TAJUK TUGASAN
Sifat – sifat fizikal bagi air laut
NAMA PELAJAR
Nur Ruzaini binti Che Mansor (P4303)
NAMA PENSYARAH
Dr. Ruwaidiah binti Idris
Bincangkan sifat-sifat fizikal bagi air laut, perbincangan adalah merangkumi ;
i)
Sifat – sifat fizikal air laut
Air ialah molekul kutub dan juga bertindak sebagai pelarut kutub. Ia dikatakan
“kutub”, kerana terdapat cas elektrik positif dan negatif. Cas positif datang dari nukleus atom,
manakala elektron membekalkan cas negatif. Pergerakan elektron akan menentukan
kekutuban. Air ( H 2 O ) adalah kutub yang mempunyai bentuk molekul bengkok. Bentuk ini
bermakna sebahagian besar daripada cas negatif daripada oksigen pada sisi molekul dan cas
positif atom hidrogen adalah di sisi lain molekul. Ini adalah satu contoh kutub kovalen ikatan
kimia .
Rajah 1 menunjukkan molekul air
Bentuk molekul air tidak linear kerana perbezaan dalam keelektronegatifan antara
hidrogen dan oksigen. Nilai keelektronegatifan hidrogen 2.1, manakala keelektronegatifan
oksigen ialah 3.5. Perbezaan nilai keelektronegatifan yang kecil bermaksud atom semakin
besar dan akan membentuk satu ikatan kovalen. Sifat polar molekul air membolehkannya
menarik molekul air yang lain untuk membentuk ikatan hidrogen.. Sifat ini juga yang
menjadikannya membuat rantai seperti polimer. Air mempunyai muatan haba tertinggi dari
semua cecair kecuali amonia Bagi menghasilkan rantai ini, tenaga yang berkaitan dengan
kapasiti haba diperlukan.
Rajah 2 menunjukkan ikatan hidrogen
Lautan merupakan komponen yang sangat penting dalam menentukan iklim dunia
kerana kapasiti haba yang tinggi diperolehi dari matahari. Proses penyebaran haba ke
wilayah lain dilakukan oleh arus lautan.
Semasa air laut dipanaskan, aktiviti molekul meningkat dan pengembangan haba
berlaku seterusnya ketumpatan air berkurang. Sifat air laut yang masin disebabkan oleh
kuantiti ion terlarut yang banyak. Ini menghalang pembentukan rantai. Di air tawar, ketika
suhu meningkat dari titik beku hingga sekitar 4°C, tenaga haba tambahan membentuk rantai
molekul dan menyebabkan air menyusut serta ketumpatannya meningkat. Oleh kerana suhu
meningkat pada titik ini, rantai terganggu dan pengembangan haba mengambil alih dan ini
menjelaskan mengapa air tawar mempunyai ketumpatan maksimum sekitar 4°C daripada
pada titik beku. Di air laut, kesan molekul ini digabungkan dengan pengaruh garam, yang
menghalang pembentukan rantai.
Kadar penyejatan air (proses cecair bertukar kepada wap) adalah tinggi. Semasa
proses ini, molekul air mendapat tenaga yang cukup untuk terlepas dari permukaan air. Ia
hanya berlaku pada permukaan cecair yang terdedah kepada haba pada sebarang suhu di
bawah 100°C. Antara faktor yang mempengaruhi kadar penyejatan adalah luas permukaan,
pergerakan udara dan suhu persekitaran. Haba pelakuran adalah jumlah tenaga yang
diperlukan untuk menukar air dari pepejal menjadi cecair. Air sentiasa berubah keadaan dari
cairan di lautan menjadi wap air di atmosfera dan ais di garis lintang kutub. Tenaga haba
yang terlibat dalam perubahan keadaan ini adalah faktor cuaca dan sistem iklim global
berubah.
ii)
Tekanan
Tekanan adalah daya normal per unit kawasan yang dikeluarkan oleh air (atau udara
di atmosfera) di kedua sisi kawasan unit. Unit daya adalah (panjang jisim / masa2). Unit
tekanan adalah (daya / panjang2) atau (jisim / [panjang masa2]). Unit tekanan dalam
sentimeter-gram-saat (cgs) adalah dynes / cm2 dan dalam meter-kilogram-saat (mks) adalah
Newton / m2. Unit khas untuk tekanan adalah Pascal, di mana 1 Pa ¼ 1 N / m2. Tekanan
atmosfera biasanya diukur dalam bar di mana 1 bar ¼ 106 dynes / cm2 ¼ 105 Pa. Tekanan
laut biasanya diukur dalam decibars di mana 1 dbar ¼ 0.1 bar ¼ 105 dyne / cm2 ¼ 104 Pa.
