Sains Atmosfer dan Iklim *)

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)

Konsep Bumi

• Ukuran bumi terbatas, kemampuan menopang kehidupan terbatas, penduduk bertambah terus, sumber daya alam

renewable (dapat diperbaharui) mengalami kerusakan parah,

sumber daya alam non renewable terus berkurang dan kerusakan alam terus meningkat  Ilmu dan Teknologi Kebumian sangat penting : S2 – UPI, S1, S2, S3 – ITB, dll.

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

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

Perbandingan keliling lingkaran dengan diameternya =  = 3,1416. Luas bumi = 4R2 _{~ 510 juta km}2_{. Volumenya = 4/3} _R3

= 1,08 x 1012 _km3_{. Massa bumi = 5,98 x 10}24 _{kg, dan}

densitasnya = 5,52 g/cm3_.

• Jumlah penduduk sekarang 6 milyar, pada tahun 2025 diperkirakan mencapai 8 milyar, sementara lahan pertanian terus berkurang yang menyebabkan bahaya kelaparan dan kemiskinan yang signifikan.

• Sampai sekarang, Bumi satu-satunya planet yang dihuni oleh

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.

Daerah Tropis dan Ekuatorial

a. Daerah Tropis

• Istilah “tropis” tidak eksak.

• Tropic of Cancer (23,50 _{C) dan Tropic of Capricorn (23,5}0 _S).

• Daerah tropis, dibatasi oleh lintang kuda (horse latitude) yaitu lintang 300 _{U dan 30}0 _S.

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

b. Daerah Ekuatorial

• Dibatasi lintang 100 _{U dan 10}0 _S. • Daerah surplus energi

• Gaya rotasi bumi (gaya Coriolis) kecil : F_c = 2  sin  . V

: kecepatan sudut rotasi bumi,

 : lintang tempat V : kecepatan angin

• Siklon tropis lemah, umumnya masih berbentuk depresi dan badai tropis. 1 5 s rad 10 x 7,2 42s 56m 23j rad 2π Ω    

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

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 bertahan

hidup beberapa menit saja.

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

• Banyak kegagalan aktivitas manusia tanpa memperhitungkan unsur

cuaca dan iklim.

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

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

• Atmosfer sebagai sumber daya alam perlu dieksplorasi dan

dieksploitasi, misalnya teknologi modifikasi cuaca, memanfaatkan energi angin menjadi energi terbarukan.

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 :

•

O

₂

, penting bagi kehidupan,

untuk mengubah zat

makanan menjadi energi hidup.

•

O

₃

, gas ini terutama terdapat pada ketinggian antara 20

dan 30 km, membentuk ozonosfer yang menyerap energi

UV.

•

CO

₂

, menyebabkan efek rumah kaca, pemanasan global,

disebut gas rumah kaca (greenhouse gas).

•

H

₂

O, 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 CO

₂

, O

₂

,

N

₂

, dll.



Uap air, dapat berubah fasa.



Aerosol atmosfer yang higroskopis bertindak sebagai

IKA

.

Eksplorasi Temperatur Atmosfer

•

Untuk pertama kali temperatur vertikal diukur dengan

balonsonde. Diperoleh bahwa pada lapisan bawah rata-rata

10 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

menemukan

lapisan di atas 10 km, dimana temperatur naik dengan

ketinggian (inversi temperatur). De Bort menyebut lapisan

susut temperatur : troposfer dan lapisan inversi temperatur :

stratosfer.

•

Molchanov (1893–1941) meteorologiwan Soviet dalam tahun

1927 menemukan radiosonde yang mampu mengukur

temperatur, tekanan, kelembapan sampai ketinggian 40 km.

•

Untuk paras yang lebih tinggi struktur temperatur diukur oleh

roket dan dideduksi (diturunkan) secara tidak langsung oleh

observasi satelit cuaca.

•

Tatanama lapisan atmosfer menurut distribusi vertikal adalah

troposfer,

stratosfer,

mesosfer

dan

termosfer

yang

puncaknya

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

•

CO

₂

memberi efek rumah kaca, CO adalah gas

aktif dan beracun.

•

Jika pembakaran bbm oleh kendaraan bermotor

secara sempurna maka muncul CO

₂

, jika tidak

sempurna keluar CO.

•

Sulfur dioksida SO

₂

dan asam belerang H

₂

SO

₄

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 (CFCl

₃

) dan

Freon 12 (CF

₂

Cl

₂

) 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 Iklim Jenis 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

0

_{C, 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

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 (0_C/tahun) Kota Kenaikan temperatur (0_C/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 0_C 1,1 0_C 1,0 0_C

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 hari udara panas, langit berawan. Perubahan cuaca seperti ini lebih tepat 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 peningkatan konveksi

c. Teori karbon dioksida : CO₂ adalah gas rumah kaca, transparan terhadap gelombang pendek matahari dan menyerap radiasi gelombang panjang bumi.

 Manusia dapat bertahan hidup tanpa atmosfer (O

₂

~ 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 CO

₂

, lubang ozonosfer oleh gas CFC, deforestasi

dan tumpahan minyak di laut dapat menyebabkan global warming.

CO

₂

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.

Daftar Pustaka

Arlery, R., H. Grisollet et B. Guilmet, 1973. Climatologie, Gauthier

Villars, Paris.

Bayong Tjasyono HK. 1987. Iklim dan Lingkungan, Penerbit PT

Cendikia Jaya Utama, Bandung.

Bayong Tjasyono HK., 2006. Meteorologi Indonesia I : Karakteristik

dan Sirkulasi Atmosfer, Penerbit BMG, Jakarta.

Bayong Tjasyono HK., dan Sri Woro B. Harijono, 2006. Meteorologi

Indonesia II : Awan dan Hujan Monsun, Penerbit BMG,

Jakarta.

Bayong Tjasyono HK., 1990. Dampak Urbanisasi Terhadap Iklim

Kota Bandung, Seminar Nasional Perubahan Iklim Bumi,

Jakarta.

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

Erich J. Plate, 1982. Engineering Meteorology, Elsevier Scientific

Publishing Company, Amsterdam.

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

London.

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

Press, Chicago.