atmosfer

http://.www.pelatihan-osn.com
Lembaga Pelatihan OSN
ATMOSFER BUMI
By : Asri Oktaviani
Meteorologi, Cuaca, & Iklim

Meteorologi
adalah Ilmu yang mempelajari fenomena atmosfer –
termasuk dinamika, fisika dan kimia atmosfer.
(asal kata meteōros/Yunani – ‘lofty’ – ‘melayang’)

Secara umum meteorologi dapat dikatakan suatu kajian
dinamika dan termodinamika atmosfer yang mempengaruhi
kehidupan manusia.
Meteorologi, Cuaca, & Iklim

Cuaca



Keadaan/kondisi sesaat atmosfer, terutama berkaitan
dengan pengaruhnya terhadap kegiatan manusia.
Variabilitas jangka pendek atmosfer dengan skala waktu
menit hingga bulan.
Definisi populernya: temperatur, angin, kelembaban,
presipitasi, perawanan, kecerahan, dan jarak pandang.
Kategori individual/kombinasi fenomena atmosfer yang
menggambarkan kondisi atmosfer pada waktu observasi.
Iklim

Deskripsi stastistik kondisi atmosfer jangka panjang,
perataan dalam perioda waktu tertentu (30 tahun
menurut ketetapan WMO)
Mengapa belajar meteorologi?

Peringatan Cuaca ekstrim

Pertanian
Waktu tanam, panen dsb untuk
menghindari cuaca jelek yang
merusak/membahayakan
ketahanan pangan

Transportasi & Pelayanan
Pelayaran, penerbangan, road
gritting, peringatan banjir,…

Komersial
November 14, 1854: A sudden storm
devastated a joint British-French fleet
near Balaklava in the Black Sea.
French astronomer Urbain Jean Joseph
Le Verrier (1811-1877) demonstrated
that telegraphed observations could
have given the ships a day to prepare.
In England, Capt. Robert FitzRoy (18051865) started the Meteorological Office
as a small department of the board of
trade. On September 3rd 1860, 15
stations
began
reporting
8am
observations. February 5,1861 started
issuing storm warnings to ports.
Apa yang ingin diketahui?






Temperatur
Kecepatan angin
Arah Angin
Perawanan
Tipe, ukuran, ketinggian
Presipitasi
Tipe, jumlah, lokasi
Visibilitas
Fog, haze




Kelembaban
Trend/Kecenderungan
Waktu terjadi perubahan
yang signifikan
Kejadian fenomena
ekstrim
Temperatur



Kelvin (K) : (SI unit) perlu dalam perhitungan
Derajat Celcius (C) : (non-SI) digunakan untuk
menyatakan temperatur secara umum
Derajat Fahrenheit (F) : (non-SI) umum dipakai di
USA.
0 K = -273.15 C
Konversi:
TKelvin = TCelcius -273.15
Konversi antar Termometer
Konversi Fahrenheit ke
Celsius:
Konversi Celsius ke
Fahrenheit:
((°F-32)x(5/9))=°C
(°C x (9/5))+32=°F
Temperatur
Gradien vertikal
:
tipikal ~0.01 °C m-1
secara bisa lebih besar, seperti, inversi temperatur lapisan
batas dengan harga sampai dengan ~0.2 °C m-1
Gradien horizontal :
Untuk skala sinoptik biasanya < 1°C per 100 km (0.01 °C km1), sampai dengan ~5 °C per 100 km dalam daerah front
Efek lokal (seperti pemanasan matahari) dapat menyebabkan
gradien yang besar untuk skala kecil
Surface temperature analysis 4 Mei 2009
850mb temperature (2 °C contours), RH (%), wind (m s-1) : analysis 0000-040929
Tekanan



