ANALISIS PROFIL VERTIKAL KONSENTRASI OZON
DARI HASIL OBSERVASI TAHUN 2011
Dian Yudha Risdianto
e-mail: [email protected] Balai Pengamatan Dirgantara Watukosek, LAPAN
Abstrak - Telah dilakukan analisis profil vertikal konsentrasi ozon dari hasil observasi di Balai Pengamatan
Dirgantara Watukosek pada tahun 2011. Tujuan penelitian ini adalah pemantauan lapisan ozon dan sebagai basis data profil konsentrasi ozon di Jawa Timur. Penelitian di lakukan dengan membuat profil konsentrasi ozon selama tahun 2011 yang diperoleh dari payload Radiosonde Vaisala dan ENSCI ECC Ozonesonde. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai konsentrasi ozon dalam tekanan ozon partial terbesar diperoleh pada bulan Oktober sebesar 15,69 mPa dan terkecil pada bulan Januari yaitu sebesar 11,03 mPa.
Abstract - Has been done vertical profile analysis concentration of ozone from result of observation in
Balai Pengamatan Dirgantara Watukosek in the year 2011. The purpose of this study is monitoring the ozone layer and the ozone concentration profile data base in East Java. Research done by creating profiles of ozone concentrations during the year 2011 obtained from payload radiosonde Vaisala and ENSCI ECC Ozonesonde. Results showed that the concentration of ozone in the ozone partial pressure of the largest obtained in October of 15.69 mPa and the smallest in January that is equal to 11.03 mPa.
Katakunci: ozon, watukosek, ozonesonde, radiosonde.
PENDAHULUAN
Ozon yang bersifat melindungi kehidupan dari sengatan radiasi ultraviolet terdapat pada lapisan stratosfer. Pada lapisan ini mengandung ±90% total kolom ozon di atmosfer dan sisanya ± 10% di lapisan troposfer. Ozon di lapisan stratosfer, disebut juga sebagai lapisan ozon, berperan sebagai lapisan pelindung bumi dari sinar ultraviolet yang berbahaya bila masuk ke bumi dengan intensitas yang tinggi. Jika sinar ultraviolet tidak terabsorbsi, sebagian dampak radiasi ini mengakibatkan meningkatnya kasus penyakit kanker kulit, menurunkan hasil panen, dan sangat mempengaruhi kehidupan plankton dan larva ikan laut. Ozon tertumpu pada lapisan stratosfer di antara 15 sampai 30 km di atas permukaan bumi. Mengingat akan pentingnya lapisan ozon tersebut, maka perlu dilakukan pemantauan dan analisis data kondisi profil vertikal konsentrasi ozon di stratosfer. Peluncuran ozonesonde untuk mengukur kondisi ozon secara vertikal sudah dilakukan sejak tahun 1993 hingga saat ini, kegiatan ini bekerja sama dengan Tokyo University dan NASDA-Jepang. Pada Tahun 1998, Watukosek (BPD Watukosek) menjadi bagian dari program SHADOZ (Southern Hemisphere Additional Ozonesonde) dan merupakan salah satu dari 13 titik pengamatan ozon dunia. Data set ozon dari program SHADOZ sudah digunakan untuk validasi satelit TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) dan TTO (Tropospheric Total Ozone). Pada Desember 2004 data ozonesonde Watukosek dari SHADOZ ini digunakan pula untuk validasi Ozone Monitoring Instrumen (OMI) yang dibawa satelit EOS-AURA (LAPAN, 2009).
Kegiatan observasi ozon vertikal dilaksanakan setiap bulan dengan menggunakan payload
(sensor/muatan alat) radiosonde vaisala dan ECC ozonesonde. Pada data hasil observasi selain data ozon, juga diperoleh pula data meteorologi seperti temperatur, tekanan dan kelembaban. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis awal rawdata profil konsentrasi ozon vertikal yang diperoleh dari hasil observasi di BPD Watukosek dengan tahapan pengkajian profil bulanan selama kegiatan observasi tahun 2011. Penelitian ozon akan sangat berguna selain sebagai basis data juga bermanfaat dalam pemantauan lapisan ozon khususnya di Jawa Timur.
