Efek Rumah Kaca

Efek Rumah KacaDiadaptasi dari Daniel J. Jacob, Harvard University

Introduction To Atmospheric Chemistry

Roy Wangintan

Pendahuluan

Sumber utama panas bumi adalah Energi Matahari, energi yangdipancarkan dari Matahari ke Bumi. Radiasi Matahari di ubahmenjadi panas pada permukaan bumi.

Bumi memancarkan kembali radiasi sinar matahari ke luarangkasa sehingga kesetimbangan radiasi terjadi.

Beberapa radiasi terestrial ini terperangkap oleh gas rumahkaca dan dipancarkan kembali ke bumi sehingga terjadikaca dan dipancarkan kembali ke bumi sehingga terjadipemanasan permukaan bumi yang dikenal sebagai efek rumahkaca.

Efek rumah kaca digunakan untuk menunjuk dua hal berbedayaitu efek rumah kaca yang terjadi secara alami di bumi, danpeningkatan efek rumah kaca yang terjadi akibat aktivitasmanusia. (wikipedia indonesia)

Penyebab Efek Rumah Kaca

Efek rumah kaca disebabkan oleh naiknya konsentrasigas karbon dioksida (CO2) dan gas-gas lainnya di atmosfer.

Selain gas CO2, yang dapat menimbulkan efek rumah kacaadalah belerang dioksida, nitrogen monoksida (NO) dannitrogen dioksida (NO2) serta beberapa senyawa organikseperti gas metana dan klorofluorokarbon (CFC). Gas-gasseperti gas metana dan klorofluorokarbon (CFC). Gas-gastersebut memegang peranan penting dalam meningkatkanefek rumah kaca.

Antropogenik Gas Rumah Kaca

Gambar 1. Kenaikan konsentrasi gas rumah kaca sejak abad ke-18 (Daniel J. Jacob, 1999)

Radiasi

Radiasi adalah energi yang ditransmisikan oleh gelombang elektromagnetik.

Partikel bermuatan dalam objek osilasidengan frekuensi n menginduksi medanlistrik berosilasi dari luar objek padakecepatan cahaya c

Medan listrik berosilasi bersama dengan

Gambar 2 Gelombang elektromagnetik yang disebabkan oleh muatan berosilasi dalam suatu objek

(Daniel J. Jacob, 1999)

Medan listrik berosilasi bersama dengan medan magnet merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang λ = c / n dipancarkan oleh obyek.

Gelombang elektromagnetik membawa energi dan menginduksi osilasi partikel bermuatan. Gelombang elektromagnetik ekuivalen sebagai foton, mewakili paket energi terkuantisasi dengan massa nol pada kecepatan cahaya.

Emisi Spektrum Objek

Dengan menggunakan spektrometer kita bisa mengukurfluks radiasi ∆ø (W m-2) yang dipancarkan suatu satuanluas permukaan objek dalam panjang gelombang [λ, λ+ ∆λ].

Fluks radiasi merupakan energi foton mengalir tegak luruske permukaan.

Dengan menutup seluruh spektrum panjang gelombang, Dengan menutup seluruh spektrum panjang gelombang,akan diperoleh emisi spektrum objek.

∆ø tergantung pada lebar ∆λ. Lebar ini didefinisikansebagai resolusi spektrometer, plot radiasi spektrumdinyatakan sebagai ∆ø/∆λ vs λ.


Gambar 3 Emisi spektrum suatu objek. Garis padat adalah fluks yang diukur dengan spektrometer resolusi panjang gelombang yang terbatas, dan garis putus-putus adalah fungsi distribusi fluks.

(Daniel J. Jacob, 1999)


∆λ 0 (Kondisi Ideal untuk menangkap spketrumemisi Spektrofotometer resolusi tinggi jarak jauh)

Kondisi Ideal didefinisikan sebagai Fungsi DistribusiFlux.

Fungsi derivatif ditunjukan sebagai total flux radiasidalam rentang panjang gelombang [0, λ,]

Total flux radiasi di pancarkan dengan unit permukaansebagai objek di integrasikan pada semua panjanggelombang.


Karena sifat terkuantisasi radiasi, sebuah objek dapatmemancarkan radiasi pada panjang gelombang tertentujika menyerap radiasi pada gelombang yang sama.

Blackbody dinyatakan ideal apabila objek menyerap radiasidari semua panjang gelombang dengan efisiensi 100%.

