ILMU GRATIS

Gravitasi adalah gaya tarik antara dua benda. Gaya gravitasi dibangkitkan dari massa suatu objek, dan selalu menarik objek lain yang juga memiliki massa. Besarnya gaya ini berbanding lurus dengan massa kedua objek, dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua benda. Artinya, semakin besar massa maka semakin besar pula gravitasinya. Dan semakin jauh jarak antara dua benda maka semakin kecil pula gravitasinya.

Dengan demikian setiap benda akan memiliki besaran gravitasi yang berbeda bergantung pada besar massanya.

Lantas bagaimana keterkaitannya dengan atmosfer?

Atmosfer itu sangat penting untuk melindungi permukaan planet dari radiasi Matahari serta untuk membantu “mengendalikan” atau meminimkan jumlah energi yang dilepaskan planet dan hilang di angkasa. Atmosfer juga berfungsi untuk mempertahankan keberadaan air di sebuah planet dengan memberi tekanan yang cukup agar cairan yang ada di planet tersebut tidak mendidih dan kemudian hilang di angkasa.

Di Tata Surya, semua planet pada dasarnya memiliki atmosfer termasuk Merkurius, planet terdekat dengan Matahari. Tak hanya planet, beberapa satelit juga memiliki atmosfer. Tapi, untuk bisa mempertahankan keberadaan atmosfer di sebuah obyek dibutuhkan gravitasi yang cukup besar untuk bisa mengikat molekul gas dan partikel lainnya agar tidak lepas. Merkurius dan Mars diketahui memiliki atmosfer tipis sedangkan planet raksasa seperti Jupiter, Saturnus, Uranus, dan Neptunus diketahui memiliki atmosfer yang tebal.

Apa Yang Menyebabkan Atmosfer Lepas?

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi tebal tipisnya atmosfer maupun keberadaan atmosfer di sebuah obyek. Selain gravitasi yang dibutuhkan untuk mengikat atmosfer, kecepatan lepas si obyek dan temperatur atmosfer juga memegang peran penting agar atmosfer tidak terlepas.

Planet yang gravitasinya lemah tidak akan dapat mengikat atau mempertahankan molekul-molekul yang membentuk atmosfer sebaik planet yang memiliki gravitasi lebih besar. Molekul-molekul gas pada planet yang memiliki gravitasi lemah akan cenderung mudah untuk melepaskan diri.

Tapi, jika atmosfer di planet tersebut cukup dingin maka molekul gas tidak akan bergerak terlalu cepat untuk bisa lepas dari ikatan gravitasi si planet. Nah, seberapa kuat ikatan yang dibutuhkan dan seberapa cepat molekul bisa bergerak arar terlepas dari planet bergantung pada kecepatan lepas planet. Dan kecepatan molekul untuk bergerak bergantung pada temperatur.

Kecepatan Lepas

Agar sebuah benda bisa lepas dari sebuah planet dan tidak lagi dipengaruhi oleh gravitasi planet tersebut, maka ia harus bergerak melebihi kecepatan lepas si planet. Kecepatan lepas adalah kecepatan awal yang dibutuhkan untuk lepas dari pengaruh gravitasi benda yang massanya lebih besar.

Contohnya di Bumi.

Coba lemparkan batu ke udara. Ia akan mengangkasa sesaat sebelum gravitasi Bumi memperlambat geraknya dan menariknya  kembali ke tanah. Lemparkan lebih kuat lagi maka ia akan bergerak lebih cepat dan tinggi sebelum kemudian jatuh kembali. Tapi batu itu bisa saja lepas kalau dilempar lebih kuat lagi sehingga ia bisa memiliki kecepatan yang cukup untuk lepas dan gravitasi Bumi tidak akan memperlambat dan menghentikan gerak si batu tadi. Pada kondisi ini batu yang dilemparkan tadi akan memiliki kecepatan yang cukup untuk lepas dari Bumi.

Di Bumi, untuk dapat lepas dari pengaruh gravitasi dibutuhkan kecepatan lepas sebesar 11 km / detik. Bayangkan betapa cepat sebuah benda harus bergerak untuk bisa lepas dari pengaruh gravitasi Bumi. Di tempat lain kecepatan yang dibutuhkan pun akan berbeda bergantung pada gravitasi di lokasi tersebut. Semakin besar gaya gravitasi sebuah benda maka semakin besar pula kecepatan lepasnya.

