Beberapa hari yang kemudian saya ingin tau dengan pertanyaan sederhana. “Bagaimana mungkin mesosfer itu sangat cuek dan termosfer sangat panas?” Karena dalam pikiranku kalau semakin ke atas akan semakin bersahabat dengan matahari, artinya akan semakin panas. Tapi kenapa malah semakin dingin? Jawaban dari pertanyaan ini ternyata berkalitan dengan bagaimana satelit bertahan di termosfer. Baiklah simak pembahasannya di bawah ini:
Pertanyaan ini berkembang dengan sangat menarik. Kenapa sangat menarik? Makara gini, NASA menyebutkan bahwa temperatur di termosfer bisa mencapai 4500 fahrenheit atau setara dengan 2482.2 oC, bagaimanakah cara melaksanakan pengukuran temperatur ini? Termometer menyerupai apa yang mereka gunakan? Kalau di udara biasa (troposfer) mengukur temperatur bukanlah duduk kasus besar, tapi bagaimana kalau kondisinya di ruang vakum luar angkasa, bagaimana bisa melaksanakan pengukuran?
Selanjutnya ada teman yang bertanya “Bagaimana mungkin satelit tidak meleleh di termosfer yang 2482.2 C? Bahan apa yang dipakai satelit?” Yah tau aja lah. Pertanyaan dari siapa ini.. XD
Pengukuran Temperatur
Selama ini mungkin pemahaman banyak orang mengenai temperatur ialah “Angka yang memperlihatkan seberapa panas suatu benda atau area”, dan temperatur ditunjukkan oleh alat yang berjulukan termometer.
Sekilas, pemahaman ini benar, tetapi apakah ini sudah tepat dalam menjelaskan apa itu temperatur?
Dalam ilmu termodinamika temperatur didefinisikan sebagai kecenderungan suatu zat untuk mengalirkan energinya pada lingkungannya. Ketika dua zat bersentuhan maka salah satu zat yang menawarkan energinya merupakan zat yang temperaturnya lebih tinggi. Makara temperatur tidak akan terdeteksi saat dua zat tidak bersentuhan dan tidak mengalirkan energi (panas). Itulah kenapa harus ada standard untuk pengukuran temperatur, ilmuwan memakai standard titik beku dan titik didih air sebagai standard untuk temperatur yang kemudian disempurnakan sebagai satuan Kelvin, yang mendefinisikan batas terendah dari temperatur.
Sederhananya, setiap kali kita mengukur panas badan dengan termometer, kita harus menyentuhkan termometer pada badan sehingga termometer akan mendapatkan energi panas dari badan dan memperlihatkan temperatur. Ini tidak akan terjadi tanpa kontak antara termometer dan tubuh.
Ketika kita memakai termometer untuk mengukur temperatur ruangan, maka terjadi kontak antara termometer dengan zat uap air dan udara di ruangan sehingga termometer akan mendapatkan energi panas dan memperlihatkan temperatur.
Jadi bagaimana jikalau termometer di bawa ke luar angkasa? Di luar angkasa hampir tidak ada zat lantaran keadaannya vacum. Karena kondisi ini, jikalau kita membawa termometer ke luar angkasa, tidak perduli apapun jenis termometer-nya, tidak akan bisa mengukur temperatur di luar angkasa. Kenapa? Karena termometer tidak akan menyentuh zat atau senyawa apapun.
Mengetahui hal ini, ilmuwan tidak menyerah. Hingga karenanya mereka menemukan cara mengukur temperatur luar angkasa. Bagaimana caranya mengukur temperatur di mesosfer dan termosfer?
Ilmuwan memakai kerapatan atom untuk memilih temperatur di mesosfer dan termosfer. Kerapatan atom ini dihitung sebagai densitas, cara mengukurnya ialah dengan memakai koefisien ukiran yang menghambat laju pesawat luar angkasa (spacecraft). Dengan cara ini ilmuwan sanggup mengetahui densitas atom di luar angkasa.