Perbezaaan tekanan antara dua titik akan menghasilkan daya. Daya ini diarahkan dari
kawasan yang mempunyai tekanan tinggi ke kawasan bertekanan rendah. Di lautan, daya
graviti ke bawah kebanyakannya diimbangi oleh daya kecerunan tekanan ke atas; iaitu air
tidak memecut ke bawah. Tekanan cecair berkadar langsung dengan kedalaman.Oleh itu
tekanan meningkat apabila kedalaman semakin meningkat. Keseimbangan gaya graviti ke
bawah dan daya kecerunan tekanan ke atas, tanpa gerakan, disebut keseimbangan hidrostatik.
Selain itu, tekanan juga berkadar terus dengan ketumpatan. Tekanan pada kedalaman
tertentu bergantung pada jisim air yang terletak di atas kedalaman itu. Perubahan tekanan 1
dbar berlaku pada perubahan kedalaman kurang dari 1 m. Tekanan di lautan berbeza dari
permukaan hingga 10,000 dbar (terdalam). Tekanan biasanya diukur bersama dengan sifat air
laut yang lain seperti suhu, kemasinan, dan kelajuan arus. Kecerunan tekanan mendatar
mendorong aliran horizontal di lautan. Untuk arus berskala besar, aliran mendatar jauh lebih
kuat daripada aliran menegak. Perbezaan tekanan mendatar mendorong arus lautan berada
pada urutan satu decibar sepanjang beratus-ratus atau ribuan kilometer. Ini jauh lebih kecil
daripada kecerunan tekanan menegak, tetapi yang terakhir diimbangi oleh daya graviti
bawah.
Rajah menunjukkan perbandingan Tekanan (dbar) dan kedalaman (m) pada Standard
kedalaman oseonografi menggunakan algoritma UNESCO (1983)
Tekanan (dbar)
Kedalaman (m)
Perbezaan (%)
0
0
0
100
99
1
200
198
1
300
297
1
500
495
1
1000
990
1
1500
1453
1.1
2000
1975
1.3
3000
2956
1.5
4000
3932
1.7
5000
4904
1.9
6000
5872
2.1
Perbezaan peratus ¼ (tekanan
kedalaman)/tekanan 100%.
Tekanan biasanya diukur dengan alat elektronik yang disebut transduser. Walaupun
begitu, ketepatan pengukuran tekanan cukup tinggi sehingga sifat-sifat lain seperti suhu,
kemasinan, kecepatan arus, dan sebagainya dapat ditampilkan sebagai fungsi tekanan.
Ketepatan, kira-kira 3 dbar pada kedalaman, tidak mencukupi untuk mengukur kecerunan
tekanan mendatar. Oleh itu kaedah lain, seperti kaedah geostropik, atau ukuran halaju
langsung, mesti digunakan untuk menentukan aliran sebenar.
iii)
Sifat termal, suhu, haba dan suhu keupayaan
Suhu merupakan sifat fizikal air yang penting dan merupakan ukuran energi gerakan
molekul. Pada suhu yang tinggi, kandungan tenaga atau haba juga lebih tinggi. Dalam
oseanografi suhu (T) biasanya dinyatakan menggunakan skala Celsius (C), kecuali dalam
pengiraan kandungan panas, suhu dinyatakan dalam unit Kelvin (K). Apabila kandungan haba
adalah sifar (tidak ada aktiviti molekul), suhu adalah sifar mutlak pada skala Kelvin. Perubahan
1°C adalah sama dengan perubahan 1 K. Suhu 0°C sama dengan 273.16 K. Julat suhu di lautan
adalah dari titik beku, iaitu sekitar 1.7°C (bergantung pada kemasinan), maksimum 30°C di
lautan tropika.
Suhu bervariasi secara horizontal sesuai dengan garis lintang dan secara vertikal sesuai
dengan kedalaman. Suhu laut berubah mengikut tempat dan waktu. Pada musim panas, suhu
laut lebih panas berbanding pada musim dingin. Penyebaran panas ini disebarkan oleh arus
laut. Suhu di dalam laut bervariasi sesuai dengan kedalaman. Lapisan homogen merupakan
lapisan paling panas kerana terkena cahaya matahari secara langsung dan digerakkan oleh
angin. Lapisan termoklin merupakan lapisan di mana berlaku pengurangan suhu yang paling
cepat secara vertikal. Lapisan ini terletak pada kedalaman 1000m hingga 1500m. Pengurangan
suhu paling perlahan berlaku di lapisan paling dalam. Pada lapisan ini suhu air rendah, dingin
dan hampir malar.
