1Pusat Sains dan Teknologi Atmosfer – LAPAN *)E-mail: ninongk@yahoo.com; ninong.komala@lapan.go.id
ABSTRAK -Analisis komposisi atmosfer Indonesia berbasis penginderaan jauh sangat bermanfaat untuk memperoleh karakteristik parameter atmosfer mulai dari permukaan dan di berbagai lapisan ketinggian atmosfer. Dengan menggunakan data AIRS pada satelit AQUA dapat diperoleh informasi parameter atmosfer dan komposisi atmosfer seperti ozon, CO, CH4 dan temperatur mulai dari permukaan sampai ketinggian 1 hPa. Hasil yang diperoleh sangat berguna untuk menentukan variabilitas dan karakteristik parameter atmosfer dalam jangka panjang. Penelitian dilakukan dengan melakukan inventori data ozon, CO, CH4 dan temperatur berbasis data satelit sensor Atmospheric Infra Red Sounders (AIRS) pada satelit AQUA periode 2002-2015. Metoda yang digunakan adalah analisis pola tahunan, musiman serta melakukan analisis variasi temporal ozon, CO, CH4 dan temperatur pada level permukaan, 100 hPa, 20 hPa, 10 hPa dan 1 hPa. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa profil vertikal komposisi atmosfer Indonesia mempunyai kondisi maksimum dan minimum pada ketinggian yang berbeda. Ozon di Indonesia maksimum pada 10 hPa dengan konsentrasi 8 sd 10 ppm, konsentrasi minimum di permukaan dengan konsetrasi 0.022 ppm. Profil CO dengan konsentrasi tertinggi di permukaan dengan konsetrasi 0,105 ppm dan minimum pada 20 hPa dengan konsetrasi 0,019 ppm. CH4 di permukaan mempunyai konsentrasi tertinggi yaitu 1,793 ppm dan konsentrasi minimum 1,03 ppm terdeteksi pada 1 hPa. Profil temperatur di Indonesia terdeteksi maksimum di level permukaan yaitu 299 K dan minimum pada lapisan tropopause (100 hPa) dengan temperatur 191 K. Analisis parameter atmosfer pada level permukaan, 100 hPa, 20 hPa, 10 hPa dan 1 hPa serta variasi musimannya memberikan hasil yang menarik dan akan dibahas secara rinci.
Kata kunci :AQUA-AIRSCH4, CO, ozon, temperature
ABSTRACT - Indonesia atmospheric composition analysis based on remote sensing data is very useful for obtaining
the characteristic of the atmospheric parameter from the surface and at various altitude. By using data of Atmospheric Infra Red Sounders (AIRS) on the AQUA satellite we can obtained atmospheric parameters and composition of the atmosphere such as ozone, CO, CH4 and temperatures ranging from the surface to 1 hPa. The results obtained are very useful for determining the variability and characteristics of atmospheric parameter in the long term. The study was conducted by doing an inventory of ozone, CO, CH4 and temperature data based on Atmospheric Infra Red Sounders (AIRS) sensor in the period of 2002-2015. The method used is the analysis of annual, seasonal and temporal variation pattern of ozone, CO, CH4 and temperature at the surface level, 100 hPa, 20 hPa, 10 hPa and 1 hPa. The results obtained showed that vertical profile of atmospheric composition has a maximum and minimum conditions at different altitudes. Ozone in Indonesia reach maximum at 10 hPa with 8 to 10 ppm concentration, minimum concentration of 0.0022 ppm show at the surface. Profile vertical of CO with the highest concentration in the surface of 0.105 ppm and the minimum at 20 hPa of 0.019 ppm . Profile of CH4 in the surface has the highest concentration of 1,793 ppm and a minimum concentration of 1.03 ppm was detected in 1 hPa. Profile of temperature in Indonesia shows maximum at the surface level of 299 K and a minimum at the tropopause layer (100 hPa) with temperatures of 191 K. Analysis of atmospheric parameters on a surface level, 100 hPa, 20 hPa, 10 hPa and 1 hPa as well as seasonal variations show very interesting result and will be discussed in detail.