Satuan SI untuk tekanan adalah Pascal (Pa), Tekanan
atmosfer dinyatakan dalam hectopascal (hPa) = seratus
Pascal.
1 hPa = 100 Pa
Tekanan sering juga dinyatakan dalam millibars
(mb)(non-SI)
1 mb = 1 hPa
Tekanan muka laut = 1013.25 mb
= 1013.25 hPa
Tekanan
Ada perbedaan yang sangat kontras antara gradien
horizontal dan vertikal untuk variabel cuaca seperti
tekanan dan temperatur.
Secara umum gradien vertikal jauh lebih besar dari
gradien horizontal
Tekanan
Gradien vertikal:
~0.14 mb m-1
Gradien horizontal : < 0.1 mb km-1
(typikal ~0.01 mb km-1)
Gradient ~4 mb per 100 km (0.04
mb km-1)
SLP 4mb contours : Analysis 0000-040927
Kecepatan Angin
Kecepatan angin biasa dinyatakan dalam beberapa
macam unit :
Meter per detik (m s-1) (unit SI) –
digunakan dalam sains dan juga umum
 Knots (kt)
= mil-laut per jam
= 0.514 m s-1  0.5 m s-1
 Kilometer per jam (kph) = 0.278 m s-1
 Mil per jam (mph) = 0.447 m s-1

Arah Angin



Menurut konvensi Meteorologi arah angin menyatakan
DARI MANA angin itu datang
Dinyatakan dalam derajat dari Utara – Arah kompas
ketika menghadap kearah angin datang
Oleh karena variabilitas angin sangat tinggi (gustiness)
hanya arah angin secara umum yang dinyatakan:
utaraan (northerly), timuran (easterly), baratan
(westerly) dst.
vektor angin rataan
N
Arah angin = 50
W
E
S
Kelembaban
Kelembaban Relatif :
dinyatakan dalam persen (%) (non-SI)
= jumlah uap air dalam udara
dinyatakan dalam persentasi
jumlah maksimun yang mungkin
pada suatu temperatur tertentu.
Pv
RH = 100%
Ps
Sangat berguna untuk menentukan
dimana kabut atau awan akan
terbentuk, kondensasi uap air ke
bentuk butir awan/kabut terjadi jika
RH mencapai nilai 100%
Tekanan uap jenuh
RH = 100%
RH = 64%
Titik Embun
Titik Embun
adalah temperatur
dimana parcel udara
dengan kandungan uap
air konstan harus
didinginkan pada
tekanan tetap untuk
menjadi jenuh
Depresi titik embun
adalah perbedaan
temperatur parsel udara
dengan temperatur titik
embunnya.
Perbandingan Campuran
(Mixing Ratio)
Perbandingan masa uap air
terhadap masa udara kering
Mixing ratio = Mv
Ma
Kelembaban absolut atau
densitas uap (Absolute
Humidity or Vapour
Density)
Kelembaban Spesifik (Specific
Humidity)
q = Mv
Perbandingan masa uap air
terhadap masa udara lengas.
Masa uap air per satuan
volume udara lengas.
Mv + M a
Pembagian Ruang-Waktu

Lokal (skala mikro)




Regional (skala meso)




Waktu: beberapa jam ~1 hari
Jarak: <2 km
Fenomena: konveksi lokal, kumulus kecil, kabut, sungai
kecil, variasi angin permukaan
Waktu: jam sampai beberapa hari
Jarak: beberapa km ~ 100 km
Fenomena: thunderstorms, front, angin darat-angin laut
Skala besar (skala sinoptik)



Waktu: lebih dari ~10 days
Jarak: beberapa 100 km ~ beberapa 1000 km
Fenomena : sistem tekanan tinggi dan rendah
GRAVITASI & HUKUM KEPLER
Gerak Sirkular Uniform di
Permukaan Bumi
Newton's 2nd Law : Fnet  ma
v2
v2
Uniform circular motion : a   Fnet  m
r
r
The weight is the physicalforce : Fnet  w  mg
v2
v2
 mg  m  g   v 2  gr  v  gr
r
r
Radius of Earth : rE = 6.38 106 m
 v  grE  9.81 sm2  6.38 106 m  7910 ms
Tanpa hambatan udara, setiap obyek yang bergerak dengan
kecepatan 7.91 km/s paralel terhadap permukaan Bumi dan tidak
akan pernah jatuh ke tanah. Berat, mg, akan memberikan
percepatan yang cukup, a=g, untuk tetap berada pada lingkaran
dengan radius rE. Lalu bagaimana dengan bulan?
Orbit Bulan
The moon is in uniform circular motion
v2
around the Earth  a  . The moon's
r
circumference of orbit
2 r
speed is v 

1 lunar month
27.3 days
The radius of the orbit, r, is the distance to
the moon, r  3.84 10 8 m. The lunar month is
24h 3600 s
T = 27.3 d = 27.3d 

