2. TINJAUAN PUSTAKA. Pasang surut air laut timbul terutama karena gaya tarik menarik gravitasi

Transkripsi

1 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Teori pasang surut Pasang surut air laut timbul terutama karena gaya tarik menarik gravitasi bumi terhadap bulan dan matahari, sedang kontribusi gaya tarik menarik planetplanet lainnya kecil. Besar naik turunnya permukaan laut tergantung pada kedudukan bumi terhadap bulan dan matahari. Persamaan dasar gelombang pasang surut (Pugh, 1987) adalah: X(t) = Z ( t) + T ( t) + S( )... (2.1) 0 t dimana, X(t) = muka air laut yang terukur pada waktu t Z 0 (t) = tinggi muka air rata-rata dari suatu datum yang ditentukan T(t) = variasi dari pasang surut S(t) = residual yang dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti arus dan badai Analisis pasang surut dilakukan dengan menggunakan persamaan least square estimation yang didasarkan pada persamaan harmonik berikut: m T (t) = f H cos[ σ t g + ( v + u )]... (2.2) n= 1 n n n n dimana, T(t) = tinggi muka laut pada waktu t (variasi dari pasang surut) n = komponen pasang surut ke-n f n = faktor koreksi untuk komponen harmonik pasang surut ke-n H n = amplitudo rata-rata komponen harmonik pasang surut selama satu periode 18.6 tahun σ n = kecepatan sudut dari gelombang komponen pasang surut v n = bagian dari fase di Greenwich dari komponen pasang surut setimbang ke-n pada waktu t = 0 yang berubah secara tetap sebelum dikoreksi u n = faktor koreksi fase dari variasi nodal g n = keterlambatan fase antara gelombang harmonik ke-n terhadap kondisi setimbang di ekuilibrium Greenwich n n 3

2 4 Pemahaman akan jenis pasang surut dengan mengetahui pola terjadinya pasang dan surut adalah penting untuk berbagai aplikasi. Berdasarkan pada periode dan keteraturannya, pasang surut air laut dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu: a) Pasang surut harian tunggal (diurnal tide) adalah keadaan yang dalam satu hari terjadi satu kali air pasang dan satu kali air surut, periode pasang surut rata-rata adalah 24 jam 50 menit. b) Pasang surut harian ganda (semidiurnal tide) adalah keadaan yang dalam satu hari terjadi dua kali air pasang dan dua kali air surut dengan tinggi yang hampir sama dan pasang surut terjadi secara berurutan dan teratur. Periode pasang surut rata-rata adalah 12 jam 25 menit. c) Pasang surut campuran, terbagi atas dua macam, yaitu: 1) Pasang surut campuran dominan tunggal adalah keadaan yang dalam satu hari terjadi satu kali air pasang dan satu kali air surut, tetapi kadangkadang untuk sementara waktu terjadi dua kali pasang dan dua kali surut dengan tinggi dan periode yang sangat berbeda. 2) Pasang surut campuran dominan ganda adalah keadaan yang dalam satu hari terjadi dua kali air pasang dan dua kali air surut, tetapi kadang-kadang untuk sementara waktu terjadi satu kali pasang dan satu kali surut dengan tinggi dan periode berbeda. Gambar 1 berikut merupakan tipe-tipe pasang surut yang terjadi di laut.

3 5 Sumber: BAKOSURTANAL (2008) Gambar 1. Tipe-tipe pasang surut. a) pasang surut harian tunggal, b) pasang surut harian ganda, c1) campuran dominan tunggal, c2) campuran dominan ganda Berdasarkan pada posisi matahari dan bulan terhadap bumi, pasang surut air laut dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu: 1) Pasang surut purnama (spring tide) adalah pasang surut yang terjadi pada saat posisi matahari, bumi, dan bulan berada dalam suatu garis lurus. Pada saat itu, akan dihasilkan pasang maksimum yang sangat tinggi dan surut minimum yang sangat rendah, juga dikenal dengan pasang besar (Surbakti, 2007).

