Simulasi Interaktif Siklus Hidrologi (Geografi SMA Kelas 10)

Simulasi ini menampilkan penampang sebuah pulau tropis dari laut di sebelah kiri, dataran pantai, hutan, hingga gunung bersalju di sebelah kanan, lengkap dengan lapisan tanah, akuifer, dan batuan kedap air di bawahnya.

Matahari memanaskan laut sehingga air menguap, uap naik dan mendingin menjadi awan, angin laut menggeser awan ke arah daratan, lalu hujan atau salju turun dan air kembali ke laut lewat sungai, resapan tanah, dan aliran air tanah.

Dengan menggeser suhu, vegetasi, dan kecepatan angin, kamu dapat melihat langsung bagaimana setiap faktor mengubah laju tiap proses dalam siklus.

Dasar teori

Siklus hidrologi adalah perpindahan air yang terus-menerus antara laut, atmosfer, daratan, dan bawah tanah. Penggeraknya adalah energi matahari dan gaya gravitasi. Sekitar 97 % air Bumi berada di laut, sedangkan air tawar yang kurang dari 3 % sebagian besar tersimpan sebagai es dan air tanah. Jumlah total air relatif tetap (kekekalan massa), sehingga air hanya berpindah tempat dan berubah wujud.

• Evaporasi dan transpirasi. Panas matahari mengubah air laut, air permukaan, dan lengas tanah menjadi uap (evaporasi), sedangkan tumbuhan melepas uap air lewat stomata daun (transpirasi). Gabungan keduanya disebut evapotranspirasi. Laut menyumbang sekitar 86 sampai 90 % dari seluruh penguapan global. Uap air adalah gas yang tidak terlihat.
• Kondensasi. Udara lembap yang naik akan mengembang dan mendingin. Setelah mencapai titik jenuh, uap mengembun pada inti kondensasi (debu, garam laut) menjadi tetes air atau kristal es kecil. Kumpulan tetes inilah yang tampak sebagai awan.
• Adveksi. Angin membawa udara lembap dan awan secara horizontal. Pada siang hari daratan lebih cepat panas daripada laut, sehingga bertiup angin laut dari laut ke darat.
• Presipitasi. Tetes awan yang membesar jatuh sebagai hujan. Jika suhu udara di lapisan itu di bawah 0 °C, presipitasi berupa salju atau es. Salju yang menumpuk lama membentuk gletser.
• Infiltrasi, perkolasi, limpasan, dan aliran air tanah. Air hujan yang meresap ke permukaan tanah disebut infiltrasi, pergerakannya turun melalui pori-pori tanah disebut perkolasi, dan air yang mengalir di permukaan disebut limpasan. Air yang mencapai muka air tanah mengisi akuifer lalu mengalir pelan menuju laut.

1. Suhu dan penguapan. Menurut hubungan Clausius–Clapeyron, tekanan uap jenuh naik sekitar 7 % tiap kenaikan 1 °C. Simulasi memakai pendekatan ini sebagai laju penguapan relatif terhadap acuan 28 °C:

\text{laju relatif}\approx 1{,}07^{\,T-28}

2. Suhu dan ketinggian. Suhu udara lingkungan turun rata-rata sekitar 6,5 °C tiap naik 1.000 m. Jika suhu di permukaan laut adalah T_0, maka suhu pada ketinggian h (meter) dan batas salju (suhu 0 °C) adalah:

\begin{aligned}T(h)&=T_0-0{,}0065\,h\\h_s&=\frac{T_0}{0{,}0065}\end{aligned}

3. Hujan orografik dan bayangan hujan. Ketika angin lembap menabrak lereng gunung, udara terpaksa naik, mendingin, dan mengembun sehingga hujan lebat turun di lereng yang menghadap angin. Di sisi seberang udara turun, mengalami pemampatan, menghangat, dan mengering, sehingga wilayahnya menjadi lebih kering (bayangan hujan).