Keywords: AQUA-AIRS, CH4, CO, ozone, temperature
1. PENDAHULUAN
Sebagian besarozon(sekitar 97%) ditemukandi atmosferterkonsentrasidistratosferpada ketinggian15 sampai55 kilometerdi ataspermukaan bumi. Ozon stratosferiniberperan sangat penting untukkehidupan dibumikarena menyerapradiasiultraviolet yang berbahaya.Pembentukan ozon paling tinggi terjadi di wilayah katulistiwa karena sinar matahari bersinar terus menerus sepanjang tahun. Akan tetapi, konsentrasi ozon paling besar terdapat di wilayah kutub (lintang tinggi dan lintang menengah) disebabkan adanya transport ozon dan dinamika atmosfer dari khatulistiwa. Konsentrasi ozon total di wilayah tropis meningkat pada saat musim kemarau dan menurun saat musim hujan (Kaye et al., 1993).
- 731 -
Konsentrasi tertinggi CO cenderung terjadi dekat wilayah dengan populasi yang tinggi. Pada skala global, belahan bumi utara lebih padat penduduknya sehingga memiliki konsentrasi CO yang lebih tinggi dibandingkan di belahan bumi selatan. Pembakaran biomassa dan penggunaan bahan bakar fosil merupakan sumber utama emisi karbon monoksida buatan manusia (Pidwirny, 2006). Sumber utama CO berasal dari proses pembakaran tidak sempurna pada bahan bakar minyak, pembakaran biomasa, dan proses oksidasi fotokimia pada metana dan hidrokarbon lainnya di atmosfer. Sumber utama CO berasal dari wilayah daratan yang memiliki faktor terpenting sumber CO yaitu emisi antropogenik dan pembakaran biomasa di musim kering/ kemarau di wilayah tropis dan pada periode hangat di wilayah lintang tinggi.
Sumber alami CH4 diantaranya adalah lahan basah di daerah tropis dan di belahan bumi utara. Sink (rosot) untuk CH4 adalah atmosfer itu sendiri, karena CH4 mudah bereaksi dengan radikal hidroksil (OH) di troposfer juga di stratosfer. Di troposfer dan stratosfer CH4 akan membentuk CO2 dan uap air (H2O). Rosot alami CH4 lainnya adalah tanah, yang mengakibatkan CH4 teroksidasi oleh bakteri (Pidwirny, 2006). Konsentrasi CH4 mengalami peningkatan karena aktivitas antropogenik termasuk pertanian, pembakaran biomassa, tambang batubara. Aktivitas antropogenik ini sangat signifikan mempengaruhi budget CH4 secara global (Ruddiman, 2003). Perubahan konsentrasi CH4 juga akan berpengaruh terhadap produksi ozon di troposfer (Brasseur et al., 1999). Oksidasi CH4 oleh OH juga merupakan sumber utama CO dan formaldehid di troposfer (Hobb, 2000).
Temperatur merupakan kunci utama dalam kesetimbangan radiatif di atmosfer. Temperatur pada tekanan tertentu menentukan kerapatan dan dinamika di seluruh skala juga menentukan kecepatan reaksi kimia dan proses transfer radiatif di atmosfer (Schwartz, 2010). Profil temperatur vertikal di atmosfer bumi secara global berkaitan dengan radiasi, konveksi, dan proses pemanasan dinamika antara permukaan bumi dengan sistem atmosfer (Ramaswamy et al., 2006).
Penelitian profil vertikal komposisi atmosfer di wilayah Indonesia berbasis data satelit dilakukan dengan tujuan untuk memahami karakteristik dari masing-masing parameter atmosfer dari permukaan dan di berbagai level ketinggian. Komposisi atmosfer yang diteliti adalah ozon CO dan CH4 serta temperatur berbasis data AQUA-AIRS dengan periode pengamatan dari tahun 2003 sampai dengan tahun 2015.
2. METODE
Data yang digunakan pada penelitian ini adalah data ozon (ppm), CO (ppm), CH4 (ppm) dan temperatur (K) di wilayah Indonesia (10o LU – 10 o LS dan 94 o BT-141 o BT) pada ketinggian 1000 hPa sampai dengan 1 hPa hasil observasi Atmospheric Infra Red Sounder (AIRS) dari satelit AQUA. Data yang diperoleh merupakan data global rata-rata bulanan dengan grid 1o lintang x 1o bujur. Periode data yang digunakan dalam penelitian ini adalah dari tahun 2002 sampai dengan Agustus 2015 (http://acdisx.gsfc.nasa.gov/data/).