Kemudian densitas atom sanggup dikonversi menjadi temperatur dengan memakai salah satu cabang ilmu kimia fisika yaitu termodinamika.
Dengan jarak antar partikel yang sangat jauh, maka gas yang ada di ruangan vakum sanggup kita asumsikan sebagai gas ideal. Dalam gas ideal berlaku persamaan:
Data densitas merupakan jumlah atom persatuan volume. Makara dari persamaan tersebut jikalau P tetap dan V ruang luar angkasa = tak hingga (tetap juga), maka peningkatan dan penurunan temperatur hanya akan dipengaruhi oleh N atau jumlah atom. Jika N meningkat maka T niscaya akan menurun, sedangkan jikalau N menurun jumlahnya maka T akan meningkat.
Dari sini bisa kita gambarkan bagaimana terjadinya peningkatan dan penurunan temperatur yang ekstrim di mesosfer dan termosfer.
Kondisi di mesosfer ialah, kandungan gas dan atom jauh lebih rendah dibandingkan di udara normal bumi, sehingga jikalau kita gunakan persamaan di atas, seharusnya temperatur mesosfer akan lebih tingi dari di bumi. Namun P atau tekanan di mesosfer jauh lebih rendah dibandingkan di bumi, sehingga tekanan menurun maka temperatur akan menurun juga.
Sedangkan kondisi di termosfer ialah kandungan gas dan atom jauh lebih rendah dibandingkan di mesosfer sedangkan tekanannya kurang lebih sama. Makara temperatur di termosfer jikalau dibandingkan dengan mesosfer akan meningkat lebih tinggi disebabkan lantaran penurunan jumlah atom di termosfer.
Secara termodinamika persamaan di atas sanggup mewakili kondisi ruang vakum yang berisi gas ideal dengan catatan tidak ada energi yang keluar dan masuk ke dalam lingkungan. Tetapi lantaran kondisi di luar angkasa ada energi yang masuk dan keluar dari lingkungan dan sistem, maka kalkulasinya tidak akan sesederhana itu. Ilmuwan (bisa disebut NASA) harus melaksanakan kalkulasi jumlah energi yang masuk ke dalam sistem dan energi yang keluar dari sistem.
Perhitungan semacam ini bisa dilakukan dalam bidang termodinamika. Energi yang masuk merupakan energi dari gelombang radiasi matahari dan gelombang-gelombang kosmik lainnya. Sedangkan energi yang keluar dari sistem ialah berupa gelombang radiasi dari atom-atom di luar angkasa.
Temperatur Mesosfer
Ketinggian lapisan mesosfer ialah 50-100km dari permukaan bumi, pada lapisan ini temperatur sangat cuek mencapai -90 oC. Jika sebelumnya saya sudah menjelaskan pendekatan yang dilakukan para ilmuwan untuk memilih temperatur di luar angkasa, dengan persamaan yang saya sebutkan di atas itu, masih tidak masuk nalar jikalau temperatur di mesosfer ialah -90 oC.
Sangat rendahnya temperatur di mesosfer ini ternyata erat kaitannya dengan keberadaan beberapa molekul secara umum dikuasai pada lapisan ini. Salah satu molekul yang sangat besar jumlahnya di Mesosfer ialah Karbon Dioksida CO2.
Seperti yang sudah kalian ketahui bahwa gas CO2 merupakan collant agent yang sangat baik. CO2 sanggup menurunkan temperatur secara instant lantaran senyawa ini sanggup menyerap panas dan mengubah energinya menjadi radiasi foton. Sifat CO2 yang bisa menyerap panas dengan cepat inilah yang menciptakan gas CO2 dipakai dalam tabung pemadam kebakaran.
Di mesosfer senyawa CO2 akan menyerap radiasi matahari kemudian memancarkannya dalam bentuk radiasi foton ke bumi. Inilah yang menjadikan saat terjadi peningkatan CO2 di atmosfer, maka geothermal akan meningkat yang kita kenal sebagai imbas rumah kaca.