4. Neraca air. Untuk satu daerah aliran sungai, curah hujan P terbagi menjadi evapotranspirasi ET, aliran total R, dan perubahan simpanan \Delta S:

P=ET+R+\Delta S

5. Peran vegetasi. Akar dan serasah membuat tanah gembur sehingga infiltrasi besar, limpasan kecil, erosi rendah, dan air tanah terisi. Daun melepas uap lewat transpirasi sehingga menambah kelembapan udara. Pada lahan gundul, sebagian besar hujan menjadi limpasan yang membawa tanah dan membuat sungai keruh.

Cara penggunaan

1. Simulasi langsung berjalan. Amati titik putih samar yang naik dari laut dan tumbuhan (uap air), awan yang terbentuk, garis putih bergerak (angin laut), lalu hujan yang turun.
2. Suhu rata-rata adalah suhu di permukaan laut (15 sampai 40 °C). Skala di sisi kiri gambar menunjukkan suhu udara pada setiap ketinggian.
3. Tutupan vegetasi mengatur jumlah pohon (0 sampai 100 %), peluang air meresap, dan warna sungai.
4. Angin laut mengatur seberapa cepat uap dan awan terdorong ke arah daratan. Kecepatan simulasi mempercepat waktu tanpa mengubah hasil akhirnya.
5. Tombol Jeda menghentikan sementara, Reset mengosongkan awan, partikel, dan penghitung. Centang Tampilkan label proses untuk menampilkan atau menyembunyikan nama proses pada gambar.
6. Kartu proses akan menyala saat prosesnya sedang terjadi. Angka pada kartu adalah jumlah kejadian sejak simulasi dimulai atau direset.
7. Tombol Layar penuh memperbesar kotak simulasi agar nyaman dibaca di papan interaktif digital.

Interpretasi hasil simulasi

• Suhu naik. Pada 38 °C laju penguapan relatif sekitar 1,97 kali dibanding 28 °C, sehingga uap dan awan menumpuk lebih cepat dan hujan lebih sering. Batas salju ikut naik dari sekitar 4.308 m menjadi sekitar 5.846 m (di atas puncak 4.800 m), sehingga salju tidak lagi turun dan simpanan es menyusut karena pencairan lebih besar daripada penambahan.
• Suhu turun. Pada 15 °C penguapan hanya sekitar 0,4 kali, awan lebih lambat terbentuk, tetapi batas salju turun ke sekitar 2.300 m sehingga tutupan salju meluas.
• Vegetasi 0 %. Peluang meresap hanya sekitar 15 %, sehingga kartu Limpasan naik jauh lebih cepat daripada Infiltrasi, sungai berwarna cokelat keruh karena erosi, dan aliran air tanah menipis. Tanpa pohon, transpirasi juga nol sehingga uap dari daratan berkurang.
• Vegetasi 100 %. Peluang meresap sekitar 85 %, sungai lebih jernih, dan simpanan lengas tanah serta air tanah lebih terjaga.
• Angin kuat. Awan terbawa lebih cepat ke lereng, hujan terkonsentrasi di lereng yang menghadap angin (hujan orografik), sedangkan lereng seberang menjadi kering (bayangan hujan).
• Batas model. Gambar tidak berskala dan waktunya dipadatkan. Titik uap hanyalah penanda arah perpindahan massa uap yang aslinya tidak terlihat. Angka yang tampil menunjukkan tren (kualitatif), bukan nilai pengukuran nyata.

Suhu rata-rata (permukaan laut): 28,0 °C

Tutupan vegetasi: 60 %

Angin laut: 4 m/s

Kecepatan simulasi: 1x

Tampilkan label proses

Laju penguapan relatif: 1,00 x

Peluang air meresap (lahan landai): 57,0 %

Kandungan air awan: 0 %

Batas salju: 4.308 m

Suhu di puncak (4.800 m): −3,2 °C

Simpanan salju/es: 50 %

Model disederhanakan: laju penguapan mengikuti pendekatan Clausius–Clapeyron (naik sekitar 7 % per °C dari acuan 28 °C), suhu udara turun 6,5 °C per 1.000 m, dan bagian bawah tanah tidak berskala. Angka pada kartu menunjukkan jumlah kejadian tiap proses sejak simulasi dimulai.

