Terjadinya Petir pada Erupsi Gunung Berapi

Telly Kurniawan, Rasmid, Wiko Setyonegoro, Fachrizal
Pusat Penelitian dan Pengembangan BMKG

 

Pengertian Ionisasi dan Petir
Ionisasi adalah proses fisik mengubah atom atau molekul menjadi ion-ion dengan menambahkan atau mengurangi partikel bermuatan seperti elektron atau lainnya atau dapat didefinisikan ionisasi adalah pemisahan atom atau molekul menjadi ion-ion yang bermuatan positif dan negatif . Proses ionisasi ke muatan positif atau negatif sedikit berbeda. Ion bermuatan positif didapat ketika elektron yang terikat pada atom atau molekul menyerap energi cukup agar dapat lepas dari potensial listrik yang mengikatnya. Energi yang dibutuhkan tersebut disebut potensial ionisasi, yang secara umum potensial ionisasi ini terjadi antara awan dengan bumi atau awan dengan awan. Ion bermuatan negatif didapat ketika elektron bebas bertabrakan dengan atom dan terperangkap dalam kulit atom dengan potensial listrik tertentu. Bertambah atau berkurangnya partikel bermuatan seperti elektron atau lainnya yang terikat pada atom atau molekul ini dapat menyebabkan proses petir yang terjadi.

Terjadinya petir di atmosfer secara umum
Seperti pada gambar 1, secara umum petir terjadi karena ada perbedaan ionisasi antara awan dan bumi atau dengan awan lainnya. Proses terjadinya muatan pada awan karena dia bergerak terus
menerus secara teratur, dan selama pergerakannya dia akan berinteraksi dengan awan lainnya sehingga muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi (atas atau bawah), sedangkan muatan positif berkumpul pada sisi sebaliknya. Jika perbedaan potensial antara awan dan bumi cukup besar, maka akan terjadi pembuangan muatan negatif (elektron) dari awan ke bumi atau sebaliknya untuk mencapai kesetimbangan. Pada proses pembuangan muatan ini, media yang dilalui elektron adalah udara. Pada saat elektron mampu menembus ambang batas isolasi udara inilah terjadi ledakan suara. Sedangkan petir yang terjadi antar awan yang berbeda muatan terjadi pada musim hujan, karena pada keadaan tersebut udara mengandung kadar air yang lebih tinggi sehingga daya isolasinya turun dan arus lebih mudah mengalir dikarenakan ada awan bermuatan negatif dan awan bermuatan positif. Bagaimana petir yang terjadi karena aktivitas vulkanik? Inilah yang kita bahas pada tulisan dibawah ini, termasuk jenis awan apa yang dapat menimbulkan petir.

Awan yang dapat menimbulkan petir
Sumber sambaran petir biasanya ditimbulkan oleh awan petir cumulonimbus (cb). Awan terbentuk dari hasil penguapan yaitu pemanasan air permukaan oleh sinar matahari yang kemudian terbentuk awan yang menampung banyak partikel uap air, serta akan mengalami upstream akibat adanya arus konveksi ke atas. Kemudian uap air tersebut akan berubah menjadi butiran es karena tingginya tekanan dan rendahnya temperatur. Saat jatuh, terjadi tumbukan antara butiran es yang jatuh dengan molekul yang ada pada awan lain yang menyebabkan terlepasnya elektron sehingga terjadi pemisahan muatan. Elektron ikut jatuh bersama butiran es yang jatuh dan membentuk polarisasi negatif di bagian bawah, sedangkan bagian atas yang ditinggalkan elektron membentuk polarisasi positif. Akibatnya adalah pada awan terjadi polarisasi. Dimana pada sebagian besar awan, bagian bawah yang dekat dengan tanah adalah negatif. Muatan negatif ini kemudian menginduksi tanah yang netral untuk membentuk polarisasi positif. Adanya perbedaan muatan ini menghasilkan medan listrik dengan beda tegangan hingga 100 juta volt.

Gambar 1. Proses terjadinya petir (Sumber: Angga K. Dinata, 2015)

Terjadinya petir vulkanik
Terjadinya petir pada saat erupsi gunung berapi tidak jauh berbeda dari mekanisme petir biasa di atas. Hanya saja, awan cumulunimbus yang menjadi “sarang” petir tergantikan oleh awan kepulan uap air, abu, debu, dan partikel vulkanik lain yang menyembur ke angkasa secara massif (gambar 2). Petir vulkanik, masih menjadi perdebatan karena kejadian ini kadang terjadi saat ada erupsi gunung berapi, dan pada setiap kejadian menunjukkan, kilatan petir mulai dan berakhir dalam kolom letusan dan masih diperdebatkan jenis perantara suatu massa yang dapat memisahkan partikel-partikel tersebut yang harus melalui proses potensial ionisasi.