METODE PENELITIAN
Alat dan bahan1. Radiosonde Vaisala RS-80
Payload radiosonde vaisala RS-80 dilengkapi tiga buah sensor, masing-masing sensor tekanan, sensor suhu dan sensor kelembaban. Diagram skematik dari payload radiosonde vaisala RS-80 di tunjukkan pada Gambar 1. di bawah ini.
Gambar 1. Diagram skematik Radiosonde RS-80 Untuk karakteristik dari sensor tekanan, temperatur dan kelembaban sebagai berikut : Spesifikasi umum :
Dimensi antenna : 55 mm x 147 mm x 90 mm
Berat, batterai aktif 220 gram Batterai : Basah
Voltase : 19 V
Transmitter frekuensi : 403 MHz, 1680 MHz Sensor Pressure :
Tipe : Barocap Capacitive aneroid Measuring range : 1060 hPa to 3hPa (mb) Resolution : 0.1 hPa
Accuracy :
Reproducibility (1): 0.5 hPa
Repeatability of calibration (2) : 0.5 hPa
Gambar 2. Sensor pressure
Sensor Temperatur :
Tipe : Thermocap Capacitive bead Measuring range : +60 °C to - 90 °C Resolution : 0.1 °C
Accuracy :
Reproducibility (1) : 0.2 °C up to 50 hPa, 0.3 °C for 50-15 hPa, 0.4°C above 15 hPa level Repeatability of calibration (2) : 0.2 °C Lag : < 2.5 s (6 m/s flow at 1000 hPa)
Gambar 3. Sensor temperatur dan kelembaban Sensor Kelembaban :
Tipe : HUMICAP Thin film capacitor Measuring range : 0 to 100 % RH Resolution : 1 % RH
Lag : 1 s (6 m/s flow at 1000 hPa, +20 °C) Accuracy :
Reproducibility (1) : < 3 %RH
Repeatability of calibration (2) : 2 % RH
2. ECC Ozonesonde
Sensor ECC ozonesonde yang digunakan pada pengamatan adalah jenis sensor ECC
ozonesonde 6A, spesifikasi dari sensor sebagai berikut :
Ukuran ozonesonde : 19.1 x 19.1 x 25.4 cm Berat : 600 gram
Karakteristik pompa : minimum pressure, 670 hPa
Minimum vacuum : 670 hPa Current draw less than : 115 mA Air flow rate : 194-223 ml min
Range temperature operasi : 00 C s/d 400 C Operating Pressure Range : Sea level to 3
hPa
Sensitivity : 2 to 3 parts per billion volume ozone
Noise : Less than 1 % of full scale
Gambar 4. Sensor ozon
PROSEDUR
Pengukuran profil vertikal ozon di atmosfer dilakukan dengan meluncurkan balon yang dilengkapi dengan payload pengukur ozon. Payload yang diluncurkan dengan balon ini disebut ozonesonde yang datanya memperlihatkan perilaku struktur dinamika atmosfer. Pengukuran profil ozon vertikal menggunakan ozonesonde dengan sensor ECC (Electrochemical Concentration cell) ini berdasarkan metoda yang dikembangkan oleh Kobayashi, dan Komhyr. Ozonesonde mengukur konsentrasi ozon atmosfer dengan reaksi kimia, instrumen ini dipasang pada balon meteo dan mengukur konsentrasi ozon perlapisan ketinggian. Ozonesonde tersusun atas pompa yang mengalirkan udara masuk ke tabung reaksi yang berisi larutan kalium iodida. Tabung ini terhubung ke tabung lain yang berisi larutan kalium iodida jenuh oleh jembatan ion (ion bridge). Pada saat ozon mengalir ke tabung tersebut, maka terjadi reaksi berikut :
KOH
O
I
O
H
O
KI
2
2
3
2
2
2
Reaksi kimia ini mengubah keseimbangan dua tabung tersebut sehingga menimbulkan aliran arus listrik yang dideteksi oleh rangkaian elektronik pada ozonesonde. Makin besar
konsentrasi ozon, makin besar arus listrik yang ditimbulkan. Sinyal ini dikirim ke stasiun penerima melalui sistem telemetri dan berikutnya diolah oleh komputer di stasiun tersebut.