Rajah 3 menunjukkan profil vertikal suhu air laut
Suhu dapat diukur menggunakan pelbagai jenis peralatan samudera dan satelit. Satelit
mengesan sinaran elektromagnetik inframerah termal dari permukaan laut; sinaran ini
berkaitan dengan suhu. Ketepatan suhu permukaan laut satelit (SST) adalah sekitar 0.5e0.8 K,
ditambah ralat tambahan kerana kehadiran atau ketiadaan lapisan kulit yang sangat tipis (10
mm) yang dapat mengurangkan pemerhatian SST pukal (1e2 m) yang diinginkan sebanyak 0.3
K.
Haba merupakan satu bentuk tenaga yang dikenali juga sebagai terma. Haba tertentu
adalah sifat termodinamik air laut yang menyatakan bagaimana kandungan haba berubah
dengan suhu. Haba tentu bergantung pada suhu, tekanan, dan kemasinan. Kandungan haba
per unit isipadu, Q, dihitung dari suhu yang diukur menggunakan
Q ¼ rcpT
di mana T adalah suhu dalam darjah Kelvin, r adalah ketumpatan air laut, dan cp adalah haba
air laut tertentu. Unit haba mks adalah Joules, iaitu unit tenaga. Kadar perubahan masa haba
dinyatakan dalam Watt, di mana 1 W ¼ 1 J / saat. Aliran haba melalui permukaan ditakrifkan
sebagai jumlah tenaga yang melalui (saat) Perubahan haba yang dikira ialah 152 W. The
fluks haba melalui luas permukaan 1 m2 dengan itu kira-kira 152 W / m2. Sebagai contoh
mudah, kehilangan haba dari lapisan lautan setebal 100 m yang diperlukan untuk mengubah
suhu sebanyak 1 C dalam 30 hari? Fluks haba yang diperlukan adalah rcpDT V / Dt. Nilai
khas kepadatan air laut dan spesifik haba lebih kurang 1025 kg / m3 dan 3850 J / (kg C). V
ialah isipadu lapisan tebal 100 m, yang mana ialah 1 m seberang, dan Dt adalah jumlah masa.
Kejadian bayu darat pada waktu malam dikaitkan dengan kapasiti haba. Lautan yang
panas dengan perlahan disebabkan oleh cahaya matahari pada waktu siang menjadi lambat
sejuk pada malam hari kerana kapasiti haba yang tinggi. Udara panas dari lautan akan naik ke
altitud lebih tinggi meninggalkan ruang dan akan dipenuhi oleh udara sejuk yang akan
berolak dari daratan.
Suhu keupayaan didefinisikan sebagai suhu yang akan dimiliki ‘parcel’ air jika
dipindahkan ke tekanan lain. Kesan ini harus dipertimbangkan ketika ‘parcel’ air berubah
kedalamanan. Peningkatan tekanan menyebabkan ‘parcel’ air yang dimampatkan sedikit. Ini
meningkatkan suhu dalam ‘parcel’ air jika berlaku tanpa pertukaran haba dengan air di
sekitarnya (pemadatan adiabatik). Sebaliknya jika bungkusan ini dipindahkan dari tekanan
yang lebih tinggi ke lebih rendah, ia mengembang dan suhunya menurun. Perubahan suhu ini
tidak berkait dengan permukaan atau sumber haba yang dalam. Kadar selang adiabatik atau
kecerunan suhu adiabatik adalah perubahan suhu per unit perubahan tekanan untuk
penggantian adiabatik dari bungkusan air. Ungkapan untuk kadar selang adalah vT
GðS; T; pÞ ¼
di mana S, T, dan p adalah kemasinan, suhu, dan tekanan yang diukur dan turunannya
diambil dengan menahan kandungan haba tetap. Perhatikan bahawa kebolehmampatan dan
kadar putaran adiabatik air laut adalah fungsi suhu, kemasinan, dan tekanan. Kadar selang
adiabatik ditentukan untuk air laut melalui pengukuran makmal. Oleh kerana persamaan
penuh keadaan air laut adalah fungsi yang rumit dari kuantiti ini, kadar selang adiabatik juga
merupakan fungsi polinomial yang rumit dari suhu, kemasinan, dan tekanan.