4 6 Pasang besar terjadi dua kali dalam satu bulan yakni pada saat bulan baru dan bulan purnama. 2) Pasang surut perbani (neap tide) adalah pasang surut yang terjadi pada saat posisi bulan dan matahari membentuk sudut tegak lurus terhadap bumi. Pada saat itu, akan dihasilkan pasang maksimum yang rendah dan surut minimum yang tinggi, juga dikenal dengan pasang kecil (Surbakti, 2007). Pasang ini terjadi dua kali dalam satu bulan yaitu pada saat bulan seperempat pertama dan seperempat terakhir. Berikut adalah gambar posisi matahari dan bulan terhadap bumi (Gambar 2). Sumber: RISE (2008) Gambar 2. Pasang purnama dan pasang perbani Penentuan jenis pasang surut yang terjadi ini dapat dilakukan secara visual dan numeris. Secara visual, jenis pasang surut dapat ditentukan dengan melihat langsung pada grafik pasang surut yang ada, sehingga dapat diketahui jenis pasang surut yang terjadi pada suatu perairan.

5 7 Penentuan jenis pasang surut lainnya yang paling sederhana adalah secara numeris dengan menggunakan periode dominan dari pasang surut yang diamati. Hal ini didasarkan pada bilangan Formzahl, yaitu perbandingan jumlah amplitudo dua komponen diurnal utama (A dan A ) terhadap jumlah amplitudo dua komponen semi-diurnal utama (A dan A ), seperti berikut: K1 M2 O1 S2 F A K 1 O1 =... (2.3) A M 2 + A + A S 2 dimana, F = nilai bilangan Formzahl A K1, A O1 = amplitudo konstanta pasang surut tunggal utama A, A = amplitudo konstanta pasang surut ganda utama M2 S2 Berdasarkan nilai bilangan Formzahl (F), dapat diklasifikasikan karakteristik dari pasang surut, yaitu: 0 < F < 0.25 : semi diurnal dimana dalam sehari terjadi dua kali pasang dan dua kali surut dengan bentuk gelombang simetris F < 1.5 : campuran condong semi diurnal dimana dalam sehari terjadi dua kali pasang dan dua kali surut. Bentuk gelombang pasang pertama tidak sama dengan gelombang pasang kedua (asimetris) dengan bentuk condong semi diurnal. 1.5 F 3.0 : campuran condong diurnal dimana dalam sehari terjadi dua kali pasang dan dua kali surut. Bentuk gelombang pasang pertama tidak sama dengan gelombang pasang kedua (asimetris) dengan bentuk condong diurnal. F > 3.0 : diurnal yaitu dalam sehari terjadi sekali pasang dan sekali surut Alat-alat ukur pasang surut Tide gauge adalah alat yang digunakan untuk mengukur tinggi muka air laut. Ada beberapa jenis alat untuk mengukur tinggi muka air laut, yaitu:

6 8 a) Tide staff, merupakan alat pengukur pasang surut yang paling sederhana berupa papan mistar dengan tebal 2.54 cm sampai 5.08 cm dan lebar cm sampai cm, sedangkan panjangnya harus lebih besar dari tunggang pasut (tidal range). Misalnya, pada perairan dengan tunggang pasut sebesar 2 m, maka ukuran papan skala ini harus > 2 m (WIPO, 2004). b) Floating tide gauge. Prinsip kerja alat ini berdasarkan gerakan naik turunnya permukaan laut yang dapat diketahui melalui pelampung yang dihubungkan dengan alat pencatat. Pengukuran tinggi muka air oleh alat ini dilakukan dengan mendeteksi pergerakan naik turun dari air. Perubahan tinggi pada permukaan air akan menyebabkan pelampung begerak vertikal (naik turun), pelampung dan penahan beban diikat dengan kabel dan dihubungkan dengan sebuah katrol yang terdapat pada enkoder, sehingga gerakan pelampung dapat memutar katrol. Perputaran yang terjadi pada katrol akan dikonversikan menjadi suatu sinyal digital dan ditransfer ke unit data logger melalui kabel transducer. Di dalam data logger unit sinyal listrik tersebut diproses sehingga menjadi nilai yang terukur (IOC, 2002). Dalam hal ini, pelampung yang digunakan untuk pengambilan data adalah pelampung OWK. c) Pressure tide gauge. Prinsip kerjanya sama dengan floating tide gauge, hanya saja gerakan naik turunnya permukaan laut dapat diketahui dari perubahan tekanan yang terjadi di dalam laut. Seberapa besar tekanan yang diterima oleh sensor akan diubah dalam bentuk kedalaman yang telah dirancang sedemikian, sehingga diperoleh tinggi muka air dari nilai ini dengan mempertimbangkan nilai densitas dan gravitasi (IOC, 2002). Dalam tulisan ini akan lebih ditekankan pembahasan tentang alat sensor tekanan, yaitu OTT PS 1.