Selain menggunakan payload ozonesonde, digunakan juga payload radiosonde type RS II-80, yang merupakan peralatan yang bertugas untuk membaca parameter-parameter yang diperlukan untuk pengukuran setiap lapisan udara secara vertikal dengan frekuensi 400 MHz. Radiosonde type RS II-80 vaisala memiliki beberapa sensor seperti tekanan, suhu dan kelembaban. Dalam observasi ozon vertikal, radiosonde digabung dengan sensor ECC ozonesonde yang memiliki sensor ozon menjadi suatu payload dan diterbangkan menggunakan balon tipe totex-1000 gram untuk menghasilkan parameter berupa data tekanan, suhu, kelembaban dan ozon secara vertikal. Proses pengambilan data pada saat observasi di tunjukkan pada Gambar 5. berikut ini.
Gambar 5. Proses pengambilan data Pada Gambar 5. diatas, preparation yang merupakan rangkaian persiapan payload sebelum digunakan, mulai dari proses kalibrasi sampai dengan tes kelayakan teknis radio. Dalam melakukan persiapan awal, yaitu penanganan awal payload dengan melakukan pengukuran kelayakan sensor ECC ozonesonde yang dikondisikan dengan KTU (Katoda Test Unit). KTU suatu alat yang dapat memberikan ozon dalam konsentrasi tertentu, kegiatan ini dilakukan dengan harapkan pada lapisan puncak ozon sensor ECC ozonesonde masih dapat bekerja dengan baik. Pengetesan signal radio juga dilakukan apakah radio pengirim dan radio penerima sudah bekerja secara baik dengan melihat hasilnya melalui layar komputer tracking, kegiatan ini untuk memastikan apakah seluruh sensor tekanan, temperatur, kelembaban dan ozon sudah bekerja.
Setelah preparation dilakukan langkah berikutnya mempersiapkan peralatan pendukung agar terpasang dan berfungsi dengan baik. Langkah berikutnya mempersiapkan balon yang akan digunakan untuk membawa payload terbang keatas, kemudian payload diintegrasikan dengan balon yang sudah diberi gas dengan tambahan unwinder dan parasut untuk menjaga kestabilan alat dan keselamatan. Setelah semua peralatan terpasang dengan baik, payload siap untuk di
luncurkan. Di dalam ruangan tracking dilaksanakan perekaman dan pengolahan data oleh komputer yang terhubung dengan modem, radio penerima dan antena. Pada setiap observasi dengan menggunakan payload radiosonde vaisala dan ECC ozonesonde di peroleh profil ozon vertikal, dan profil meteo vertikal.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Salah satu hasil observasi pada tanggal 26 Oktober 2011 didapatkan summary data ozon vertikal WA299 sebagai berikut :
NOAA/CMDL flight description file produced on 26 October 2011 at 07:21:45 strato version 8.02 Telemetry and data analysis software written by Holger
Voemel, University of Colorado. Flight number = WA299
Flight date = 26-10-2011 Launch time = 12:32:13
Date [GMT] = 26-10-2011 Time [GMT] = 05:32:13
Location = Watukosek, Indonesia Longitude = 112.60
Latitude = -7.50 Time stamp in raw data file = GMT Launch altitude (km) = 0.050 Surface pressure (mb) = 1005.50 Surface temperature (deg) = 37.10
