Sains Atmosfer dan Iklim *)

Oleh : Bayong Tjasyono HK.

Program Studi Meteorologi

Kelompok Keahlian Sains Atmosfer

Fakultas Ilmu Kebumian dan Teknologi Mineral

Institut Teknologi Bandung

*) Disampaikan pada Short Course, Ilmu Kebumian untuk

Masyarakat, 25 April 2007. Tahun Internasional Planet

Bumi (2007 – 2009)

LAPAN – BMG, BANDUNG

Konsep Bumi

• Ukuran bumi terbatas, kemampuan menopang kehidupanterbatas, penduduk bertambah terus, sumber daya alamrenewable (dapat diperbaharui) mengalami kerusakan parah,sumber daya alam non renewable terus berkurang dankerusakan alam terus meningkat Ilmu dan TeknologiKebumian sangat penting : S2 – UPI, S1, S2, S3 – ITB, dll.

• Bumi sebagai bawang, terdiri dari lapisan-lapisan dari pusatnyasampai puncak atmosfer. Bumi Indonesia terdiri dari atmosfer,hidrosfer, litosfer dan kriosfer (Puncak Jaya Wijaya).

• Ukuran bumi : Radius polar = 6357 km, radius ekuator = 6378km dan radius rata-rata = 6371 km.

Perbandingan keliling lingkaran dengan diameternya = =3,1416. Luas bumi = 4R2 ~ 510 juta km2. Volumenya = 4/3 R3

= 1,08 x 1012 km3. Massa bumi = 5,98 x 1024 kg, dandensitasnya = 5,52 g/cm3.

• Jumlah penduduk sekarang 6 milyar, pada tahun 2025diperkirakan mencapai 8 milyar, sementara lahan pertanianterus berkurang yang menyebabkan bahaya kelaparan dankemiskinan yang signifikan.

• Sampai sekarang, Bumi satu-satunya planet yang dihuni olehmanusia.

Posisi Meteorologis Indonesia

• Antara dua benua dan dua osean.

• Dilalui ekuator geografis dan meteorologis.

• Terletak di daerah ekuatorial, zona tektonik aktif, dan monsun.

• Menerima surplus energi disegala musim.

• Menerima panas sensibel dan laten dalam jumlah besar.

• Campuran atmosfer – hidrosfer – litosfer – kriosfer – biosfer

• Wilayah pegunungan dan kepulauan – angin lokal.

• Terjadi ekinoks 2 kali per tahun.

Daerah Tropis dan Ekuatorial

a. Daerah Tropis

• Istilah “tropis” tidak eksak.

• Tropic of Cancer (23,50 C) dan Tropic of Capricorn (23,50 S).

• Daerah tropis, dibatasi oleh lintang kuda (horse latitude) yaitu lintang 300 U dan 300 S.

• Pada daerah lintang kuda terjadi subsidensi; hujan sedikit, daerah gurun dan stepa (padang rumput).

b. Daerah Ekuatorial

• Dibatasi lintang 100 U dan 100 S.

• Daerah surplus energi

• Gaya rotasi bumi (gaya Coriolis) kecil :

Fc = 2 sin . V

: kecepatan sudut rotasi bumi,

: lintang tempat

V: kecepatan angin

• Siklon tropis lemah, umumnya masih berbentuk depresi dan badai tropis.

15 srad 10x7,242s56m23j

rad2πΩ

Akar Keilmuan Sains Atmosfer

Sebelum 1998 : KBK (Kelompok Bidang Keahlian)

Meteorologi, Dep. Geofisika dan Meteorologi

1998 – 2005 : KBK Meteorologi menjadi Prodi ME

Sejak 2005 : Kelompok Keahlian Sains Atmosfer, FIKTM, dan mulai 1 Agustus masuk pada Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian (FITB), ITB.

Sains Atmosfer termasuk dalam rumpun :

Sains natural terutama sains kebumian

Akar ilmu : Fisika dan Matematika Terapan dengan akar penunjang Geosains, Oseanografi, Kimia, Hidrogeologi

Wawasan : Kebumian terutama pada daerah tropis yang difokuskan pada daerah ekuatorial maritim monsun atau benua maritim.

Lingkup Sains Atmosfer

Sains atmosfer adalah studi proses fisis dan fenomena atmosfer dari permukaan laut sampai rumbai-rumbai bumi (+ 1000 km dpl).