7 9 P h =... (2.4) ρ. g dimana, h = tinggi muka air (m) P = tekanan (Pa) ρ = densitas (kg/m 3 ) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) d) Sistem radar. Alat ini dilengkapi dengan pemancar pulsa radar (transmitter), penerima pulsa radar (receiver), serta jam berakurasi tinggi. Pada sistem ini, radar memancarkan pulsa-pulsa gelombang radio ke permukaan laut. Pulsapulsa tersebut dipantulkan oleh permukaan laut dan diterima kembali oleh radar. Sistem radar ini dapat mengukur ketinggian radar di atas permukaan laut dengan menggunakan waktu tempuh dari pulsa radar yang dikirimkan ke permukaan laut, dan dipantulkan kembali ke radar (IOC, 2002). Alat radar yang digunakan untuk pengambilan data tinggi muka air dalam tulisan ini adalah radar Kalesto. 1 h = c. t... (2.5) 2 dimana, h = jarak radar dengan permukaan air (m) c = kecepatan pulsa radar (m/s) t = waktu tempuh pulsa radar sampai ke permukaan laut dan kembali ke radar (s) 2.3. Alat ukur sensor tekanan OTT PS 1 OTT PS 1 merupakan alat perekam otomatis perubahan tinggi muka laut secara digital dengan menggunakan sistem perubahan tekanan. Sensor mengukur tekanan dan temperatur, dengan menghitung nilai yang diakibatkan perubahan temperatur, densitas relatif air dan massa jenis air pada lokasi pengukuran, dan menyediakan suatu pengukuran yang sangat akurat. Hasil pengukurannya dapat ditunjukkan dalam bentuk non-analog atau digital.

8 10 Sensor tekanan OTT PS 1 menggunakan output 4-20 ma atau dengan suatu penghubung SDI-12. Berikut merupakan bentuk dasar pengukuran dengan sensor tekanan OTT PS 1 (Gambar 3). Sumber: OTT MESSTECHNIK (2004) Gambar 3. Bentuk dasar pengukuran dengan sensor tekanan OTT PS 1 Penyerap kelembaban FAD 4 P bertindak sebagai titik penghubung pada kabel sensor dan kabel data. FAD 4 P berfungsi untuk menghilangkan kelembaban udara sekitar yang mencapai tabung kapiler pengubah tekanan pada kabel sensor.

9 11 Kelembaban udara ini dapat mempengaruhi perhitungan tekanan oleh sensor, sehingga dengan adanya FAD 4 P ini memperkecil kesalahan perhitungan yang dapat terjadi dalam pengukuran Penggunaan OTT PS 1 OTT PS 1 digolongkan pada alat elektronik. Produk ini diuji dan dirakit sesuai dengan spesifikasi yang telah ditentukan perusahaan atau keperluan individu tertentu. Alat ini telah dikonsep sedemikian rupa sehingga tidak membahayakan terhadap keamanan pengguna dan peralatan di sekitar alat jika dipasang dengan baik, melakukan perawatan, dan digunakan oleh tenaga ahli (OTT MESSTECHNIK, 2004). Yang harus diperhatikan dalam penggunaan OTT PS 1 adalah: OTT PS 1 tidak boleh digunakan untuk mengukur tekanan di luar kedalaman maksimum yang ditetapkan pada sensor. Contohnya, jika kedalaman maksimum yang ditetapkan pada sensor adalah 20 m, maka alat ini tidak boleh digunakan pada kedalaman > 20 m. Pemakaian sensor pada kedalaman di luar batas yang ditentukan dapat menyebabkan kerusakan pada alat. Medium pengukuran tekanan harus sesuai dengan bagian sensor yang tercelup, yaitu: UNS31803 stainless steel, BS EN :1995 No , polyurethan, acetal, dan nitril. Jika medium ini tidak sesuai dengan bagian sensor yang tercelup, maka dapat menyebabkan kerusakan pada sensor, seperti terjadinya korosi pada badan sensor. Ujung kabel yang terpapar harus terhindar dari kelembaban udara bebas, dan cairan tidak boleh membeku, karena dapat meyebabkan kesalahan pengukuran oleh sensor.