Surface humidity (%) = 46.00 Burst altitude (km) = 39.789 Burst pressure (mb) = 2.509
Instrument type = Ozone Sonde Vaisala number = 422200404 Vaisala humicap sensor = A
Radiation correction = Yes A/D System = V2C Ozone sonde number = 2Z9246 Total ozone column (Dobson) = 420 (89)
Solution = 2%, no Buffer Time (sec) to pump 100 ml = 28.35
Lab temp. for flowrate = 27.8 Lab humidity for flowrate = 48
Response time (sec) = 23.2 Prep background #1 (uA) = 0.02
Ozone background = 0.039 (uA) Background current (uA) = 0.039
Background treatment = Constant Ozone pump correction file = Pump.dat Coefficients = 1ZAVG Actually used coefficients = Strato default
Pada summary data diatas, berisikan informasi data mulai persiapan payload sampai dengan proses observasi berlangsung yang tersimpan dalam program strato dengan nama WA299.DE1. Nomor seri ozonesonde yang digunakan pada observasi tanggal 26 Oktober 2011 adalah 2Z9246 dengan radiosonde nomor 422200404. Balon dengan payload diterbangkan pada ketinggian 50 m diatas permukaan laut dengan tekanan permukaan pada saat di luncurkan sebesar 1005.5 mb, temperatur permukaan 37.10 0
C, kelembaban permukaan 46.00 %. Untuk data hasil observasi disimpan secara otomatis di komputer tracking dengan nama file WA299FLT.DAT yang sebagaian datanya disajikan pada tabel 1 di bawah ini.
Time [min] Alt [km] Press [hpa] Temp [deg C] RH [%] O3 P [mPa] O3 Mr [ppmv] -0,24 0,051 989,09 36,17 30,6 3,591 0,0363 0,02 0,057 988,34 34,88 30 3,94 0,0399 0,3 0,157 977,46 31,86 37,3 4,136 0,0423 2,58 1 888,88 24,37 38,6 2,832 0,0319 5,14 2,002 791,49 15,66 62,2 1,532 0,0194 7,76 3,003 702,48 8,29 81,5 1,662 0,0237 10,36 4,002 621,92 4,21 45,5 1,981 0,0319 13 5,004 549,37 0,12 40 1,983 0,0361 15,48 6,002 484,38 -5,51 9,5 2,042 0,0422 18,1 7,005 425,71 -11,04 1,2 2,055 0,0483 20,54 8 373,42 -17,16 16,3 1,965 0,0526 23,92 9,004 326,01 -24,23 7,6 1,794 0,055 27,36 10,002 283,75 -31,73 18,4 1,459 0,0514 31,02 11,002 245,66 -39,7 14,9 1,225 0,0499 34,24 12,005 211,65 -47,7 29,2 1,15 0,0543 37,88 13,004 181,44 -55,5 26,2 0,91 0,0502 41,06 14,001 154,7 -63,47 22 0,668 0,0432 44,16 15,006 130,91 -71,97 12,5 0,538 0,0411 47,52 16,003 110,15 -79,92 8,9 0,427 0,0388 50,38 17,008 92,02 -83,9 6,7 0,58 0,063 53,75 18,005 77,33 -76,56 5 1,808 0,234 56,97 19,002 65,03 -75,28 2,3 2,461 0,378 57 19,004 65,01 -75,23 2,2 2,498 0,384 57,01 19,012 64,92 -75,31 2,2 2,518 0,388
Dari data hasil observasi seperti yang tertera diatas, maka dapat dibuat grafik antara ozon pressure vs altitude dan ozon mixing ratio vs altitude untuk mengetahui pada ketinggian berapa dan seberapa besar konsentrasi ozonosfer. Untuk mengetahui letak lapisan tropopause dan kelembaban berada, maka dibuat grafik antara temperatur vs ketinggian dan kelembaban vs ketinggian. Pada Gambar 6. dapat diketahui terjadi perubahan ozon pressure pada ketinggian sekitar 16 Km.
