http://.www.pelatihan-osn.com
Lembaga Pelatihan OSN
ATMOSFER BUMI
By : Asri Oktaviani
Meteorologi, Cuaca, & Iklim
Meteorologi adalah Ilmu yang mempelajari fenomena atmosfer – termasuk dinamika, fisika dan kimia atmosfer. (asal kata meteōros/Yunani – ‘lofty’ – ‘melayang’)
Secara umum meteorologi dapat dikatakan suatu kajian dinamika dan termodinamika atmosfer yang mempengaruhi kehidupan manusia.
Meteorologi, Cuaca, & Iklim
Cuaca
Keadaan/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.
Iklim
Deskripsi stastistik kondisi atmosfer jangka panjang, perataan dalam perioda waktu tertentu (30 tahun menurut ketetapan WMO)
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 (18051865) 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.
Apa yang ingin diketahui?
Temperatur Kecepatan angin Arah Angin Perawanan Tipe, ukuran, ketinggian Presipitasi Tipe, jumlah, lokasi Visibilitas Fog, haze
Kelembaban Trend/Kecenderungan Waktu terjadi perubahan yang signifikan Kejadian fenomena ekstrim
Temperatur
Kelvin (K) : (SI unit) perlu dalam perhitungan Derajat Celcius (C) : (non-SI) digunakan untuk menyatakan temperatur secara umum Derajat Fahrenheit (F) : (non-SI) umum dipakai di USA.
0 K = -273.15 C Konversi:
TKelvin = TCelcius -273.15
Konversi antar Termometer
Konversi Fahrenheit ke Celsius:
Konversi Celsius ke Fahrenheit:
((°F-32)x(5/9))=°C
(°C x (9/5))+32=°F
Temperatur Gradien vertikal : tipikal ~0.01 °C m-1 secara bisa lebih besar, seperti, inversi temperatur lapisan batas dengan harga sampai dengan ~0.2 °C m-1 Gradien horizontal : Untuk skala sinoptik biasanya < 1°C per 100 km (0.01 °C km1), sampai dengan ~5 °C per 100 km dalam daerah front Efek lokal (seperti pemanasan matahari) dapat menyebabkan gradien yang besar untuk skala kecil
Surface temperature analysis 4 Mei 2009
850mb temperature (2 °C contours), RH (%), wind (m s-1) : analysis 0000-040929
Tekanan
Satuan SI untuk tekanan adalah Pascal (Pa), Tekanan atmosfer dinyatakan dalam hectopascal (hPa) = seratus Pascal. 1 hPa = 100 Pa Tekanan sering juga dinyatakan dalam millibars (mb)(non-SI) 1 mb = 1 hPa Tekanan muka laut = 1013.25 mb = 1013.25 hPa
Tekanan 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-1 Gradien horizontal : < 0.1 mb km-1 (typikal ~0.01 mb km-1)
Gradient ~4 mb per 100 km (0.04 mb km-1)
SLP 4mb contours : Analysis 0000-040927
Kecepatan Angin Kecepatan angin biasa dinyatakan dalam beberapa macam unit : Meter per detik (m s-1) (unit SI) – digunakan dalam sains dan juga umum Knots (kt) = mil-laut per jam = 0.514 m s-1 0.5 m s-1 Kilometer per jam (kph) = 0.278 m s-1 Mil per jam (mph) = 0.447 m s-1
Arah Angin
Menurut konvensi Meteorologi arah angin menyatakan DARI MANA angin itu datang Dinyatakan dalam derajat dari Utara – Arah kompas ketika menghadap kearah angin datang Oleh karena variabilitas angin sangat tinggi (gustiness) hanya arah angin secara umum yang dinyatakan: utaraan (northerly), timuran (easterly), baratan (westerly) dst.
vektor angin rataan
N
Arah angin = 50
W
E
S
Kelembaban Kelembaban Relatif : dinyatakan dalam persen (%) (non-SI)
= jumlah uap air dalam udara dinyatakan dalam persentasi jumlah maksimun yang mungkin pada suatu temperatur tertentu.
