Evaporasi vs Transpirasi

4/13/2012
Evaporasi vs Transpirasi
Evaporasi dan Transpirasi
Siklus Hydrologi
• Evaporasi = proses pertukaran molekul air di permukaan
menjadi molekul uap air di atmosfer melalui kekuatan panas
Faktor-faktor yang mempengaruhi:
- faktor-faktor meteorologis
- jenis permukaan tanah
• Transpirasi = proses penguapan pada tumbuh-tumbuhan,
lewat sel-sel stomata
Faktor-faktor yang mempengaruhi:
- faktor-faktor meteorologis, terutama sinar matahari
- jenis tumbuhan
- jenis tanah
Evaporasi
• Bentuk penguapan air dari permukaan air, tanah
dan bentuk permukaan bukan vegetasi lainnya
oleh proses fisika
• Dua unsur utama :
– Energi (radiasi matahari)  sebagian gelombang
dirubah menjadi panasmenghangatkan udara
sekitartenaga mekanikperputaran udara dan uap
air
– Ketersediaan airtidak hanya air yang ada akan
tetapi persediaan air yang siap untuk evaporasi
Dalam 103 km3
Faktor-faktor penentu Evaporasi
• Panas perubahan bentuk cair dan
gasshortwave radiation lebih
berpengaruh (ketinggian tempat dan
musim)longwave hanya menambah
panas yangdihasilkan oleh shortwave
• Suhu udara, permukaan bidang
penguapan (air, vegetasi, dan tanah)
1
4/13/2012
Kelembaban udara
• Fungsi : sebagai pelindung permukaan
bumi
– Suhu udarakapasitas udara dalam
penampung uap air
• Dibagi menjadi 2 jenis :
– Kelembaban spesifik : tidak dipengaruhi tek.
udara
– Kelembaban absolut : dipengaruhi tek. udara
Energi Matahari
• “mesin” yang mempertahankan
berlangsungnya daur hidrologi
– Perubahan iklim
– Sumber energi untuk :
• Evaporasi : berlangsung pada permukaan badan
perairan
• Transpirasi : kehilangan air dari dalam vegetasi
Heating of earth surface
• Heating of earth
surface is uneven
– Solar radiation strikes
perpendicularly near
the equator (270 W/m2)
– Solar radiation strikes
at an oblique angle
near the poles (90
Amount of energy transferred from
W/m2)
equator to the poles is approximately
• Emitted radiation is
4 x 109 MW
more uniform than
incoming radiation
Suhu Udara
Angin
• Gerakan massa udara : gerakan atmosfer atau
udara nisbi terhadap permukaan bumi
• Parameter :
– Arah
– Kecepatan
• Berpengaruh dalam proses evapotranspirasi
dan mempengaruhi kejadian-kejadian hujan
• Hujan terjadi  grakan udara lembab yang
berlangsung terus menerus
Structure of atmosphere
• Mempengaruhi besarnya curah hujan, laju
evaporasi dan transpirasi
• Dapat dianggap sebagai salah satu faktor
yang dapat memprakirakan dan
menjelaskan kejadian dan penyebaran air
di muka bumi
2
4/13/2012
Hadley circulation
Atmospheric circulation
Circulation cells
Polar Cell
Ferrel Cell
1.
Hadley cell
2.
Ferrel Cell
3.
Polar cell
Winds
1.
Tropical Easterlies/Trades
2.
Westerlies
3.
Polar easterlies
Latitudes
Warm air rises, cool air descends creating two huge convective cells.
Shifting in Intertropical Convergence
Zone (ITCZ)
Owing to the tilt of the Earth's axis
in orbit, the ITCZ shifts north and
south.
1.
Intertropical convergence
zone (ITCZ)/Doldrums
2.
Horse latitudes
3.
Subpolar low
4.