Gambar 6. Grafik ozon pressure vs altitude
Gambar 7. Grafik ozon mixing ratio vs altitude
Gambar 8. Grafik temperatur vs altitude
Gambar 9. Grafik humidity vs altitude Selama tahun 2011 data hasil observasi sebanyak 12 kali pengamatan, data digunakan untuk mengetahui profil ozon vertikal di atas Watukosek. Pada Gambar 10. dapat dilihat profil ozon vertikal Watukosek tahun 2011 untuk bulan Januari sampai dengan Desember yang diperoleh dari perubahan ozon pressure terhadap ketinggian (altitude), dimana masing-masing mempunyai variasi konsentrasi ozon yang berbeda-beda tergantung dari ketinggiannya.
Gambar 10. Profil ozon vertikal untuk bulan Januari sampai dengan Desember tahun 2012 Pada bulan Januari ketinggian maksimum yang diperoleh adalah 32,664 km, lapisan tropopause berada pada ketinggian 16,09 km dengan temperatur -81,55 0C. Bulan Februari, Maret dan September ketinggian maksimum yang diperoleh adalah 20,265 km, 21,717 km, dan 24,451 km, hasil observasi ini tidak maksimal dikarenakan pada ketinggian tersebut balon sudah meletus. Untuk kegiatan observasi bulan April ketinggian
yang diperoleh adalah 32,044 km, melihat data hasil observasi bulan ini masih diperlukan kajian dan analisis dikarenakan data yang diperoleh tidak seperti standar umumnya.
Pada bulan Mei ketinggian maksimum yang diperoleh adalah 35,380 km, lapisan tropopause berada pada ketinggian 16,548 km dengan temperatur -82,84 0C. Bulan Juni ketinggian maksimum yang diperoleh adalah 32,777 km, lapisan tropopause berada pada ketinggian 16,9 km dengan temperatur -83,73 0C. Ketinggian yang diperoleh pada bulan Juli adalah 32,012 km, ketinggian lapisan tropopause 16,184 km dengan temperatur -82,52 0C. Pada bulan Agustus ketinggian maksimum yang diperoleh adalah 29,702 km, lapisan tropopause berada pada ketinggian 16,189 km dengan temperatur -79,45 0C. Bulan Oktober maksimum ketinggian adalah 39,789 km, lapisan tropopause berada pada ketinggian 16,745 km dengan temperatur -84,16 0C. Ketinggian yang diperoleh pada bulan November adalah 26,452 km, ketinggian lapisan tropopause 17,159 km dengan temperatur -89,35 0
C. Bulan Desember ketinggian maksimum yang diperoleh adalah 37,007 km, lapisan tropopause berada pada ketinggian 17,362 km dengan temperatur -85,76 0C.
Setelah melakukan pengolahan data hasil observasi berupa data ketinggian, tekanan, temperatur, kelembaban dan ozon, maka didapatkan data pada tropopause dan ozonosfer. Nilai konsentrasi ozon di tunjukkan dalam satuan tekanan ozon partial (mPa) dan dalam bentuk ozon total Dobson Unit (DU), dimana 1 DU = 2,69 X 1016 molekul ozon/cm3. Pada tabel 2 dapat di jelaskan bahwa, pada kegiatan observasi selama tahun 2011 total ozon terbesar diperoleh pada bulan Oktober yaitu sebesar 420 DU, sedangkan ozon total terkecil diperoleh pada bulan Januari yaitu sebesar 194 DU. Data tahun 2011 nilai tekanan ozon partial terkecil terdapat pada bulan Januari yaitu sebesar 11,03 mPa pada ketinggian 26,31 Km dan tekanan ozon partial terbesar terdapat pada bulan Oktober yaitu sebesar 15,69 mPa pada ketinggian 34,203 Km.
