Mesosfer, yang secara harfiah berarti 'lapisan tengah', merupakan salah satu wilayah atmosfer Bumi yang paling sedikit dipahami dan paling sulit untuk diakses. Terletak tepat di atas Stratosfer dan di bawah Termosfer, lapisan ini memainkan peran vital dalam menjaga ekosistem planet kita, bertindak sebagai perisai alami terhadap ancaman kosmik. Wilayah yang membentang dari ketinggian sekitar 50 kilometer hingga 85 kilometer ini dikenal karena suhu ekstremnya yang dingin dan dinamika udaranya yang kompleks, menjadikannya subjek penelitian aeronomi yang tak pernah habis. Pemahaman mendalam tentang Mesosfer sangat krusial, tidak hanya untuk ilmu pengetahuan atmosfer tetapi juga untuk navigasi satelit, re-entry wahana antariksa, dan studi tentang perubahan iklim global.
Dibandingkan dengan lapisan di bawahnya—Troposfer yang padat tempat kita hidup dan Stratosfer yang mengandung lapisan ozon—Mesosfer sering disebut sebagai "ignorosphere" (lapisan ketidaktahuan) oleh para ilmuwan, karena terlalu tinggi untuk dijangkau oleh pesawat atau balon cuaca, namun terlalu rendah untuk orbit satelit yang stabil. Kondisi ini menuntut penggunaan teknik observasi yang inovatif, seperti roketsonde dan teknologi lidar berbasis darat, untuk mengungkap rahasia-rahasianya.
Penentuan batas Mesosfer didasarkan pada profil suhu vertikal atmosfer. Setiap lapisan atmosfer ditentukan oleh bagaimana suhu berubah seiring peningkatan ketinggian.
Batas bawah Mesosfer ditandai oleh Stratopaus. Pada ketinggian ini, suhu mencapai maksimum lokal karena penyerapan radiasi ultraviolet (UV) oleh molekul ozon yang tersisa dari lapisan Stratosfer. Suhu di Stratopaus bisa mencapai sekitar 0°C atau bahkan sedikit di atasnya. Stratopaus menandakan akhir dari Stratosfer dan awal dari Mesosfer. Ini adalah titik di mana pola kenaikan suhu terhenti, dan pola penurunan suhu ekstrem mulai mendominasi.
Batas atas Mesosfer adalah Mesopaus. Mesopaus adalah salah satu wilayah paling dingin di Bumi. Suhu rata-rata di Mesopaus berada di sekitar -90°C hingga -100°C (-130°F), dan dalam kondisi musim panas kutub, suhu dapat turun hingga -143°C. Penurunan suhu yang dramatis ini adalah ciri khas Mesosfer. Ketinggian Mesopaus bervariasi secara musiman dan geografis, seringkali lebih tinggi di ekuator daripada di kutub, dan sedikit lebih tinggi selama musim panas setempat.
Struktur vertikal Mesosfer tidaklah statis. Ketinggian lapisan ini dan batas-batasnya sangat dipengaruhi oleh gelombang atmosfer raksasa yang berasal dari Troposfer di bawahnya. Variasi musiman di kutub menunjukkan perubahan yang signifikan, terutama dalam kaitannya dengan pembentukan Awan Noktilusen. Selama musim panas kutub, Mesopaus mencapai suhu terdinginnya, sebuah paradoks yang didorong oleh dinamika sirkulasi global yang menarik udara ke atas, menyebabkan pendinginan adiabatik yang ekstrem.
Mesosfer adalah wilayah transisi di mana hukum-hukum gas ideal mulai berinteraksi dengan dinamika atmosfer tinggi. Lingkungan fisiknya didominasi oleh kepadatan yang sangat rendah dan suhu yang sangat fluktuatif.
Ciri fisik paling menonjol dari Mesosfer adalah penurunan suhu yang konsisten seiring ketinggian. Ini berbanding terbalik dengan Stratosfer di bawahnya (di mana suhu meningkat) dan Termosfer di atasnya (di mana suhu juga meningkat tajam).
