Sumber : https://doi.org/10.1175/JPO-D-22-0088.1
Muara (estuari) merupakan sistem perairan peralihan antara sungai dan laut yang mengalami dinamika kompleks akibat interaksi antara aliran air tawar, air laut, pasang surut, serta perbedaan densitas. Salah satu proses penting di estuari adalah sirkulasi estuarin, yang melibatkan pergerakan dua lapisan di mana air tawar mengalir ke laut di permukaan atas, sedangkan air asin mengalir ke darat di lapisan bawah akibat pengaruh gravitasi. Proses sirkulasi itu juga berlangsung di berbagai estuari besar di seluruh dunia, yaitu termasuk Sungai Ob, Yenisei, Saint Lawrence, dan Amur yang terletak di area Arktik serta subarktik. Namun, di wilayah arktik banyak estuari yang mengalami pembekuan es laut (landfast sea ice) secara musiman. Walaupun dinamika estuari di lintang menengah telah banyak diteliti, proses sirkulasi dan stratifikasi di estuari yang tertutup es masih sedikit dieksplorasi. Keberadaan lapisan es ini secara signifikan mengubah hubungan antara air dan atmosfer, menghilangkan dampak angin secara langsung pada kolom air, serta menciptakan penghalang gesekan di permukaan. Memahami dinamika ini sangat penting karena fenomena Arctic amplification membuat periode penutupan es lebih pendek, yang memengaruhi transportasi sedimen, nutrisi, dan polutan di area tersebut.
Transformasi Mekanika Aliran akibat Kondisi Batas No-Slip
Pada estuari dengan permukaan bebas, kondisi batas no-slip hanya berlaku di dasar perairan, sedangkan permukaan air umumnya dianggap bebas tegangan. Konfigurasi ini menghasilkan profil kecepatan vertikal yang asimetris, dengan kecepatan maksimum berada di dekat permukaan dan gradien geser terbesar di dekat dasar. Namun, pada estuari yang tertutup es laut tetap (landfast sea ice), kondisi no-slip juga berlaku di permukaan, sehingga kolom air dibatasi oleh dua batas gesekan, yaitu dasar dan permukaan.
Penerapan kondisi batas no-slip di permukaan menyebabkan perubahan mendasar pada struktur aliran vertikal. Profil kecepatan tidak lagi menunjukkan karakteristik estuari klasik, melainkan menyerupai aliran pipa (pipe flow), dengan kecepatan maksimum yang bergeser ke bagian tengah kolom air. Tegangan geser residu di permukaan yang diperlukan untuk mempertahankan kecepatan nol menghasilkan fluks momentum ke bawah, yang berfungsi sebagai gaya hambat terhadap aliran permukaan seaward akibat sirkulasi estuari gravitasi. Akibatnya, intensitas sirkulasi estuari secara keseluruhan mengalami pelemahan yang signifikan.
Selain memodifikasi struktur kecepatan, kondisi no-slip di permukaan juga mengubah mekanisme pembangkitan dan perusakan stratifikasi. Pada estuari tanpa penutupan es, asimetri pasang surut dalam pencampuran turbulen menghasilkan kovariansi antara viskositas eddy dan geser kecepatan (eddy viscosity–shear covariance atau ESCO), yang berkontribusi besar terhadap penguatan sirkulasi estuari. Namun, di bawah penutupan es, regangan pasut di dekat permukaan memiliki tanda yang berlawanan dengan regangan di dekat dasar. Selama fase surut, lapisan permukaan cenderung mengalami destabilisasi akibat adveksi diferensial, sementara selama fase pasang terbentuk stratifikasi stabil di lapisan atas.
Interaksi antara tegangan permukaan, regangan pasut, dan turbulensi ini menyebabkan berkurangnya peran ESCO dalam memperkuat sirkulasi estuari. Sebaliknya, muncul komponen sirkulasi balik (reverse estuarine circulation) yang dipicu oleh tegangan permukaan, sehingga pertukaran massa dan energi di dalam kolom air menjadi lebih lemah dibandingkan estuari dengan permukaan bebas. Dengan demikian, kondisi batas no-slip pada permukaan tidak hanya mengubah profil kecepatan secara lokal, tetapi juga mentransformasikan keseimbangan antara proses adveksi, pencampuran turbulen, dan stratifikasi pada sistem estuari di wilayah Arktik.