 2.36 10 6 s
d
h
v 2 (2 r)2 4  2 r 4  2  3.84 10 8 m
3 m
a  2
 2 

2.72
10
2
6
2
s
r T r
T
(2.36 10 s)

Apel Newton vs. Bulan
The apple, a distance rE  6.38 10 6 m
The moon, a distance rEM  3.84 10 8 m
from the center of the Earth, experiences from the center of the Earth, experiences
an acceleration aapple  g  9.81 sm2 .
an acceleration a
 2.72 10 3 m2 .
moon
s
Let' s look at ratios :
-3
amoon 2.72 10
rEM 3.84 108 m


 60.2

rE
6.38 106 m
aapple
9.81 sm2
m
s2

1
3607
 the accelerati on is inverse proportional to the distance squared : a 
1
r2
1
r2
The force should be directly proportional to the mass of the apple or moon, m,
and directly proportional to the mass of the Earth, M .
m M
F
r2
Thus, the force, F  ma, is inverse proportional to the distance squared : F 
Hukum Gravitasi Newton
m1  m2
Fg  G
r2
2
Nm
, G  6.671011
kg 2
Hukum Kepler
Untuk obyek yang mengelilingi matahari atau planet, dengan massa
matahari/planet Msun/planet , dengan radius rorbit dan waktu untuk satu periode
(satu orbit penuh) T dihubungkan sbb:
2
3
GM
T
2  rorbit
sun/planet
3
T 
or
rorbit

4 2
GMsun/planet
1. Setiap planet bergerak dengan lintasan elips, matahari berada di salah satu fokusnya.
2. Luas daerah yang disapu pada selang waktu yang sama akan selalu sama.
3. Perioda kuadrat suatu planet berbanding dengan pangkat tiga jarak rata-ratanya dari matahari.
KOMPOSISI & STRUKTUR
ATMOSFER
Atmosfer Bumi
Atmosfer adalah lapisan tipis yang melingkupi/menyelubungi
permukaan bumi
• Gambar kanan memperlihatkan atmosfer dilihat dari pesawat
ulang-alik (space shuttle)
• 99% kandungan atmosfer berada pada 30 km lapisan terbawah
atmosfer itu sendiri
• Jika radius bumi sekitar 6400 km, maka ketebalan
atmosfer adalah 30 km/6400 km = 0,5 % radius Bumi
Komposisi Atmosfer
The Permanent Gasses
Gas
Simbol % Vol
Peran
Nitrogen
N2
78.08
Biosfer
Oksigen
O2
21%
Pernapasan
Argon
AR
0.9%
Inert gas (gas yang tidak reaktif terhadap
elemen kimia lainnya)
Komposisi Atmosfer
The Variable Gasses
Gas
Simbol
% vol
Peran di Atm
Uap air
H2O
0-4
Pencipta cuaca,
Transfer panas, gas rumah kaca
Karbon Dioksida – ada
kenaikan di atm.
CO2
0.038
GRK, biosfer
Metana – ada kenaikan di
atm.
CH4
0.00017
GRK, lebih efektif dari CO2
Nitrat Oksida
Ozon
N2 O
O3
0.00003
0.000004
GRK
Lapisan Ozone
0.000001
Kesetimbangan energi bumi
Partikel (debu, tepung sari,
dll) juga disebut aerosol
Asal Atmosfer
• Pada 4.6 miliar tahun lalu, atmosfer bumi terdiri atas
campuran gas hidrogen dan helium ( dua gas utama yang
ditemukan dalam alam semesta)
• Melalui proses pelepasan gas dan perembesan gas dari
dalam bumi, banyak gas lain disuntikan ke dalam atmosfer
seperti:
o Uap air (menghasilkan hujan - sungai, danau, laut)
.... + es meteor
o karbon dioksida
o nitrogen
• Setelah proses diatas berlangsung selama jutaan tahun,
atmosfer berevolusi menjadi seperti keadaan sekarang ini.
Atmosfer terdiri atas :
1.
2.
3.
Campuran molekul gas
Partikel tersuspensi (padat dan cair )
Presipitasi yang jatuh
Komposisi Atmosfer

Gas-gas Permanen



Gas-gas varibel


Uap air, Karbondioksid, Ozone, Metan
Homosfer


99.999 % dari masa atmosfer
Nitrogen, Oksigen, Argon, Neon, Helium, Kripton, Xenon,
Hidrogen
Dibawah ketinggian 80 km – wilayah dengan homogenitas kimia
Heterosfer