Fisikawan Jerman Max Planck menunjukan dalam 1900 Fisikawan Jerman Max Planck menunjukan dalam 1900fungsi distribusi flux ( ) blackbody tergantung padapanjang gelombang dan pada suhu (T) blackbody.


Distribusi Flux ( )

h = 6,63x10-34 J s-1 adalah Konstanta Plank

k = 1,38x10-23 J K-1 adalah Konstanta Boltzmann


Tiga sifat penting dalam Distribusi Flux ( )

1. Blackbody memancarkan radiasi di semua panjang gelombang

2. Puncak Emisi Blackbody pada panjang gelombang λmax

berbanding terbalik dengan temperatur. Denganmemecahkan diperoleh λmax = α/T dimanaα = hc/5k = 2897 µm K (Hukum Wien’s). partikel dalam objekα = hc/5k = 2897 µm K (Hukum Wien’s). partikel dalam objekhangat berosilasi pada frekuensi yang lebih tinggi.

3. Total Flux radiasi yang dipancarkan blackbody diperolehdengan mengintegrasikan ( ) dengan semua panjanggelombang adalah

σ = 2∏5k4/15c2h3 = 5,67x10-8 W m-2 K-4

(Konstanta Stefan-Boltzmann)


Definisi Alternatif fungsi distribusi flux berhubungan dengan frekuensi v = c/λ

adalah radiasi flux dalam frekuensi [v, v + ∆v] adalah radiasi flux dalam frekuensi [v, v + ∆v]

Fungsi distribusi fluks relatif terhadap bilangan gelombang

Fungsi dan berhubungan dengan = c

Fungsi dan berhubungan dengan :


Untuk Blackbody :

Solusi ,yield emisi maximum pada frekuensi vmax = 3kT/h, sesuai dengan λmax = hc/3kT. Fungsi puncak pada panjang gelombang 5/3 lebih besar dari fungsi

Gambar 4 Fungsi distribusi untuk Blackbody (Daniel J. Jacob, 1999)


Flux radiasi (garis tebal) yang dipacarkan olehBenda transparant (Ɛλ = 0) untuk panjangGelombang lebih pendek dari λ1 atau lebihdari λ3 , tidak tembus cahaya (Ɛλ = 1) untukPanjang gelombang antara λ1 dan λ2 dan50 % .absorpsi (Ɛλ = 0,5) untuk panjangGelombang antara λ2 dan λ3 .

Gambar 5 Spektrum Emisi Absorpsi( Daniel J. Jacob, 1999)

2 3

Garis putus-putus adalah menunjukansuhu objek.

Pembentukan Planck Blackbody untuk emisi radiasi secara umum menggunakan hukum Kirchhoff untuk semua objek

Suhu Efektif BumiSpektrum emisi matahari dan terestrial

Matahari adalah blckbody yang baik dan dari spektrum emisi suhu di permukaan Matahari 5800 K.

Fluks radiasi matahari di permukaan laut lebih lemah dibandingkan di bagian atas atmosfer, sebagian karena

Gambar 6 Spektrum radiasi matahari dari satelit diluar atmosfer bumi (garis tebal) dan permukaan laut ( Daniel J. Jacob, 1999)

atmosfer, sebagian karena adanya refleksi oleh awan.

Terjadi pula absorpsi utama O2 dan O3 di ultraviolet dan H2O di Inframerah

Suhu Efektif BumiSpektrum emisi matahari dan terestrial

Kurva blackbody untukperbandingan suhu yangberbeda

Plot menunjukkan radianfungsi panjang gelombang

Radian adalah energi

Gambar 7 Spektrum radiasi terestrial , Kombinasi spektrum blackbody untuk berbagai kondisi

(Hanel, R.A., et al., J. Geophys. Res., 77, 2629-2641, 1972.)

Radian adalah energiradiasi yang diukur olehsatelit dan dinormalkan

Radian dan v = 1/ λberhubungan denganfaktor geometrik.

Keseimbangan Radiasi Bumi

Untuk mempertahankan iklim yang stabil, Energi bumiharus dalam keadaan seimbang antara radiasi yangditerimanya dari matahari dan radiasi yang dipancarkannyake ruang.

Gambar 8 Keseimbangan radiasi bumi ( Daniel J. Jacob, 1999)


Dari keseimbangan dapat dikalkulasikan TemperaturEfektif (TE) bumi.

Total radiasi (ES) yang dipancarkan matahari padaTemperatur (TS) = 5800 K per unit waktu diberikan olehradiasi flux σTS

4 dikalikan area matahari.