Metodologi penelitian yang diakukan adalah melakukan ekstraksi data ozon, CO, CH4 dan temperatur ntuk wilayah Indonesia dari data AQUA-AIRS global dalam format nc untuk periode 2003 sampai dengan 2015. Dilakukan konversi data dari NetCDF (Network Common Data Form) format untuk data ozon, CO, CH4dan temperaturmenggunakan HDF view dan EXCELL. Kemudian dilakukan pengolahan data dengan membuat analisis time series variasi ozon, CO dan CH4 dan temperatur pada ketinggian 1000 hpa sampai 1 hPa, kemudian dicari level maksimum dan minimum masing-masing parameter, ditentukan pula pola variasi tahunan dan musimannya.
3. HASIL PEMBAHASAN
Time series profil ozon terhadap ketinggian untuk Indonesia dari data AIRS tahun 2002 sampai 2015 memperlihatkan distribusi ozon yang dominan pada tekanan 10 hpa dengan konsentrasi ozon mencapai 8 ppm sampai dengan 10.4 ppm. Dan distribusi ozon minimum pada tekanan 1000 hPa dengan konsentrasi ozon 0.02 ppm (Gambar 1).
Rata-rata bulanan ozon menunjukkan nilai maksimum saat bulan Maret pada tekanan 10 hPa dengan konsentrasi ozon 9.63 ppm sedangkan ozon rata-rata bulanan minimum pada bulan Juli pada tekanan 10 hPa dengan konsentrasi ozon 8.67 ppm (Gambar 2a). Variasi musiman profil ozon ((Gambar2b) menunjukkan puncak ozon pada tekanan 10 hPa maksimum pada bulan Maret-April-Mei (MAM) dengan konsentrasi 9,86
- 732 -
konsentrasi 8,8 ppm dan pada bulan Juni-Juli-Agustus(JJA) dengan konsentrasi ozon 8.9 ppm.
Gambar 1. Grafik variasi temporal profil vertikal ozon Indonesia pada 1000 hPa sampai dengan 1 hPa periode tahun 2002 sampai dengan 2015
Gambar 2. Grafik variasi rata-rata bulanan (a) dan musiman (b) tahun 2002 sampai dengan 2015 profil vertikal ozon Indonesia pada 1000 hPa sampai dengan 1 hPa
Time series profil CO terhadap ketinggian untuk Indonesia memperlihatkan distribusi CO yang dominan pada tekanan 1000 hpa dengan konsentrasi CO mencapai 0.105 ppm sampai 0.120 ppm. Sedangkan distribusi CO minimum pada tekanan 20 hPa dengan konsentrasi CO 0.017 ppm sampaai 0.019 ppm Profil CO pada September 2002 dan Oktober 2006 memperlihatkan profil yang berbeda dengan profil yang lainnya. Pada kedua profil ini CO memperlihatkan konsentrasi yang tinggi sampai dengan ketinggian 500 hPa. Konsentrasi CO yang tinggi terkait dengan kejadian kebakaran hutan yang besar di Indonesia yang terjadi pada tahun tersebut (Gambar 3).
Profil rata-rata bulanan CO menunjukkan profil yang mirip dari 100 hPa sampai 1 hPa sedangkan dari 1000 hPa sampai 150 hPa lebih fluktuatif (Gambar 4a). Variasi musiman profil CO ((Gambar4b) menunjukkan menunjukkan profil yang mirip dari 100 hPa sampai 1 hPa sedangkan dari 1000 hPa sampai 150 hPa lebih fluktuatif, profil JJA menunjukkan minimum dan SON menunjukkan konsentrasi CO yang lebih tinggi.
