Pencemaran Udara: Struktur Atmosfer (Fisik-Kimia); Konsep Pencemaran Atmosfer; Metode Penetapan Baku Mutu Kuliah Minggu II Laboratorium Pencemaran Udara dan Perubahan Iklim (LPUPI) Jurusan Teknik Lingkungan FTSP ITS
Pembahasan Struktur Kimia-Fisika Atmosfer Konsep pencemaran udara Metode Penetapan baku mutu udara
Struktur Atmosfer (FisikKimia)
General of Atmosfer
Atmosphere: Blanket
of air that surrounds the earth Comprises mainly nitrogen, oxygen, water vapour and dust particles
Function: prevents
overheating blocks asteroids absorbs harmful UV rays contains the necessary gases for us to survive
We need the layers of atmosphere to survive
Structure of the Atmosphere Defined by Temperature Profiles Troposphere
Where
Weather Happens
Stratosphere Ozone
Layer
Mesosphere Thermosphere
Ionosphere
Stratifikasi Atmosfer dan Spesies yang dipengaruhi fotoreaksi
Troposphere Heating of the Surface creates warm air at surface Warm air rises, but air expands as it rises and cools as it expands (Adiabatic cooling) Heating + Adiabatic Cooling = Warm air at surface, cooler air above Buoyancy = Cool air at surface, warmer air above Two opposing tendencies = constant turnover
Stratosphere
This layer sits on top of the troposphere It’s elevation ranges from 10 km to around 25 km This layer contains the ozone layer, which protects us from harmful sunlight
Stratosphere Altitude 11-50 km Temperature increases with altitude -60 0C at base to 0 0C at top Reason: absorption of solar energy to make ozone at upper levels (ozone layer) Ozone (O3) is effective at absorbing solar ultraviolet radiation
Mesosphere
This layer is above the stratosphere It’s elevation ranges from 25 to 100 km 50 – 80 km altitude Temperature decreases with altitude 0 C at base, -95 C at top Top is coldest region of atmosphere
Mesosfer: Temperature decreases with height. Why?
Lapisan mesosfer ini ditandai dengan penurunan suhu (temperatur) udara, rata-rata 0,4°C per seratus meter.
Penurunan suhu (temperatur) udara ini menandakan mesosfer memiliki kesetimbangan termal yang negatif.
Temperatur terendah di mesosfer <-81°C dan di bagian paling atas mesosfer yang disebut mesopause, yaitu lapisan batas antara mesosfer dengan lapisan termosfer temperaturnya diperkirakan mencapai sekitar -100°C
Mengapa bisa terjadi?
Perubahan temperatur pada mesosfer sebanding dengan jumlah ozone yang menyerap UV panjang gelombang menengah (0.1 μm to 0.35 μm). Pada lapisan mesosfer konsentrasi gas ozon makin berkurang tajam ketika altitude makin tinggi, sehingga UV terserap juga makin sedikit akibatnya suhu makin ke atas akan makin turun
Thermosphere
This is the highest layer of the atmosphere It’s height ranges from 100 to 400 km This is where most small meteorites burn up and is also the location in the atmosphere that the northern lights occur (aurora borealis)
Thermosphere 80 km and above Temperature increases with altitude as atoms accelerated by solar radiation -95 C at base to 100 C at 120 km Heat content negligible Traces of atmosphere to 1000 km Formerly called Ionosphere
The Atmosphere of Earth The atmosphere of Earth contains primarily N2 (77%) and O2 (21%). What happened to all the CO2? Where did all the O2 come from?
Tugas 1
Buat Kajian, mengapa atmosfer bumi tidak sama komposisinya dengan atmosfer planet lain terdekat (venus dan mars), terutama untuk CO2, O2 dan N2 ?
