KIMIA PADA LAPISAN STRATOSFER DAN LAPISAN OZON SERTA DAMPAKNYA TERHADAP BUMI Stratosfer
Stratosfer adalah lapisan kedua dari atmosfer bumi, terletak di atas troposfer dan dibawah mesosfer. Stratosfer mempunyai dua lapisan molekul-molekul gas tipis yang tidak terdapat troposfer. Lapisan bawah mengandung bahan sulfat yang memengaruhi terjadinya hujan. Di stratosfer bagian atas terdapat lapisan ozon terbesar. Stratosfer adalah lapisan inversi, yaitu semakin tinggi dari permukaan Bumi, suhu udara akan meningkat. Kenaikan suhu ini disebabkan oleh lapisan ozon yang menyerap radiasi ultraviolet dari Matahari. Bagian stratosfer paling atas disebut stratopause, yaitu lapisan yang membatasi stratosfer dan mesosfer. Di lapisan ini tidak berlaku hukum gradien geothermis karena semakin tinggi posisi di tempat ini, i ni, suhu akan semakin naik. Hal ini disebabkan kandungan uap air dan debu hampir tidak ada. Karakteristik yang menarik pada lapisan ini adalah adanya lapisan ozon yang sangat bermanfaat bagi kehidupan kita. Ozon melindungi manusia dari radiasi sinar ultraviolet. Keberadaan ozon sekarang ini semakin menipis karena adanya pencemaran dari gas CFC (Chloroflourocarbons). Di atas lapisan stratosfer terdapat lapisan stratopause yang merupakan lapisan peralihan antara stratosfer dan mesosfer. Lapisan atmosfer yang berada pada ketinggian 12 – 50 50 Km dari permukaan bumi. Perubahan secara bertahap dari troposfer ke stratosfer dimulai dari ketinggian sekitar 11 km. Suhu di lapisan stratosfer yang paling bawah relatif stabil dan sangat dingin yaitu -70 oF atau sekitar -57oC. Pada lapisan ini angin yang sangat kencang terjadi dengan pola aliran yang tertentu. Lapisan ini juga merupakan tempat terbangnya pesawat. Awan tinggi jenis cirrus kadang-kadang terjadi di lapisan paling bawah, namun tidak ada pola cuaca yang signifikan yang terjadi pada lapisan ini. Dari bagian tengah stratosfer keatas, pola suhunya berubah menjadi semakin bertambah seiring kenaikan ketinggian. Hal ini dikarenakan bertambahnya lapisan dengan konsentrasi ozon. Lapisan ozon ini menyerap radiasi sinar ultra violet. Suhu pada lapisan ini bisa mencapai sekitar 18 oC pada ketinggian sekitar 40 km. Lapisan stratopause memisahkan stratosfer dengan lapisan berikutnya. Lapisan stratosfer terdapat di atas troposfer dengan ketebalan 12 – 60 60 km di atas permukaan air laut dengan temperatur sangat rendah. Di stratosfer tidak ditemukan lagi uap air, awan, maupun debu atmosfer. Ozon terkonsentrasi pada lapisan ini sehingga merupakan tempat penyaringan sinar ultraviolet.
Pada lapisan stratosfer ini tidak terdapat gejala geografi sehari-hari. Stratosfer terbagi menjadi 3 bagian sebagai berikut. 1. Lapisan isotherm 12 – 35 km. 2. Lapisan panas 35 – 50 km, temperatur naik sampai 50 oC. 3. Lapisan campuran 50 – 100 km, temperatur turun sampai – 70oC Pada lapisan stratosfer suhu udara makin bertambah tinggi jika kita terus naik. Faktor yang menyebabkan tingginya suhu udara, yaitu sebagai ber ikut. 1. Di bagian atas stratosfer terdapat ozon. 2. Molekul ozon terjadi dari tiga atom oksigen yang mempunyai daya serap yang amat kuat terhadap radiasi sinar ultraviolet dari matahari, berfungsi sebagai perisai yang melindungi makhluk hidup di muka bumi. 3. Ozon merupakan sumber panas yang dapat memanasi udara di sekitarnya. Merupakan bagian atmosfer yang berada di atas lapisan troposfer sampai pada ketinggian 50 – 60 km, atau lebih tepatnya lapisan ini terletak di antara lapisan troposfer dan ionosfer. Pada lapisan stratosfer, suhu akan semakin meningkat dengan meningkatnya ketinggian. Suhu pada bagian atas stratosfer hampir sama dengan suhu pada permukaan bumi. Dengan demikian, profil suhu pada lapisan stratosfer ini merupakan kebalikan dari lapisan troposfer. Ciri penting dari lapisan stratosfer adalah keberadaan lapisan ozon yang berguna untuk menyerap radiasi ultraviolet, sehingga sebagian besar tidak akan mencapai permukaan bumi. Serapan radiasi matahari oleh ozon dan beberapa gas atmosfer lainnya menyebabkan suhu udara pada lapisan stratosfer meningkat. Lapisan stratosfer tidak mengandung uap air, sehingga lapisan ini hanya mengandung udara kering. Batas lapisan stratosfer disebut stratopouse.