- 733 -
Gambar 3. Grafik variasi temporal profil vertikal CO Indonesia pada 1000 hPa sampai dengan 1 hPa periode tahun 2002 sampai dengan 2015
Gambar 4. Grafik variasi rata-rata bulanan (a) dan musiman (b) tahun 2002 sampai dengan 2015 profil vertikal CO Indonesia pada 1000 hPa sampai dengan 1 hPa
Time series profil CH4 terhadap ketinggian untuk Indonesia memperlihatkan distribusi CH4 yang maksimum pada tekanan 1000 hpa dengan konsentrasi CH4 mencapai 1.793 ppm. Sedangkan distribusi CH4 minimum pada tekanan 1 hPa dengan konsentrasi CH41.03 ppm. Konsentrasi CH4 mengalami kenaikan dari waktu ke waktu pada setiap level (Gambar 5).
Gambar 5. Grafik variasi temporal profil vertikal CH4 Indonesia pada 1000 hPa sampai dengan 1 hPa periode tahun 2002 sampai dengan 2015
- 734 -
Profil rata-rata bulanan CH4menunjukkan profil setiap bulannya mempunyai kemiripan dari 1000 hPa sampai 1 hPa. (Gambar 6a). Variasi musiman profil CH4juga menunjukkan profil DJF, MAM, JJA dan SON mempunyai kemiripan dari 1000 hPa sampai 1 hPa. (Gambar6b).
Gambar 6. Grafik variasi rata-rata bulanan (a) dan musiman (b) tahun 2002 sampai dengan 2015 profil vertikal CH4 Indonesia pada 1000 hPa sampai dengan 1 hPa
Time series profil temperatur terhadap ketinggian untuk Indonesia dari data AIRS tahun 2002 sampai 2015 memperlihatkan distribusi temperatur yang dominan pada tekanan 1000 hpa. Pada 1000 hPa temperatur antara 299 K sampai dengan 300.5 K. dan minimum pada lapisan tropopause (100 hPa) dengan temperatur 191 K (Gambar 7).
Gambar 7. Grafik variasi temporal profil vertikal temperatur Indonesia pada 1000 hPa sampai dengan 1 hPa periode tahun 2002 sampai dengan 2015
Rata-rata bulanan temperatur menunjukkan nilai maksimum saat bulan bulan April pada tekanan 1000 hPa dengan temperatur 300.18 K sedangkan temperatur rata-rata bulanan minimum pada 100 hPa terdeteksi pada bulan Januari 2006 dengan temperatur hanya 188.54 K (Gambar 8a). Variasi musiman profil temperature (Gambar8 b) menunjukkan puncak temperatur pada tekanan 1000 hPa maksimum pada bulan Maret-April-Mei (MAM) dengan temperature 300.12 K Temperatur terminimum di 100 hPa terjadi pada bulan Desember-Januari-Februari (DJF) dengan temperatur 190.13 K.
- 735 -
Gambar 8. Grafik variasi rata-rata bulanan (a) dan musiman (b) tahun 2002 sampai dengan 2015 profil vertikal temperatur Indonesia pada 1000 hPa sampai dengan 1 hPa
Pada Gambar 9 sampai dengan Gambar 12ditampilkan variabilitas ozon, CO, CH4 dan temperatur pada ketinggian 1000 hPa, 500 hPa, 100 hPa, 20 hPa, 10 hPa dan 1 hPa menunjukkan bahwa profil vertikal komposisi atmosfer Indonesia mempunyai kondisi maksimum dan minimum pada ketinggian yang berbeda.
Gambar 9 menampilkan grafik variasi temporal ozon Indonesia tahun 2002 sampai dengan 2015 pada 1000 hPa, 500 hPa, 100 hpa. Pada 1000 hPa ozon terdeteksi 0,019 ppm sampai dengan 0,026 ppm. Konsentrasi ozon 0.019 ppm rata-rata terjadi pada bulan Januari-Februari dan 0.026ppm terjadi pada bulan Agustus-September. Pada 500 hPa ozon di Indonesia 0.045 ppm, dan pada 100 hPa konsentrasi ozon antara 0.1 ppm sampai dengan 0.16 ppm.Variasi temporal ozon pada 20 hPa, 10 hPa serta 1 hPa. Pada level 20 hPa ozon mencapai 6 ppm sampai dengan 7.93 ppm. Pada level 10 hPa konsentrasi ozon terdeteksi 8.5 ppm sampai dengan 10,44 ppm. Di level 10 hpa ini ozon di Indonesia terdeteksi mencapai nilai maksimum. Di level 1 hPa ozon di atas Indonesia terdeteksi 2.6 ppm sampai dengan 3,1 ppm.
