Struktur Dan Komposisi Atmosfer

Dosen:Drs. Zadrach L. Dupe, Msi.Program Studi Meteorologi - ITB

ME 2112 -- Zadrach L. DupeATMOSFER BUMI

ME 2112 -- Zadrach L. Dupe

Meteorologi, Cuaca, & IklimMeteorologi

adalah Ilmu yang mempelajari fenomena atmosfer termasuk dinamika, fisika dan kimia atmosfer. (asal kata meteros/Yunani lofty melayang)

Secara umum meteorologi dapat dikatakan suatu kajian dinamika dan termodinamika atmosfer yang mempengaruhi kehidupan manusia.



CuacaKeadaan/kondisi sesaat atmosfer, terutama berkaitan dengan pengaruhnya terhadap kegiatan manusia. Variabilitas jangka pendek atmosfer dengan skala waktu menit hingga bulan.Definisi populernya: temperatur, angin, kelembaban, presipitasi, perawanan, kecerahan, dan jarak pandang.Kategori individual/kombinasi fenomena atmosfer yang menggambarkan kondisi atmosfer pada waktu observasi.IklimDeskripsi stastistik kondisi atmosfer jangka panjang, perataan dalam perioda waktu tertentu (30 tahun menurut ketetapan WMO)

ME 2112 -- Zadrach L. DupeMeteorologi, Cuaca, & Iklim


Mengapa belajar meteorologi?Peringatan Cuaca ekstrim

Pertanian

Waktu tanam, panen dsb untuk menghindari cuaca jelek yang merusak/membahayakan ketahanan pangan

Transportasi & Pelayanan

Pelayaran, penerbangan, road gritting, peringatan banjir,

Komersial

November 14, 1854: A sudden storm devastated a joint British-French fleet near Balaklava in the Black Sea.

French astronomer Urbain Jean Joseph Le Verrier (1811-1877) demonstrated that telegraphed observations could have given the ships a day to prepare.

In England, Capt. Robert FitzRoy (1805-1865) started the Meteorological Office as a small department of the board of trade. On September 3rd 1860, 15 stations began reporting 8am observations. February 5,1861 started issuing storm warnings to ports.ME 2112 -- Zadrach L. Dupe

ME 2112 -- Zadrach L. DupeMetO stooped issuing warnings in 1866 restarted quickly, but published forecasts only started in 1879.1865 FitzRoy committed suicide depressed by criticism of lack of theory & poor quality of info from mere telegraph operators.

Apa yang ingin diketahui?TemperaturKecepatan anginArah AnginPerawanan

Tipe, ukuran, ketinggianPresipitasi

Tipe, jumlah, lokasiVisibilitas

Fog, hazeKelembabanTrend/KecenderunganWaktu terjadi perubahan yang signifikanKejadian fenomena ekstrim



Kelvin (K) : (SI unit) perlu dalam perhitunganDerajat Celcius (C) : (non-SI) digunakan untuk menyatakan temperatur secara umumDerajat Fahrenheit (F) : (nonSI) umum dipakai di USA.

0 K = -273.15 CKonversi:TKelvin = TCelcius -273.15TemperaturME 2112 -- Zadrach L. Dupe


Konversi antar TermometerME 2112 -- Zadrach L. Dupe

Konversi Fahrenheit ke Celsius:Konversi Celsius ke Fahrenheit:((F-32)x(5/9))=C(C x (9/5))+32=F

Gradien vertikal:tipikal ~0.01 C m-1secara bisa lebih besar, seperti, inversi temperatur lapisan batas dengan harga sampai dengan ~0.2 C m-1

Gradien horizontal:Untuk skala sinoptik biasanya < 1C per 100 km (0.01 C km-1), sampai dengan ~5 C per 100 km dalam daerah front

Efek lokal (seperti pemanasan matahari) dapat menyebabkan gradien yang besar untuk skala kecilME 2112 -- Zadrach L. DupeTemperatur

ME 2112 -- Zadrach L. DupeSurface temperature analysis 4 Mei 2009

850mb temperature (2 C contours), RH (%), wind (m s-1) : analysis 0000-040929 ME 2112 -- Zadrach L. Dupe

TekananSatuan SI untuk tekanan adalah Pascal (Pa), Tekanan atmosfer dinyatakan dalam hectopascal (hPa) = seratus Pascal.