Polar high
• Kapasitas kadar airtinggi rendahnya suhu di tempat itu
– Proses tergantung pada Dpv (Saturated vapour preseeure
deficit) di udara atau jumlah uap air yang dapat diserap oleh
udara sebelum udara tersebut menjadi jenuh
– Evaporasi banyak terjadi di pedalaman dibanding di Pantai
karena udara sudah lembab
• Kecepatan angin diatas bidang penguapan
• Sifat bidang penguapan
– Kasar memperlambat gerak angin turbulenmemperbesar
evaporasi
Southward shift in January
Creates wet Summers (Monsoons)
and dry winters, especially in India
and SE Asia
Northward shift in July
Perkiraan Evaporasi
Perkiraan evaporasi dengan menggunakan rumus empiris
- aerodynamic method/Dalton law………. (2)
Ea = K. Uz (ew – ez)
Ea = evap perm bebas selama pengamatan
K = konstanta empiris
Uz = fungsi antara evap thd kec angin pada ketinggian
z
ew = tekanan uap jenuh di udara pada temperatur
sama dengan air
ez = tekanan uap sesungguhnya di udara pd
ketinggian z
Perkiraan Evaporasi
• Persamaan Rohwer
E = a (ew – ea) (1 + b V)
E = 0.484 (1+0.6 V) (ew – ea)
E = evaporasi (mm/hari)
ew = tekanan uap jenuh pada temperatur sama dengan
temp air (millibar)
ea = tekanan uap di udara sesungguhnya (millibar)
V = kecepatan angin rata-rata dalam sehari (m/detik)
3
4/13/2012
Perkiraan Evaporasi
• Persamaan Orstom
E = 0.358 (1 + 0.588 V) (ew – ea)
• Persamaan Danau Hefner
E = 0.00177 V (ew – ea)
E = inch/hari
V = meter/jam
Perkiraan Evaporasi
3.
Pengukuran Evaporasi secara langsung
Water-balance:
EL = P + Isurf + Igw – Osurf – Ogw - S
EL = evaporasi muka air bebas per hari
P = presipitasi/hujan harian
Isurf = surface inflow/aliran perm masuk
Igw = ground water inflow/air tanah masuk
Osurf = surface outflow/aliran perm keluar
Ogw = ground water outflow/air tanah keluar
S = perubahan jumlah simpanan air selama
pengamatan (1 hari)
E0 (mm/hari) = C (eo -ea)
C = (0.44+0.073 u)*(1.465-0,00073p)
Pengukuran Evaporasi
• Diukur dari permukaan badan air :
membandingkan jumlah air yang diukur antara
dua waktu yang berbeda
• Evaporasi waduk atau danau yang berurutan :
E0 = I – O - S
I = masukan air ke waduk ditambah curah hujan yang langsung
jatuh pada waduk
O = keluaran dari waduk ditambah bocoran air dalam tanah
S = perubahan kapasitas tampung waduk
U = kecepatan angin rata-rata (km/jam) diukur pada ketinggian 0,5 m
diatas permukaan tanah
eo = tekanan uap air pada permukaan air yang merupakan fungsi suhu
ea = tekanan uap air di permukaan air
C = angka tetapan yang dihitung dengan persamaan (Rohwer, 1931)
P = tekanan atmosfer (mmHg)
Untuk angka evaporasi waduk maka E0 dikalikan angka
tetap 0,77
Nilai C :
Kolam  C = 15 + 0,93 u
Danau dan waduk kecil  C = 11 + 0,68 u
Evaporasi : pendekatan neraca energi
Variabel pindah panas-tampak tidak diukur langsung
tercakup dalam nisbah Bowen (Bowen’s ratio, R)
Qs-QTS-Qlw-Qh-Qe+Qv- Qve = Qc
R =Qh/ Qe=0,00061 P (Ts-Ta)/(es-ea)
Qs
=
Radiasi matahari datang
P
=
Tekanan udara (mb)
QTS
=
Radiasi matahari terefleksi
TS
=
Suhu permukaan badan air (C)
Qlw
=
Radiasi gelombang panjang bersih dari permukaan badan
air ke udara bebas
Ta
=
Suhu udara (C)
es
=
Tek. Uap air permukaan badan air, es=f (Ta) (mb)
ea
=
Tek. Uap air permukaan udara, ea=es x Rh (mb)
Rh
=
Kelembaban relatif udara (%)
Qh
=
Pindahan energi dari badan air ke atmosfer dalam bentuk
panas-tampak (sensible heat)
Qe
=
Energi yang digunakan untuk proses evaporasi
Qv
=
Energi adveksi bersih yang masuk ke badan air akibat
aliran air
Qve
=