10 Pin pengunci pada OTT PS 1 OTT PS 1 dapat digunakan dalam berbagai media, seperti pada pipa atau lubang yang diameternya lebih besar dari 2.54 cm, dalam sumur, aliran air yang terbuka, dan pada saluran air yang tidak permanen. Ketika merancang lokasi pengukuran, amati pengaruh hidrodinamik pada arus kuat (> m/s). Hindari pemasangan alat OTT PS 1 di sekitar galangan kapal, karena riak yang disebabkan oleh kapal dapat mempengaruhi hasil pengukuran yang dilakukan. Pemasangan alat pada tempat pembuangan air limbah industri atau area dengan cemaran bahan kimia yang tinggi, juga dapat mempengaruhi pengukuran oleh alat karena hal ini dapat menyebabkan korosi pada alat. Berikut adalah pemasangan sensor dengan menggunakan pin pengunci (Gambar 4). Sumber: OTT MESSTECHNIK (2004) Gambar 4. Pemasangan pin pengunci pada OTT PS 1

11 13 Pada perairan dengan arus yang kuat atau berombak, posisi dari sensor dapat dipertahankan dengan menggunakan pin pengunci. Jika pin pengunci digunakan sebagai tutup pelindung, maka harus dibuka dahulu untuk menjamin bahwa sensor membran selalu basah. Untuk hasil pengukuran paling akurat yang mungkin didapat, ujung OTT PS 1 harus berada pada posisi yang vertikal Pemberat pada OTT PS 1 Seperti halnya pin pengunci, pemberat tambahan juga dapat digunakan untuk mempertahankan posisi dari OTT PS 1 dalam air, namun pemberat yang tersedia tidak cukup untuk menjaga sensor yang terendam air pada perairan dengan arus kuat. Berikut pemasangan pemberat pada OTT PS 1 (Gambar 5). Sumber: OTT MESSTECHNIK (2004) Gambar 5. Pemberat pada OTT PS 1

12 Desiccant cartridge Alat penyerap kelembaban dapat menghilangkan kelembaban udara dengan menggunakan desiccant cartridge dan suatu alat penangkal embun yang khusus menyaring kelembaban pada FAD 4 P. Alat ini mencegah udara lembab sekitar lingkungan yang disebabkan oleh fluktuasi tekanan udara dan temperatur. Embun dapat menyumbat pipa dalam bentuk kondensasi sehingga menyebabkan pengukuran yang tidak akurat (OTT MESSTECHNIK, 2004). Desiccant cartridge berisi silica gel dengan suatu warna indikator. Silica gel menjadi kering di sekitar udara, kemudian digunakan untuk mengeringkan udara di dalam instrumen. Silica gel kering berwarna jingga tua dan silica gel yang lembab berwarna putih. Setelah silica gel berubah menjadi putih, itu berarti telah kehilangan kemampuannya dan harus diganti. Periksa warna indikator dalam interval waktu yang tetap. Banyaknya interval tergantung pada kelembaban atmosfer seluruhnya Pengoperasian OTT PS 1 Alat keluaran analog OTT PS 1 secara sederhana dapat menyediakan suatu output 4 ma untuk kedalaman 0 m dan output 20 ma untuk tingkat skala penuh yang ditunjukkan pada tanda produk. Keluaran analog dapat diatur melalui alat penghubung digital SDI-12 dengan alat tambahan yang sesuai untuk menyediakan keluaran dengan skala penuh (20 ma) pada tingkat yang berbeda. SDI-12 merupakan suatu alat penghubung standar perekam data dengan sensor yang dilengkapi PC (SDI-12 Support Group, 2009). Sebagai tambahan pada perintah standar pemasangan SDI-12, OTT PS 1 dengan dukungan perintah secara luas menyediakan mutu kemampuan yang meningkat.