Pergerakan Udara
Pergerakan massa udara : global, benua/ intercontinental, regional atau local. Menurut kondisi geografinya : Macroscale
: ribuan kilometer, dipengaruhi rotasi
bumi Mesoscale : ratusan kilometer, topografi, lautan, pegunungan, hutan, perkotaan Microscale : 10 km, gedung-gedung, pohonpohon, bis-bis, jalan aspal dan beton, gurun pasir dan batuan
SIRKULASI ATMOSFIR
The Coriolis Effect Influences the Movement of Air in Atmospheric Circulation Cells
Sirkulasi Udara Global
SIRKULASI ATMOSFIR
IKLIM DAN SIRKULASI GLOBAL
The surface currents
24
Tugas 2 Membuat
gambar analisis struktur atmosfir bawah (Troposfir) dihubungkan dengan pencemaran udara
Stratifikasi Atmosfer dan Spesies yang dipengaruhi fotoreaksi
Profil temperatur dan tekanan atmosfer
“Lee Chateleur” Principle Strata Atmosfer
Sifat Fisik dan Kimia
Troposphere
Makin tinggi tekanan makin naik, temperatur menurun. Reaksi makin cepat ke arah exotermis, dan pemecahan molekul.
Stratosphere
Makin tinggi tekanan makin turun, temperatur makin naik. Reaksi kimia makin cepat ke arah endotermis dan pemecahan molekul.
Mesosphere
Makin tinggi tekanan makin rendah dan suhu makin rendah. Reaksi molekul menjadi lebih sulit karena tekanan terlalu rendah, tumbukan antar molekul makin jarang.
Thermosphere
Makin tinggi tekanan makin rendah, suhu extrem makin tinggi, reaksi makin sulit terjadi.
Gambaran (Profil) Vertical, Densitas dan Tekanan Atmosfer
Dipengaruhi oleh gaya gravitasi
FG = Gaya Gravitasi FG
mGM E r2
mg
The ME massa bumi = 5.98*1024 kg Konstanta gravitasi=6.67x10-11 Nm2kg2
What is atmospheric thermodynamics?
Termodinamika Atmosfer kajian tentang atmosfer ditinjau dari sifat-sifat termodinamika. Dalam termodinamika atmosfer, dibangun asusmsi:
Sistem diasumsikan sebagai parcel udara Lingkungan kondisi/keadaan disekitar parcel yang mempengaruhi parcel udara Batas batas yang memisahkan keduanya (asumsi)
Atmosfer terdiri atas campuran gas (homogen/heterogen) dimana pada posisi ruang yang berbeda tekanan dan temperatur berbeda perbedaan iklim/cuaca
Radiasi matahari adalah ultimate source semua energi yang merubah iklim/cuaca interakasi dengan gas-gas atmosfer profil temperatur (dapat dijelaskan dengan hukum termodinamika).
Struktur spasial temperatur yang dihasilkan berhubungan dengan struktur spasial tekanan dan densitas gas (cocok dengan persamaan keadaan gas ) Variasi spasial temperatur tekanan menimbulkan angin atmosfer
Perubahan fasa air menentukan sistem iklim di atmosfer bawah (mendung, hujan, es, dsb) perubahan fasa ini juga dapat dijelaskan dengan termodinamika
Contoh: Asumsi parcel gas/udara Sebagai satu sistem termodinamik a
Konsep (Asumsi) : Parcel Udara
Sistem (campuran sejumlah kecil gas/udara) yang terbungkus dan dikelilingi lingkungan (atmosfer), untuk dry air parcel massa fixed Ukuran bisa berubah-ubah Terinsulasi dari lingkungan adiabatik tidak ada transfer panas Sisi batas parcel fleksibel
Termodinamika Atmosfer menjelaskan konversi energi matahari (input) ke atmosfer dan thd respon atmosfer (turbulensi, sirkulasi, link sirkulasi dengan transfer energi (radiasi), panas sensibel dan laten antara permukaan bumi dengan atmosfer
Konsep dasar termodinamika yang penting dalam menjelaskan sifat atmosfer
Tinjauan sifat gas ideal (variabel state) PV=nRT Tekanan P = F/A = nRT/V; F = nRT/h Volume Konsep gas dalam kesetimbangan Hukum ke-nol termodinamika Temperature Kerja ekspansi atau kompresi Hukum pertama termodinamika dan perubahan turunannya
WHAT ARE THE VARIABLES OF ATMOSPHERIC THERMODYNAMICS?