1 hPa = 100 PaTekanan sering juga dinyatakan dalam millibars (mb)(nonSI)

1 mb = 1 hPaTekanan muka laut = 1013.25 mb

= 1013.25 hPa ME 2112 -- Zadrach L. Dupe

Ada perbedaan yang sangat kontras antara gradien horizontal dan vertikal untuk variabel cuaca seperti tekanan dan temperatur.Secara umum gradien vertikal jauh lebih besar dari gradien horizontal Tekanan Gradien vertikal: ~0.14 mb m-1Gradien horizontal : < 0.1 mb km-1 (typikal ~0.01 mb km-1)ME 2112 -- Zadrach L. DupeTekanan

Gradient ~4 mb per 100 km (0.04 mb km-1)SLP 4mb contours : Analysis 0000-040927ME 2112 -- Zadrach L. Dupe

Kecepatan AnginMeter per detik (m s-1) (unit SI)

digunakan dalam sains dan juga umumKnots (kt)= mil-laut per jam = 0.514 m s-1 0.5 m s-1Kilometer per jam (kph) = 0.278 m s-1Mil per jam (mph) = 0.447 m s-1

Kecepatan angin biasa dinyatakan dalam beberapa macam unit :ME 2112 -- Zadrach L. Dupe

Arah AnginMenurut konvensi Meteorologi arah angin menyatakan DARI MANA angin itu datangDinyatakan dalam derajat dari Utara Arah kompas ketika menghadap kearah angin datangOleh karena variabilitas angin sangat tinggi (gustiness) hanya arah angin secara umum yang dinyatakan: utaraan (northerly), timuran (easterly), baratan (westerly) dst.


NSEW vektor angin rataanArah angin = 50


Kelembaban Relatif : dinyatakan dalam persen (%) (non-SI)= jumlah uap air dalam udara dinyatakan dalam persentasi jumlah maksimun yang mungkin pada suatu temperatur tertentu.

Sangat berguna untuk menentukan dimana kabut atau awan akan terbentuk, kondensasi uap air ke bentuk butir awan/kabut terjadi jika RH mencapai nilai 100%KelembabanRH = 64%RH = 100%Tekanan uap jenuh


ME 2112 -- Zadrach L. DupeSaturation vapour pressure at 15C = 17mb, at 22C = 26.4mb

Titik EmbunTitik Embunadalah temperatur dimana parcel udara dengan kandungan uap air konstan harus didinginkan pada tekanan tetap untuk menjadi jenuh

Depresi titik embunadalah perbedaan temperatur parsel udara dengan temperatur titik embunnya.ME 2112 -- Zadrach L. Dupe

Dew point does NOT change with temperature of air (see previous graph). It does change with pressure decreases at about one fifth the rate of dry adiabatic lapse rate for adiabatic lifting.

Perbandingan Campuran (Mixing Ratio)Perbandingan masa uap air terhadap masa udara kering

Kelembaban Spesifik (Specific Humidity)Perbandingan masa uap air terhadap masa udara lengas.Kelembaban absolut atau densitas uap (Absolute Humidity or Vapour Density)Masa uap air per satuan volume udara lengas.ME 2112 -- Zadrach L. Dupe

ME 2112 -- Zadrach L. DupeNote: q or Q are often used as symbols for a variety of different measures of humidity.Shouldnt need all these in this course, but should be aware of the many different measures of QVapour density not frequently used in Met not conserved during adiabatic lifting.