Secara tradisi, Sains Atmosfer adalah kajian tentang proses fisis atmosfer (fenomena cuaca) atau Meteorologi dan hasil proses fisis atmosfer (sistem iklim) atau Klimatologi.

Sains atmosfer tidak terisolasi terhadap upaya saintifik lain, seperti : Interaksi atmosfer – laut (ENSO, Dipole Mode); Pemodelan cuaca secara numerik, statistik, analitik, sinoptik, fisis atau dengan JNA dan Logika Samar; Paleoklimatologi dan Hidrogeometeorologi, Aeronomi dan Astrometeorologi

Aplikasi Sains Atmosfer

Sains atmosfer dapat diterapkan secara luas dalam masalah praktis, seperti :

Prakiraan fenomena atmosfer yang mempengaruhi aktivitas manusia; cuaca, banjir, kekeringan, badai guruh, dan tornado

Penilaian dan penaksiran aktivitas manusia terhadap lingkungan atmosfer; pencemaran udara, gas rumah kaca dan penipisan ozonosfer.

Teknik modifikasi cuaca; hujan buatan, menindas batu es, melenyapkan kabut dan mereda siklon

Perencanaan; tata guna tanah, disain bangunan, kesehatan masyarakat, spesifikasi pesawat dll.

Atmosfer Bumi• Atmosfer berasal dari kata Yunani : atmos artinya uap dan sphaira

artinya bulatan

• Sumber daya alam vital, tanpa atmosfer manusia hanya bertahanhidup beberapa menit saja.

• Atmosfer dihuni oleh manusia, laut didominasi oleh ikan dan tanahdihuni oleh sebangsa cacing.

• Banyak kegagalan aktivitas manusia tanpa memperhitungkan unsurcuaca dan iklim.

• Atmosfer pelindung kehidupan di bumi dari sengatan radiasi mataharigelombang pendek, dari benda angkasa (meteor) yang jatuh kebumi.

• Bumi Indonesia : 70% perairan, 30% darat dan 100% atmosfer.

• Atmosfer sebagai sumber daya alam perlu dieksplorasi dandieksploitasi, misalnya teknologi modifikasi cuaca, memanfaatkanenergi angin menjadi energi terbarukan.

Gambar 2. Struktur bumi bagian luar.

Komposisi dan Struktur Atmosfer• Gas utama :

• Struktur vertikal atmosfer berdasarkan profil temperatur.

• Lapisan atmosfer

Troposfer : lapisan berubah, massa : 80%

Stratosfer : lapisan berlapis, massa : 19,9%

Mesosfer : lapisan tengah, massa : 0,099%

Termosfer : lapisan panas, massa : 0,001%

Gambar 3. Lapisan Atmosfer.

Macam gas N2 O2 Ar CO2 Total

Volume %

Massa %

78,088

75,527

20,949

23,143

0,930

1,282

0,030

0,045

99,997

99,997

Udara natural, terdiri dari :

• O2, penting bagi kehidupan, untuk mengubah zat

makanan menjadi energi hidup.

• O3, gas ini terutama terdapat pada ketinggian antara 20

dan 30 km, membentuk ozonosfer yang menyerap energi

UV.

• CO2, menyebabkan efek rumah kaca, pemanasan global,

disebut gas rumah kaca (greenhouse gas).

• H2O, sangat penting dalam proses cuaca, karena

berubah fasa. Dari uap menjadi fasa cair disebut

kondensasi, sebaliknya evaporasi. Dari uap menjadi

fasa padat (es) disebut deposisi, sebaliknya sublimasi.

Dari air menjadi fasa padat (es) disebut membeku,

sebaliknya melebur.

Udara kering : : gas-gas atmosfer seperti CO2, O2,N2, dll.

Uap air, dapat berubah fasa.

Aerosol atmosfer yang higroskopis bertindak sebagaiIKA.

Eksplorasi Temperatur Atmosfer

• Untuk pertama kali temperatur vertikal diukur denganbalonsonde. Diperoleh bahwa pada lapisan bawah rata-rata10 km, susut temperatur (lapse rate) 7 derajat per km.

• Tahun 1902, Teisserenc de Bort (1885–1913)meteorologiwan Prancis dan Assmann (1845–1918)meteorologiwan Jerman, secara terpisah menemukanlapisan di atas 10 km, dimana temperatur naik denganketinggian (inversi temperatur). De Bort menyebut lapisansusut temperatur : troposfer dan lapisan inversi temperatur :stratosfer.