Suhu keupayaan adalah (Fofonoff, 1985)
qðS; T; pÞ ¼ T þ
GðS; T; pÞdp (3.3)
di mana S, T, dan p adalah kemasinan, suhu, dan tekanan yang diukur, G adalah kadar selang
adiabatik, dan q adalah suhu yang akan dimiliki oleh sebidang air sifat (S, T, p) jika
dipindahkan secara adiabatik dan tanpa perubahan kemasinan dari tekanan awal p ke tekanan
rujukan pr di mana pr mungkin lebih besar atau kurang daripada p. Apabila ditakrifkan relatif
terhadap permukaan laut, suhu keupayaan lebih rendah daripada suhu yang sebenarnya, dan
hanya sama dengan suhu di permukaan laut.
iv)
Kemasinan dan kekonduksian
Kemasinan didefinisikan sebagai jumlah zat yang larut (gram) di dalam satu kilogram
air laut ketika semua karbonat telah diubah menjadi oksida, bromin dan sodium digantikan
oleh klorin, dan semua bahan organik teroksida sepenuhnya. Dua komponen utama air laut
adalah air dan garam. Kepekatan bahan terlarut berbeza dari satu tempat ke tempat lain.
Perbezaan ini berlaku akibat penyejatan dan pencairan oleh air tawar dari hujan dan aliran
sungai. Proses penyejatan dan pencairan hanya berlaku di permukaan laut. Keamatan cahaya
matahari yang tinggi menyebabkan kadar penyejatan yang besar dan secara langsung
kemasinan juga tinggi. Apabila berlaku hujan dan aliran air tawar yang mengalir masuk ke
laut menjadikan kemasinan berkurang. Laut terbuka yang paling masin adalah Laut Merah,
di mana kadar penyejatan yang tinggi dan aliran masuk sungai yang rendah, dan hasilnya
peredaran terkurung dalam air masin luar biasa. Kemasinan dalam jasad air terpencil (sebagai
contoh, Laut Mati) jauh lebih besar lagi.
Rajah menunjukkan hubungan kemasinan, suhu dan kekonduksian terhadap kedalaman
Rajah menunjukkan hubungan kemasinan, suhu dan kekonduksian terhadap tekanan.
Kekonduksian elektrik sangat bergantung pada suhu, tetapi dengan jumlah kecil
kerana kandungan ion atau kemasinan. Oleh itu suhu mesti dikawal atau diukur dengan
sangat tepat semasa pengukuran konduktiviti untuk menentukan kemasinan praktikal.
v)
Ketumpatan
Ketumpatan air laut adalah penting kerana ia menentukan kedalaman di mana ‘parcel’ air
akan menetap dalam keseimbangan paling padat di atas dan paling padat di bahagian bawah.
Ketumpatan, biasanya dilambangkan ρ, adalah jumlah jisim per unit isipadu dan dinyatakan
dalam kilogram per meter padu (kg / m3). Julat suhu lautan menghasilkan variasi ketumpatan
lautan daripada julat kemasinannya. Air laut adalah lebih tumpat daripada air tawar dan air
tulen (ketumpatan 1.0 g/ml @ 4 °C (39 °F)) kerana garam terlarut menambah jisim tanpa
menyumbang secara ketara kepada isi padu. Ketumpatan air laut permukaan antara kira-kira
1020 ke 1029 kg/m3, bergantung kepada suhu dan kemasinan. Dalam di bawah lautan, di
bawah tekanan tinggi, air laut boleh mencapai ketumpatan 1050 kg/m3 atau lebih tinggi.
Rajah menunjukkan variasi ketumpatan (Dst) dengan variasi suhu (DT) dan kemasinan
(DS) sebagai fungsi suhu dan kemasinan
Salinity
0
Temperature ( C)
20
35
40
0
Dst for DT [ D1 C
20
35
40
Dst for DS [ D0.5
30
0.31
0.33
0.34
0.35
0.38
0.37
0.37
0.38
20
0.21
0.24
0.27
0.27
0.38
0.38
0.38
0.38
10
0.09
0.14
0.18
0.18
0.39
0.39
0.39
0.39
0
þ0.06
0.01
0.06
0.07
0.40
0.40
0.40
0.40
Rujukan :
1. Lynne D. Talley, George L. Pickard, William J. Emery, James H. Swift - Descriptive
Physical Oceanography, Sixth Edition: An Introduction (2011, Academic Press)
2. Widya Prarikeslan, M.Si, Oseanografi, (2016, Kencana)
3. https://ms.wikipedia.org/wiki/Air_laut