RS = 7x105 km adalah radius matahari

d = 1.5 x 108 km adalah jarak bumi dari matahari


Flux radiasi matahari (FS) didistribusikan secara merata pada bola matahari.

FS = 1370 W m-2, FS disebut konstanta matahari untuk bumi.

Flux radiasi matahari (FS) diinterpretasikan dengan luas penampang bumi (∏RE

2) digambarkan area bayangan bumi.


Rata-rata fluks radiasi matahari yang diserap per satuan luas dari permukaan bumi :

Fraksi A dari radiasi diinterpretasikan kembali ke angkasa oleh awan, salju, es. A disebut planetary albedo. A = 0,28 oleh awan, salju, es. A disebut planetary albedo. A = 0,28 untuk bumi.

Penyerapan energi oleh Bumi harus diimbangi dengan emisi radiasi terestrial keluar ke ruang angkasa.

Bumi bukanlah blackbody pada panjang gelombang dengan efisiensi absorpsi radiasi matahari oleh bumi yang hanya Ɛ =1–A = 0,72


Dengan memperkirakan flux emisi dari bumi sebagai Temperatur blackbody TE. Didapatkan persamaan keseimbangan energi bumi.

Untuk suhu Bumi

TE = 255 K (Temperatur permukaan bumi)

Suhu efektif (Bumi dan Atmosfer)

Radiasi Absorpsi AtmosferSpectroscopy Molekul Gas

Sebuah molekul gas menyerap radiasi dari panjang gelombangyang diberikan, energi dapat digunakan untuk meningkatkanlevel energi internal molekul.

Tingkat energi internal dalam elektronik, getaran, dan rotasi.

Peningkatan energi internal dicapai dengan transisi ke keadaanyang lebih tinggi.

Radiasi UV < 0,4 µm Radiasi UV < 0,4 µm

Transisi vibrasi membutuhkan Radiasi IR 0,7 – 20 µm

Transisi rotasi membutuhkan Radiasi IR > 20 µm

Absorpsi kecil berada dalam kisaran radiasi 0,4 – 0,7 µm

Gas yang menyerap dalam rentang panjang gelombang 5-50mm, sebagian besar radiasi terestrial dipancarkan (Gambar 9),disebut gas rumah kaca.


Secara umum, molekul asimetri dengan peregangan atau pelenturkan (CO2,H2O, N2O, O3, hidrokarbon ...) merupakan gas rumah kaca.

Molekul yang tidak asimetri (N2, O2, H2) bukan gas rumah kaca.

Gas atom seperti gas mulia tidak memiliki moment dipol dan karenanyatidak ada sifat rumah kaca.

konstituen utama dari atmosfer (N2, O2, Ar) bukan penyebab gas rumahkaca. Sebagian besar konstituen lain penyebab gas rumah kaca, ditemukankaca. Sebagian besar konstituen lain penyebab gas rumah kaca, ditemukandalam jumlah lain di atmosfer.

Gas rumah kaca ditimbulkan karena konsentrasi spesies yang cukup tinggiuntuk menyerap fraksi secara signifikan dari radiasi yang dipancarkan olehBumi,(H2O, CO2, CH4 , N2O, O3, dan chlorofluorocarbons (CFC)).

Sejauh ini gas rumah kaca yang paling penting adalah uap air karena uap airtersedia dalam jumlah banyak dan kemampuannya untuk mengabsorp yangtinggi.


Dalam Mekanika kuantum menjelaskan bahwa transisi getaran terjadi jika terdapat perubahan getaran moment dipole (p) molekul.

Perbedaan derajat getaran molekul, dan gelombang elektromagnetik terhadap peregangan listrik memliki efek yang berbeda pada ujung molekul p ≠ 0.

Molekul CO2 tidak memiliki moment dipole karena distribusi muatannya yang

Gambar 9 Vibrasi Normal untuk CO2 dan N2 ( Daniel J. Jacob, 1999)

2

dipole karena distribusi muatannya yang simetris. (transisi ke tingkat energi yang lebih tinggi dari modus tidak mengubah moment dipole molekul). Sedangkan untuk muatan asimetris terdapat perubahan moment dipole.

Molekul N2 memiliki distribusi muatan seragam dengan mode getaran stretch asimetris. Namun transisi dalam mode ini dilarang, akibatnya molekul N2 tidak menyerap IR.