Energi adveksi keluar dari badan air karena proses
evaporasi
Qc
=
Energi tersimpan dalam badan air
Besarnya tek.uap air tergantung suhu pada badan air
Tek.uap air di udara dapat diukur dengan sling psychrometer
Satuan dalam kalori/cm2 (langleys)
4
4/13/2012
Energi yang dipindahkan dari badan air proses evaporasi
yang berlangsung di permukaan badan air dihitung :
Hubungan antara Qe dengan kedalaman evaporasi dari
badan air (Eo) dapat ditunjukkan pada persamaan :
Qve = Qe c (Ts-Tb)/L
c
=
Angka panas air (kal/mg/C)
Tb
=
Suhu dasar yang ditentukan (0C)
L
=
Panas-tak tampak (590 kal/mg)
p
=
Kerapatan air (mg/cm3)
Sehingga persamaan menjadi
Persamaan sebelumnya dapat diturunkan sebagai berikut
pengukuran
Qv dan Qc
=
Dievaluasi dengan cara mengukur suhu dan volume air
yang keluar dan masuk kedalam waduk
Ts
=
Suhu permukaan waduk
Ta
=
Suhu udara, tekanan udara (p) dan tekanan uap air
atmosfir (ea)
Qs
=
Radiasi matahari datang dapat diukur secara langsung
dengan alat pyrheliometer  jarang ditemukan di stasiun
metereologi  Black dalam Chang (1986)
Persamaan panjang gelombang bersih
Brunt (Anderson, 1954)
σ
=
Tetapan Stefan-Baltzman (1,17 x 10-1 kal/cm2/˚K4/hari
Ts
=
Suhu permukaan (˚K)
T2
=
Suhu udara pada ketinggian 2m di atas bidang kajian (˚K)
e2
=
Tekanan uap air pada ketinggian 2m di atas bidang kajian (mb)
c,d
=
Angka tetapan epiris, bervariasi tergantung letak geografis
C
=
Angka tetapan awan
a
=
Angka tetapan, tergantung pada tipe awan. Awan rendah =0,9 ; awan
sedang = 0,6 dan awan tinggi = 0,2
Jika data ketinggian awan tidak tersedia maka (1-aC) diganti dengan (0,10+0,90 n/N)
n = lama penyinaran matahari (jam) dan N lama penyinaran matahari maksimal (jam)
Radiasi panjang gelombang bersih yang tidak menjadi bagian dari radiasi matahari
datang dan tidak diradiasikan kembali ke atmosfer :
Sinar gelombang panjang dari bumi ke
atmosfersebag besar diserap oleh uap,
awan dan CO2 di atmosferdipantulkan
kembali ke permukaan bumi sebagai
radiasi atmosfer. H2O dan CO2
diradiasikan kembali dalam bentuk gel yg
lbh panjang.
Faktor berpengaruh : profil suhu udara,
kadar uap air, tutupan awan di atmosfer
Krn sulit dihitung maka didekati dengam Qlw
Transpirasi
• Transpirasi adalah suatu proses ketika air
diuapkan ke udara dari permukaan
daun/tajuk vegetasi
• Laju transpirasi ditentukan:
– Radiasi matahari
– Membuka dan menutupnya pori-pori 
kedudukan daun dan cabang, ketersediaan
air, tanaman meranggas
5
4/13/2012
Faktor-faktor penentu Transpirasi
• Faktornya hampir sama dengan evaporasi:
–
–
–
–
–
Radiasi matahari
Suhu
Kecepatan angin
Gradien tekanan udara
Karakteristik dan kerapatan vegetasi seperti struktur
tajuk, perilaku pori-pori daun, kekasaran permukaan
vegetasi
• Transpirasi di hutan lebih besar dibanding di padang rumput
• Keakaran vegetasi  akan berpengaruh jika cadangan air
tanah menyusut
Pengukuran Transpirasi
T
=
Transpirasi (cm/th)
Pg
=
Curah hujan (cm/th)
R
=
Air larian (cm/th)
It
=
Total intersepsi (cm/th)
S
=
Perubahan kapasitas tampung air tanah
S = umumnya diabaikan,keseimbangan air tersebut dipengaruhi akan
ditentukan
Evapotranspirasi
• Jumlah air total yang dikembalikan lagi ke atmosfer dari
permukaan tanah, badan air, dan vegetasi oleh adanya
pengaruh faktor-foktor iklim dan fisiologis vegetasi
• Gabungan antara evaporasi, intersepsi, dan transpirasi
T
=
Transpirasi vegetasi
It
=
Intersepsi total
Es
=
Evaporasi dari tanah, batuan dan jenis permukaan tanah lainnya
Eo
