MAKALAH
MIKROMETEOROLOGI (GFM 344)
TEKHNIK PENGUKURAN FLUKS ENERGI DAN MASSA UDARA Oleh : Kelompok 2 Hotber Joy S (G24080014) Dewa Putu A M (G24080017) Dila Peracitra S (G24080026) Arridha Dara K (G24080043)
DEPARTEMEN GEOFISIKA DAN METEOROLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2010
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Dalam bidang meteorologi fluks massa dan energi memilki hubungan yang erat, dengan adanya perpindahan panas atau transfer energi dapat mempengaruhi pergerakan dari massa udara dari suatu tempat ke tempat lain. Pergerakan massa udara dapat menentukan keadaan udara pada tempat dimana massa udara bergerak, sehingga daerah yang dilalui dapat bersifat panas atau bersifat dingin tergantung dari pertukaran panas yang mengakibatkan udara menjadi stabil atau tidak stabil sehingga transfer panas berpengaruh terhadap pergerakan massa udara.
Fluks energi menyatakan transfer energi yang merupakan kapasitas atau kemampuan untuk melakukan kerja per satuan luas per satuan waktu. Berdasarkan hukum termodinamika, energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat dikonversi kedalam bentuk lainnya. Transfer energi dapat terjadi melalui medium maupun tanpa melalui medium. Besarnya kuantitas paket energi setiap sayuan luas dan satuan waktu tertentu itulah yang disebut sebagai fluks energi.
Fluks massa udara merupakan besarnya massa udara seperti uap air, CO2 ,
serta gas gas lain seperti Metan dan polutan lainnya.yang bergerak secara dinamis dari daerah sumber ke lokasi lainnya per satuan luas per satuan waktu.
Untuk mengetahui besarnya pergerakan massa udara dan jumlah energi yang digunakan maka diperlukan motode-metode pengukuran fluks massa dan energi tersebut,
1.2. Tujuan
Mengetahui mekanisme serta pengukuran fluks massa dan energy pada pada beberapa penutupan lahan seperti pertanian (fluks Bahang) maupun lautan ( fluks CO2)
BAB II
PENGERTIAN FLUKS ENERGI DAN MASSA
2.1. Fluks Energi
Fluks didefinisikan sebagai transfer dari sebuah kuantitas fisis per satuan luas dalam waktu tertentu, dan merupakan besaran vektor. Kuantitas fisis dalam meteorologi terdiri dari massa, energi, momentum, polutan dan lain-lain yang terjadi di planetary boundary layer. Planetary boundary layer merupakan suatu lapisan atmosfer di dekat permukaan dimana gaya kekasapan permukaan mempengaruhi gerakan udara di atasnya dan massa udaranya mengandung karakteristik permukaan di bawahnya.
Gambar 1. Radiasi Bumi (sumber : http://earthobservatory.nasa.gov)
Berdasarkan definisi di atas, dapat diketahui bahwa fluks energi merupakan transfer dari energi (kapasitas untuk melakukan kerja) per satuan luas dan waktu (Jm
-2s-1). Pengukuran fluks energi dalam mikrometeorologi terdiri dari beberapa bentuk
yaitu radiasi matahari, radiasi atmosfer, panas terasa, dan panas laten.
Mekanisme Terjadinya Fluks Energi
Transfer energi dalam bentuk energi panas disebabkan oleh adanya gradien suhu. Perpindahan panas terjadi dari tempat/benda yang mempunyai tingkat energi
lebih tinggi ketingkat yang lebih rendah. Proses pemindahan energi secara umum dibagi tiga yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.
2.2. Fluks Massa
Fluks massa merupakan transfer dari massa dapat berupa uap air, CO2 dan
fluks uap air, dan gas-gas lain yang ada di atmosfer (kgm-2s-1).