Pembagian Ruang-WaktuLokal (skala mikro)Waktu: beberapa jam ~1 hariJarak: general picture, type of weather- mesoscale -> the local detail that modifies general conditions, local rain distributions, wind field, etc- microscale -> very local detial-> in the absence of detailed modelling, experience allows meso- and microscale effects to be accounted for

GRAVITASI & HUKUM KEPLER



Gerak Sirkular Uniform di Permukaan BumiTanpa hambatan udara, setiap obyek yang bergerak dengan kecepatan 7.91 km/s paralel terhadap permukaan Bumi dan tidak akan pernah jatuh ke tanah. Berat, mg, akan memberikan percepatan yang cukup, a=g, untuk tetap berada pada lingkaran dengan radius rE. Lalu bagaimana dengan bulan?ME 2112 -- Zadrach L. Dupe


Orbit BulanME 2112 -- Zadrach L. Dupe


Apel Newton vs. BulanME 2112 -- Zadrach L. Dupe


Hukum Gravitasi NewtonME 2112 -- Zadrach L. Dupe


Hukum KeplerUntuk obyek yang mengelilingi matahari atau planet, dengan massa matahari/planet Msun/planet , dengan radius rorbit dan waktu untuk satu periode (satu orbit penuh) T dihubungkan sbb:

Setiap planet bergerak dengan lintasan elips, matahari berada di salah satu fokusnya.Luas daerah yang disapu pada selang waktu yang sama akan selalu sama.Perioda kuadrat suatu planet berbanding dengan pangkat tiga jarak rata-ratanya dari matahari.



ME 2112 -- Zadrach L. DupeKOMPOSISI & STRUKTUR ATMOSFER

Atmosfer adalah lapisan tipis yang melingkupi/menyelubungi permukaan bumi Gambar kanan memperlihatkan atmosfer dilihat dari pesawat ulang-alik (space shuttle) 99% kandungan atmosfer berada pada 30 km lapisan terbawah atmosfer itu sendiri Jika radius bumi sekitar 6400 km, maka ketebalan

atmosfer adalah 30 km/6400 km = 0,5 % radius BumiME 2112 -- Zadrach L. DupeAtmosfer Bumi


The Permanent GassesME 2112 -- Zadrach L. DupeKomposisi Atmosfer

GasSimbol% VolPeranNitrogenN278.08BiosferOksigenO221%PernapasanArgonAR0.9%Inert gas (gas yang tidak reaktif terhadap elemen kimia lainnya)


The Variable GassesME 2112 -- Zadrach L. DupeKomposisi Atmosfer

GasSimbol % vol Peran di AtmUap airH2O0-4Pencipta cuaca,Transfer panas, gas rumah kacaKarbon Dioksida ada kenaikan di atm.CO20.038GRK, biosferMetana ada kenaikan di atm. CH40.00017GRK, lebih efektif dari CO2Nitrat OksidaN2O0.00003GRKOzonO30.000004Lapisan Ozone Partikel (debu, tepung sari, dll) juga disebut aerosol0.000001Kesetimbangan energi bumi


ME 2112 -- Zadrach L. DupeAsal AtmosferPada 4.6 miliar tahun lalu, atmosfer bumi terdiri atas campuran gas hidrogen dan helium ( dua gas utama yang ditemukan dalam alam semesta)Melalui proses pelepasan gas dan perembesan gas dari dalam bumi, banyak gas lain disuntikan ke dalam atmosfer seperti:Uap air (menghasilkan hujan - sungai, danau, laut)

.... + es meteorkarbon dioksidanitrogenSetelah proses diatas berlangsung selama jutaan tahun, atmosfer berevolusi menjadi seperti keadaan sekarang ini.


Atmosfer terdiri atas :

Campuran molekul gasPartikel tersuspensi (padat dan cair )Presipitasi yang jatuhME 2112 -- Zadrach L. Dupe

Komposisi AtmosferGas-gas Permanen 99.999 % dari masa atmosferNitrogen, Oksigen, Argon, Neon, Helium, Kripton, Xenon, HidrogenGas-gas varibelUap air, Karbondioksid, Ozone, MetanHomosferDibawah ketinggian 80 km wilayah dengan homogenitas kimiaHeterosferWilayah diatas homosfer gas-gas ringan (H and He)


Diagram Pie Atmosfer tanpa uap air (udarakering)ME 2112 -- Zadrach L. Dupe

Uap air Sekitar 0,25 % dari total masa atmosferKonsentrasi berkurang secara cepat terhadap ketinggianHampir seluruh UA terdapat pada ketinggian dibawah 5 kmDekat permukaan UA bervariasi antara 1% (gurun) - 4 % (tropis)Waktu tinggal di atmosfer: 10 harian