=
Evaporasi permukaan badan air seperti sungai, danau, dan waduk
S
=
Perubahan kapasitas tampung air tanah
Untuk tegakan hutan, Eo dan Es biasanya diabaikan
ET = T+It untuk tegakkan hutan, bila unsur vegetasi dihilangkan, ET= ES
6
4/13/2012
Faktor-faktor Evapotranspirasi
• Evapotranspirasi/Evaporasi Total = peristiwa evaporasi
dan transpirasi yang terjadi bersama-sama
• Evapotranspirasi potensial (potential evaporation, PET)
= evaporasi yang terjadi, apabila tersedia cukup air (dari
presipitasi atau irigasi) untuk memenuhi pertumbuhan
optimum  dipengaruhi faktor2 metereologi radiasi
matahari dan suhu
• Evapotranspirasi sesungguhnya (Actual
evapotranspiration, AET) = evapotranspirasi yang terjadi
sesungguhnya, dengan kondisi pemberian air seadanya
 dipengaruhi oleh faktor fisiologi tanaman dan unsur
tanah
• Consumptive use = air yang diperlukan tumbuhtumbuhan untuk pertumbuhan sel-selnya
Perkiraan Evaporasi
Perkiraan evaporasi berdasarkan pan evaporasi………… (1)
Evaporasiperm. Air bebas = Cpan x Evaporasipan
Evaporation pan
 = 1.21 m = 4”
H = 25.4 cm = 10”
Penguapan dari evaporasi pan biasanya lebih besar dari
evaporasi sebenarnya, karena:
•
luas permukaan sempit  gel. dan turbulensi udara kecil
•
kemampuan menyimpan panas berbeda antara pan dan
danau
•
terjadinya pertukaran panas antara pan dgn tanah, udara,
air sekitar
•
pengaruh panas, kelembaban, angin akan berbeda bagi
perm. kecil dgn perm. besar atmometer, lysimeter,
phytometer
Metode Thornthwaite
Metoda Blaney-Criddle
• Memanfaatkan suhu udara sebagai indeks
ketersediaan energi panas
• Memperkirakan besarnya evapotranspirasi
potensial (PET) pada awalnya
dikembangkan untuk memperkirakan
besarnya konsumsi air irigasi di Amerika
Serikat (Dunne dan Leopold, 1978)
• Besaran  suhu dan sepanjang hari
(lamanya waktu penyinaran matahari)
Ta
=
Suhu rata-rata bulanan (C)
I
=
Indeks panas tahunan
7
4/13/2012
Angka faktor pertamananan meningkat sejalan dengan
pertambahan ketinggian vegetasi, untuk memperkirakan besarnya
air yang diperlukan suatu vegetasi selama pertumbuhannya
(Blaney-Criddle)
PET
=
Evapotranspirasi potensial (cm/bln)
Ta
=
Suhu rata-rata (C) apabila Ta <3C maka angka konstan
0,142 harus diganti dengan 1,38
k
=
Faktor pertanaman empiris, bervariasi menurut tipe
pertanaman serta tahap pertumbuhan tanaman tahunan,
angka koefisien disajikan secara bulanan, untuk angka
koef tanaman musiman dinyatakan dalam persentase
menurut musim pertumbuhan
d
=
Fraksi lama penyinaran matahari per bulan dalam waktu
satu tahun
K
=
Koefisien pertanaman selama periode pertumbuhan
n
=
Jumlah bulan selama masa pertumbuhan
Tai
=
Suhu udara (C)
di
=
Fraksi lama penyinaran matahari setiap bulan dalam
waktu satu tahun,
Metoda Penman
• Dikembangkan untuk menentukan
besarnya evaporasi dari permukaan air
terbuka
• Digunakan untuk menentukan besarnya
evapotranspirasi potensial (PET)
• Perhitungan besarnya evaporasi dari
permukaan vegetasi jenuh air dapat
ditentukan tanpa harus mengukur suhu
pada permukaan bidang penguapan
s
=
Laju perubahan tekanan uap jenuh dan merupakan fungsi dari suhu (PaC)
A
=
Energi yang tersedia (Rn-GRn)
Ec
=
Laju evaporasi tajuk dalam kondisi jenuh (PET) (mm/s)

=
Kerapatan udara (kg/m3)
Cp
=
Specific heat of air pada tekanan udara konstan, (dalam hal ini adalah 1010 J/Kg/C)
es(T)
=
Tekanan uap air jenuh pada suhu atmosfer suhu (PaC)
ea
=
Tekanan uap airatmosfer (PaC)

=
Latent heat of vaporation (J/Kg)

=
Tahanan psikrometik (Pa/C)
