikal antara atmosfer atas dan bawah:
Peristiwa SSW adalah contoh utama bagaimana dinamika stratosfer secara langsung dapat memengaruhi cuaca yang dialami manusia di permukaan, menggarisbawahi pentingnya studi sirkulasi atmosfer di ketinggian tinggi.
Meskipun stratosfer didominasi oleh nitrogen dan oksigen, seperti sisa atmosfer, sejumlah kecil gas dan partikel memainkan peran yang sangat penting dalam proses radiatif dan kimia.
Stratosfer dikenal sangat kering. Konsentrasi uap air (H₂O) di stratosfer biasanya jauh lebih rendah daripada di troposfer. Kekeringan ini disebabkan oleh mekanisme pendingin yang kuat di sekitar tropopause tropis, yang bertindak sebagai "perangkap dingin" (cold trap).
Ketika udara tropis naik melalui tropopause, suhu yang sangat rendah memaksa sebagian besar uap air mengembun dan jatuh kembali ke troposfer sebagai presipitasi atau kristal es. Hanya uap air yang tersisa yang dapat mencapai stratosfer.
Namun, uap air di stratosfer sangat penting karena ia adalah gas rumah kaca yang kuat dan juga merupakan sumber utama radikal hidroksil (OH) yang berperan dalam kimia stratosfer. Kenaikan sedikit saja konsentrasi uap air stratosfer dapat memiliki efek pendinginan di permukaan Bumi, mengubah keseimbangan radiatif global.
Aerosol adalah partikel padat atau cair yang tersuspensi di udara. Stratosfer mengandung lapisan aerosol yang stabil, yang dikenal sebagai Lapisan Junge (ditemukan oleh Christian Junge). Lapisan ini terletak di stratosfer bawah, biasanya antara 15 hingga 25 km.
Aerosol stratosferik sebagian besar terdiri dari tetesan asam sulfat (H₂SO₄). Sumber utama bahan untuk aerosol ini adalah:
Dampak Vulkanik pada Iklim: Ketika gunung berapi yang sangat kuat, seperti Gunung Pinatubo (1991), meletus, ia dapat menyuntikkan jutaan ton SO₂ ke stratosfer. SO₂ bereaksi membentuk tetesan asam sulfat yang tinggal di stratosfer selama bertahun-tahun. Aerosol ini memiliki dua dampak utama:
Selain ozon dan air, stratosfer juga merupakan rumah bagi sejumlah besar gas jejak yang terlibat dalam siklus katalitik ozon. Gas-gas ini umumnya dikenal sebagai keluarga katalitik dan meliputi:
Keseimbangan antara semua siklus kimia ini, serta dampaknya pada lapisan ozon, sangat sensitif terhadap perubahan suhu, jumlah radiasi UV, dan input gas dari troposfer.
Stratosfer, karena ketinggiannya dan kondisi ekstremnya, adalah lokasi berbagai fenomena atmosfer yang menakjubkan dan penting.
Seperti disebutkan sebelumnya, Awan Stratosferik Kutub (PSCs), atau dikenal juga sebagai awan nacreous karena penampilannya yang menyerupai mutiara, adalah kunci dalam proses penipisan ozon kutub. Mereka terbentuk hanya pada suhu yang sangat rendah (di bawah -78°C) di stratosfer bawah kutub.
Terdapat beberapa jenis PSCs:
Permukaan kristal-kristal ini adalah arena untuk reaksi kimia heterogen yang mengubah molekul klorin reservoir yang tidak reaktif menjadi bentuk yang reaktif dan siap menghancurkan ozon segera setelah sinar Matahari kembali muncul di musim semi.
Stratosfer tidak sepenuhnya terisolasi dari troposfer. Interaksi dinamis terjadi melalui gelombang atmosfer. Gelombang gravitasi, yang dihasilkan ketika udara terangkat melewati pegunungan (gelombang orografis) atau akibat konveksi badai petir, merambat ke atas dan pecah di stratosfer dan mesosfer.