Gambar 9. Grafik variasi temporal profil vertikal ozon Indonesia tahun 2002 sampai dengan 2015 pada 1000 hPa, 500 hPa, 100 hpa, 20 hPa, 10 hPa serta 1 hPa
Gambar 10 menampilkan grafik variasi temporal CO pada 1000 hPa, 500 hPa, 100 hpa. Pada 1000 hPa CO terdeteksi 0,08 ppm sampai dengan 0,126 ppm. Pada 500 hPa CO di Indonesia 0.08 sampai dengan 0.19 ppm.CO tertinggi dicapai pada Oktober tahun 2006.Dari data initerdeteksi bahwa CO dari kebakaran hutandapat mencapai ketinggian 500 hPa. Pada 100 hPa konsentrasi CO hanya terdeteksi 0.04ppm. Variasi temporal CO pada 20 hPa, 10 hPa serta 1 hPa. Pada level 20 hPa dan 10 hPa konsentrasi CO terdeteksi 0.01 ppm sampai dengan 0.02 ppm. Di level 1 hPa CO di atas Indonesia terdeteksi 0.04 ppm.
- 736 -
Gambar 10. Grafik variasi temporal profil vertikal CO Indonesia tahun 2002 sampai dengan 2015 pada 1000 hPa, 500 hPa, 100 hpa, 20 hPa, 10 hPa serta 1 hPa (b)
Pada Gambar 11 dapat dilihat grafik variasi temporal CH4 pada 1000 hPa, 500 hPa, 100 hpa. Pada 1000 hPa CH4 terdeteksi 1.78 ppm sampai dengan 1.80 ppm. Pada 500 hPa CH4 di Indonesia 1.74 ppm sampaidengan 1.79 ppm, dan pada 100 hPa konsentrasi CH4 antara 1.67 ppm sampai dengan 1.74 ppm. Di level 1000 hPa, 500 hPa dan 100 hPa konsentrasi CH4 cenderung meningkat dari waktu ke waktu. Variasi temporal CH4 pada 20 hPa, 10 hPa serta 1 hPa. Pada level 20 hPa CH4 mencapai 1.44 ppm sampai dengan 1.47 ppm. Pada level 10 hPa konsentrasi CH4 terdeteksi 1.28 ppm sampai dengan 1.30 ppm. Di level 1 hPa CH4di atas Indonesia terdeteksi 1.03 ppm sampai dengan 1.04 ppm. Di 20 hPa, 10 hPa dan 1 hPa, konsentarsi CH4 cenderung terjadi peningkatan dari waktu ke waktu walaupun peningkatannya kecil atau sekitar 0,01 ppm.
Gambar 11. Grafik variasi temporal profil vertikal CH4 Indonesia tahun 2002 sampai dengan 2015 pada 1000 hPa, 500 hPa, 100 hpa dan 20 hPa, 10 hPa serta 1 hPa
Gambar 12 memperlihatkan grafik variasi temporal temperatur pada 1000 hPa, 500 hPa, 100 hpa. Pada 1000 hPa temperatur terdeteksi 298.7 K sampai dengan 300.61 K. Pada 500 hPa temperatur di Indonesia 267.9 K sampai dengan 270.3 K, dan pada 100 hPa temperatur antara 188.5 K sampai dengan 195.8 K. Pada 100 hPa temperatur terdeteksi minimum.Variasi temporal temperatur pada 20 hPa, 10 hPa serta 1 hPa. Pada level 20 hPa temperatur 215 K sampai dengan 225 K. Pada level 10 hPa temperatur 225.2 K sampai dengan 235.7 K. Di level 1 hPa temperaturdi atas Indonesia terdeteksi 262.8 K sampai dengan 271.3 K.