• Molchanov (1893–1941) meteorologiwan Soviet dalam tahun1927 menemukan radiosonde yang mampu mengukurtemperatur, tekanan, kelembapan sampai ketinggian 40 km.

• Untuk paras yang lebih tinggi struktur temperatur diukur olehroket dan dideduksi (diturunkan) secara tidak langsung olehobservasi satelit cuaca.

• Tatanama lapisan atmosfer menurut distribusi vertikal adalahtroposfer, stratosfer, mesosfer dan termosfer yangpuncaknya masing-masing tropopause, stratopause,mesopause dan termopause.

Dampak Aktivitas Manusia

• Sejak revolusi industri pencemaran atmosfer

terus naik, berdampak serius pada kesehatan

manusia

• Efek pencemaran atmosfer

a. Perubahan komposisi atmosfer

b. Perubahan partikel atau aerosol atmosferik

c. Perubahan temperatur atmosfer

• CO2 memberi efek rumah kaca, CO adalah gas

aktif dan beracun.

• Jika pembakaran bbm oleh kendaraan bermotor

secara sempurna maka muncul CO2, jika tidak

sempurna keluar CO.

• Sulfur dioksida SO2 dan asam belerang H2SO4 dari

pembakaran bbm, batu bara dan proses industri adalah

gas beracun dan menimbulkan hujan asam.

• Kebakaran hutan dan bahan kimia seperti formaldehida

dapat menyebabkan kabas (smog).

• Percobaan bom atom dan pabrik tenaga nuklir

merupakan ancaman baru dengan kadar racun yang

tinggi. Bahaya radioaktif berkaitan dengan medis dan

keturunan.

• CFC (chlorfluorocarbons) terutama Freon 11 (CFCl3) dan

Freon 12 (CF2Cl2) dapat merusak lapisan ozon. Dampak

lubang ozon stratosferik adalah penetrasi radiasi

matahari dimana organisme biologis sangat sensitif

seperti; kanker kulit, penyakit katarak, penurunan hasil

pertanian dan penurunan jumlah plankton di laut.

Gambar 4. Pengukuran konsentrasi ozon troposferik dan

stratosferik di Jerman.

Cuaca dan Iklim

• Cuaca : Variasi atmosfer periode pendek, keadaan atmosfer pada suatu saat.

Meteorologi berasal dari kata meteoros : benda di udara dan logos : ilmu,

diartikan sebagai ilmu yang mengkaji fenomena cuaca.

• Iklim : sifat statistik unsur cuaca jangka panjang. Klimatologi berasal dari kata

klima : kemiringan bumi atau lintang tempat dan logos ; ilmu, diartikan sebagai

ilmu yang mengkaji jenis iklim di muka bumi dan faktor penyebabnya.

• Unsur cuaca dan iklim sama : temperatur udara, curah hujan, kelembapan

udara, arah dan kecepatan angin, durasi sinar mataharai, dan sebagainya.

• Faktor yang mempengaruhi iklim disebut kendali iklim : matahari, distribusi

darat dan air, ketinggian tempat, massa udara, sel tekanan tinggi dan rendah,

dan arus laut.

Gambar 5. Hubungan unsur iklim dan kendali iklim.

Kendali

Iklim

Unsur

IklimJenis dan

Variasi Iklim

Komponen Iklim

• Iklim ditentukan oleh cara kerja dan interaksi 5 komponen lapisan bumi, yaitu :

i. Atmosfer; sangat cepat bervariasi dan cepat tanggap terhadap gaya-gaya eksternal dari matahari

ii. Biosfer; lapisan atmosfer yang masih ada kehidupan, tebalnya sekitar 8 km. Perubahan musiman tanaman mempengaruhi albedo dan siklus hidrologi.

iii. Hidrosfer; lapisan air bumi, cenderung mempengaruhi temperatur dan sirkulasi pada skala waktu musiman sampai ratusan tahun (abad).

iv. Kriosfer; bagian permukaan bumi dengan temperatur rerata di bawah 0 0C, seperti daerah polar dan puncak gunung tinggi seperti di Jaya Wijaya (Papua). Permukaan salju dan es adalah reflektor radiasi matahari dibandingkan laut dan darat.

v. Pedosfer; bagian padat permukaan bumi. Kapasitas panas kontinen lebih kecil dari pada osean, sehingga kontinen cepat panas/dingin ketika ada/tidak ada matahari.

Iklim Kota

• Pembangunan kota menyebabkan atmosfer diatasnya kotor

oleh debu atau asap, meningkatnya kendaraan bermotor.