Pecahnya gelombang gravitasi ini mentransfer momentum dari bawah ke atas, memainkan peran penting dalam menggerakkan sirkulasi stratosfer (seperti QBO dan SSW). Ini adalah cara utama di mana energi dan momentum dipindahkan antara lapisan atmosfer yang berbeda, menghubungkan dinamika cuaca permukaan dengan pergerakan global di ketinggian.
Perubahan iklim global sering kali berfokus pada troposfer dan pemanasan permukaan Bumi. Namun, stratosfer adalah lapisan yang sangat sensitif terhadap perubahan komposisi gas atmosfer dan menawarkan petunjuk penting mengenai mekanisme yang lebih luas dari sistem iklim planet.
Salah satu tanda tangan paling jelas dari perubahan iklim yang disebabkan oleh manusia adalah pendinginan stratosfer, yang terjadi bersamaan dengan pemanasan troposfer. Fenomena ini dikenal sebagai "pemanasan dan pendinginan vertikal diferensial" dan memberikan bukti kuat bahwa peningkatan gas rumah kaca adalah penyebabnya.
Mekanisme Pendinginan: Gas rumah kaca seperti karbon dioksida (CO₂) menyerap radiasi inframerah gelombang panjang (panas) yang dipancarkan dari permukaan Bumi dan troposfer. Di troposfer, energi yang diserap ini dipancarkan ke segala arah, menyebabkan pemanasan permukaan. Namun, di stratosfer, di mana udaranya sangat tipis, molekul CO₂ menyerap energi panas dari bawah dan dengan cepat memancarkannya ke luar angkasa sebelum sempat menghangatkan stratosfer di sekitarnya. Peningkatan emisi CO₂ meningkatkan efisiensi proses pemancaran (radiasi) ini, menyebabkan stratosfer kehilangan panas lebih cepat dan menjadi semakin dingin.
Pendinginan stratosfer ini memiliki beberapa konsekuensi, termasuk:
Perubahan suhu stratosfer, terutama di kutub, telah diamati memengaruhi posisi dan kekuatan jet stream troposfer. Jet stream, yang merupakan pita angin kencang yang menentukan jalur badai dan pola cuaca, tampaknya menjadi lebih berkelok-kelok (meandering) atau lebih stagnan karena perubahan dinamika vertikal. Meskipun mekanisme pastinya masih diselidiki, jelas bahwa perubahan di lapisan atas dapat menghasilkan efek riak yang berdampak signifikan pada cuaca di belahan bumi utara.
Mempelajari lapisan yang relatif tidak dapat diakses ini memerlukan teknologi canggih dan berbagai platform pengamatan, mulai dari permukaan hingga luar angkasa.
1. Balon Udara (Balloonsondes): Balon cuaca yang membawa radiosondes adalah cara klasik untuk mengukur suhu, tekanan, dan kelembaban hingga sekitar 30 km. Balon ozon khusus (ozonesondes) digunakan untuk mengukur profil konsentrasi ozon vertikal.
2. Instrumentasi Satelit: Satelit memberikan pandangan global dan kontinu mengenai stratosfer. Instrumen seperti spektrometer mengukur penyerapan dan emisi radiasi pada panjang gelombang tertentu untuk menentukan konsentrasi gas (ozon, klorin monoksida, uap air) dan suhu. Satelit adalah alat penting untuk memantau pemulihan lapisan ozon.
3. Pengamatan Permukaan (Lidar dan Spektrometer): Lidar (Light Detection and Ranging) dapat memancarkan sinar laser ke atmosfer dan menganalisis cahaya yang tersebar kembali untuk menentukan profil vertikal aerosol dan ozon dari permukaan Bumi. Spektrometer berbasis tanah, seperti jaringan Dobson, memantau total kolom ozon.
Meskipun kemajuan besar telah dicapai, terutama dalam memahami kimia ozon, tantangan penelitian stratosfer masih banyak. Fokus utama penelitian kontemporer meliputi:
Lapisan stratosfer adalah penyeimbang vital bagi sistem Bumi, bertindak sebagai perisai radiasi dan komponen kunci dalam dinamika iklim global. Studi berkelanjutan terhadap lapisan ini tetap krusial untuk memastikan keberlanjutan lingkungan dan kemampuan kita untuk memitigasi risiko dari perubahan atmosfer di masa depan.