Penurunan suhu ini disebabkan oleh dua faktor utama: pertama, minimnya penyerapan radiasi matahari. Ozon, yang merupakan penyerap panas utama, sudah sangat jarang di Mesosfer. Kedua, yang lebih penting, adalah pendinginan radiatif oleh karbon dioksida (CO₂). Meskipun konsentrasinya rendah, CO₂ sangat efisien dalam memancarkan kembali energi inframerah (panas) ke luar angkasa, terutama pada ketinggian ini. Proses ini sangat efisien karena di atas Mesopaus, proses pendinginan menjadi kurang efisien, yang menjelaskan mengapa suhu minimum Bumi terjadi di Mesopaus.
Proses pendinginan yang ekstrem ini juga diperkuat oleh mekanisme dinamika. Di Mesosfer kutub pada musim panas, sirkulasi global yang disebut Sirkulasi Brewer-Dobson Mendorong udara ke atas. Kenaikan udara ini menyebabkan pendinginan adiabatik—udara mengembang saat naik, sehingga suhunya turun drastis. Fenomena pendinginan adiabatik inilah yang bertanggung jawab atas suhu sangat dingin yang diperlukan untuk pembentukan Awan Noktilusen (NLC).
Kepadatan dan tekanan udara di Mesosfer sangat rendah, hanya merupakan sebagian kecil dari atmosfer permukaan. Di Stratopaus (50 km), tekanan sekitar 1/1000 dari tekanan permukaan laut. Pada Mesopaus (85 km), tekanan telah turun menjadi sekitar 1/100.000 dari tekanan permukaan. Ini berarti bahwa, meskipun secara fisik luas, Mesosfer hanya mengandung sekitar 0,1% dari total massa atmosfer. Udara di sini sangat tipis sehingga molekul gas rata-rata harus menempuh jarak yang jauh lebih jauh sebelum bertabrakan satu sama lain dibandingkan di Troposfer.
Pada ketinggian Mesosfer, jarak bebas rata-rata molekul (mean free path) meningkat secara signifikan. Hal ini mulai mempengaruhi cara energi ditransfer. Di bawah 60 km, energi termal ditransfer terutama melalui tabrakan. Namun, mendekati Mesopaus, transfer energi melalui radiasi (emisi CO₂ dan penyerapan O₂) menjadi sama pentingnya, yang turut menjelaskan profil termal unik lapisan ini.
Fungsi Mesosfer yang paling terkenal adalah perannya sebagai benteng pertahanan utama Bumi melawan objek-objek kecil dari luar angkasa, seperti meteoroid. Jutaan benda kosmik kecil memasuki atmosfer Bumi setiap hari. Kebanyakan dari objek ini terbakar di Mesosfer, menciptakan jejak cahaya yang kita kenal sebagai bintang jatuh atau meteor.
Ketika meteoroid memasuki atmosfer di Mesosfer (biasanya antara 75 km hingga 110 km), kecepatan mereka sangat tinggi, berkisar antara 11 km/detik hingga 72 km/detik. Meskipun kepadatan udara di Mesosfer tipis, kecepatan yang ekstrem ini menghasilkan tiga proses kunci yang menyebabkan kehancuran meteoroid:
Proses ablasi ini memecah sebagian besar meteoroid menjadi debu halus (disebut debu meteorik atau debu kosmik), yang perlahan-lahan mengendap ke lapisan Stratosfer dan Troposfer. Tanpa Mesosfer, benda-benda ini akan mencapai permukaan bumi dalam jumlah yang jauh lebih besar dan dengan kecepatan yang lebih berbahaya.
Debu yang dihasilkan dari ablasi meteoroid tidak hanya menghilang. Partikel-partikel kecil ini menjadi inti kondensasi (nucleation sites) untuk fenomena Mesosferik lainnya. Debu meteorik ini memainkan peran sentral dalam pembentukan Awan Noktilusen, sebuah koneksi langsung antara ruang angkasa luar dan dinamika atmosfer Bumi.
Meskipun udara di Mesosfer tipis, ia menjadi tuan rumah bagi beberapa fenomena paling menakjubkan dan unik di atmosfer Bumi, didorong oleh suhu dingin ekstrem dan radiasi UV yang intens.