Diasumsikan udara di atmosfer merupakan gas ideal kering yang mengembang secara adiabatic. Formuasi Gas Ideal: PV = nRT (1)
P tekanan dari sejumlah volume udara kering, n jumlah mol parcel udara, R konstanta gas ideal dan T temperature absolut (K)
Turunan pertama rumur di atas, d(PV) = d(nRT) PdV + VdP = nRdT
(2)
Penyataan Hukum I termodinamika perubahan energi dalam ΔU pada gas = kerja yang dilakukanpada sistem plus panas Q yang ditambahkan dU = dW + dQ (3)
Dalam kasus adiabatik dQ=0, maka dU = dW + 0= nCvdT. Dan kerja akan digunakan untuk merubah volume, dW = -PdV, sehingga PdV = -dW = -nCvdT (4) Substitusi persamaan 4 dan 2 , maka –nCvdT + VdP = nRdT VdP = n(R + Cv)dT Karena R = Cp – Cv, maka VdP = nCpdT dT/dP = V/nCp (5) Dari formulasi kesetimbangan hidrostatik dan gas ideal, diperoleh hubungan tekanan dengan altitude dP/dz = – ρg dan ρ = nMW/V, dP/dz = – nMWg/V (6)
Kalikan pers 6 dg 7 dT/dz = (V/nCp)( – nMWg/V) Untuk dry adiabatic lapse rate diperoleh (Contoh kasus di Troposfer) – dT/dz = MWa g/Cp. Maka – dT/dz = (29 10-3kg/mol * 9.8m/s2)/29 J/K*mol = 9.8*10-3 K/m, Atau – dT/dz = 9.8 K/km dT/dz lapse rate
WHAT IS LAPSE RATE?
Lapse rate laju perubahan temperatur pada perubahan ketinggian di atmosfer rate negatif temperatur menurun ketika ketinggian naik Lapse rate positif temperatur naik ketika ketinggian naik Inversi perubahan profil/kecenderungan perubahan temperatur Lapse
Dry adiabatic Lapse rate
Perubahan/penurunan temperatur kareba ketinggian parcel udara kering (asumsi dry adiabatis), seperti dijelaskan pada persamaan sebelumnya
T=7 oC
T=8 oC T=9 oC
dT dz
g cp
d
9.81 m s 2 1004 J K 1kg
1
0.0098K m
1
9.8K km 1
Catatan penting T=7 oC
7oC
T=8 oC
8oC
T=9 oC
9oC
Γd (adiabatis lapse rate) perubahan temperatur parcel saat naik atau turun secara adiabatik di atmosfer . Γ (lapse rate lingkungan) perubahan temperatur yang terukur (sebenarnya) {diukur salah satunya dengan radiosonde); rata-rata 6-7 K km-1 di troposfer, tetapi nilainya bisa sangat bervariasi di lokasi-lokasi yang berbeda menentukan stabilitas pendispersi atmosfer
Pencemaran Atmosfer
Bentuk Lahan/Terrain
Model Kualitas Udara
Meteorologi
Perubahan Iklim
Kualitas Ambien
Kimia Atmosfer
40
Emisi
Kesehatan /Lingkungan
Proses yang terjadi pada spesies gas di atmosfer
Atmosfer merupakan rekator kimia low temperatur Important Chemistry:
UV Stratosphere O3 layer
Tropopause -70oC 14 km
visible
UV absorption by O3
Troposphere Regional and global biogenic emissions (CH4)
Urban Anthropogenic emissions Surface O3
IR absorption by Greenhouse gases (H2O, CH4, CO2) Surface emissions resulting in O3 and aerosol formation, and acid rain
Atmospheric Chemistry starts with sunlight O3
v = c/
O +O2
• Breaking chemical bonds requires energy • Sunlight has energy • If sufficient energy is deposited in the bond, then it will break • O3 has a bond energy of ~105 kJ mol-1
visible
E = hv
Red Orange Yellow Green Blue Violet Near UV Far UV
700 620 580 530 470 420 400-200 200-50
Energy/kJ mol-1 170 190 210 230 250 280 300-600 600-2400
The Troposphere
Stratosphere, upper atmosphere
10-16 k m, -56ūC Troposphere O2, N2, Ar, CO2, trace gas es Vapor NO 2 + h NO + O Photoche mical reactions
H2O Droplets
Air pollutan ts Particle s
Temperature invers ion
We athe r
Temperature Inversion
KAJIAN PENENTUAN BAKU MUTU UDARA
Hierarki Regulasi Udara di Indonesia UUD 1945
UU No 32 2009 dan UU no 23 1997
PP RI No 41 Tahun 1999
• Lingkungan hidup yang baik dan sehat • Hak asasi dan hak konstitusi setiap warga negara
• Baku Mutu Lingkungan • Air,….udara ambien, emisi,……gangguan, lainnya • Pengelolaan Lingkungan hidup
• Pengendalian Pencemaran Udara • Lampiran Baku Mutu Udara Ambien Nasional
• Kepmen LH No. 15/1996 Program Langit Biru / PROPER • Permen LH No. 4/2009 tentang ambang batas emisi gas buang bagi kendaraan bermotor Permen LH
Kewenangan Pemerintaha Daerah
UU No. 32/2004 tentang Pemerintahan Daerah berlaku menggantikan UU No. 22/1999, wewenang pengendalian lingkungan hidup diserahkan sebagai urusan wajib berdasarkan asas desentralisasi kepada
UU No. 32/2004
pemerintah daerah provinsi (Pasal 13) dan kabupaten/kota (Pasal 14).