Pv RH = 100% Ps Sangat berguna untuk menentukan dimana kabut atau awan akan terbentuk, kondensasi uap air ke bentuk butir awan/kabut terjadi jika RH mencapai nilai 100%
Tekanan uap jenuh
RH = 100%
RH = 64%
Titik Embun Titik Embun adalah temperatur dimana parcel udara dengan kandungan uap air konstan harus didinginkan pada tekanan tetap untuk menjadi jenuh
Depresi titik embun adalah perbedaan temperatur parsel udara dengan temperatur titik embunnya.
Perbandingan Campuran (Mixing Ratio) Perbandingan masa uap air terhadap masa udara kering Mixing ratio = Mv Ma
Kelembaban absolut atau densitas uap (Absolute Humidity or Vapour Density)
Kelembaban Spesifik (Specific Humidity) q = Mv Perbandingan masa uap air terhadap masa udara lengas.
Masa uap air per satuan volume udara lengas.
Mv + M a
Pembagian Ruang-Waktu
Lokal (skala mikro)
Regional (skala meso)
Waktu: beberapa jam ~1 hari Jarak: <2 km Fenomena: konveksi lokal, kumulus kecil, kabut, sungai kecil, variasi angin permukaan
Waktu: jam sampai beberapa hari Jarak: beberapa km ~ 100 km Fenomena: thunderstorms, front, angin darat-angin laut
Skala besar (skala sinoptik)
Waktu: lebih dari ~10 days Jarak: beberapa 100 km ~ beberapa 1000 km Fenomena : sistem tekanan tinggi dan rendah
GRAVITASI & HUKUM KEPLER
Gerak Sirkular Uniform di Permukaan Bumi Newton's 2nd Law : Fnet ma v2 v2 Uniform circular motion : a Fnet m r r The weight is the physicalforce : Fnet w mg v2 v2 mg m g v 2 gr v gr r r Radius of Earth : rE = 6.38 106 m v grE 9.81 sm2 6.38 106 m 7910 ms
Tanpa 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?
Orbit Bulan The moon is in uniform circular motion v2 around the Earth a . The moon's r circumference of orbit 2 r speed is v 1 lunar month 27.3 days The radius of the orbit, r, is the distance to the moon, r 3.84 10 8 m. The lunar month is 24h 3600 s T = 27.3 d = 27.3d 2.36 10 6 s d h v 2 (2 r)2 4 2 r 4 2 3.84 10 8 m 3 m a 2 2 2.72 10 2 6 2 s r T r T (2.36 10 s)
Apel Newton vs. Bulan The apple, a distance rE 6.38 10 6 m
The moon, a distance rEM 3.84 10 8 m
from the center of the Earth, experiences from the center of the Earth, experiences an acceleration aapple g 9.81 sm2 . an acceleration a 2.72 10 3 m2 . moon
s
Let' s look at ratios : -3 amoon 2.72 10 rEM 3.84 108 m 60.2 rE 6.38 106 m aapple 9.81 sm2
m s2
1 3607
the accelerati on is inverse proportional to the distance squared : a
1 r2
1 r2 The force should be directly proportional to the mass of the apple or moon, m, and directly proportional to the mass of the Earth, M . m M F r2 Thus, the force, F ma, is inverse proportional to the distance squared : F
Hukum Gravitasi Newton
m1 m2 Fg G r2
2 Nm , G 6.671011 kg 2
Hukum Kepler Untuk 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: 2 3 GM T 2 rorbit sun/planet 3 T or rorbit 4 2 GMsun/planet
1. Setiap planet bergerak dengan lintasan elips, matahari berada di salah satu fokusnya. 2. Luas daerah yang disapu pada selang waktu yang sama akan selalu sama. 3. Perioda kuadrat suatu planet berbanding dengan pangkat tiga jarak rata-ratanya dari matahari.