Awan Noktilusen, atau Awan Malam Berkilauan, adalah awan tertinggi di atmosfer Bumi, terbentuk tepat di Mesopaus (sekitar 80–85 km). Mereka adalah fenomena yang luar biasa karena terbentuk di wilayah di mana uap air sangat jarang, dan suhu sangat rendah.
Pembentukan NLC membutuhkan tiga elemen kunci:
NLC menjadi indikator sensitif bagi perubahan di atmosfer atas. Peningkatan frekuensi dan kecerahan NLC dalam dekade terakhir menjadi perhatian para ilmuwan iklim. Salah satu teori menyebutkan bahwa peningkatan emisi metana di permukaan Bumi (gas rumah kaca) dapat mencapai Mesosfer. Metana teroksidasi menjadi uap air, yang kemudian meningkatkan ketersediaan air di Mesopaus, sehingga memperluas pembentukan awan es.
Meskipun sebagian besar lapisan ozon berada di Stratosfer, sejumlah kecil ozon dan spesies oksigen reaktif lainnya tetap ada di Mesosfer. Reaksi fotokimia di lapisan ini sangat dipengaruhi oleh radiasi UV yang kuat. Molekul oksigen (O₂) dipecah menjadi atom oksigen (O), yang penting untuk pembentukan ozon (O₃) dan juga untuk reaksi pembentukan kembali O₂.
Selain itu, Mesosfer berinteraksi dengan radiasi energi tinggi yang berasal dari Matahari. Ionisasi, yang biasanya menjadi ciri Termosfer di atasnya, mulai terjadi di Mesosfer bagian atas. Ketinggian ini menampung Lapisan D Ionosfer—lapisan ionosfer terendah yang bertanggung jawab menyerap gelombang radio frekuensi rendah, terutama saat siang hari. Lapisan D ini sangat penting karena dinamikanya sangat bergantung pada kimia Mesosfer, terutama keberadaan molekul nitrat oksida dan elektron bebas.
Mesosfer dan Termosfer bagian bawah adalah lokasi terjadinya fenomena Pijar Udara (Airglow). Pijar udara adalah emisi cahaya samar yang disebabkan oleh atom dan molekul yang tereksitasi di atmosfer kembali ke keadaan energi yang lebih rendah. Ini bukan cahaya matahari yang dipantulkan (seperti aurora), melainkan cahaya yang dihasilkan secara kimia. Pijar udara paling umum melibatkan emisi dari atom oksigen (hijau dan merah) dan molekul hidroksil (OH), yang merupakan produk dari reaksi ozon dan hidrogen. Studi pijar udara memberikan wawasan vital mengenai suhu, kepadatan, dan pergerakan gas di Mesosfer.
Mesosfer adalah wilayah yang sangat dinamis, didominasi oleh pergerakan vertikal dan horizontal yang masif, yang terutama didorong oleh gelombang yang merambat ke atas dari lapisan di bawahnya.
Di Mesosfer, efek yang paling dominan dalam mengatur sirkulasi dan distribusi energi adalah pemecahan (breaking) gelombang gravitasi atmosfer (Atmospheric Gravity Waves - AGW). AGW dihasilkan di Troposfer, seringkali oleh aliran udara melintasi pegunungan (gelombang orografik) atau oleh badai konvektif yang hebat.
Saat gelombang ini naik melalui Stratosfer yang lebih stabil, amplitudonya (kekuatannya) meningkat secara eksponensial karena kepadatan udara yang berkurang. Ketika gelombang gravitasi mencapai Mesosfer, amplitudonya menjadi sangat besar sehingga mereka 'pecah', sama seperti gelombang laut yang pecah di pantai. Pemecahan gelombang ini melepaskan energi dan momentum dalam jumlah besar ke atmosfer atas. Pelepasan momentum inilah yang mendorong Sirkulasi Mesosferik Global.
