Semua orang pernah melihat petir dan mengagumi kekuatannya. Namun, terlepas dari seberapa sering sambarannya – sekitar 8,6 juta sambaran petir terjadi di seluruh dunia setiap hari –, mengapa petir berbentuk seperti zigzag ketika bergerak sebagai awan petir ke Bumi di bawahnya tetap menjadi misteri.
Ada beberapa buku teks tentang petir, tetapi tidak ada yang menjelaskan bagaimana “zigzag” (yang juga disebut steps) ini terbentuk, dan bagaimana petir dapat menempuh jarak berkilo-kilometer. Penelitian baru saya menawarkan penjelasannya.
Medan listrik yang kuat di awan petir mengeksitasi elektron untuk memiliki energi yang cukup untuk menciptakan apa yang dikenal sebagai “molekul oksigen delta singlet.” Molekul dan elektron ini terbentuk untuk menciptakan steps pendek berkonduksi tinggi yang menyala dengan intens selama sepersejuta detik.
Di akhir steps, ada jeda saat pengaktifan kembali terjadi, diikuti oleh kilatan terang dan sekilas lainnya. Proses ini terjadi berulang kali.
Dengan memburuknya kondisi cuaca ekstrem, perlindungan dari petir menjadi semakin penting. Mempelajari bagaimana sambaran petir terbentuk dapat membantu kita mengetahui cara yang lebih baik untuk melindungi bangunan, pesawat terbang, dan manusia. Selain itu, meskipun penggunaan material komposit ramah lingkungan pada pesawat dapat meningkatkan efisiensi bahan bakar, material seperti ini meningkatkan risiko kerusakan akibat petir. Oleh sebab itu, kita perlu mempertimbangkan penggunaan perlindungan tambahan.
Apa yang menyebabkan sambaran petir?
Sambaran petir terjadi ketika awan petir dengan potensi listrik jutaan volt terhubung ke Bumi. Arus ribuan ampere mengalir antara permukaan tanah dan langit, dengan suhu puluhan ribu derajat.
Foto-foto kilat mengungkapkan sejumlah detil yang tidak dapat diamati dengan mata telanjang. Biasanya ada empat atau lima kilatan cahaya “pendahulu” yang bersifat samar dan keluar dari awan. Kilatan ini bercabang dan membentuk zigzag pada jalur yang tidak teratur menuju Bumi.
Kilatan cahaya pertama yang mencapai Bumi ini memulai sambaran petir. Kilatan lainnya kemudian padam.
Lima puluh tahun yang lalu, fotografi berkecepatan tinggi mengungkapkan lebih banyak kompleksitas. Kilatan cahaya awal bergerak ke bawah dari awan dalam “steps” dengan panjang sekitar 50 meter. Setiap step menjadi terang selama sepersejuta detik, tapi kemudian berubah menjadi hampir gelap sempurna. Setelah 50 sepersejuta detik, step lain terbentuk di akhir step sebelumnya, tetapi step sebelumnya tetap gelap.
Mengapa ada steps seperti itu? Apa yang terjadi dalam periode gelap di antara steps? Bagaimana steps tersebut dapat terhubung secara elektrik dengan awan tanpa hubungan yang terlihat?
Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini dapat ditemukan pada pemahaman tentang apa yang terjadi ketika sebuah elektron energik berinteraksi dengan molekul oksigen. Jika elektron memiliki energi yang cukup, molekul berubah ke dalam kondisi delta singlet. Ini adalah keadaan “metastabil,” yang berarti tidak stabil sempurna – tetapi biasanya tidak jatuh ke keadaan energi yang lebih rendah selama sekitar 45 menit.
Oksigen dalam keadaan delta singlet ini melepaskan elektron (diperlukan untuk mengalirkan listrik) dari ion oksigen negatif. Ion-ion ini kemudian segera digantikan oleh elektron (yang membawa muatan negatif) yang kembali menempel pada molekul oksigen. Ketika lebih dari 1% oksigen di udara berada dalam keadaan metastabil, udara dapat menghantarkan listrik.
Steps kilat terbentuk karena ada cukup banyak keadaan metastabil yang terbentuk untuk melepaskan sejumlah besar elektron. Selama bagian gelap dari suatu step, kerapatan keadaan metastabil dan elektron meningkat. Setelah 50 sepersejuta detik, langkah tersebut dapat menghantarkan listrik – dan potensi listrik di ujung step meningkat kira-kira sebesar potensi awan, dan menghasilkan langkah selanjutnya.
Molekul yang terbentuk pada step sebelumnya membentuk kolom sampai ke awan. Seluruh kolom kemudian bersifat elektrik, tanpa memerlukan medan listrik dan sedikit emisi cahaya.
Melindungi manusia dan bangunan
Pemahaman tentang pembentukan petir penting untuk desain proteksi bangunan, pesawat terbang, dan juga manusia. Meskipun jarang menyambar manusia, petir berkali-kali menyambar gedung-gedung – terutama yang tinggi dan terpencil.
Ketika petir menyambar pohon, getah di dalam pohon mendidih dan uap yang dihasilkan menimbulkan tekanan. Ini dapat membelah batang pohon tersebut. Demikian pula, saat petir menyambar sudut bangunan, air hujan yang meresap ke dalam beton akan mendidih. Tekanan yang dihasilkan dapat meledakkan seluruh sudut bangunan tersebut. Ini berujung pada risiko keruntuhan yang mematikan.
Penangkal petir yang ditemukan oleh Benjamin Franklin pada tahun 1752 pada dasarnya adalah sebatang kawat pagar tebal yang dipasang di bagian atas bangunan dan dihubungkan ke permukaan tanah. Desain ini dimaksudkan untuk menarik petir dan membumikan muatan listriknya. Dengan mengarahkan aliran melalui kabel, bangunan dapat terlindungi dari kerusakan.
Penangkal petir Franklin ini diperlukan untuk gedung dan gereja tinggi masa kini, tetapi jumlah penangkal petir yang dibutuhkan pada setiap struktur masih menjadi faktor yang tidak pasti.
Selain itu, masih ada ratusan bangunan yang tidak dilindungi, termasuk tempat berlindung atau berteduh yang beratap di taman. Struktur ini sering dibuat dari besi yang sangat konduktif, yang dengan menarik petir dengan sendirinya, dan ditopang oleh tiang kayu.
Zalfa Imani Trijatna dari Universitas Indonesia menerjemahkan artikel ini dari bahasa Inggris.