Fluks CO2
Fluks CO2 dari tanah dipengaruhi oleh proses produksi dan transpor CO2
(Moren dan Lindorth 2000). Produksi CO2 dipengaruhi oleh dekomposisi bahan
organik (Van Dasselar dan Lantinga 1995), kelembaban tanah dan suhu tanah dan suhu tanah (Lessard et al. 1994; Sitaula dan Bakken 1993). Peningkatan suhu akan meningkatkan fluks CO2. Moren dan Lindorth (2000) mengemukakan setelah
diproduksi di dalam tanah, gas CO2 dilepas ke atmosfer dengan dua cara yaitu difusi
dan aliran massa. Pada keadaan normal proses difusi lebih dominan , sedangkan pada kondisi jenuh proses aliran berlangsung dominan. Fluks CO2 bervariasi menurut
kedalaman tanah, suhu tanah, aerasi dan musim. Fluks CO2 tertinggi pada kedalaman
0-5 cm tanah dibanding kedalaman 10-25 cm tanah (Ishizuka et al. 2000) dan minimum pada saat pagi hari dan setelah matahari terbenam (Dugas 1993). Pada keadaan aerobik produksi CO2 lebih besar dari keadaan anaerobik (Sabiham dan
Sulistyo 2000). Sedangkan pada musim panas fluks CO2 lebih besar pada musim
dingin (Nakadai et al. 1996; Moren dan Lindorth 2000).
Fluks CO2 bervariasi pada lahan pertanian yang disebabkan perbedaan
karakteristik fisik dan kimia tanah, dan pengelolaan pertanian (Nakadai et al. 1996).
Uap air dan Gas-Gas Lain
Di alam, air dapat berbentuk sebagai tiga fase yaitu cairan (air), gas (uap), dan padat (es). Bentuk air dalam tiga fase menjadi penting karena menyangkut penyeraan untuk mencair dan menguap atau pelepasan bahang bila mengembun atau membeku (Rozari, 1993). Di atmosfer air berada dalam bentuk uap. Kandungan air di udara disebut sebagai kelembaban. Kapasitas udara dalam menampung uap air dinyatakan
oleh nilai kelembabannya. Kelembaban udara berhubungan dengan proses pengembangan dan pengerutan udara. Demikian juga suhu sangat mempengaruhi kelembaban. Semakin tinggi suhu udara, kapasitas udara untuk menampung uap air per satuan volume udara semakin besar. Dalam iklim mikro, kelembaban udara dinyatakan sebagai kelembaban mutlak atau relatif.
Mekanisme Terjadinya Fluks Massa
Proses pertukaran atau transfer energi terdiri dari dua mekanisme, yaitu difusi dan konveksi. Pada keadaan normal proses difusi lebih dominan, sedangkan pada kondisi jenuh proses aliran konveksi berlangsung dominan. Transfer massa terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi antar partikel.
BAB III
METODE PENGUKURAN DAN STUDI KASUS 3.1. Metode Pengukuran Fluks
Dalam bidang meteorologi fluks massa dan energi memilki hubungan yang erat, dengan adanya perpindahan panas atau transfer energi dapat mempengaruhi pergerakan dari massa udara dari suatu tempat ke tempat lain. Pergerakan massa udara dapat menentukan keadaan udara pada tempat dimana massa udara bergerak, sehingga daerah yang dilalui dapat bersifat panas atau bersifat dingin tergantung dari pertukaran panas yang mengakibatkan udara menjadi stabil atau tidak stabil sehingga transfer panas berpengaruh terhadap pergerakan massa udara.
Fluks energi merupakan transfer energi dari kapasitas atau kemampuan untuk melakukan kerja per satuan luas per satuan waktu , energi itu sendiri berdasarkan hukum termodinamika tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat dikonversi kedalam bentuk lainnya. Transfer energi bergerak tanpa melalui medium, sehingga dapat memanaskan daerah secara merata. Fluks massa udara merupakan besarnya udara yang bergerak secara dinamis dari daerah sumber ke lokasi lainnya per satuan luas per satuan waktu.
Untuk mengetahui besarnya pergerakan massa udara dan jumlah energi yang digunakan maka diperlukan motode-metode pengukuran fluks massa dan energi yang pada dasarnya memiliki metode yang serupa
Dalam penentuan fluks energi ada beberapa metode yang dapat digunakan seperti Metode Surface-drag measurement, Metode Energy Balance, Metode Korelasi Eddy, Bulk Transfer Method, Gradient Methode, Profil Methode, Geostrophic Departure Methode. Serta Bowen Ratio
Metode Surface-drag measurement
Metode ini digunakan untuk mengukur langsung shearing stress pada permukaan dengan menggunakan drag plate. Drag yang diukur harus mewakili semua area. Dengan asumsi penutup tanah yang cukup seragam dengan elemen kekasaran yang kecil serta tetap relatif tidak terganggu oleh instalasi dari pelat drag. Karakteristik kekasaran permukaan asli dipertahankan atau digandakan di atas piring drag. Lempeng drag memiliki cincin annular kecil di sekitarnya untuk mengisolasi daerah sekitarnya dan untuk pengukuran gaya drag dengan menggunakan alat pengukur srtain dan transduser alectromecanichal.