Berdasarkan hukum gravitasi Newton, kecepatan lepas berbanding lurus dengan massa planet dan berbanding terbalik dengan jarak.  Dan massa memiliki kaitan erat dengan gravitasi. Jadi semakin besar massa suatu benda, gaya gravitasinya semakin kuat dan kecepatan lepasnya juga semakin tinggi. Tapi semakin jauh jarak suatu benda, maka kecepatan lepasnya juga semakin kecil. Artinya untuk sebuah planet, semakin jauh sebuah benda dari permukaan planet maka kecepatan lepas jadi semakin kecil dan gaya tarik planet untuk menahan lapisan atmosfer paling atas pun semakin lemah.

Temperatur

Lantas bagaimana agar molekul di atmosfer bisa bergerak lebih cepat dari kecepatan lepas atau justru lebih lambat sehingga tak pernah terlepas dari planet?

Yang mempengaruhi kecepatan gerak sebuah partikel adalah temperatur.  Molekul gas yang panas akan bergerak lebih cepat dibanding molekul gas dingin yang sama. Selain itu molekul gas yang masif juga akan bergerak lebih lambat dibanding gas molekul yang lebih ringan. Karena itu planet dengan gravitasi lemah cenderung memiliki atmosfer dari gas molekul yang masif, sedangkan molekul ringan seperti hidrofen dan helium akan terlepas. Molekul yang bergerak sangat cepat juga dapat melampaui kecepatan lepas si planet.

Contohnya dalah Merkurius dan Pluto. Merkurius berada lebih dekat dengan Matahari. Artinya molekul gas yang ada di sekitar Merkurius sangat panas sedangkan Pluto yang berada jauh, molekul gasnya lebih dingin. Dan pada kenyataannya Merkurius meskiun memiliki atmosfer yang sangat tipis namun atmosfernya sering hilang akibat gravitasinya yang lemah dan molekul gas di sini bergerak sangat cepat. Di Pluto, posisinya yang jauh dan dingin menyebabkan molekul bergerak lambat meskipun kecepatan lepas Pluto 4 kali lebih kecil dibanding Merkurius.

Seandainya Merkuriu dan Pluto berada di pada temperatur yang sama, maka Merkurius seharusnya memiliki atmosfer lebih tebal dibanding Pluto.

Atmosfer di Bulan dan Pluto

Sekarang bagaimana dengan Bulan vs Pluto seperti yang ditanyakan?

Bulan diyakini tidak memiliki atmosfer karena gravitasinya yang lemah sehingga atmosfer dengan mudah terlepas dari satelit Bumi tersebut. Padahal di sisi lain Pluto yang gravitasinya lebih kecil lagi memiliki atmosfer. Dimana masalahnya?

Menilik lokasi Bulan dan Pluto, mirip dengan Merkurius, Bulan masih terhitung dekat dengan matahari dibanding Pluto sehingga meskipun kecepatan lepas Bulan 2 kali lebih besar dibanding Pluto, namun gerak molekul gas di Bulan lebih cepat dan cenderung mudah lepas dibanding di Pluto.

Tapi apakah Bulan tidak memiliki atmosfer?

Pada awalnya diduga Bulan tidak memiliki atmosfer karena gravitasinya yang lemah (1,62 m/det2) tidak mampu menahan atmosfernya. Tapi saat ditemukan air di Bulan, diketahui juga kalau Bulan memiliki lapisan gas yang sangat tipis yang bisa kita kategorikan sebagai atmosfer. Lapisan ini sebenarnya merupakan lapisan eksosfer dimana gas tersebar pada jarak berjauhan sehingga sangat jarang terjadi tabrakan antar gas.  Atmosfer Bulan memiliki komposisi yang tidak biasa yakni sodium, potasium, argon, helim, oksigen, metana, nitrogen. karbon monoksida dan karbon dioksida. Menariknya molekul di atmosfer Bulan hanya ada 100 molekul per centimeter kubik dibanding 100 x 1018 molekul di atmosfer Bumi

Bagaimana dengan Pluto? Kalau dilihat dari massanya yang kecil, tentunya gravitasinya juga kecil (0,58 m/det2) sehingga akan sulit menahan keberadaan atmosfer. Dari sini bisa disimpulkan juga kecepatan lepas di Pluto juga rendah hanya 1,2 km/detik. Akan tetapi, temperatur gas jauh lebih dingin sehingga gerak molekul gas pun jadi lebih lambat, dan ini perlu diperhitungkan sebagai faktor yang bisa menahan molekul-molekul gas di Pluto.

Hasil pengamatan menunjukkan, Pluto memiliki atmosfer tipis, yang didominasi oleh nitrogen dengan komposisi lain berupa karbon monoksida dan metana. Atmosfer di Pluto terbentuk ketika planet kerdil itu mendekati Matahari dan es menyublim menjadi gas yang kemudian jadi atmosfernya. Tapi seiring dengan perjalanannya menjauhi Matahari, atmosfer di Pluto akan kembali membeku dan runtuh.