ME 2112 -- Zadrach L. Dupe Komposisi Atmosfer


SingkatLamaME 2112 -- Zadrach L. DupeKonsep waktu tinggal


Karbon DioksidaSekitar 0,036 % dari total masa atmosferkonsentrasi 360 ppmMasuk ke atm melalui: proses respirasi, peluruhan material organik, erupsi gunung api dan pembakaran alamiah maupun antropogenikKeberadaan dalam atm melaui: fotosintesaWaktu tinggal di atm: 150 tahunanTerjadi peningkatan 1.8 ppm/thn sejak 1950


Grafik pengamatan konsentrasi CO2 (ppm) Sumber: IPCCME 2112 -- Zadrach L. Dupe


OzonSangat vital utk kehidupan di stratosfer dan tdk berbahaya utk tanaman dan manusia di troposferKonsentrasi: stratosfer ==> sampai 15 ppm pada ketinggian sekitar 25 kmTerbentuk jika atom oksigen (O) dari bagian atas atmosfer bertumbukan dengan molekul oksigen (O2) di stratosferRadiasi UV memecahkan ikatan ozon menjadi O and O2 yang kemudian akan membentuk molekul ozon yang lain



Lubang OzonSumber : NASAME 2112 -- Zadrach L. Dupe


MetanaKonsentrasi meningkat 0,01 ppm/yr beberapa dekade terakhirKonsentrasi saat ini: 1.7 ppmSumber emisi: perut sapi, tambang batu bara, sumur minyak, pipa gas dan sawahWaktu tinggal di atmosfer: ~ 10 yrsMempengaruhi absorbsi radiasi termal


Grafik Pengamatan Metana Sumber: IPCCME 2112 -- Zadrach L. Dupe


AerosolBenda padat kecil yang tersuspensi (debu, asap, ...) atau partikel cair dalam udaraSumber: manusia (pembakaran bahan bakar fosil) dan proses alamiah (gunung api dan spray osean) Peran dalam atmosfer:

pembentukan awan (inti kondensasi)urban smog dan badai pasir/debu yang sangat mengurangi visibilitasME 2112 -- Zadrach L. Dupe Komposisi Atmosfer


ME 2112 -- Zadrach L. DupeSTRUKTUR VERTIKAL ATMOSFER


Struktur Vertikal AtmosferBerdasarkan Profil TemperaturtroposferstratosfermesosferTermosferBerdasarkan Propertis Elektrik: Ionosfermulai bagian atas mesosfer sampai dengan Termosfertiga lapisan : D, E dan Flapisan D hanya ada pada siang hari dan menyerap gelombang radio AM aurora borealis and aurora australis



Mt Everest(8km)ozone layermeteoriteauroranoctilucentcloudsStruktur Vertikal Temperatur



Sketsa struktur vertikal ionosfer dan pengaruhnya terhadappenjalaran gelombang radio ME 2112 -- Zadrach L. Dupe


TROPOSFERBagian terbawah atmosferTebal ~8km di kutub, ~16km di equator. Ketebalan bervariasi terhadap ruang dan waktu.Lapisan dimana fenomena cuaca terjadi. Sebagian besar uap air atmosfer terkonsentrasi pada lapisan bawah troposfer.Temperatur menurun dengan ketinggian Bagian atas dibatasi oleh lapisan inversi atau lapisan isothermal lyang disebut lapissan Tropopaus.Tropopause berfungsi sebagai langit-langit (lid), yang mencegah pertukaran udara antara troposfer dan stratosfer.

ME 2112 -- Zadrach L. Dupe Struktur Vertikal Atmosfer


Lapisan Batasmerupakan Sublapisan troposferbersentuhab langsung dengan permukaan dipengaruhi secara langsung oleh gaya gesek permukaandidominasi oleh turbulensi dan proses pertukaran panas, kelembaban, dan momentum dengan permukaansifat fisik (seperti ketebalan, suhu, .....) mengalami variasi harian yang besar.variasi ketebalan dari beberapa 10 meter (pada kondisi sangat stabil), sampai ~2km diatas lautan tropis. temperatur berkurang dengan ketinggian.bagian atas dibatasi oleh inversi temperatur yang membatasi percampuran dengan troposfer bebas diatasnya. N.B. Lapisan batas yang terdefinisi dengan baik tidak selalu ada