Gambar 2. Terjadinya petir saat erupsi gunung berapi (Sumber: Angga K. Dinata, 2015)

Petir vulkanik tidak terjadi secara langsung meskipun di dalam kolom letusan yang berisi koleksi partikel abu kaca panas, uap dan gas bersama meletus ke atmosfer dengan banyak ukuran yang berbeda dari partikel abu. Karena sebelum terjadi petir, partikel harus terionisasi terlebih dahulu, dengan memisahkan elektron yang terikat pada partikel tersebut dengan perantara energi potensial suatu masa.

Teori pertama yang didapat adalah teori dimana atom atom, pada awalnya netral kemudian dengan suhu sekitar 1500 Kelvin, mempunyai energi yang cukup untuk melempar keluar elektron yang terikat lemah dari beberapa atom yang mengikat mereka, sementara pada saat yang sama ada atom atom yang ingin mengambil elektron yang baru dibebaskan ini, juga dapat dengan mudah melakukan hal tersebut. sehingga menciptakan sejumlah besar ion ion positif dan ion ion negatif kemudian proses selanjutnya adalah memisahkan banyak muatan negatif dari banyak muatan positif dan harus memisahkan mereka, dengan jarak yang cukup, untuk mendapatkan beda potensial listrik yang akan menyebabkan sambaran petir.

Bagaimana membuat proses ionisasi dari erupsi ion ion yang berbeda ini terpisah dalam jumlah yang cukup banyak dan dalam jarak yang cukup. Teorinya adalah sekelompok atom terionisasi
baik ion positif dan ion negatif ini berada dalam lingkungan panas bergejolak. Datang dari kedalaman bumi, jadi ada banyak unsur yang terlibat di sini.

Ada dua faktor yang sangat penting yang membuatnya dapat memisahkan muatan positif dan negatif. Faktor pertama, ion ion ini memiliki massa yang sangat berbeda satu sama lain. Semakin
berat suatu atom (nomor massa besar) dari suatu unsur, semakin lambat bergerak, bahkan pada suhu yang sama dengan yang dialami unsur yang atomnya lebih ringan. Karena ion yang lebih
berat memiliki inersia yang lebih besar, dan lebih sulit untuk mengubah momentum mereka. Jadi ion berat bergerak lebih lambat dibandingkan ion yang ringan dari unsur yang berbeda. Dan ini
berlaku untuk semua suhu. Faktor yang sangat penting kedua yang membuat terjadinya pemisahan antara ion ion negatif dari ion ion positif dengan jarak yang cukup jauh adalah, perbedaan dalam ukuran. Ini dapat terlihat pada tampang lintang (cross section)-nya juga yang berbeda-beda antara ion positif dan ion negatif. Tentu, unsur memiliki ukuran atom yang berbeda dengan atom-atom unsur lain, seperti yang telah ditunjukkan di atas. Tapi ion bekerja dengan cara yang jauh lebih dramatis. Secara umum, ion negatif relatif lebih besar dibandingkan ion positif. Jika elektron elektron ditambahkan pada atom, dan mereka tolak menolak dengan sesama elektron (dengan proton lebih sedikit daripada jumlah elektron dalam ion ini), maka inti atom tidak bisa menahan elektron seerat ketika saat atom tersebut netral. Di sisi lain, untuk menjadi sebuah ion positif, harus ada elektron yang ditendang keluar dari atom, dan inti (dengan proton lebih banyak dibandingkan elektron dalam ion) memegang/mengikat elektron lebih erat dari sebelumnya.

Ini berarti bahwa ion negatif memiliki tampang lintang lebih besar daripada ion positif, dan karenanya mereka berinteraksi dengan cara yang sangat berbeda dengan yang ion-ion positif
lakukan.