Metode Energy Balance
Metode ini digunakan untuk pengukuran permukaan fluks panas selain itu metode ini dapat digunakan untuk mengestimasi Bowen Ratio dari rata-rata temperatur dan pengukuran kelembabaan dari dua ketinggian permukaan yang berdekatan. Fluks panas dapat diketahui dengan pelat tipis dengan thermopile yang tertanam dan satu piringan tipis tersebut dapat menentukan fluks panas dalaam tanah.
Metode Korelasi Eddy
Metode ini digunakan untuk pengukuran panaas secara langsung dari pertukaaran panas yang disebabkan oleh turbulen. Jika semua fluktuasi velocity temperatur dikontribusikan untuk momentum dan fluks panas maka penentuanya dapat ditentukan dari covarian dengan pendekatan flukstuasi rata-rata waktu. Persamaan yang diperoleh daari fluks momentun dan fluks panas secara vertikal pada permukaan yang homogen adalah sebagai berikut :
Pada lapisan permukaan yang horizontal korelasi Eddy dapat digunakan untuk penentuan fluks permukaan, kerena flukss tersebut bernilai konstan, dan bebas terhadap ketinggian. Pada ketinggian 10 m atau lebih, light cup, vane dan mesin pendorong anemometer judga dapat digunakan untuk menghitung varian dan fluks. Rata-rata waktu diukur terhadap penambahan ketinggian, dikarenakaan ukuran karakteristik yang besar dari Eddy yang bertambah terhadap ketinggian pad lapisan
PBL. Metode ini bermanfaat untuk pengukuran pertukaran turbulensi secara langsung tanpa dibatasi oleh asumsi mengenai kaadaan alam yang terdapat dipermukaan atau di atmosfer.
Bulk Transfer Method
Metode ini digunakan untuk menentukan fluks dari pengukuran rata-rat angin dan temperatur pada lapiasan permukaan atau pada PBL dimana pengukuran ini menggunakn pendekatan korelasi fluks-profil. Metode ini dapat digunakan untuk mengukur atau memperkirakaan rata-rata velocity dan temperatur hanya pada satu level.
Gradient Methode
Metode ini hampir sama dengan metode bulk transfer, yang diketahui untuk menentukan kekasarn permukaan dan suhu permukaan. Pengukuran dua parameter tersebut sebanaarnya tidak mudah untuk dilakukan karena pada kenyataannya untuk permukaan yang kasar dan yang tidak rata tidak dapat dibataasi dan pengukuran suhu tidak dapat ditemtukan secara langsung. Untuk memudahkan pengukuran maka dibuat pengukuran pada dua atau lebih ketinggian padaa lapisan permukaan. Dari sini, kita daapt menggambarkan simple gradient dan aerodynamic methode untuk penentuan pengukuran rata-rata fluks yang berbeda atau velocity gradien dan suhu antara dua ketinggian z1 dan z2 pada lapisan permukaan. Dua persamaan yang sering
digunakan untuk penentuan gradien vertikal dengan menggunakan variabel M adalaah :
Dimana rata-rata ketinggian geometrik adalah
Penaksiran dari finite-difference error yang sama pada perkiraan velocit dan gradien tempertur potensial pada lapisan permukaan di atmosfer dapat ditunjukan dengan persamaan logaritma pada jarak yang lebih tinggi, untuk pendekatan linear ditunjukan pada kondisi netral, tidak netral dan kondisi convektiv(Arya,1991).
Profil Methode
Metode ini digunakan untuk penentuan fluks yang memilki nilai error yang kecil, metode ini dibuat untuk mengukur rata-rat velocity dan temperatur secara keseluruhan pada lebih dua level di lapisan permukaan. Prosedur yang baik untuk menentukan fluks dari pengukuran profil adalah dari pendekatan relasi dari fluks-profil untuk observasi dengan menggunakan teknik least-square. Akibat dari pengacakaan dari error percobaan pada estimasi fluks akan menjadi lebih kecil. Persamaan yang digunakan adalah :
Dengan catatan nilai fix adalah z-ψh dan ln z- ψh adalah nilai dari U dan θ dapat
digunakan sebagai penentu dari best-fitted lines, dimana ln z0 dan θ0 dapat digunakn
sebagai penentu dimana k/u,k/θ adalah slope dari best-fitted lines.