Proses yang sedang terjadi

Tiga Tingkat Siklus Air

Jenis siklus	Lintasan air	Ciri
Pendek (kecil)	Laut, uap, awan, hujan di laut	Tidak melibatkan daratan, hanya evaporasi, kondensasi, presipitasi.
Sedang	Laut, uap, adveksi ke darat, hujan di darat, sungai, laut	Ada angin yang membawa uap ke daratan dan aliran permukaan.
Panjang (besar)	Laut, uap, awan, hujan atau salju di pegunungan, gletser atau air tanah, laut	Air tertahan lama sebagai es atau air tanah sebelum kembali ke laut.

Soal Latihan

Soal 1 Mudah

Saat berlibur di Pantai Pangandaran, Rani melihat air laut menguap karena terik matahari. Siang harinya awan tebal terbentuk di atas perbukitan, hujan turun di sana, dan airnya mengalir lewat sungai kembali ke laut. Urutkan proses berikut sesuai kejadian: limpasan, presipitasi, evaporasi, adveksi, kondensasi. Lalu tentukan termasuk siklus pendek, sedang, atau panjang.

Pembahasan

Urutannya adalah evaporasi (air laut menguap), kondensasi (uap naik, mendingin, menjadi awan), adveksi (angin laut membawa awan ke perbukitan), presipitasi (hujan di perbukitan), lalu limpasan (air mengalir di sungai ke laut). Karena ada perpindahan uap ke daratan, hujan di darat, dan aliran sungai tanpa tertahan lama sebagai es atau air tanah, peristiwa ini termasuk siklus sedang.

Soal 2 Sedang

Suhu rata-rata dinaikkan dari 28 °C menjadi 38 °C pada simulasi. Hitung faktor kenaikan laju penguapan, jelaskan dampaknya pada awan dan hujan, serta mengapa tidak otomatis semua wilayah menjadi lebih basah.

Pembahasan

\begin{aligned}\text{faktor}&=1{,}07^{\,38-28}\\&=1{,}07^{\,10}\\&\approx 1{,}97\end{aligned}

Laju penguapan menjadi sekitar 2 kali (naik sekitar 97 %), sehingga uap di atmosfer bertambah, awan lebih cepat terbentuk, dan hujan cenderung lebih deras. Namun uap dibawa angin (adveksi) ke tempat yang berbeda dari asalnya sehingga sebaran hujan berubah. Daratan yang menerima sedikit uap justru dapat lebih kering karena air tanahnya lebih cepat menguap, sementara wilayah lain mengalami hujan ekstrem.

Soal 3 Sedang

Di dataran rendah dekat Timika suhu udara rata-rata 28 °C. Puncak Jaya memiliki ketinggian 4.884 m. Dengan penurunan suhu 6,5 °C per 1.000 m, hitung suhu di puncak dan batas salju. Berapa meter bagian gunung yang berada di atas batas salju, dan bagaimana jika suhu dataran rendah naik menjadi 30 °C?

Pembahasan

\begin{aligned}T_{\text{puncak}}&=28-0{,}0065\times 4.884\\&=28-31{,}746\\&=-3{,}746\ ^{\circ}\mathrm{C}\end{aligned}

\begin{aligned}h_s&=\frac{28}{0{,}0065}\approx 4.307{,}7\ \text{m}\\ \text{tebal zona salju}&=4.884-4.307{,}7\approx 576{,}3\ \text{m}\end{aligned}

Jika suhu naik menjadi 30 °C:

\begin{aligned}h_s&=\frac{30}{0{,}0065}\approx 4.615{,}4\ \text{m}\\ \text{tebal zona salju}&=4.884-4.615{,}4\approx 268{,}6\ \text{m}\end{aligned}

Pemanasan 2 °C menaikkan batas salju sekitar 308 m sehingga zona salju menyusut lebih dari separuh (dari sekitar 576 m menjadi sekitar 269 m). Ini sejalan dengan gletser tropis yang cepat menyusut.

Soal 4 Sedang

Daerah A berhutan lebat dan daerah B gundul menerima hujan yang sama. Bandingkan debit sungai saat hujan lebat dan saat kemarau panjang.