Ozon
Ozon adalah molekul yang terdiri dari tiga atom Oksigen. Lapisan ozon adalah suatu lapisan yang terletak di lapisan stratosfir, 20 – 45 km diatas permukaan bumi, yang terdiri dari molekul-molekul ozon. Lapisan ini dapat menyerap radiasi ultra violet yang dipancarkan matahari. Pada lapisan ini ozon terbentuk dan terurai melalui keseimbangan dinamis. Keberadaan bahan-bahan kimia tertentu di stratosfir dapat mengganggu kesetimbangan reaksi tersebut, sehingga semakin lama molekul ozon semakin berkurang, dan menimbulkan lubang ozon. Ozon troposfir terbentuk dari reaksi kimia yang disebabkan adanya gas pencemar hasil aktivitas manusia, sehingga berbahaya terhadap system kehidupan. Sisanya sebanyak 90% terdapat di Stratosfir, terutama antara bagian puncak lapisan trofosfir hingga ketinggian 50 Km. Ozon di stratosfir ini terbentuk secara alami, dikenal dengan lapisan ozon (ozone layer) dan sangat berguna bagi system kehidupan. Istilah „ozon‟ atau lebih tepat lagi „lapisan ozon‟ mulai mendapat perhatian sekitar tahun 1980an ketika para ilmuwan menemukan adanya „lubang‟ di lapisan ozon di Antartika. Lubang tersebut merupakan hasil dari tenaga matahari yang mengeluarkan radiasi ultra yang tinggi. Radiasi itu berpecah menjadi molekul oksigen sekaligus melepaskan atom bebas di mana setengahnya diikat dengan molekul oksigen yang lain untuk membentuk ozon. Lapisan ozon ini wujud di antara lapisan Stratosfera dan Mesosfera dan melindungi bumi daripada sinaran ultra-lembayung. Bagaimanapun sekiranya ozon terhasil di permukaan bumi seperti melalui asap kendaraan, ozon boleh membahayakan kesehatan. Sekiranya lapisan ozon tiada, banyak kehidupan di bumi akan pupus termasuk manusia. Oleh itu ramai orang merasa bimbang
apabila terdapat laporan wujudnya lubang pada lapisan ozon di kutub utara dan kutub selatan.