Prosedur diatas adalah metode grafik yang menentukan pergeseran velocity atau surface stresss dari observasi profil angin pada lapisan permukaan yang netral. Keadaan yang stabil dibuat pada koordinat pada perubahan ketinggian yang mana angin dan profil temperatur potensial berbentuk linear. Jika parameter kekasapan permukaan diketahui atau dapat diprediksi maka dengan mudah diterjemahkan pada metode ini, dengan pengukuran kecepatan angin pada satu level dan temperatur pada dua keetinggian di lapisan permukaan (Arya,1999)
Geostrophic Departure Methode
Metode ini digunakan untuk keseluruhan respon dari beberapa level ketinggian ke lapisan tertinggi dari PBL, dimana fluks turbulen dapat menghilang, dan diperoleh fungsi dari fluks momentum terhadap ketinggian z :
Pada persamaan (11.28) dan (11.29) menunjukan fluks momentum lokal dan surface stress dari keseluruhan komponen angin aktual dari komponen angin geostropik. Geostrophic Departure Methode merupakan teknik penentuan fluks turbulen dari pengukuran profil angin.percepatan angin, ketidakpastian dari peneentuan rata-rata aktuaal angin, angin geostropik dan ketinggian PBL, mengakibatkan frekuensi penentuan ketinggian dari keadaan yang ideal oleh karena itu error yang diperoleh sangat besar pada penentuan fluks karena pada puncak PBL fluks turbulen momentum akaan habis dan pengidentifikasian dari rata-rata profil angin sendiri.
Bowen Ratio
Bowen Rasio merupakan metode yang sering digunakan untuk pendugaan fluks energi permukaan seperti panas laten, serta panas terasa, karena lebih sederhana. Banyak studi tentang mikroklimatologi, mikrometeorologi, dan hidrologi membutuhkan suatu informasi mengenai fluks energi yang berkesinambungan.
Sebenarnya metode yang memiliki akurasi yang paling tinggi yang dikembangkan saat ini adalah metode korelasi eddy, akan tetapi karena kurang ekonomisnya metode ini dalam hal instrument maka metode ini biasanya digantikan dengan metode pengukuran secara tidak langsung seperti metode Bown Ratio Energy Balance yang menggunakan rataan pengukuran profil temperatur dan kelembaban pada daerah Surface Boundary Layer untuk pengukuran Fluks.
𝛽 = 𝐻𝑠 𝐻𝑙 ≅ 𝛾
𝑇
𝑞
Dengan melakukan pendugaan fluks dengan menggunakan temperatur dan gradien kelembaban, 𝛾 adalah konstanta psikrometri(0,4 g/kgK-1) sedangkan 𝑇 dan 𝑞 merupakan perbedaan suhu udara serta kelembaban presitif (diukur dalam ketinggian yang sama).
Dengan menggunakan Bowen rasio dapat dicari beberapa parameter yang digunakan dalam pendeskripsian fluks energi
3.2. Studi Kasus
Ada beberapa penelitian yang menggunakan metode metode seperti yang disebutkan diatas untuk mempelajari berbagai fenomena fenomena atmosfer yang terjadi. Akan tetapi dalam makalah ini hanya dipilih metode Bowen ratio untuk pendugaan fluks energi permukaan pada lahan basah pertanian Ile-Ife Nigeria, yang di kerjakan oleh O.R.Oladosu. Dan metode Korelasi eddy untuk mempelajari fluks CO2 di daerah laut terbuka.
a. Fluks energi
Pendugaan Fluks energi permukaan yang dilakukan di lahan basah pertanian di daerah tropis ini dilakukan oleh O R Oladosu pada tanggal 25-29 Februari 2004 atau hari ke 56-60 pada julian date. Yang dilakukan pada lahan percobaan seluas 1400 ha di kampus Obafemi Awolo University (7033’ LU, 4033’BT).