- 737 -
Gambar 12. Grafik variasi temporal profil vertikal temperatur Indonesia tahun 2002 sampai dengan 2015 pada 1000 hPa, 500 hPa, 100 hpa, dan 20 hPa, 10 hPa serta 1 hPa (b)
4. KESIMPULAN
Profil vertikal komposisi atmosfer Indonesia mempunyai kondisi maksimum dan minimum pada ketinggian yang berbeda. Ozon di Indonesia maksimum pada 10 hPa dengan konsentrasi 8 sd 10 ppm, konsentrasi minimum di permukaan dengan konsentrasi 0.022 ppm. Profil CO dengan konsentrasi tertinggi di permukaan dengan konsentrasi 0,105 ppm dan minimum pada 20 hPa dengan konsetrasi 0,019 ppm. CH4 di permukaan mempunyai konsentrasi tertinggi yaitu 1,793 ppm dan konsentrasi minimum 1,03 ppm terdeteksi pada 1 hPa. Profil temperatur di Indonesia terdeteksi maksimum di level permukaan yaitu 299 K dan minimum pada lapisan tropopause (100 hPa) dengan temperatur 191 K. UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada para Ilmuwan NASA dan para PI yang telah menyediakan data hasil pengukuran satelit AQUA melalui fasilitas Giovanni yang dapat digunakan dalam penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA
Atmospheric Infra Red Sounder Brosures, http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/AIRS/documentation/AIRS_brochure.pdf, Brasseur, G., Orlando, J., dan Tyndall, G. (Editors) (1999). Atmospheric Chemistry and Global Change. Topics in
Environmental Chemistry. Oxford University Press, New York, 654 pp.
Hobbs, P. (2000). Introduction to Atmospheric Chemistry, Cambridge University Press, Cambridge,U.K., 262 pp.. Ackerand, J.G., dan Leptoukh, S.G. (2007), “Online Analysis Enhances Use of NASA Earth Science Data”; Eos. Trans.
AGU., 88(2):14-17.
Kaye (1993). Stratospheric Ozone Change, Global Atmospheric Chemical Change, Chapman and Hill, New York, pp 125-126.
Makarova, M.V., Poborovskii, dan Timoteev, Y.M. (2004). Temporal Variation of Total Atmospheric CO over St Petersburg, Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 40(3):313-322.
Pidwirny, M. (2006). Atmospheric Composition. Fundamentals of Physical Geography, 2nd Edition.
Stolarski, R.S., Douglass, A.R., Steenrod, S., dan Pawso, S. (2005). Trend in stratospheric ozone, Journal of the Atmospheri Science, 83:1028-1040.
Ruddiman, W.F. (2003). The anthropogenic greenhouse era began thousands of years ago, Climatic Change 61:261-293.
WMO (World Meteorological Organization), Scientific assessment of ozone depletion (2011) Rep. 52, Global Ozone Res. and Monit. Proj., 516 pp., Geneva, Switzerland.
- 738 -
*) Makalah ini telah diperbaiki sesuai dengan saran dan masukan pada saat diskusi presentasi ilmiah BERITA ACARA
PRESENTASI ILMIAH SINAS INDERAJA 2015
Moderator : Dr. Ir. Nyoman Metta N. Natih, M.Si.
Judul Makalah : Profil Vertikal Komposisi Atmosfer IndonesiaBerbasis Aqua AIRS Pemakalah : Ninong Komala
Jam : 16.39 WIB
Tempat : Meeting Room A Diskusi :
Vincent Siregar (IPB) :
1. Koreksi atmosferik sering menggunakan default dari software, bagaimana profil atmosfer di tiap-tiap lapisan dapat digunakan untuk koreksi dan bagaimana dengan data insitu?
2. Bagaimana gambaran distribusi ozon secara horizontal, daerah mana yang ozonnya sudah menipis? Jawaban :
1. Pengukuran secara insitu dapat dilakukan tetapi terbatas dan mahal, perlu alat yang bagus.
2. Variasi horizontal sudah pernah dianalisis menggunakan data OMI AURA. Wilayah Indonesia timur memiliki lapisan ozon yang lebih tipis dibandingkan Indonesia barat dan di Indonesia tidak ada lubang ozon, tetapi UV-nya tinggi, bisa dikategorikan ekstrim.