Proses Terjadinya Perusakan Lapisan Ozon Lapisan Ozon di stratosfer menyerap radiasi ultra-violet yang berbahaya dari matahari. Dengan bertambahnya bahan kimia buatan manusia yang mengandung senyawa khlorin dan bromin, akan ikut merusak molekul ozon pada lapisan ini. Teori pertama yang mendukung CFC sebagai perusak lapisan ozon di stratosfer dikemukakan pada tahun 1974 oleh Sherwood Rowland dan rekannya Mario Molina dari Universitas California. Ozon adalah molekul dalam bentuk gas yang terjadi secara alami yang ditemukan pada atmosfer bumi. Molekul ini dapat menyerap panjang gelombang tertentu dari radiasi ultraviolet matahari sebelum mencapai permukaan bumi. Pada lapisan Stratosfer radiasi matahari memecah molekul gas yang mengandung khlorin atau bromin dan menghasilkan radikal Khlor dan Brom. Radikal-radikal khlorin dan bromin kemudian melalui reaksi berantai memecahkan ikatan gas-gas lain di atmosfer, termasuk ozon. Molekul-molekul ozon terpecah menjadi oksigen dan radikal oksigen. Dengan terjadinya reaksi ini akan mengurangi konsentrasi ozon di stratosfer. Semakin banyak senyawa yang mengandung Khlor dan Brom perusakan lapisan ozon semakin parah. Kegunaan lapisan ozon Ozon didapati dengan banyaknya pada aras stratosfera, dalam kawasan yang juga dikenali sebagai lapisan ozon. Di sini ozon menapis cahaya lampau ungu dari sinaran matahari yang merbahaya kepada kehidupan di bumi. Cara standard mengukur jumlah ozon di atmosfera ialah dengan menggunakan unit Dobson. Ozon digunakan dalam perkilangan diukur dengan ppm (parts per million - bahagian per sejuta) (sebagai contoh dedahan OSHA), dan peratus berat. Lapisan ozon melindungi bumi dari paparan sinar Ultra Violet B (UV-B) yang sangat berbahaya bagi makhluk hidup di muka bumi. UV-B yang mempunyai panjang gelombang 280-315 nm, sebagian diserap oleh lapisan ozon, dengan demikian jumlah UV-B yang mencapai bumi jumlahnya sangat sedikit. Paparan UV-B terhadap manusia dapat mengakibatkan penyakit kanker kulit, katarak dan mengurangi system kekebalan tubuh. Paparan UV-B juga dapat merusak kehidupan tanaman, organisme bersel satu dan ekosistem perairan. Sedangkan UV-A (dengan panjang gelombang 315-400 nm) tidak diserap oleh lapisan ozon. Radiasi UV-A dari sinar matahari sangat bermanfaat bagi kelangsungan hidup makhluk hidup di permukaan bumi. Lapisan ozon sangat penting karena ia menyerap radiasi ultra violet (UV) dari matahari untuk melindungi radiasi yang tinggi sampai ke permukaan bumi.
Radiasi dalam bentuk UV spektrum mempunyai jarak gelombang yang lebih pendek daripada cahaya. Radiasi UV dengan jarak gelombang adalah di antara 280 hingga 315 nanometer yang dikenali UV-B dan ia merusak hampir semua kehidupan. Dengan menyerap radiasi UV-B sebelum ia sampai ke permukaan bumi, lapisan ozon melindungi bumi dari efek radiasi yang merusak kehidupan. Ozon stratospheric juga memberi efek pada suhu atmosfer yang menentukan suhu dunia. Berdasar hasil penelitian ilmuwan, lapisan ozon yang menjadi pelindung bumi dari radiasi UV-B ini semakin menipis. Gas CFC disebut juga sebagai gas yang menyebabkan terjadinya penipisan lapisan ozon ini. CFC digunakan oleh masyarakat modern seperti lemari es, bahan dorong dalam penyembur, pembuatan buih dan bahan pelarut terutamanya bagi kilang-kilang elektronik. Para ilmuwan sebenarnya sudah membuat teori dan ramalan mengenai penipisan lapisan ozon ini tahun 1970an. Masalah Penipisan Lapisan Ozon Data ilmiah telah menunjukan bahwa terlepasnya bahan-bahan kimia buatan manusia, seperti CFC, Halon, Metil Bromida, dan bahan perusak ozon lain ke udara dapat menyebabkan rusaknya lapisan pelindung bumi di lapisan stratosfir. Berjuta-juta molekul ozon mengalami kerusakan setiap menitnya, sehingga menyebabkan peningkatan