Pasal (11 (2)) menetapkan bahwa hubungan kewenangan antara pemerintah pusat, pemerintahan provinsi dan pemerintah kabupaten/kota merupakan satu sistem pemerintahan. Pasal 11 (1) pembagiannya dilakukan berdasarkan kriteria eksternalitas, akuntabilitas, dan efisiensi dengan memerhatikan keserasian hubungan antar susunan pemerintahan
Lampiran PP No. 38/2007
Perincian pembagian urusan pemerintahan antara pemerintah, pemerintah daerah provinsi dan pemerintah daerah kabupaten/kota
Pembagian Kewenangan Pengelolaan Udara No
Pemerintah Pusat
Pemda Provinsi
Pemda Kabupaten/Kota
1
Pengelolaan kualitas udara skala nasional dan/atau lintas batas negara.
2
Penetapan baku mutu udara ambien nasional, kebisingan dan getaran lingkungan.
Penetapan baku mutu udara ambien daerah lebih ketat atau sama dengan baku mutu udara ambien nasional
Pemantauan kualitas udara ambien, emisi sumber bergerak dan tidak bergerak skala kabupaten/kota.
3
Penetapan baku mutu emisi udara sumber tidak bergerak, ambang batas emisi gas buang kendaraan bermotor tipe baru dan kendaraan bermotor lama.
Penetapan status mutu udara ambien daerah.
4
Penetapan baku tingkat kebisingan dan getaran sumber tidak bergerak dan baku tingkat kebisingan kendaraan bermotor tipe baru dan kendaraan bermotor lama skala nasional.
Penetapan baku mutu emisi udara sumber tidak bergerak, ambang batas emisi gas buang kendaraan bermotor lama dan penetapan baku tingkat kebisingan dan getaran sumber tidak bergerak dan baku tingkat kebisingan kendaraan bermotor lama skala provinsi.
5
Penetapan Indeks Standar Pencemar Udara.
Pelaksanaan koordinasi operasional pengendalian pencemaran udara skala provinsi.
Pengujian emisi gas buang dan kebisingan kendaraan bermotor lama secara berkala.
Pembagian Kewenangan Pengelolaan Udara No
Pemerintah Pusat
Pemda Provinsi
Pemda Kabupaten/Kota
6
Koordinasi dan pelaksanaan pemantauan kualitas udara lintas provinsi atau lintas batas negara atau skala global (asap kebakaran, hutan, hujan asam, dan gas rumah kaca) skala nasional
Koordinasi dan pelaksanaan pemantauan kualitas udara skala provinsi.
Koordinasi dan pelaksanaan pemantauan kualitas udara skala kabupaten/kota
7
Pengaturan pengelolaan kualitas udara dan pengendalian pencemaran udara skala nasional.
Pembinaan dan pengawasan baku mutu emisi udara sumber tidak bergerak, ambang batas emisi gas buang kendaraan bermotor lama dan penetapan baku tingkat kebisingan dan getaran sumber tidak bergerak dan baku tingkat kebisingan kendaraan bermotor lama skala provinsi
8
Pengawasan terhadap penaatan penanggung jawab usaha dan/atau kegiatan yang dapat menyebabkan terjadinya pencemaran udara
Pengawasan terhadap penaatan penanggung jawab usaha dan/atau kegiatan yang dapat menyebabkan terjadinya pencemaran udara skala provinsi.
Pengawasan terhadap penaatan penanggung jawab usaha dan/atau kegiatan yang dapat menyebabkan terjadinya pencemaran udara dari sumber bergerak dan tidak bergerak skala kabupaten/kota.