Pembahasan

Coba atur vegetasi 0 % dan 100 % pada simulasi. Di daerah B peluang infiltrasi kecil sehingga sebagian besar hujan menjadi limpasan. Air tiba di sungai cepat dan serentak, debit puncak tinggi, dan banjir mudah terjadi. Cadangan air tanah juga sedikit, sehingga saat kemarau debit turun tajam. Di daerah A air lebih banyak meresap, lalu dilepas pelan oleh aliran air tanah. Debit puncak lebih rendah dan debit kemarau lebih stabil. Transpirasi hutan juga menambah uap air bagi pembentukan awan setempat.

Soal 5 HOTS

Sebuah daerah aliran sungai di lereng Gunung Slamet seluas 200 km² menerima curah hujan 3.000 mm per tahun dengan evapotranspirasi 1.500 mm per tahun. Anggap perubahan simpanan air nol dan 1 tahun = 365 hari. (a) Hitung aliran total dan debit rata-rata sungai. (b) Setelah hutan diganti lahan terbuka, evapotranspirasi turun menjadi 1.200 mm per tahun. Hitung kenaikan debit rata-rata, lalu jelaskan mengapa risiko banjir bisa naik lebih besar daripada kenaikan debit rata-ratanya.

Pembahasan

\begin{aligned}R&=P-ET-\Delta S\\&=3.000-1.500-0\\&=1.500\ \text{mm}=1{,}5\ \text{m}\end{aligned}

\begin{aligned}V&=1{,}5\times 200\times 10^{6}=3\times 10^{8}\ \text{m}^3\\ Q&=\frac{3\times 10^{8}}{365\times 86.400}=\frac{3\times 10^{8}}{31.536.000}\approx 9{,}51\ \text{m}^3/\text{s}\end{aligned}

Setelah penggundulan, R=3.000-1.200=1.800 mm:

\begin{aligned}V&=1{,}8\times 200\times 10^{6}=3{,}6\times 10^{8}\ \text{m}^3\\ Q&=\frac{3{,}6\times 10^{8}}{31.536.000}\approx 11{,}42\ \text{m}^3/\text{s}\\ \text{kenaikan}&=\frac{11{,}42-9{,}51}{9{,}51}\times 100\%\approx 20\%\end{aligned}

Debit rata-rata naik sekitar 1,9 m³/s (20 %). Namun pada lahan terbuka infiltrasi menurun sehingga hujan lebat berubah menjadi limpasan yang tiba di sungai serentak. Debit puncak naik jauh lebih besar daripada rata-ratanya, sedangkan aliran dasar saat kemarau justru turun karena cadangan air tanah berkurang.

Soal 6 HOTS

Angin laut bersuhu 30 °C dengan titik embun 22 °C bertiup melintasi pegunungan setinggi 2.500 m. Gunakan ketinggian kondensasi h_k=125\,(T-T_d) meter, laju penurunan suhu udara kering 9,8 °C per 1.000 m, dan udara jenuh 5 °C per 1.000 m. Anggap seluruh uap yang mengembun turun sebagai hujan di lereng. Hitung suhu udara di puncak dan di kaki lereng seberang (ketinggian 0 m), lalu jelaskan akibatnya bagi wilayah di balik gunung.

Pembahasan

\begin{aligned}h_k&=125\,(30-22)=1.000\ \text{m}\\ T_{1.000}&=30-9{,}8\times 1=20{,}2\ ^{\circ}\mathrm{C}\\ T_{2.500}&=20{,}2-5\times 1{,}5=12{,}7\ ^{\circ}\mathrm{C}\end{aligned}

Di sisi seberang udara turun dalam keadaan tidak jenuh karena uapnya sudah menjadi hujan, sehingga memanas dengan laju udara kering:

\begin{aligned}T_{\text{kaki lee}}&=12{,}7+9{,}8\times 2{,}5\\&=12{,}7+24{,}5\\&=37{,}2\ ^{\circ}\mathrm{C}\end{aligned}

Udara di balik gunung menjadi 7,2 °C lebih hangat daripada udara awal dan jauh lebih kering. Lereng yang menghadap angin menerima hujan orografik lebat, sedangkan wilayah di baliknya berada dalam bayangan hujan: kering, hangat, dan curah hujannya kecil. Pola ini dapat kamu amati pada simulasi saat angin diperkuat, yaitu awan menumpuk di lereng kiri puncak dan menipis di sisi kanan.