Temperatur Termosfer
Termosfer merupakan lapisan atmosfer pada ketinggian 100-200 km, sebaliknya dari lapisan mesosfer, disini temperatur sangat tinggi mencapai 2482.2 oC. Ada setidaknya tiga alasan kenapa temperatur di Termosfer sangat tinggi, pertama menyerupai yang telah saya sebutkan di atas bahwa tekanan P sangat rendah di luar angkasa ini. Kedua jumlah molekul N di lapisan ini sangat sedikit ini menjadikan penurunan temperatur menurut persamaan gas ideal yang telah kita bahas. Ketiga ialah adanya energi radiasi UV matahari dan radiasi kosmik lainnya yang tidak diserap oleh atom CO2.
Lalu jikalau temperatur termosfer benar-benar 2482.2 oC , bagaimana mungkin satelit bertahan di temperatur ini? Ini dikarenakan walaupun temperaturnya 2482.2 tetapi keadaanya di luar angkasa cuek sehingga satelit sanggup bertahan di termosfer.
Panas Tapi Dingin?
Ya! 2482.2 oC tetapi dingin. Bagaimana mungkin ini terjadi? Apa lantaran vakum? Yap!
Oke kalau saya jawab lantaran vakum, niscaya bakalan pada bilang “Semua yang asing dijawab lantaran vakum! Emangnya vakum itu sihirnya Harry Poter?” Hahaha.. Yaudah lahh.. Coba kita pelajari pelan-pelan.
Temperatur yang tunjukkan oleh angka 2482.2 oC merupakan definisi temperatur dalam skala mikro. Dimana ini ditetapkan dalam Hukum Termodinamika ke-Nol. Hukum Termodinamika ke-Nol mendefinisikan temperatur dimana molekul tidak lagi bergerak sebagai temperatur nol derajat. Temperatur nol derajat ini saat dikonversi dalam satuan Celcius ialah -273 oC. Kemudian dijadikanlah ukuran temperatur dimana molekul tidak bergerak sama sekali ini sebagai satuan nol Kelvin (K), merujuk pada ilmuwan Lord Kelvin pendirinya.
Dalam pemahaman ini artinya ialah temperatur merupakan properti yang memperlihatkan energi kinetik atom-atom gas yang saling bertumbukan dan menghasilkan panas. Artinya semakin tinggi temperatur maka semakin tinggi pula pergerakan atom gas. Artinya 2482.2 oC merupakan angka yang memperlihatkan kecepatan gerak dari atom gas, permasalahannya ialah gas ini tidak akan bertumbukan dengan gas lainnya sehingga tidak akan menghasilkan panas walaupun energi kinetik atomnya sudah besar. Makara walaupun 2482.2 oC tetapi tidak akan eksklusif memperabukan satelit ataupun astronot yang melayang di angkasa.
Definisi di atas mungkin masih sulit di cerna. Maka dari itu saya akan coba ceritakan dengan pola yang lebih manusiawi mengenai gerakan molekul, temperatur dan panas yang dihasilkan ini.
Contoh paling sederhananya ialah saat di sauna. Ketika di sauna, temperatur pemanas niscaya diatur standard tidak berubah. Sekarang jikalau di sauna tersebut kita menuangkan air 1 ember, kemudian air tersebut akan menguap memenuhi ruangan. Apakah cukup panas?
Kemudian coba tuangkan air 30 baskom ke pemanas tersebut, sehingga 30 baskom molekul air akan mendidih memenuhi ruangan. Sekarang apakah cukup panas?
Ya. 30 baskom melekul air akan menciptakan sekujur tubuhmu melepuh lantaran panasnya. Lalu kenapa 1 baskom air tidak panas? Karena jumlah molekul sedikit, maka pertukaran panas antara molekul air dengan badan kita relatif lebih sedikit.