Sumber : https://doi.org/10.1175/JPO-D-22-0088.1
Gambar tersebut menunjukkan perubahan besar pada struktur vertikal kolom air karena adanya es laut. Ketika tidak ada es, aliran air di permukaan cenderung mengalir ke arah laut, sedangkan di bagian bawah, air mengalir ke arah daratan. Namun, ketika ada es, kecepatan aliran air di permukaan menurun drastis karena gesekan pada permukaan es, sehingga distribusi kecepatan menjadi lebih merata dan kecepatan maksimum bergeser ke bagian tengah kolom air. Ini berarti bahwa gesekan pada permukaan es menghambat aliran permukaan, sehingga melemahkan sirkulasi estuari secara keseluruhan.
Selain itu, perubahan pada distribusi salinitas menunjukkan bahwa struktur vertikal kolom air juga berubah. Ketika tidak ada es, perbedaan salinitas antara lapisan permukaan dan dasar lebih besar, menunjukkan bahwa ada pertukaran massa yang aktif antara air tawar dan air asin. Namun, ketika ada es, distribusi salinitas menjadi lebih seragam di lapisan atas karena berkurangnya pencampuran air yang biasanya dipicu oleh angin dan interaksi antara atmosfer dan laut. Kombinasi antara pelemahan arus permukaan dan berkurangnya perbedaan salinitas ini menunjukkan bahwa es laut tidak hanya mengubah aliran air, tetapi juga menurunkan efisiensi transport massa dan energi di dalam kolom air, sehingga sistem estuari menjadi lebih stabil namun kurang dinamis.
Dinamika Stratifikasi Residual dan Peran s-ESCO
Stratifikasi residual dalam estuari merupakan hasil interaksi kompleks antara gradien densitas horizontal, pasang surut, serta proses turbulensi vertikal dalam kolom air. Pada kondisi normal tanpa es, perbedaan salinitas antara air tawar di permukaan dan air asin di lapisan bawah menghasilkan struktur dua lapis yang stabil secara baroklinik. Ketika terjadi pasang surut, proses tidal straining memperkuat atau melemahkan stratifikasi secara periodik, menghasilkan fenomena yang dikenal sebagai Strain-Induced Periodic Stratification (SIPS).
Dinamika ini didekomposisi menjadi beberapa komponen mekanistik, salah satunya adalah s-ESCO (shear–Eddy Viscosity Covariance). Komponen s-ESCO merepresentasikan interaksi antara distribusi viskositas turbulen vertikal dan gradien kecepatan (shear) dalam kolom air. Secara fisik, s-ESCO menggambarkan bagaimana variasi turbulensi vertikal dapat menghasilkan transport momentum residual yang berkontribusi terhadap pembentukan atau pelemahan stratifikasi.
Pada kondisi tanpa es, s-ESCO berperan signifikan dalam mempertahankan sirkulasi estuarin klasik. Ketika shear vertikal meningkat saat fase ebb atau flood tide, distribusi eddy viscosity yang tidak homogen menyebabkan transport momentum yang menghasilkan kontribusi positif terhadap stratifikasi residual. Dengan kata lain, dinamika turbulensi tidak hanya mencampur massa air, tetapi juga secara tidak langsung membentuk struktur densitas jangka panjang.
Namun, ketika permukaan estuari tertutup landfast sea ice, kondisi batas berubah dari free-slip menjadi no-slip boundary. Perubahan ini menghasilkan distribusi shear yang lebih simetris dan meningkatkan gesekan di lapisan atas. Akibatnya, pola turbulensi vertikal berubah secara signifikan. Penelitian menunjukkan bahwa dalam kondisi tertutup es, kontribusi s-ESCO terhadap stratifikasi tidak mengalami pembalikan tanda seperti pada kasus tanpa es, sehingga proses pembentukan stratifikasi menjadi lebih lemah. Energi potensial anomali yang biasanya digunakan sebagai indikator intensitas stratifikasi juga mengalami penurunan.
Secara fisik, keberadaan es menghambat transfer momentum antara atmosfer dan laut serta menekan variasi shear permukaan. Hal ini mengurangi intensitas sirkulasi dua lapis dan memperlemah mekanisme pemompaan pasang surut (tidal pumping). Dengan demikian, stratifikasi residual di bawah lapisan es cenderung lebih homogen dibandingkan kondisi terbuka.
Kajian ini memperlihatkan bahwa distribusi turbulensi vertikal serta karakteristik kondisi batas permukaan memegang peranan penting dalam menentukan stabilitas kolom air dan dinamika sirkulasi estuari. Walaupun perairan tropis seperti Indonesia tidak mengalami pembentukan es laut, kerangka proses fisik yang mendasarinya tetap relevan untuk dipertimbangkan. Variabilitas forcing permukaan seperti perubahan pola angin monsun maupun fluktuasi stress akibat fenomena iklim dapat mengubah struktur stratifikasi dan pola sirkulasi residual melalui mekanisme penyesuaian dinamis yang secara prinsip sebanding, meskipun berlangsung dalam setting oseanografi yang berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa respons kolom air terhadap modifikasi batas permukaan merupakan isu fundamental yang melampaui perbedaan lintang dan karakter iklim regional.