Besarnya kekasapan permukaanberdasarkan observasi sebesar 0,5-3 cm. Sedangkan kapasitas panas pada wilayah ini 1,56-0,19 Jm-3K-1 dan albedo tempat tersebut berkisar antara 0,16 dan 0,20.
Pengukuran parameter ini dilakukan dengan cara kecepatan angin rata-rata serta temperatur bola basah dan bola kering pada ketinggian yang tepat, radiasi global, serta net radiasi, juga fluks energi dan termometer tanah, temperatur permukaan dan parameter-parameter
meteorologi lainnya seperti penutupan awan, dan curahan hujan.
Selama lima hari pengukuran didapatkan nilai radiasi netto serta fluks panas bumi melalui pengukuran, sedangkan parameter lain seperti Fluks panas terasa dan fluks panas laten diduga dengan menggunakan metode bowen rasio. (Oladosu,2006)
Dari pengukuran didapatkan hasil keluaran seperti pada gambar-gambar disebelah kanan.
b. Fluks Massa
Studi kasus yang kedua adalah hasil penelitian Tsukamoto bersama timnya dalam melakukan pengukuran fluks CO2 di atas lautan Pasifik bagian
barat dengan menggunakan metode korelasi eddy.
Dalam penelitian ini digunakan instrumen standar korelasi seperti pada gambar disamping, yang terdiri dari hrgrometer infrared, Penganalisis CO2 dan H2O
yang menggunakan frekuensi gelombang antara 0,01-0,1 Hz.
Melaui penelitian ini didapatkan bahwa nilai fluks CO2 diwilayah pasifik
bagian barat sekitar -0,037 mg m-2s-1 ( setiap m2 permukaan lautan memiliki kemampuan menyerap karbon dioksida sebesar 0,037 mgs-1)
KESIMPULAN
Berdasarkan Pembahasan diatas disimpulkan bahwa dalam melakukan pengukuran fluks dapat dilakukan dengan berbagai metode antara lain Metode Surface-drag measurement, Metode Energy Balance, Metode Korelasi Eddy, Bulk Transfer Method, Gradient Methode, Profil Methode dan Geostrophic Departure Methode.
DAFTAR PUSTAKA
Moren AS. Lindorth A. 2000. Carbon Dioxide Exchange at the Floor or Boreal Forest. Agricultural and Forest bMeteorology 101:1-14)
Van Dasselar A. Latinga EA, 1995. Modelling the Carbon Cycle of Grassland in the Netherlands J. Agricultural Sci. 43 (2):183-194
Lessard R. Rochette P, Topp E, Pattery E. Desjardins RL, Beaumont G. 1994. Methane and carbon Dioxide Fluxes from Poorly Drained Adjacent Cultivated and Forest Sites Canadian Journal of Soil Science 74: 139-146 Ishizuka S, Tsurata H, Murdiyarso D, 2000. Relationship between the Fluxes of
Greenhouse gases and Soil Properties a Research Site of kJambi, Sumatra. In: Murdiyarso D and Tsurata H. The Impact of Land-use/cover Change on Greenhouse Gas emissions in Tropical Asia. IC-SEA and NIAES.
Dugas WA. 1993. Micrometeorogical and cahmber measurement of CO2 flux from
Sabiham S, Sulistyono NBE, 2000. Kajian Beberapa Sifat Inheren dan Perilaku Gambut;Kehilangan Karbondiksida (CO2) dan Metana (CH4) Melalui proses
Reduksi Oksidasi. J. tanah Tropika 10: 127-135
Nakadai T, Koizumi H, Bekku Y, Totsuka T. 1996. Carbon Dioxide Evolution of aan Upland Rice and Barley Double Cropping Field in central Japan. Ecological Research 11: 217-227
Tsurata H, Ishizuka S, Ueda S, Murdiyarso D 2000. Seasonal and spatial Vaeriation of CO2 and N2O Fluxes from The Surface Soils in Different Forms of
Land-use/cpver Change on Greenhouse Gas emissions in Trpocal Asia IC-SEA and NIAES.
Tsukamoto Osamu. 2001. Eddy-Covariance CO2 Fluks Measurements Over Open
Ocean.Departement of Earth Sciences, okayama Univercity
Oladosu O R. 2006. Bowen ratio Estimation of Surface Energy Fluxes in a Humid
Tropical Agricultural site, Ile-Ife, Nigeria. Nigeria: Federal University of Technology, P. M. B. 704