Momentum yang dilepaskan oleh pemecahan gelombang gravitasi berperan penting dalam menarik udara ke atas di kutub musim panas (menyebabkan pendinginan adiabatik dan NLC) dan mendorong udara ke bawah di kutub musim dingin (menyebabkan pemanasan adiabatik yang membuat kutub musim dingin menjadi sedikit lebih hangat daripada yang seharusnya). Ini adalah mekanisme kunci yang menghubungkan cuaca Troposfer dengan iklim Mesosfer.
Mesosfer dicirikan oleh pola angin yang kuat dan teratur, seringkali berupa jet stream yang berputar secara zonal (timur-barat). Selama musim dingin, angin timur (angin dari timur) yang kencang mendominasi; selama musim panas, angin barat (angin dari barat) yang kuat mendominasi. Pola ini mengalami pembalikan yang dramatis dua kali setahun (saat ekuinoks), dan fluktuasi ini sangat penting untuk memahami transport kimia dan suhu di lapisan tengah atmosfer.
Selain gelombang gravitasi, Mesosfer juga sangat dipengaruhi oleh gelombang pasang surut atmosfer, yang dihasilkan oleh pemanasan harian Matahari (terutama di Troposfer dan Stratosfer). Gelombang pasang surut ini adalah osilasi tekanan dan angin global yang bergerak secara periodik. Mereka dapat memindahkan sejumlah besar momentum dan energi, terutama di Mesosfer ekuator, mempengaruhi dinamika harian lapisan tersebut.
Karena posisinya yang unik—terlalu tinggi untuk balon, terlalu rendah untuk satelit stabil—Mesosfer tetap menjadi wilayah yang paling kurang terobservasi di atmosfer Bumi.
Untuk waktu yang lama, satu-satunya cara untuk mendapatkan pengukuran in situ (langsung) dari Mesosfer adalah melalui roketsonde atau roket sounding. Roket kecil ini diluncurkan dan membawa instrumen yang mengukur suhu, tekanan, dan kepadatan saat mereka melintasi lapisan Mesosfer dalam penerbangan parabola. Data yang dikumpulkan bersifat titik waktu dan lokasi tertentu, namun sangat penting untuk kalibrasi instrumen jarak jauh.
Ilmuwan modern mengandalkan teknologi jarak jauh yang canggih:
Lidar menggunakan pulsa laser untuk menembak atmosfer dan mengukur cahaya yang tersebar kembali. Lidar Natrium (Sodium Lidar) dapat mendeteksi lapisan atom natrium yang terbentuk di Mesosfer akibat ablasi meteoroid. Dengan mengukur pergeseran Doppler dari atom-atom ini, ilmuwan dapat menghitung kecepatan angin dan suhu secara real-time di sepanjang Mesosfer dan Termosfer bagian bawah.
Beberapa misi satelit dirancang khusus untuk mempelajari Mesosfer. Salah satu yang paling terkenal adalah Satelit AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere) yang diluncurkan oleh NASA. AIM berfokus pada studi Awan Noktilusen (NLC), mengumpulkan data tentang frekuensi, lokasi, dan komposisi partikel es NLC. Misi satelit lain, seperti TIMED (Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics), berfokus pada transfer energi antara lapisan-lapisan ini.
Pengamatan Pijar Udara (Airglow) dari permukaan tanah menggunakan spektrometer memungkinkan para peneliti untuk menyimpulkan suhu dan ketinggian lapisan hidroksil (OH) yang tereksitasi, memberikan pengukuran termal yang berkelanjutan dan hemat biaya di Mesopaus.
Kimia Mesosfer didominasi oleh spesies netral dan radikal bebas. Pada ketinggian ini, molekul berat (seperti nitrogen dan oksigen) masih bercampur secara homogen (disebut wilayah homosfer), tetapi interaksi dengan radiasi Matahari menghasilkan populasi kimia yang sangat reaktif.
Radiasi UV yang tidak tersaring di atas Mesosfer menghasilkan sejumlah besar oksigen atomik (O) di Termosfer. Atom-atom ini berdifusi ke bawah dan menjadi sangat penting di Mesosfer bagian atas. Reaksi antara oksigen atomik dan ozon (O₃) atau oksigen molekuler (O₂) adalah sumber energi panas dan juga menghasilkan radikal bebas yang penting.