9
Penetapan standar pengelolaan kualitas udara dalam ruangan.
Pemantauan kualitas udara dalam ruangan.
Pemantauan kualitas udara dalam ruangan.
PERATURAN PEMERINTAH REPUBLIK INDONESIA NOMOR 41 TAHUN 1999 TENTANG PENGENDALIAN PENCEMARAN UDARA
Perlindungan mutu udara ambien didasarkan pada baku mutu udara ambien, status mutu udara ambien, baku mutu emisi, ambang batas emisi gas buang, baku tingkat gangguan, ambang batas kebisingan dan Indeks Standar Pencemar Udara Baku mutu udara ambien adalah ukuran batas atau kadar zat, energi, dan/atau komponen yang ada atau yang seharusnya ada dan/atau unsur pencemar yang ditenggang keberadaannya dalam udara ambien; Mutu emisi adalah emisi yang boleh dibuang oleh suatu kegiatan ke udara ambien; Baku mutu emisi sumber tidak bergerak adalah batas kadar maksimum dan/atau beban emisi maksimum yang diperbolehkan masuk atau dimasukkan ke dalam udara ambien; Ambang batas emisi gas buang kendaraan bermotor adalah batas maksimum zat atau bahan pencemar yang boleh dikeluarkan langsung dari pipa gas buang kendaraan bermotor;
Penentuan BM
Seharusnya spesifik menurut daerah, wilayah, zona Spesifik menurut corak, karakteristik atau kemampuan lingkungan, sistem pengelolaan lingkungan Mestinya ditinjau ulang setiap periode waktu tertentu:
Regulasi BM ditinjau 5 tahun sekali Referensi selalu ditinjau ulang (EPA, WHO, dll) Kondisi perkembangan permasalahan, teknologi, humanisme, dsb
Pertimbangan dalam Penentuan Baku Mutu BM Udara Ambien utk Kesehatan Manusia BM Udara Ambien utk Melindungi Ekosistem Pertimbangan lain:
Teknologi
pemantauan Teknologi pengendalian Konsentrasi background Sumber daya manusia yang menerapkan/menjalankan
BM Udara Ambien utk Kesehatan Manusia Tujuan melindungi kesehatan manusia (baik yang sehat maupun yang sensitif (anak, manula, orang sakit, dsb) • BM Primer (Sistem Amerika Serikat) NAB
berdasarkan informasi dosis-response (menghubungkan gangguan penyakit – nilai pajanan pencemar) Pertimbangan batas marjin keamanan (margin of safety (The National Academies, 2004)
Informasi dampak kesehatan:
Studi eksperimental atau toksikologi, atau Studi onservasi atau epidemiologi
BM Udara Ambien utk Melindungi Ekosistem Tujuan melindungi lingkungan dan ekosistem kesejahteraan manusia • BM skunder (Sistem Amerika Serikat) NAB ditentukan dengan:
Studi Laboratorium Studi Lapangan Gabungan Studi Lab dan Lap
BM/NAB didasarkan pada:
Kemampuan alam menetralisir pencemaran critical load atau critical level estimasi paparan maksimum jangka panjang thd ekosistem yang dapat diterima tanpa efek bahaya signifikan (Grennfelt dan Nelson, 1988)
Proses Penentuan Ambang Batas Konsentrasi Ambien di Indonesia Dilakukan dengan kajian Pustaka Referensi Baku Mutu di Negara lain Evaluasi dari data pemantauan jaringan pemantauan otomatis (AQMS) di Indonesia (Jakarta, Bandung, dan Surabaya)
Data AQMS yang digunakan penentuan BM di Indonesia Kota
Stasiun
Jenis Data
Tahun
Jakarta
JAF1 (jakTim), JAF4 (Jakbar), JAF5 (jaksel)
Rata-rata 30 menitan
2001 – 2008
Surabaya
SUF1 (taman prestasi), SUF2 (Perak Timur), SUF3 (Sukomanunggal), SUF4 (Gayungan), SUF5 (Gebang putih)
Rata-rata harian
2001 – 2005
Bandung
BAF1 (Dago Pakar), BAF2 (Aria Rata-rata Harian graha), BAF3 (Tirta lega), BAF 4 (Batununggal), BAF5 (Cisaranten)
2001 – 2003