Begitu pula yang terjadi di ruang vakum. Tidak banyak gas yang akan mengalirkan panas pada satelit atapun baju astronot. Kepadatan molekul di termosfer ialah sekitar 1.9×1010 molekul/cm3, bandingkan dengan jumlah molekul di udara sektiar kita yaitu 3×1019 molekul/cm3. Perbandingannya ialah 1:109
Walaupun temperatur tingi pada termosfer tidak sanggup mengalirkan panas lantaran tidak cukup molekul gas, tetapi satelit tetap perlu perlindungan dari panas dalam bentuk radiasi.
Cara Rambat Panas dan Proteksi Satelit
Ada tiga cara rambat panas yang dikenal dalam ilmu fisika, yaitu: konduksi, konveksi dan radiasi. Di dalam ruang vakum dimana tidak ada material gas apapun, cara rambat panas yang bisa terjadi hanyalah radiasi.
Di ruang vakum termosfer terdapat banyak sekali jenis radiasi kosmik dan radiasi matahari yang bisa menaikkan temperatur logam materi baku satelit. Namun satelit juga dilengkapi dengan teknologi radiator termal yang bisa melepaskan energi panas tersebut dalam bentuk radiasi ke ruang hampa. Silahkan cari isu selengkapnya di google perihal teknologi radiator ini dengan kata kunci “Space Thermal Radiator”
Jadi selain itu untuk mengontrol panas yang diterima oleh satelit dan spacecraft, digunakanlah materi khusus yang bisa mendapatkan panas dan merambatkannnya. Seperti cuilan yang menghadap ke Matahari memakai materi yang menyerap ultraviolet sehingga sanggup menyerap panas maksimal, sedangkan cuilan yang menghadap ke bumi bisa melepaskan panas. Silahkan baca tulisanku sebelumnya tentang Cara Kerja Satelit. Dan untuk mengendalikan temperatur di dalam satelit maka setiap satelit dilengkapi dengan radiator termal yang akan melepaskan energi panas sehingga satelit tidak rusak/meleleh.
Salah satu pola material anti radiasi ialah pada termos air. Pada termos air panas, di cuilan dalam tabungnya niscaya berwarna mengilap ini mencegah energi panas untuk merambat melalui radiasi. Sedangkan pada termos air cuek di cuilan luarnya akan dilapisi dengan lapisan mengilap untuk menghalau rambatan gelombang radiasi masuk.
So.. Human is clever, isn’t it?
Penjelasanku memang tidak hingga sangat spesifik, hanya menyerupai pengantar dari klarifikasi sebenarnya. Rumus yang saya pakai ialah pendekatan saja, bukan rumus sebenarnya, dari pendekatan semacam ini kita bisa melihat kemungkinan dibangunnya teknologi satelit dan pengukuran temperatur di termosfer dan mesosfer.
Hanya lantaran kita tidak cukup pandai untuk memahami sesuatu, bukan berarti semua insan tidak bisa memahaminya.
Demikianlah klarifikasi bagaimana satelit bertahan di termosfer.
Human is awesome creatures!
Sumber:
- http://helios.gsfc.nasa.gov/qa_sun.html#coronatemp
- http://helios.gsfc.nasa.gov/qa_sp_ht.html
- E. Doornbos, Thermospheric Density and Wind Determination from Satellite Dynamics,2012, Springer Theses, DOI: 10.1007/978-3-642-25129-0_2, Berlin Heidelberg
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/temper2.html
- http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/ozone/additional/science-focus/about-ozone/atmospheric_structure.shtml
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/temper2.html
- http://ifisc.uib-csic.es/raul/CURSOS/TERMO/Thermodynamic%20temperature.pdf
Gambar:
http://www.nasa.gov/images/content/167162main_sts116-301-028_hires.jpg
https://www.standeyo.com/NEWS/10_Space/10_Space_pics/100716.thermosphere.jpg
Sumber https://mystupidtheory.com