13 Prinsip kalibrasi dan faktor-faktor yang mempengaruhinya Kalibrasi sangat diperlukan untuk mengetahui akurasi dari sensor dan menetapkan prosedur mutu dari alat. Kalibrasi dilakukan untuk memastikan alat tersebut dapat bekerja dengan sempurna (maksimal). Kalibrasi dapat dilakukan secara internal dan eksternal. Kalibrasi secara internal adalah kalibrasi yang dilakukan di dalam instansi/individu pengguna alat sendiri. Kalibrasi secara eksternal adalah kalibrasi yang dilakukan di luar, oleh lembaga yang mampu dan berwenang dalam melakukan kalibrasi atau tempat yang telah memilki sertifikasi tentang kalibrasi yang bersangkutan, yaitu pabrik tempat pembuatan alat. Dalam penelitian ini, kalibrasi yang dilakukan secara internal. Secara internal, kalibrasi dilakukan dengan mengacu pada master yang telah teruji dan telah dikalibrasi eksternal. Artinya, alat yang akan dikalibrasi ini dibandingkan dengan alat lain yang telah teruji dan pernah dikalibrasi eksternal. Sebelum memulai pengukuran, alat yang akan digunakan tersebut harus dipastikan dengan menggunakan sampai 3 kali pengukuran. Jika menunjukkan hasil yang sama, proses pengukuran yang sebenarnya dapat dijalankan Karakteristik air Fluida adalah zat yang dapat mengalir dan memberikan sedikit hambatan terhadap perubahan bentuk ketika ditekan. Oleh karena itu yang termasuk fluida hanyalah zat cair dan gas. Fluida dapat digolongkan dalam dua macam, yaitu fluida statis (hidrostatis) dan fluida dinamis (hidrodinamis). Fluida statis mempelajari fluida pada keadaan diam, sedangkan fluida dinamis mempelajari fluida yang bergerak. Sifat-sifat fluida ideal (PCI, 2000) adalah:

14 16 Tidak dapat ditekan (volume tetap karena tekanan) Dapat berpindah tanpa mengalami gesekan Mempunyai aliran stasioner (garis alirnya tetap bagi setiap partikel) Kecepatan partikel-partikelnya sama pada penampang yang sama Tekanan hidrostatis Tekanan hidrostatis terjadi karena adanya gaya berat air yang membuat cairan tersebut mengeluarkan tekanan. Tekanan bergantung pada kedalaman cairan di dalam sebuah ruang dan gravitasi juga menentukan tekanan air tersebut (Weidner, 1989). P = ρ. g. h... (2.6) Karena adanya pengaruh tekanan udara P 0 yang berasal dari luar, maka persamaan (2.6) menjadi: P a = P0 + ρ. g. h atau Pa P0 h =... (2.7) ρ. g dimana, P a = tekanan dalam air (N/m 2 ) P 0 = tekanan atmosfer (N/m 2 ) ρ = massa jenis air (kg/m 3 ) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) h = kedalaman air (m) Densitas (massa jenis air) Massa jenis adalah pengukuran massa setiap satuan volume benda. Setiap zat memiliki massa jenis yang berbeda, dan satu zat akan memiliki massa jenis yang sama. Rumus untuk menentukan massa jenis adalah: m ρ =... (2.8) V