Efisien absorpsi 100 % dalam UV terjadi karena transisi Elektromagnetik O2 dan O3

di stratosfer

Gambar 10. Efisiensi penyerapan radiasi oleh atmosfer sebagai fungsi panjang gelombang ( Daniel J. Jacob, 1999)

Model Rumah Kaca SederhanaLapisan transparan adalahRadiasi matahari, menyerap sebagiankecil fraksi (f) radiasi terestrial Karena keberadaan gas rumah kaca. T adalah Suhu permukaan Bumidan suhu lapisan atmosfer.

Gambar 11. Model rumah kaca sederhana. Fluks radiasi per unit area permukaan bumi( Daniel J. Jacob, 1999)

Model Rumah Kaca Sederhana

Menghitung jumlah absorpsi dan radiasi emisi lapisan atmosfer.

T0 = 288 Kf = 0,77Asumsi absorpsi lapisan atmosfer Terhadap radiasi terestrial 77 %Terhadap radiasi terestrial 77 %

Subtitisi T0 = 288 K T1 = 241 KKetinggian atmosfer = 7 km

Interpretasi Spektrum Radiasi Terestrial

Gambar 12. Fluks radiasi yang dipancarkan ke ruang angkasa pada tiga panjang gelombang yang berbeda. Panel kiri adalah profil temperatur, daerah buram abu-abu adalah atmosfer ( Daniel J. Jacob, 1999)


Absorpsi CO2 kuat pada kolom λ = 15 mm, radiasidipancarkan oleh permukaan bumi diserap oleh CO2 diatmosfer, dan radiasi dipancarkan kembali oleh CO2 yangdiserap kembali oleh CO2 di kolom atmosfer. Kaadaanburam untuk radiasi dalam rentang panjang gelombang ini.

Fluks radiasi diukur dari ruang angkasa sesuai dengan Fluks radiasi diukur dari ruang angkasa sesuai denganemisi dari ketinggian di mana Konsentrasi CO2 relatif tipis,kira-kira berada di atas troposfer atau stratosfer bawah.

λ = 15 mm warna hitam dengan suhu pada Gambar 7adalah sekitar 215 K, dikenal sebagai suhu tropopause.


Pada λ = 20 mm, terjadi penyerapan H2O tapi tidak terjadipenyerapan CO2. Opacity atmosfer pada panjanggelombang ini tergantung pada konsentrasi H2O. Fluksradiasi sesuai dengan keadaan suhu atmosfer padaketinggian sekitar 5 kilometer, pada jarak tersebut jumlahH2O terlalu rendah untuk penyerapan yang efisien. SuhuH2O terlalu rendah untuk penyerapan yang efisien. Suhupada ketinggian ini adalah sekitar 260 K (Gambar 12).Emisi yang sama suhu ditemukan pada 7-8 mm di manaH2O adalah absorber utama.


Terestrial spektrum emisi diukur dari ruang dapatdigunakan untuk mengambil informasi tentang suhupermukaan bumi serta termal struktur dan komposisiatmosfer.

Informasi mengenai distribusi vertikal gas dapat diperolehdari lebar garis penyerapan, yang meningkat secara lineardari lebar garis penyerapan, yang meningkat secara lineardengan kerapatan udara di troposfer dan stratosferbawah.


Semua gas rumah kaca efesiensinya tidak sama. Gas rumah kacamenyerap pada λ = 11mm.

Absoprsi gas ke dalam atmosfer akan mengurangi radiasi yangdipancarkan ke ruang angkasa pada λ = 11 mm (Radiasi ini akandipancarkan oleh suasana dingin bukan oleh permukaan yanghangat).

Untuk mempertahankan emisi terestrial yang konstan danterintegrasi pada semua panjang gelombang, maka diperlukan

Untuk mempertahankan emisi terestrial yang konstan danterintegrasi pada semua panjang gelombang, maka diperlukandengan meningkatkan fluks emisi di daerah lain, spektrumtersebut dapat menghangatkan Bumi.

Kontras dengan situasi ini penyerapan CO2 gas rumah kacaterjadi pada λ = 15 mm, (Gambar 7). Sedangkan pada panjanggelombang dengan kolom atmosfer yang buram (Gambar 12),dan menyuntikkan tambahan absorber atmosfer tidak memilikiefek rumah kaca yang signifikan.

RADIATIVE FORCING

Radiative forcing disebabkan oleh perubahan massaatmosfer (∆m) gas rumah kaca (X) yang didefinisikansebagai fluks yang dihasilkan karenaketidakseimbangan jumlah radiasi sistem Bumi.