Tabel 2. Data hasil observasi tahun 2011
No. Pengukuran Tanggal
Alt Max (km)
Tropopause Ozon Maksimum
DU Temp (°C) Altitude (km) Rh (%) O3 P (mPa) Altitude (km) 1. 26012011 32,664 -81,55 16,09 15,5 11,03 26,31 194 (39) 2. 23022011 20,265* -82,75 16,86 7,1 - - 44 (23) 3. 30032011 21,717* -83,58 16,583 8,4 - - 109 (64) 4. 27042011 32,044 - - - 137 (54) 5. 25052011 35,380 -82,84 16,548 9,9 13,96 27,859 270 (44) 6. 30062011 32,777 -83,73 16,9 7 13,44 26,651 256 (56) 7. 27072011 32,012 -82,52 16,184 9,1 12,91 26,514 233 (47) 8. 24082011 29,702 -79,45 16,189 7 14,14 27,499 267 (102) 9. 28092011 24,451* -82,28 16,638 4,8 13,86 23,917 199 (97) 10. 26102011 39,789 -84,16 16,745 6,6 15,69 34,203 420 (89) 11. 30112011 26,452 -89,35 17,159 11,1 11,67 26,452 188 (91) 12. 28122011 37,007 -85,76 17,362 8,3 15,29 37,007 219 (151)
*) Ketinggian data pengamatan kurang dari 26 km
KESIMPULAN
Dari hasil pembahasan diatas, maka dapat ditarik kesimpulan bahwa :
1. Total ozon terbesar yaitu 420 DU pada bulan Oktober, dan nilai ozon total terkecil pada bulan Januari sebesar 194 DU.
2. Nilai ozon dalam bentuk tekanan ozon partial terkecil terdapat pada bulan Januari sebesar 11,03 mPa dengan ketinggian 26,31 Km dan tekanan ozon partial terbesar terdapat pada bulan Oktober yaitu sebesar 15,69 mPa pada ketinggian 34,203 Km.
SARAN
Analisis awal data observasi telah dilakukan, diperlukan analisis yang lebih mendalam lagi dengan menggunakan data hasil observasi setelah dilakukan kalibrasi menggunakan data pembanding lainnya.
DAFTAR PUSTAKA
Inai Y, Hasebe F, Shimizu K, Fujiwara M. (2009) : Correction of Radiosonde Pressure and Temperature Measurements Using Simultaneous GPS Height Data, SOLA. Vol. 5.
Kobayashi, J. and Toyama, Y (1966), On various methods of measuring the vertical distribution of atmospheric ozone (III) carbon-iodine type chemical ozonesonde, Pap. Meteorol. Geophys., 17, 113–126. Komhyr, W. D., Barnes, R. A., Brothers, G. B.,
Lathrop, J.A., and Opperman, D. P (1995), Electrochemical concentration cell ozonesonde performance evaluation during STOIC 1989, J. Geophys.Res., 100. LAPAN, (2009), Annual Report 2009, Lembaga
Penerbangan dan Antariksa Nasional, Jakarta.
O’Mara A.H., (1980), Solar Activity And Variations of Meteorological Parameter, Proceeding of the International Conference on Sun and Climate, France. Thompson, A. M., Witte, J. C., McPeters, R. D.,
Oltmans, S. O., et al (2003), Southern Hemisphere Additional Ozonesondes (SHADOZ) 1998–2000 tropical ozone climatology – 1: Comparison with Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) and ground-based measurements, J. Geophys. Res., 108, 8238, doi:10.1029/2001 JD000967.
Vaisala, (1996), Operations Manual Ozonesonde User’s Guide, OES-U101en-1.2,. Japan. Vaisala. (1999): Operator’s Manual Model 6A
ECC Ozonesonde, SPC Science Pump Corporation. Japan.
Yudha Risdianto, D., (2010), Analisis Konsentrasi Ozon Vertikal Dari Hasil Observasi di SPD LAPAN Watukosek Pasuruan, Prosiding Seminar Nasional Basic Science VII 2010.