intensitas sinar UV-B berbahaya yang sampai ke permukaan bumi. Apabila manusia terpapar oleh sinar ini, maka akan mempunyai resiko tinggi untuk terjangkit kanker kulit, katarak mata, dan menurunnya ketahanan tubuh. Dengan cara yang sama sinar UV akan menurunkan produktifitas pertanian, merusak rantai makanan di laut, dan merusak bahan-bahan seperti plastik dan sebagainya. Kepedulian industri, pemerintah, Lembaga Swadaya Masyarakat, dan masyarakat umum sangat diharapkan untuk mengambil tindakan dalam menghadapi kecenderungan meningkatnya bahaya tersebut, dengan cara mengurangi dan menghapuskan penggunaan Bahan Perusak ozon tersebut. Kerusakan lapisan ozon dipercayai disebabkan gas buatan manusia, yaitu hidrokarbon di halogenate yang sangat stabil dan boleh sampai pada lapisan ozon. Hidrokarbon di halogenate akan menguraikan molekul ozon dan menghasilkan klorin. Ancaman yang diketahui terhadap keseimbangan ozon adalah pengenalan kloroflorokarbon (CFC) buatan manusia yang meningkatkan kadar penyingkiran ozon menyebabkan kemerosotan beransur-ansur dalam paras ozon global. CFC digunakan oleh masyarakat moden dengan pelbagai cara, sama ada dalam peti sejuk, bahan dorong dalam penyembur, pembuatan busa dan bahan pelarut terutamanya bagi kilang-kilang elektronik. Hayat bagi CFC bermaksud bahawa satu molekul yang dibebaskan hari ini boleh wujud 50 hingga 100 tahun dalam atmosfera sebelum dihapuskan. Bagi
tempoh kira-kira 5 tahun, CFC bergerak naik dengan perlahan ke dalam stratosfera (10 – 50 km). Di atas lapisan ozon utama, pertengahan julat ketinggian 20 – 25 km, kurang uv diserap oleh ozon. Molekul CFC terurai setelah bertindak balas dengan sinaran uv, dan membebaskan atom klorin. Atom klorin ini juga berupaya untuk memusnahkan ozon dan menghasilkan lubang ozon Lubang Ozon Kejadian lubang ozon stratosfer di atas Antartika, di kutub selatan, ditemukan pada awal 1985. Pada tahun 1989, dipastikan bahwa kemungkinan perusakan lapisan ozon dalam jumlah besar dapat juga terjadi di daerah Kutub Utara, dan kemungkinan juga di daerah tropis. Selama beberapa dekade terakhir, CFC yang dilepaskan ke atmos0fer mencapai jumlah yang cukup besar sehingga jika tidak di cegah, dikhawatirkan akan menghancurkan lapisan ozon. Lubang ozon di Antartika disebabkan oleh penipisan lapisan ozon antara altitud tertentu seluruh Antartika pada musim bunga. Penipisan tersebut dikesan setiap tahun sejak sedekad yang lalu. Pembentukan 'lubang' tersebut ber laku setiap bulan September dan pulih ke keadaan normal pa da lewat musim bunga atau awal musim panas. Dalam bulan Oktober 1987, 1989, 1990 dan 1991, lubang ozon yang dalam telah diperhati bagi seluruh Antartika dengan kenaikan 60% pengurangan ozon berbanding dengan paras lubang pra-ozon. Dalam Oktober 1991, paras terendah atmosfera ozon yang pernah direkodkan telah berlaku di seluruh Antartika. Terdapat dua sebab utama bagi 'lubang' – peningkatan CFC dikesan di atmosfera, dan keunikan persekitaran kaji cuaca pada musim sejuk seluruh Antartika. Antara altitud tertentu di Antartika, suhu stratosfera yang sejuk membenarkan kristal ais terbentuk. Dalam awan tersebut, molekul klorin dibebaskan dari CFC semasa kegelapan kutub sejuk. Molekul klorin ini bertindak balas dengan O3 (Ozon) dengan itu menguraikan Ozon dan menipiskan lapisan Ozon. Apabila sinaran matahari bermula pada bulan September di seluruh Antartika, bilangan molekul-molekul klorin ini akan berkurangan akibat tindakan ultra-lembayung (uv) kerana pembentukan atom klorin pemusnah-ozon.
Kitaran Ozon Jumlah ozon dalam atmosfera berubah mengikut lokasi geografi dan musim. Ozon disukat dalam unit Dobson (Du) yang mana, sebagai contoh, 300 Du setara dengan 3 mm tebal lapisan ozon yang tulen jika dimampat ke tekanan paras laut.