ra
=
Aerodynamic transfer resistance (s/m)
rs
=
Resistensi stomata (s/m)
Analisis Neraca Kelembaban Tanah
(soil moisture budget analysis)
• Memanfaatkan perangkat komputer
• Teknik  membandingkan ET aktual
(AET)dan ET potensial (PET) dikenal
dengan istilah ETR (Evapotranspiration
Ratio)
AET
=
Evapotranspirasi aktual (panjang/waktu)
PET
=
Evapotranspirasi potensial (panjang/waktu)
AW
=
Jumlah air dalam tanah yang diserap oleh akar tanaman (SM-PWP)
AWC
=
Kapasitas air yang tersedia (FC-PWP)
PWP
=
Tingkat kelembaban tanah ketika tanaman tidak mampu lagi menyerap air
tanah (wilting point)
FC
=
Jumlah air yang masih dapat dithan oleh tanah dari gaya tarik bumi ( field
capacity)
8
4/13/2012
Komponen ETR
• Indeks PET untuk kondisi tanah dan
vegetasi setempat
• Kelembaban tanah  terkait dengan
water table
• AET yang merupakan fraksi PET untuk
tingkat kelembaban tanah tertentu
Mekanisme evaporasi
• Sejumlah uap air di atmosfer bergerak ke
tempat yang lebih tinggi oleh adanya beda
tekanan uap air. Tekanan uap tinggi 
tekanan uap rendah. Uap air bergerak
bergerak ke tempat yang lebih tinggi (T
udara rendah)  jenuh kondensasi
Kejadian presipitasi
• Udara di atmosfer mengalami proses
pendinginan melalui beberapa cara :
– Pertemuan antara dua massa udara dengan
suhu yang berbeda
– Sentuhan antara massa udara dengan obyek
atau benda dingin
Hujan berlangsung ada tiga
kejadian
• Kenaikan massa uap air ke tempat yang
lebih tinggi sampai saatnya atmosfer
menjadi jenuh
• Terjadi kondensasi atas partikel-partikel
uap air di atmosfer
• Partikel-partikel uap air tersebut
bertambah besar sejalan dengan
Hujan akibat pertemuan dua massa
air
• Hujan konveksi (Convectional storms) adanya beda
panas yangditerima permukaan tanah dengan panas
yang diterima oleh lapisan udara di atas permukaan
tanah
• Hujan frontal (frontal/cyclonic storms) bergulungnya
dua massa udara yang berbeda suhu dan kelembaban
• Hujan orografik (Orographic storms) jenis hujan
yang umum terjadi di daerah pegunungan, yaitu ketika
massa udara bergerak ke tempat yang lebih tinggi
mengikuti bentang lahan pegunungan sampai saatnya
terjadi proses kondensasi
9
4/13/2012
Convective lifting
Convective precipitation occurs when the air near the ground is heated by the
earth’s warm surface. This warm air rises, cools and creates precipitation.
Hot
earth
surface
Orographic lifting
Orographic uplift occurs when air is forced to rise because of the physical
presence of elevated land.
Frontal Lifting
• Boundary between air masses with different properties is
called a front
• Cold front occurs when cold air advances towards warm
air
• Warm front occurs when warm air overrides cold air
Cold front (produces cumulus cloud)
Cold front (produces stratus cloud)
Condensation
• Condensation is the change of water vapor into
a liquid. For condensation to occur, the air must
be at or near saturation in the presence of
condensation nuclei.
• Condensation nuclei are small particles or
aerosol upon which water vapor attaches to
initiate condensation. Dust particulates, sea salt,
sulfur and nitrogen oxide aerosols serve as
common condensation nuclei.
• Size of aerosols range from 10-3 to 10 mm.
Precipitation formation
• Lifting cools air masses
so moisture condenses
• Condensation nuclei
– Aerosols
– water molecules
attach
• Rising & growing
– 0.5 cm/s sufficient to
carry 10 mm droplet
– Critical size (~0.1 mm)
– Gravity overcomes
and drop falls
10