Salah satu radikal bebas yang paling signifikan adalah Hidroksil (OH). Molekul OH terbentuk melalui reaksi yang melibatkan hidrogen, oksigen, dan ozon. OH bertindak sebagai katalis dalam banyak reaksi kimia Mesosfer, dan emisi cahayanya (pijar udara OH) adalah salah satu alat terbaik untuk mengukur suhu lapisan tersebut.
Uap air (H₂O) yang mencapai Mesosfer sangat rentan terhadap penguraian oleh radiasi UV, sebuah proses yang disebut fotolisis. H₂O terurai menjadi hidrogen (H) dan radikal hidroksil (OH). Hidrogen yang sangat ringan ini dapat dengan mudah lolos dari gravitasi Bumi menuju ruang angkasa, menjadikan Mesosfer lapisan terakhir di mana sirkulasi Bumi masih menahan sebagian besar hidrogen atmosfer. Namun, sebagian besar uap air yang tersisa menyediakan material untuk pembentukan awan es NLC.
Nitrogen oksida (NO) adalah molekul penting lainnya. NO dapat diproduksi oleh interaksi dengan partikel energetik dari luar angkasa (seperti aurora). NO kemudian diangkut ke bawah, memainkan peran penting dalam kimia Lapisan D Ionosfer. Selain itu, Mesosfer adalah wilayah di mana ion positif yang terhidrasi (seperti proton hidrat) menjadi dominan. Kimia ion yang kompleks ini merupakan jembatan antara atmosfer netral di bawahnya dan plasma ionosfer di atasnya.
Meskipun Mesosfer terletak jauh di bawah Termosfer yang secara langsung berinteraksi dengan angin Matahari, lapisan ini tetap dipengaruhi oleh aktivitas Matahari, terutama melalui jalur energi yang menembus lapisan atas.
Selama badai geomagnetik dan peristiwa proton surya, partikel energetik bermuatan tinggi (terutama elektron dan proton) dapat menembus atmosfer Bumi, terutama di wilayah kutub (daerah aurora). Partikel-partikel ini menghasilkan ionisasi di Mesosfer dan Termosfer bawah. Ionisasi ini, yang dikenal sebagai Precipitation of Energetic Particles (PEP), menghasilkan molekul nitrogen oksida (NO) dalam jumlah besar.
Peningkatan NO ini memiliki konsekuensi kimia yang serius. NO bertindak sebagai katalis yang sangat efisien dalam menghancurkan ozon. Peningkatan aktivitas Matahari dapat menyebabkan peningkatan NO di Mesosfer dan bahkan Stratosfer, yang pada gilirannya dapat memengaruhi keseimbangan ozon di kedua lapisan tersebut. Ini adalah contoh penting dari "coupling" antara cuaca antariksa dan atmosfer tengah Bumi.
Radiasi ultraviolet (UV) Matahari bervariasi mengikuti siklus Matahari 11 tahunan. Perubahan dalam input UV ini memengaruhi pembentukan ozon di Stratosfer, yang kemudian mengubah profil termal di Stratopaus. Karena Mesosfer sangat terikat secara dinamika dan termal dengan Stratosfer, perubahan kecil pada batas bawah Mesosfer akibat variasi UV Matahari dapat memicu perubahan sirkulasi dan suhu yang signifikan di seluruh lapisan Mesosfer.
Mesosfer tidak eksis secara terisolasi; ia bertindak sebagai saluran atau kopling yang menghubungkan dinamika cuaca di Troposfer (lapisan cuaca) dengan dinamika plasma di Ionosfer (lapisan ruang angkasa).
Seperti yang telah dibahas, gelombang gravitasi dan gelombang planet yang dihasilkan di Troposfer adalah penggerak utama sirkulasi di Mesosfer. Fenomena seperti El Niño-Southern Oscillation (ENSO) dan Osilasi Kuasi-Biennial (QBO) di Stratosfer memiliki pengaruh yang terukur di Mesosfer. Ini berarti cuaca di permukaan Bumi memiliki pengaruh yang mendalam terhadap suhu dan angin di lapisan 80 km di atas kita.