Sebahagian besar ozon stratosfera dihasilkan di kawasan tropika dan diangkut ke latitud yang tinggi dengan skala-besar putaran atmosfera semasa musim sejuk hingga musim bunga. Umumnya kawasan tropika memiliki ozon yang rendah. Molekul ozon juga tidak stabil dan apabila terkena sinaran lampau ungu, ozon akan terurai kepada molekul O2 dan satu atom oksigen, proses berkekalan yang dikenali sebagai kitaran ozon-oksigen. Kitaran ini mampu dihentikan oleh atam klorin, florine, atau bromin dalam atmosfera; bahan ini di dapati dalam sebatian stabil terutamanya kloroflorokarbon yang mampu sampai ke stratosfera dan terurai oleh sinaran lampau ungu. Kitaran NOx bagi pembentukan ozon juga boleh diganggu oleh air di paras atmospherik, menukar NOx kepada bentuk yang lebih stabil. Ozon diciptakan di Stratosfer dalam bagian ini dan berikutnya, kita akan membahas pembentukan dan penghancuran ozon di stratosfer. Seperti yang akan kita lihat, reaksi pembentukan menghasilkan panas yang cukup untuk menghangatkan wilayah dari atmosfer ini. Di atas stratosfer dan di bagian yang lebih tinggi, ada cukup foton UV-C di bawah sinar matahari untuk melepaskan cukup besar jumlah molekul O 2. Setiap sebaliknya konsentrasi molekul O2 relatif besar dan konsentrasi atom oksigen kecil. Oleh karena itu, atom oksigen stratosfir yang dibuat oleh dekomposisi fotokimia O2, cenderung bertabrakan dan pemisahan tidak bereaksi, molekul oksigen tetap diatomik utuh. Dalam proses ini, molekul ozon diciptakan dari : O + O → O2 + heat Memang, reaksi ini adalah sumber dari semua ozon di stratosfer. Selama siang hari, ozon secara terus menerus terbentuk oleh proses ini. Di atas stratosfer, oksigen ada terutama sebagai atom oksigen dan bukan sebagai molekul O 2 atau O3. Pelepasan panas oleh reaksi pembentukan ozon mengakibatkan suhu stratosfer secara keseluruhan menjadi lebih tinggi daripada yang di udara di bawah atau di atas. Dalam stratosfer, udara pada setiap ketinggian tertentu lebih dingin daripada yang terletak tentang hal itu, jadi ada semacam pembalikan suhu di stratosfer. Akibatnya, vertikal pencampuran udara di stratosphere adalah proses yang sangat lambat dibandingkan dengan mencampur troposfer. Karena udara di wilayah ini berlapis maka di beri nama stratosfer.
Stratosphere ozon selalu hancur dan membentuk kembali Seperti yang kita lihat, ozon menyerap cahaya dengan saat gelombang beroperasi lebih pendek dari 320 UV nm - dengan kata lain, UV-B dan kebanyakan cahaya UV-C. Molekul-molekul energi yang dihasilkan oleh absorbtion foton sinar matahari ini mengalami pemisahan. Dengan demikian, absorbtion foton UV-C atau UV-B oleh molekul ozon di stratosphere mengakibatkan penguraian molekul tersebut. Proses ini menyumbang beberapa ozon kehancuran di stratosfer. Perhatikan bahwa hanya satu atom oksigen yang dihasilkan; molekul ozon belum menerima energi yang cukup untuk membagi menjadi tiga atom oksigen yang terpisah. Pengaruh Penipisan Lapisan Ozon Penipisan lapisan ozon menimbulkan banyak ancaman terhadap kesehatan manusia dan kehidupan di bumi. Semakin menipisnya lapisan ozon stratosfer akan meningkatkan bahaya akibat radiasi ultraviolet yang mencapai permukaan bumi. Radiasi ultraviolet menimbulkan dampak pada manusia, hewan, tanaman dan bahan-bahan bangunan. Dampak ini akan semakin buruk bila kerusakan lapisan ozon terus berlangsung. Bila lapisan ozon menjadi tipis, permukaan bumi akan lebih terbuka terhadap radiasi UV-B yang mempunyai gelombang pendek sehingga akan merusak kehidupan. Untuk tiap 10 persen