Siang hari kota menyerap panas sehingga terjadi konveksi

atau awan konvektif, dan adanya heat island.

• Tabel 2. Kenaikan temperatur kota akibat pembangunan

Pembangunan cepat Pembangunan lambat

Sumber

Kota

Kenaikan

temperatur

(0C/tahun)

Kota

Kenaikan

temperatur

(0C/tahun)

Tokyo

Osaka

Kyoto

Bandung

0,032

0,029

0,032

0,030

Nemuro

Tyoshi

Hikore

–

0,005

0,011

0,020

–

Fukui, 1970

Fukui, 1970

Fukui, 1970

Bayong, 1990

Tabel 3. Beda temperatur kota dan dusun sebagai fungsi hari

(Mitchell, 1962)

Hari Beda temperatur kota - dusun

Minggu

Senin s/d Jum’at

Sabtu

0,6 0C

1,1 0C

1,0 0C

Tabel 4. Beda unsur iklim kota dan dusun

K

O

T

A

Perawanan >

Curah hujan >

Hari hujan >

Radiasi <

Temperatur udara >

Kelembapan <

Kecepatan angin <

Kabut >>

Polutan >>>

D

U

S

U

N

Perubahan Iklim

• Cuaca pagi biasanya udara dingin, langit cerah, dan pada siang hariudara panas, langit berawan. Perubahan cuaca seperti ini lebihtepat disebut fluktuasi, yaitu perubahan yang cenderung berulang.

• Perubahan iklim baru dapat diketahui setelah periode lama,beberapa klimatologiwan memakai istilah kecenderungan iklim(climatic trend)

• Beberapa teori yang menjelaskan perubahan iklim diantaranya :

a. Teori geologi : teori hanyutan benua dan teori vulkano.

b. Teori Astronomi

i. Perubahan orbit bumi : dari lingkaran (radiasi matahari ~ 25%lebih besar) ke elip (pada aphelion radiasi matahari yang

diterima kecil)

ii. Noda matahari (sunspot) : menyebabkan peningkatankonveksi

c. Teori karbon dioksida : CO2 adalah gas rumah kaca, transparanterhadap gelombang pendek matahari dan menyerap radiasigelombang panjang bumi.

Manusia dapat bertahan hidup tanpa atmosfer (O2 ~ 21%) hanya

beberapa menit saja, tanpa minum sampai satu minggu karena

kehilangan cairan tubuh lebih dari 10% akan mati, dan tanpa makan

dapat bertahan hidup sampai satu bulan.

Gas rumah kaca CO2, lubang ozonosfer oleh gas CFC, deforestasi

dan tumpahan minyak di laut dapat menyebabkan global warming.

CO2 diemisikan ke atmosfer oleh sumber biotik (makhluk hidup)

dan bahan bakar fosil.

Peristiwa cuaca ekstrim kemungkinan lebih sering terjadi. Beda

temperatur udara di atas darat dan laut menyebabkan badai sering

terjadi : badai guruh, badai hujan, tornado, siklon tropis, kekeringan

dan banjir.

Jika tidak ada tindakan mencegah global warming, maka Bumi

kapal angkasa yang nyaman akan menjadi Bumi rumah panas.

Kesimpulan

Daftar Pustaka

Arlery, R., H. Grisollet et B. Guilmet, 1973. Climatologie, GauthierVillars, Paris.

Bayong Tjasyono HK. 1987. Iklim dan Lingkungan, Penerbit PTCendikia Jaya Utama, Bandung.

Bayong Tjasyono HK., 2006. Meteorologi Indonesia I : Karakteristikdan Sirkulasi Atmosfer, Penerbit BMG, Jakarta.

Bayong Tjasyono HK., dan Sri Woro B. Harijono, 2006. MeteorologiIndonesia II : Awan dan Hujan Monsun, Penerbit BMG,Jakarta.

Bayong Tjasyono HK., 1990. Dampak Urbanisasi Terhadap IklimKota Bandung, Seminar Nasional Perubahan Iklim Bumi,Jakarta.

Bayong Tjasyono HK., 2004. Klimatologi, Penerbit ITB, Bandung

Erich J. Plate, 1982. Engineering Meteorology, Elsevier ScientificPublishing Company, Amsterdam.

Landsberg, H. E., 1981. The Urban Climate, Academic Press,London.

Sellers, W. D., 1972. Physical Climatology, The Univ. of ChicagoPress, Chicago.