KOMPOSISI & STRUKTUR ATMOSFER
Atmosfer Bumi 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 Bumi
Komposisi Atmosfer
The Permanent Gasses Gas
Simbol % Vol
Peran
Nitrogen
N2
78.08
Biosfer
Oksigen
O2
21%
Pernapasan
Argon
AR
0.9%
Inert gas (gas yang tidak reaktif terhadap elemen kimia lainnya)
Komposisi Atmosfer The Variable Gasses Gas
Simbol
% vol
Peran di Atm
Uap air
H2O
0-4
Pencipta cuaca, Transfer panas, gas rumah kaca
Karbon Dioksida – ada kenaikan di atm.
CO2
0.038
GRK, biosfer
Metana – ada kenaikan di atm.
CH4
0.00017
GRK, lebih efektif dari CO2
Nitrat Oksida Ozon
N2 O O3
0.00003 0.000004
GRK Lapisan Ozone
0.000001
Kesetimbangan energi bumi
Partikel (debu, tepung sari, dll) juga disebut aerosol
Asal Atmosfer • Pada 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: o Uap air (menghasilkan hujan - sungai, danau, laut) .... + es meteor o karbon dioksida o nitrogen • Setelah proses diatas berlangsung selama jutaan tahun, atmosfer berevolusi menjadi seperti keadaan sekarang ini.
Atmosfer terdiri atas : 1. 2. 3.
Campuran molekul gas Partikel tersuspensi (padat dan cair ) Presipitasi yang jatuh
Komposisi Atmosfer
Gas-gas Permanen
Gas-gas varibel
Uap air, Karbondioksid, Ozone, Metan
Homosfer
99.999 % dari masa atmosfer Nitrogen, Oksigen, Argon, Neon, Helium, Kripton, Xenon, Hidrogen
Dibawah ketinggian 80 km – wilayah dengan homogenitas kimia
Heterosfer
Wilayah diatas homosfer – gas-gas ringan (H and He)
Diagram Pie Atmosfer tanpa uap air (udara kering)
Komposisi Atmosfer
Uap air
Sekitar 0,25 % dari total masa atmosfer Konsentrasi berkurang secara cepat terhadap ketinggian Hampir seluruh UA terdapat pada ketinggian dibawah 5 km Dekat permukaan UA bervariasi antara 1% (gurun) - 4 % (tropis) Waktu tinggal di atmosfer: 10 harian
Konsep waktu tinggal
Singkat
Lama
Komposisi Atmosfer
Karbon Dioksida
Sekitar 0,036 % dari total masa atmosfer konsentrasi 360 ppm Masuk ke atm melalui: proses respirasi, peluruhan material organik, erupsi gunung api dan pembakaran alamiah maupun antropogenik Keberadaan dalam atm melaui: fotosintesa Waktu tinggal di atm: 150 tahunan Terjadi peningkatan 1.8 ppm/thn sejak 1950
Grafik pengamatan konsentrasi CO2 (ppm)
Sumber: IPCC
Komposisi Atmosfer
Ozon
Sangat vital utk kehidupan di stratosfer dan tdk berbahaya utk tanaman dan manusia di troposfer Konsentrasi: stratosfer ==> sampai 15 ppm pada ketinggian sekitar 25 km Terbentuk jika atom oksigen (O) dari bagian atas atmosfer bertumbukan dengan molekul oksigen (O2) di stratosfer Radiasi UV memecahkan ikatan ozon menjadi O and O2 yang kemudian akan membentuk molekul ozon yang lain
Lubang Ozon
Sumber : NASA
Komposisi Atmosfer
Metana
Konsentrasi meningkat 0,01 ppm/yr beberapa dekade terakhir Konsentrasi saat ini: 1.7 ppm Sumber emisi: perut sapi, tambang batu bara, sumur minyak, pipa gas dan sawah Waktu tinggal di atmosfer: ~ 10 yrs Mempengaruhi absorbsi radiasi termal
Grafik Pengamatan Metana
Sumber: IPCC
Komposisi Atmosfer
Aerosol
Benda padat kecil yang tersuspensi (debu, asap, ...) atau partikel cair dalam udara Sumber: 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 visibilitas