Wilayah diatas homosfer – gas-gas ringan (H and He)
Diagram Pie Atmosfer
tanpa uap air (udara
kering)
Komposisi Atmosfer

Uap air





Sekitar 0,25 % dari total masa atmosfer
Konsentrasi berkurang secara cepat terhadap ketinggian
Hampir seluruh UA terdapat pada ketinggian dibawah 5 km
Dekat permukaan UA bervariasi antara 1% (gurun) - 4 %
(tropis)
Waktu tinggal di atmosfer: 10 harian
Konsep waktu tinggal
Singkat
Lama
Komposisi Atmosfer

Karbon Dioksida






Sekitar 0,036 % dari total masa atmosfer
konsentrasi 360 ppm
Masuk ke atm melalui: proses respirasi, peluruhan material organik,
erupsi gunung api dan pembakaran alamiah maupun antropogenik
Keberadaan dalam atm melaui: fotosintesa
Waktu tinggal di atm: 150 tahunan
Terjadi peningkatan 1.8 ppm/thn sejak 1950
Grafik pengamatan konsentrasi CO2 (ppm)
Sumber: IPCC
Komposisi Atmosfer

Ozon




Sangat vital utk kehidupan di stratosfer dan tdk berbahaya utk
tanaman dan manusia di troposfer
Konsentrasi: stratosfer ==> sampai 15 ppm pada ketinggian
sekitar 25 km
Terbentuk jika atom oksigen (O) dari bagian atas atmosfer
bertumbukan dengan molekul oksigen (O2) di stratosfer
Radiasi UV memecahkan ikatan ozon menjadi O and O2 yang
kemudian akan membentuk molekul ozon yang lain
Lubang Ozon
Sumber : NASA
Komposisi Atmosfer

Metana





Konsentrasi meningkat 0,01 ppm/yr beberapa dekade terakhir
Konsentrasi saat ini: 1.7 ppm
Sumber emisi: perut sapi, tambang batu bara, sumur minyak,
pipa gas dan sawah
Waktu tinggal di atmosfer: ~ 10 yrs
Mempengaruhi absorbsi radiasi termal
Grafik Pengamatan Metana
Sumber: IPCC
Komposisi Atmosfer

Aerosol



Benda padat kecil yang tersuspensi (debu, asap, ...) atau
partikel cair dalam udara
Sumber: manusia (pembakaran bahan bakar fosil) dan proses
alamiah (gunung api dan spray osean)
Peran dalam atmosfer:
- pembentukan awan (inti kondensasi)
- urban smog dan badai pasir/debu yang sangat mengurangi
visibilitas
STRUKTUR VERTIKAL
ATMOSFER
Struktur Vertikal Atmosfer

Berdasarkan Profil Temperatur





troposfer
stratosfer
mesosfer
Termosfer
Berdasarkan Propertis Elektrik: Ionosfer




mulai bagian atas mesosfer sampai dengan Termosfer
tiga lapisan : D, E dan F
lapisan D hanya ada pada siang hari dan menyerap
gelombang radio AM
aurora borealis and aurora australis
Struktur Vertikal Temperatur
130km
aurora
120km
0.00001
THERMOSPHERE
110km
TERMOSFER
100
100km
0.0001
90km
mesopause
80km
Mesopause
80
0.001
meteorite
noctilucent
clouds
50km
stratopause
0.01
60
MESOSPHERE
0.1
Stratopause
40
40km
ozone
layer
30km
STRATOSPHERE
20km
tropopause
10km
TROPOSPHERE
1
STRATOSPHERE
Mt Everest
(8km)
20
ozone layer
10
cirrostratus
clouds
cumulus
clouds
Tropopause
0
-100
cumulonimbus
TROPOSPHERE
-80
Mt Everest
-60
-40
-20
Temperature (C)
0
20
100
40
Percentage of Atmospheric Mass Above
MESOSPHERE
60km
Altitude (km)
70km
Sketsa struktur vertikal ionosfer dan
pengaruhnya terhadap
penjalaran gelombang radio
Struktur Vertikal Atmosfer
TROPOSFER
Bagian terbawah atmosfer
 Tebal ~8km di kutub, ~16km di equator. Ketebalan bervariasi
terhadap ruang dan waktu.
 Lapisan dimana fenomena cuaca terjadi. Sebagian besar uap air
atmosfer terkonsentrasi pada lapisan bawah troposfer.
 Temperatur menurun dengan ketinggian
 Bagian atas dibatasi oleh lapisan inversi atau lapisan isothermal
lyang disebut lapissan Tropopaus.
 Tropopause berfungsi sebagai langit-langit (lid), yang mencegah
pertukaran udara antara troposfer dan stratosfer.