Misalnya, perubahan suhu laut dapat memengaruhi aktivitas badai di Troposfer, yang mengubah spektrum gelombang gravitasi yang merambat ke atas. Gelombang yang berbeda ini 'pecah' pada ketinggian yang berbeda, mengubah peta angin Mesosfer, dan pada akhirnya, memengaruhi pembentukan NLC.
Interaksi antara Mesosfer netral dan Ionosfer yang terionisasi paling jelas terlihat di Lapisan D Ionosfer (sekitar 60–90 km). Lapisan D adalah lapisan terionisasi terendah, dan ia sangat bergantung pada molekul netral dan radikal Mesosfer untuk mempertahankan komposisi ionnya. Keberadaan ion terhidrasi di Mesosfer atas sangat memengaruhi konduktivitas listrik di Lapisan D, yang pada gilirannya menentukan bagaimana gelombang radio frekuensi rendah diserap atau dipantulkan.
Gangguan pada Mesosfer (seperti pemanasan dari badai geomagnetik) dapat mengubah kepadatan Lapisan D, menyebabkan pemadaman radio frekuensi rendah sementara. Ini menunjukkan betapa terintegrasinya sistem atmosfer Bumi, dengan Mesosfer bertindak sebagai perantara yang kompleks.
Dengan meningkatnya perhatian pada perubahan iklim dan dampak antariksa, Mesosfer menjadi semakin penting. Tantangan untuk mendapatkan data in situ yang berkelanjutan mendorong pengembangan teknologi baru.
Masa depan penelitian Mesosfer sangat bergantung pada integrasi model atmosfer global yang mencakup seluruh rentang vertikal, dari permukaan hingga Termosfer. Model ini, yang dikenal sebagai Model Atmosfer Kopling Penuh (Whole Atmosphere Models), berupaya mereplikasi dinamika rumit gelombang gravitasi dan interaksi kimia secara lebih akurat. Pengukuran Lidar dan satelit yang baru diperlukan untuk memvalidasi dan mengkalibrasi model-model ini, terutama untuk memprediksi bagaimana Mesosfer akan merespons peningkatan gas rumah kaca dan perubahan siklus Matahari.
Paradoks perubahan iklim, yang mencakup pemanasan Troposfer di bawah dan pendinginan Mesosfer di atas, merupakan fokus utama. Peningkatan gas rumah kaca seperti CO₂ memerangkap panas di Troposfer, tetapi karena Mesosfer memiliki kepadatan yang sangat rendah, molekul CO₂ di sana menjadi sangat efisien dalam memancarkan panas ke ruang angkasa, menyebabkan pendinginan yang teramati secara global di lapisan Mesosfer dan Termosfer. Pendinginan ini diprediksi akan semakin memperkuat kondisi untuk pembentukan NLC di masa depan, menjadikannya penanda yang mudah diamati dari dampak perubahan iklim di atmosfer atas.
Memahami aliran debu kosmik dan komposisinya menjadi semakin penting, mengingat peran sentralnya sebagai inti kondensasi NLC. Penelitian menggunakan radar meteor dan teleskop akan ditingkatkan untuk mendapatkan perkiraan yang lebih baik tentang massa total materi luar angkasa yang memasuki Mesosfer setiap hari dan bagaimana materi ini berinteraksi dengan kimia atmosfer. Ini adalah upaya untuk menghubungkan secara definitif ilmu Bumi (atmosfer) dengan ilmu luar angkasa (planetologi dan komet).
Kesimpulannya, Mesosfer adalah lapisan atmosfer yang penuh dengan kontradiksi: sangat dingin, sangat tipis, tetapi sangat dinamis. Sebagai batas antara lingkungan Bumi dan antariksa, ia terus berfungsi sebagai penjaga planet kita, melindungi kita dari meteor sementara pada saat yang sama, ia sangat sensitif terhadap perubahan yang terjadi di bawah dan di atasnya. Mengurai misteri lapisan tengah ini adalah kunci untuk memahami sistem Bumi secara holistik.