15 17 dimana, ρ = massa jenis air (kg/m 3 ) m = massa air (kg) V = volume air (m 3 ) Densitas merupakan salah satu parameter terpenting dalam mempelajari dinamika laut. Perbedaan densitas yang kecil secara horisontal (misalnya akibat perbedaan pemanasan di permukaan laut) dapat menghasilkan arus laut. Oleh karena itu densitas merupakan hal yang sangat penting dalam oseanografi (Talley, 2008) Pemuaian Pada umumnya suatu zat akan memuai jika dipanaskan dan menyusut jika didinginkan (Pauliza, 2006). ΔL = α. L. ΔT ΔA = β. A. ΔT ΔV = γ. V. ΔT (2.9) dimana, ΔL, ΔA, ΔV = perubahan panjang, perubahan luas, dan perubahan volume L 0, A 0, V 0 = panjang awal, luas awal, dan volume awal ΔT = perubahan suhu ( 0 C) α, β, γ = koefisien muai panjang, koefisien muai luas, dan koefisien muai volume ( 0 C -1 ), yang mana γ = 3α dan β = 2α Gabungkan persamaan (2.7), (2.8), dan (2.9) adalah: h = ( Pa P0 ) V0 (1 + γδt ) mg... (2.10) 2.7. Kesalahan pengukuran Pengukuran bertujuan untuk menentukan nilai besaran ukur, dan hasil pengukuran merupakan taksiran nilai besaran ukur. Karena merupakan taksiran, maka setiap hasil pengukuran selalu mengandung kesalahan.

16 18 Berdasarkan penyebabnya, kesalahan pada pengukuran dapat diklasifikasikan sebagai berikut. Kesalahan karena alam (natural errors), dapat terjadi karena perubahan kondisi lingkungan saat pengukuran dilakukan. Jenis kesalahan ini terjadi pada waktu yang tidak menentu, hal ini karena sifat laut yang selalu mengalami perubahan setiap saat dan tidak beraturan. Kesalahan karena alat (instrumental errors), dapat terjadi karena ketidaksempurnaan konstruksi dan kalibrasi alat. Kesalahan karena pengukur (personal errors), dapat terjadi karena keterbatasan pengukur dalam melakukan pengamatan (kemampuan untuk mendapatkan hasil yang berulang) dan kecerobohan pengukur saat melakukan pengukuran. Pada sensor tekanan OTT PS 1, kesalahan pengukuran salah satunya dapat terjadi karena pengaruh suhu. Hal ini dapat terjadi karena tekanan dalam air dipengaruhi oleh suhu, semakin besar perubahan suhu yang terdeteksi oleh sensor tekanan maka semakin besar pula kesalahan yang terjadi (Weidner, 1989). Secara konvensional, kesalahan dikategorikan ke dalam tiga jenis, yaitu: 1) Kesalahan besar (gross error) Nilai pengukuran menjadi sangat berbeda bila dibandingkan dengan nilai ukuran yang seharusnya. Sumber kesalahan ini dapat terjadi dari kesalahan pengamat (personal error). 2) Kesalahan acak (accidental error) Kesalahan acak timbul dari besaran berpengaruh yang tidak terduga. Nilai kesalahan acak tidak dapat dikoreksi karena bervariasi dari satu pengukuran

17 19 ke pengukuran lainnya. Kesalahan acak dapat diperkecil dengan melakukan pengukuran berulang dan melakukan hitung perataan terhadap hasil pengukuran dan kesalahan pengukuran. 3) Kesalahan sistematik (systematic error) Kesalahan sistematik timbul dari besaran berpengaruh yang dapat diduga berdasarkan model besaran ukur. Sumber kesalahan dapat terjadi dari alat ukur yang digunakan. Akibatnya hasil pengukuran menyimpang dari nilai pengukuran yang seharusnya, sehingga harus dideteksi dan dikoreksi dari nilai pengukuran yang dihasilkan. Kesalahan sistematik utama untuk sensor tekanan OTT PS 1 berhubungan dengan asumsi untuk nilai rata-rata densitas efektif air laut dan percepatan gravitasi. Nilai ini digunakan untuk mengubah pengukuran tekanan ke dalam tinggi muka laut (Woodworth, 2003). Kesalahan sistematik pada pengukuran juga dapat berupa kekeliruan pengkalibrasian, sehingga harus melakukan kalibrasi alat sebelum pengukuran secara tepat. Untuk pemakaian alat dalam waktu yang lama, perlu dilakukan pengecekan kalibrasi.