Struktur Vertikal Atmosfer

Lapisan Batas








merupakan Sub-lapisan troposfer
bersentuhab langsung dengan permukaan – dipengaruhi secara
langsung oleh gaya gesek permukaan
didominasi oleh turbulensi dan proses pertukaran panas,
kelembaban, dan momentum dengan permukaan
sifat fisik (seperti ketebalan, suhu, .....) mengalami variasi harian
yang besar.
variasi ketebalan dari beberapa 10 meter (pada kondisi sangat
stabil), sampai ~2km diatas lautan tropis.
temperatur berkurang dengan ketinggian.
bagian atas dibatasi oleh inversi temperatur yang membatasi
percampuran dengan troposfer bebas diatasnya.
N.B. Lapisan batas yang terdefinisi dengan baik tidak selalu ada
Profil temperatur lapisan terbawah
atmosfer
April 24 2004
stratosfer
Inversi termperatu
tropopause
Troposfer bebas
Lapisan batas
Profil Humiditas Lapisan Troposfer
tropopause
inversion
Struktur Vertikal Atmosfer

STRATOSFER




Mulai dari puncak troposfer sampai dengan ~50 km.
Secara umum, temperatur bertambah dengan ketinggian
pada musim panas – Suhu terendah pada tropopause
equatorial. Pada musim dingin memiliki struktur yang lebih
kompleks
Mengandung mayoritas ozon atmosfer (O3). Mengabsorpsi
radiasi ultraviolet sehingga menghasilkan suhu maximum
di stratopaus (kadang2 mencapai 0°C).
Interaksi dengan troposfer sangat terbatas dan masih
sangat kurang dimengerti.
Struktur Vertikal Atmosfer
• MESOSFER
•Di mesosfer udara bercampur secara relatif dan suhu menurun dengan
ketinggian
•Disini, atmosfer mencapai suhu terdinginnya ~ -90°C
•Pada lapisan ini meteor terbakar ketika memasuki atmosfer bumi
Sumber: NASA
TERMOSFER
• Merupakan lapisan yang terekspos secara
langsung terhadap radiasi Matahari dan
karena itu merupakan lapisan yang
dipanasi oleh Matahari. Udara sangat tipis
sehingga penambahan kecil energi akan
menyebabkan peningkatan suhu secara
signifikan
• Suhu di termosfer sangat bergantung pada
aktivitas Matahari (suhu dapat mencapai
nilai 1,500°C atau lebih). Temperatur tidak
dapat diukur secara langsung, tetapi
dengan cara mengukur tekanan atmosfer
terhadap satelit dan menghitung suhu dari
persamaan gas ideal.
• Termosfer juga mencakup wilayah atmosfer bumi yang disebut Ionosfer, dalam
wilayah mana atmosere dipenuhi dengan partikel bermuatan. Peningkatan
temperatur dapat menyebabkan molecule udara terionisasi
• Pesawat Ulang-alik mengorbit Bumi pada lapisan Termosfer
Sumber: NASA
Ionosfer
Merupakan daerah diatmosfer
atas yang mengalami
elektrifikasi sehingga
mengandung sejumlah besar
konsentrasi ion (partikel
bermuatan) dan elektron bebas.
Catatan:
Partikel bermuatan bisa karena
kehilangan elektron (muatan + )
atau mendapatkan elektron
(muatan - )
Ionosfer sangat penting dalam
proses penjalaran gelombang
radio.
Struktur Vertikal Tekanan



Tekanan pada
sembarang titik
adalah akibat dari
berat udara dalam
kolom diatasnya
Gaya tekanan ke atas
sebanding dengan
gaya berat udara
diatasnya
Berkurang secara
logaritma dengan
ketinggian
Dekat permukaan, perubahan
tekanan sebesar 1mb setara
dengan perubahan ketinggian 7m.
Deskripsi kolom udara