Model radiasi diestimasi dengan nilai dari semuavariabel yang mempengaruhi jumlah radiasi termasuk gasvariabel yang mempengaruhi jumlah radiasi termasuk gasrumah kaca, awan, dan aerosol.

RADIATIVE FORCING

Gambar 13. Kalkulasi radiative forcing ∆F karena penambahan ∆m gas rumah kaca. Lapisan atas atmosfer biasanya disebut sebagai tropopause ( Daniel J. Jacob, 1999)

RADIATIVE FORCING

Gambar 14. Radiasi global rata-rata karena perubahan rumah kaca gas, aerosol, dan aktivitas matahari dari tahun 1850 hingga hari ini. ( Daniel J. Jacob, 1999 ; Climate Change 1994, Intergovernmental Panel on Climate

Change, Cambridge University Press, New York ,1995)

RADIATIVE FORCING

Kebijakan lingkungan internasional yang ditujukan untukemisi gas rumah kaca terus berkembang. Salah satu yangberhubungan secara kuantitatif dari emisi antropogenikdari gas khusus adalah radiative forcing.

Indeks yang digunakan adalah global warming potential(GWP).(GWP).

GWP gas X didefinisikan sebagai radiative forcing akibat1-kg suntikan X ke atmosfer relatif terhadap radiativeforcing suntikan 1-kg CO2.

RADIATIVE FORCING Tabel 1. Potensi pemanasan global injeksi sesaat dari 1 kg trace gas, relatif terhadap

karbon dioksida

Sumber : Daniel J. Jacob, 1999

RADIATIVE FORCINGRadiative forcing dan temperatur permukaan

Radiative Forcing ;

Suhu permukaan meningkat sebesar ∆T0 dari keadaan awal.

Untuk gangguan yang cukup kecil ;

Subtitusi ; Subtitusi ;

Subtitusi ∆T0 dan ∆F ;

λ adalah parameter sensitivitas iklim ;

Uap Air dan Umpan Balik AwanUap Air

Sumber alam uap air banyak terdapat di lautan Uap air dapat memberikan umpan balik positif kuat pemanasan

global yang disebabkan oleh gangguan dari gas rumah kaca.Situasi di mana peningkatan CO2 menyebabkan peningkatankecil dalam suhu permukaan.

Peningkatan ini akan meningkatkan penguapan air di lautan.Efek rumah kaca dari uap air yang ditambahkan akanmemperburuk pemanasan global.Efek rumah kaca dari uap air yang ditambahkan akanmemperburuk pemanasan global.

Amplifikasi CO2 bisa menyebabkan efek rumah kaca, di manalautan benar-benar menguap ke atmosfer dan permukaan suhumencapai nilai yang sangat tinggi. Seperti yang terjadi di planetVenus, dimana suhu permukaan Venus melebihi 700 K. Tapi Initidak bisa terjadi di Bumi karena uap air terakumulasi dalampembentukan awan dan curah hujan, akan kembali air kepermukaan.

Uap Air dan Umpan Balik AwanUap Air

Gambar 15. Evolusi suhu di atmosfer awal Venus dan Bumi (garis putus-putus), ditumpangkan pada diagram fasa air ( Daniel J. Jacob, 1999)

Uap Air dan Umpan Balik AwanAwan

Umpan balik perubahan tutupan awan mewakiliketidakpastian terbesar dalam perkiraan perubahan iklimsaat ini. Awan-awan dapat memberikan umpan baliknegatif yang cukup besar terhadap pemanasan global.

Dari gambar 13, Radiative forcing ∆F terjadi karenapeningkatan ∆A dalam albedo bumi.peningkatan ∆A dalam albedo bumi.

Sejak zaman pra industri menyebabkan radiative forcingbernilai negatif ∆F = -2,5 W m-2 dan secara bersamaanmencegah kenaikan forcing gas rumah kaca.

Awan tidak hanya meningkatkan albedo Bumi, tapi jugasebagai peredam efisien radiasi IR.

Kedalaman Optik

Penyerapan atau hamburan radiasi oleh media optik aktifatmosfer diukur dengan medium kedalaman optik.

Gambar 16. Transmisi radiasi melalui slab elemental( Daniel J. Jacob, 1999)

Kedalaman Optik

= Cross section

Gambar 17. Pengaruh sudut datang pada transmisi radiasi melalui lempengan( Daniel J. Jacob, 1999)

Terima Kasih

Efek Rumah Kaca

Documents

Transcript of Efek Rumah Kaca