Profil temperatur lapisan terbawah atmosfertropopauseTroposfer bebasLapisan batasInversi termperatustratosferApril 24 2004



Profil Humiditas Lapisan TroposfertropopauseinversionME 2112 -- Zadrach L. Dupe

STRATOSFERMulai dari puncak troposfer sampai dengan ~50 km.Secara umum, temperatur bertambah dengan ketinggian pada musim panas Suhu terendah pada tropopause equatorial. Pada musim dingin memiliki struktur yang lebih kompleksMengandung mayoritas ozon atmosfer (O3). Mengabsorpsi radiasi ultraviolet sehingga menghasilkan suhu maximum di stratopaus (kadang2 mencapai 0C).Interaksi dengan troposfer sangat terbatas dan masih sangat kurang dimengerti.


MESOSFERDi mesosfer udara bercampur secara relatif dan suhu menurun dengan ketinggianDisini, atmosfer mencapai suhu terdinginnya ~ -90CPada lapisan ini meteor terbakar ketika memasuki atmosfer bumi

Sumber: NASA Struktur Vertikal Atmosfer

Termosfer juga mencakup wilayah atmosfer bumi yang disebut Ionosfer, dalam wilayah mana atmosere dipenuhi dengan partikel bermuatan. Peningkatan temperatur dapat menyebabkan molecule udara terionisasiPesawat Ulang-alik mengorbit Bumi pada lapisan Termosfer

Sumber: NASA TERMOSFER Merupakan lapisan yang terekspos secara langsung terhadap radiasi Matahari dan karena itu merupakan lapisan yang dipanasi oleh Matahari. Udara sangat tipis sehingga penambahan kecil energi akan menyebabkan peningkatan suhu secara signifikan

Suhu di termosfer sangat bergantung pada aktivitas Matahari (suhu dapat mencapai nilai 1,500C atau lebih). Temperatur tidak dapat diukur secara langsung, tetapi dengan cara mengukur tekanan atmosfer terhadap satelit dan menghitung suhu dari persamaan gas ideal.



Ionosfer

Merupakan daerah diatmosfer atas yang mengalami elektrifikasi sehingga mengandung sejumlah besar konsentrasi ion (partikel bermuatan) dan elektron bebas.

Catatan:Partikel bermuatan bisa karena kehilangan elektron (muatan + ) atau mendapatkan elektron (muatan - )Ionosfer sangat penting dalam proses penjalaran gelombang radio.ME 2112 -- Zadrach L. Dupe


Tekanan pada sembarang titik adalah akibat dari berat udara dalam kolom diatasnyaGaya tekanan ke atas sebanding dengan gaya berat udara diatasnyaBerkurang secara logaritma dengan ketinggian

Dekat permukaan, perubahan tekanan sebesar 1mb setara dengan perubahan ketinggian 7m.ME 2112 -- Zadrach L. Dupe Struktur Vertikal Tekanan

ME 2112 -- Zadrach L. DupeVertical pressure gradient >> horizontal pressure gradient.



MetO stooped issuing warnings in 1866 restarted quickly, but published forecasts only started in 1879.1865 FitzRoy committed suicide depressed by criticism of lack of theory & poor quality of info from mere telegraph operators.

Saturation vapour pressure at 15C = 17mb, at 22C = 26.4mbDew point does NOT change with temperature of air (see previous graph). It does change with pressure decreases at about one fifth the rate of dry adiabatic lapse rate for adiabatic lifting.Note: q or Q are often used as symbols for a variety of different measures of humidity.Shouldnt need all these in this course, but should be aware of the many different measures of QVapour density not frequently used in Met not conserved during adiabatic lifting.Note: synoptic also carries idea of simultaneity (in met)Also global scale.Forecasting synoptic scale -> general picture, type of weather- mesoscale -> the local detail that modifies general conditions, local rain distributions, wind field, etc- microscale -> very local detial-> in the absence of detailed modelling, experience allows meso- and microscale effects to be accounted for

Vertical pressure gradient >> horizontal pressure gradient.

Struktur Dan Komposisi Atmosfer

Documents

Transcript of Struktur Dan Komposisi Atmosfer