Modifikasi Exchange Flow dan Stabilitas Kolom Air pada Estuari Tertutup Es
Struktur aliran pertukaran di estuari pasang surut diubah secara signifikan oleh keberadaan salju laut yang tetap. Penelitian juga menunjukkan bahwa penutupan es dapat menyebabkan penurunan aliran masuk dekat dasar, yang berdampak pada keseluruhan pertukaran massa dalam sistem estuari. Keseimbangan antara gravitasi sirkulasi dan kontribusi eddy viscosity–shear covariance (ESCO) biasanya bertanggung jawab atas sirkulasi estuari dalam kondisi bebas es. Namun, ketika permukaan ditutup es dan kondisi batas tidak slip diterapkan, terbentuk lapisan batas tambahan di permukaan, yang menghasilkan drag permukaan tambahan. Gaya gesek ini secara efektif melemahkan intensitas sirkulasi estuarine karena berarah berlawanan dengan bagian sirkulasi gravitasi di lapisan atas. Akibatnya, struktur pertukaran massa vertikal menjadi lebih simetris terhadap tengah kolom air, menyerupai profil aliran pipa, dan aliran masuk dekat dasar berkurang secara signifikan.
Dalam estuari tanpa es, proses penegangan pasang surut cenderung menghasilkan pencampuran selama fase pasang dan stratifikasi stabil selama fase surut. Namun, di bawah es, pola ini hampir terbalik di lapisan permukaan yaitu selama fase surut, shear dekat permukaan meningkat, menyebabkan kecenderungan destabilisasi lokal akibat adveksi diferensial. Mekanisme ini mungkin akhirnya mengganggu stabilitas kolom air bagian atas. Sebaliknya, ketidakstabilan statik jarang berkembang penuh karena respons turbulen, yang cepat menghomogenkan lapisan karena viskositas dan difusivitas eddy meningkat. Selama pasang perbani, perbedaan salinitas antara permukaan dan dasar mencapai 10 psu, sedangkan selama pasang purnama perbedaannya hanya 0–2 psu. Kejadian limpasan pada akhir periode pengamatan menyebabkan penurunan salinitas yang besar serta meningkatkan stratifikasi.
Dalam hal stabilitas terintegrasi kolom air, efek es ditunjukkan oleh jumlah energi yang diperlukan untuk mencampur kolom air secara vertikal. Dalam kondisi tanpa es, kontribusi tidal pumping atau s-ESCO adalah yang paling penting untuk mempertahankan stratifikasi residual. Perubahan pada es laut Arktik memiliki dampak yang kuat terhadap sirkulasi laut melalui modifikasi forcing dinamis dan termohalin di permukaan laut. Namun, perubahan luar biasa pada es laut dan umpan baliknya terhadap sistem iklim bumi ini belum sepenuhnya dipahami dan belum tersimulasikan dengan baik dalam model iklim global karena resolusinya yang kasar serta belum merepresentasikan seluruh proses oseanik kunci. Akibat kurangnya asimetri turbulensi pasang surut, proses ini tetap terjadi di bawah tutupan es, tetapi dengan intensitas yang lebih rendah. Selain itu, berbeda dengan estuari bebas es, kontribusi ESCO tidak dikembalikan pada kondisi stratifikasi kuat. Hal ini menunjukkan bahwa es menekan mekanisme nonlinier, yang biasanya memperkuat atau membalik bagian sirkulasi tertentu pada kondisi densitas gradien tinggi.
Sistem di estuari tertutup es secara keseluruhan lebih teredam secara dinamis yaitu jika aliran pertukaran melemah, maka stratifikasi residual menurun, dan respons turbulensi menjadi lebih dikendalikan oleh dua lapisan batas yaitu permukaan dan dasar. Karena kapasitas pertukaran vertikal dan lateral berkurang selama musim es, implikasi fisiknya signifikan terhadap transport sedimen, nutrien, dan polutan. Dengan pemanasan global yang mungkin mengurangi durasi tutupan es di wilayah Arktik, transisi antara rezim tertutup dan terbuka es diperkirakan akan menghasilkan perubahan musiman yang semakin berbeda dalam dinamika estuari.
Writer : Water Column and It’s Circulation Bureau