penipisan lapisan ozon akan terjadi kenaikkan radiasi UV sebesar 20 persen. Radiasi UV-B dapat menyebabkan kerusakan pada mata, meluasnya penyakit infeksi serta pertambahan kasus kanker kulit. Demikian juga vaksinasi terhadap sejumlah penyakit akan menjadi kurang berhasilguna. Dengan lebih banyak radiasi gelombang pendek UV-B maka akan memicu reaksi kimiawi di atmosfer bawah, yang dapat mengakibatkan penambahan jumlah reaksi fotokimia yang menghasilkan asap beracun, terjadinya hujan asam dan berakibat naiknya gangguan saluran pernapasan. Penipisan lapisan ozon menyebabkan banyak tanaman lambat pertumbuhannya dan sebagian mungkin akan menjadi kerdil, hasil sejumlah tanaman budidaya akan menurun dan hutan-hutan akan menjadi rusak. Di laut radiasi dengan intensitas tinggi akan merusak atau membunuh anak ikan, kepiting dan udang. Populasi plankton yang menjadi dasar dari jaringan makanan hewan laut dapat mengalami dampak buruk, sehingga menyebabkan pengaruh berantai untuk seluruh jaringan makanan hewan laut. Radiasi UV akan menurunkan kemampuan sejumlah organisme dalam menyerap karbon dioksida yang merupakan salah satu gas rumah kaca, sehingga konsentrasi gas rumah kaca di atmosfer akan meningkat yang menyebabkan pemanasan global.
Penipisan lapisan ozon akan menyebabkan lebih banyak sinar radiasi ultra ungu memasuki bumi. Radiasi ultra ungu ini dapat membuat efek pada kesehatan manusia, memusnahkan kehidupan laut, ekosistem, mengurangi hasil pertanian dan hutan. Efek utama pada manusia adalah peningkatan penyakit kanker kulit karena selain itu dapat merusak mata termasuk kataraks dan juga mungkin akan melemahkan sistem imunisasi badan. Pada bidang pertanian, penerimaan sinar ultra violet pada tanaman dapat memusnahkan hasil tanaman utama dunia. Hasil kajian menunjukkan hasil tanaman seperti „barli‟ dan „oat‟ menunjukkan penurunan karena penerimaan sinar radiasi yang semakin tinggi. Tanaman diperkirakan akan mengalami kelambatan pertumbuhan, bahkan akan cenderung kerdil, sehingga merusak hasil panen dan hutan-hutan yang ada. Radiasi penuh ini juga dapat mematikan anak-anak ikan, kepiting dan udang di lautan, serta mengurangi jumlah plankton yang menjadi salah satu sumber makanan kebanyakan hewan-hewan laut. Kerusakan lapisan ozon juga memiliki pengaruh langsung pada pemanasan bumi yang sering disebut sebagai “efek rumah kaca”. Usaha-usaha untuk mencegah penipisan ozon menjadi mulai dilakukan bersama oleh semua negara di dunia. Usaha itu pun telah di galakkan secara serius melalui UNEP (United Nation Environment Programme) salah satu organisasi PBB yang bergerak dibidang program perlindungan lingkungan dan alam. Menipisnya lapisan ozon dalam atmosfer bagian atas diperkirakan menjadi penyebab meningkatnya penyakit kanker kulit dan katarak pada manusia, merusak tanaman pangan tertentu, mempengaruhi plankton yang akan berakibat pada rantai makanan di laut, dan meningkatnya karbondioksida (lihat pemanasan global) akibat berkurangnya tanaman dan plankton. Sebaliknya, terlalu banyak ozon di bagian bawah atmosfer membantu terjadinya kabut campur asap, yang berkaitan dengan iritasi saluran pernapasan dan penyakit pernapasan akut bagi mereka yang menderita masalah kardiopulmoner. Oleh karena itu, kita semua harus memandang serius masalah ini dan berupaya untuk mencegah atau meminimalkan penipisan lapisan ozon di alam ini dengan cara meminimalkan penggunaan bahan-bahan yang dapat mempertipis ozon agar generasi yang akan datang dapat mewarisi alam sekitar yang masih baik.