STRUKTUR VERTIKAL ATMOSFER
Struktur Vertikal Atmosfer
Berdasarkan Profil Temperatur
troposfer stratosfer mesosfer Termosfer
Berdasarkan Propertis Elektrik: Ionosfer
mulai bagian atas mesosfer sampai dengan Termosfer tiga lapisan : D, E dan F lapisan D hanya ada pada siang hari dan menyerap gelombang radio AM aurora borealis and aurora australis
Struktur Vertikal Temperatur 130km aurora 120km
0.00001 THERMOSPHERE
110km TERMOSFER
100
100km
0.0001
90km mesopause 80km
Mesopause
80
0.001
meteorite
noctilucent clouds
50km stratopause
0.01
60
MESOSPHERE
0.1
Stratopause
40
40km
ozone layer
30km
STRATOSPHERE 20km tropopause 10km TROPOSPHERE
1
STRATOSPHERE Mt Everest (8km)
20
ozone layer
10 cirrostratus clouds cumulus clouds
Tropopause 0 -100
cumulonimbus
TROPOSPHERE -80
Mt Everest -60
-40
-20
Temperature (C)
0
20
100 40
Percentage of Atmospheric Mass Above
MESOSPHERE 60km
Altitude (km)
70km
Sketsa struktur vertikal ionosfer dan pengaruhnya terhadap penjalaran gelombang radio
Struktur Vertikal Atmosfer TROPOSFER
Bagian terbawah atmosfer Tebal ~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.
Struktur Vertikal Atmosfer
Lapisan Batas
merupakan Sub-lapisan troposfer bersentuhab langsung dengan permukaan – dipengaruhi secara langsung oleh gaya gesek permukaan didominasi oleh turbulensi dan proses pertukaran panas, kelembaban, dan momentum dengan permukaan sifat 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 atmosfer April 24 2004
stratosfer
Inversi termperatu tropopause
Troposfer bebas
Lapisan batas
Profil Humiditas Lapisan Troposfer
tropopause
inversion
Struktur Vertikal Atmosfer
STRATOSFER
Mulai 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 kompleks Mengandung mayoritas ozon atmosfer (O3). Mengabsorpsi radiasi ultraviolet sehingga menghasilkan suhu maximum di stratopaus (kadang2 mencapai 0°C). Interaksi dengan troposfer sangat terbatas dan masih sangat kurang dimengerti.
Struktur Vertikal Atmosfer
• MESOSFER •Di mesosfer udara bercampur secara relatif dan suhu menurun dengan ketinggian •Disini, atmosfer mencapai suhu terdinginnya ~ -90°C •Pada lapisan ini meteor terbakar ketika memasuki atmosfer bumi
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 1,500°C atau lebih). Temperatur tidak dapat diukur secara langsung, tetapi dengan cara mengukur tekanan atmosfer terhadap satelit dan menghitung suhu dari persamaan gas ideal.
• Termosfer juga mencakup wilayah atmosfer bumi yang disebut Ionosfer, dalam wilayah mana atmosere dipenuhi dengan partikel bermuatan. Peningkatan temperatur dapat menyebabkan molecule udara terionisasi • Pesawat Ulang-alik mengorbit Bumi pada lapisan Termosfer Sumber: NASA
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.
Struktur Vertikal Tekanan
Tekanan pada sembarang titik adalah akibat dari berat udara dalam kolom diatasnya Gaya tekanan ke atas sebanding dengan gaya berat udara diatasnya Berkurang secara logaritma dengan ketinggian
Dekat permukaan, perubahan tekanan sebesar 1mb setara dengan perubahan ketinggian 7m.
Deskripsi kolom udara