Menggabungkan faktor faktor ini bersama-sama ion dengan massa yang berbeda, bergerak dengan kecepatan rata-rata yang berbeda, dengan penampang yang berbeda dan dalam lingkungan dengan gradien suhu, Inilah yang membuat ion ion negatif dan ion ion positif terpisah cukup jauh, sehingga terjadi beda potensial. Dan kemudian terjadilah aliran elektron yang berbentuk petir di awan vulkanik tersebut. (Sumber: http://versesofuniverse.blogspot.com)

Teori yang kedua berpendapat ketika gunung berapi meletus, gunung berapi mengeluarkan partikel abu panas, uap, dan gas. partikel mula-mula netral, tetapi dengan bertabrakan dengan satu sama lain mereka dapat mentransfer muatan satu sama lain dan berubah menjadi massa positif atau negatif. Ketika partikel debu vulkanik bertabrakan satu sama lain, kemudian terjadi (ionisasi) pemisahan muatan terjadi dengan proses yang disebut aerodynamic sorting. Dimana pemisahan muatan positif dan negatif terjadi melalui adanya awan vulkanik yang menyebabkan awan tersebut bermuatan positif di salah satu ujung dan bermuatan negatif di ujung satunya lagi kemudian pemisahan ini terus berlanjut sampai terlewat batas dan listrik mulai mengalir antar kedua muatan yang berbeda. Sehingga menyebabkan terjadinya petir saat letusan gunung berapi.
(Sumber: http://www.jendelasarjana.com/2013/09/proses-terjadinya-petir.html)

Teori yang lain juga berpendapat bahwa partikel yang lebih besar mungkin memiliki muatan positif dan partikel yang lebih kecil mungkin memiliki muatan negatif dan sebagai partikel yang lebih besar jatuh lebih cepat, yang mungkin membuat pemisahan yang diperlukan untuk menghasilkan petir. Ini masih misteri bagaimana mekanisme ini.
(Sumber: http://surabaya.tribunnews.com/2014/02/15/petir-saat-letusan-gunung-masih-misteribagi-ilmuwan, Dr Adele Crozier, Geosciences Australia).

KESIMPULAN
Ada beberapa teori petir vulkanik yang diperoleh yaitu:

  1. Sebagian besar atom atom, pada awalnya netral (tahap 1). Tetapi dengan banyaknya energi bebas yang hadir, Dengan suhu sekitar 1500 Kelvin, tentu ada energi yang cukup untuk melempar keluar elektron yang terikat lemah dari beberapa atom yang mengikat mereka, sementara pada saat yang sama ada atom atom yang ingin mengambil elektron yang baru dibebaskan ini, juga dapat dengan mudah melakukan hal tersebut. sehingga menciptakan sejumlah besar ion ion positif dan ion ion negative (tahap 2), proses selanjutnya adalah memisahkan banyak muatan muatan negatif dari banyak muatan muatan positif. (tahap 3.) Dan kita harus memisahkan mereka, dengan jarak yang cukup, untuk mendapatkan beda potensial listrik yang akan menyebabkan sambaran petir. (tahap 4.)
  2. Teori yang lain berpendapat adanya tabrakan partikel yang dikeluarkan saat erupsi dapat mentransfer muatan satu sama lain dan berubah menjadi massa positif atau negatif, kemudian terjadi (Ionisasi) pemisahan muatan terjadi dengan proses yang disebut aerodynamic sorting. Pemisahan muatan menjadi ion-ion terjadi karena adanya potensial ionisasi antara awan-awan vulkanik Dengan adanya pemisahan antara partikel positif dan negatif, dapat memberikan saluran untuk listrik mengalir. Saat itulah petir dapat terjadi, dimana volkanologis percaya bahwa itu ada hubungannya dengan seberapa cepat partikel berukuran berbeda menetap.(James William, Binus University)
  3. Teori yang lain juga berpendapat bahwa partikel yang lebih besar mungkin memiliki muatan positif dan partikel yang lebih kecil mungkin memiliki muatan negatif dan sebagai partikel yang lebih besar jatuh lebih cepat, yang mungkin membuat pemisahan yang diperlukan untuk menghasilkan petir. Masih menjadi misteri bagaimana mekanisme ini terjadi.
  4. Penelitian menunjukkan bahwa aktivitas erupsi gunung berapi bukan pemicu secara langsung terjadinya petir, jadi meskipun terjadi erupsi utama, tidak berarti kejadian petir memiliki kuantitas yang paling besar.

DAFTAR PUSTAKA

  • http://versesofuniverse.blogspot.com
  • http://www.jendelasarjana.com/2013/09/proses-terjadinya-petir.html)
  • http://surabaya.tribunnews.com/2014/02/15/petir-saat-letusan-gunung-masih-misteri-bagi-ilmuwan, Dr Adele Crozier, Geosciences Australia
  • Anna Gosline (May 2005). “Thunderbolts from space”. New Scientist 186 (2498): 30–34.
  • anggakdinata.wordpress.com