Pencemaran Udara: Definisi, Konsentrasi, Kasus

Pencemaran Udara:
Struktur Atmosfer (Fisik-Kimia);
Konsep Pencemaran Atmosfer;
Metode Penetapan Baku Mutu
Kuliah Minggu II
Laboratorium Pencemaran Udara dan Perubahan Iklim (LPUPI)
Jurusan Teknik Lingkungan FTSP ITS
Pembahasan
Struktur Kimia-Fisika Atmosfer
 Konsep pencemaran udara
 Metode Penetapan baku mutu udara

Struktur Atmosfer (FisikKimia)
General of Atmosfer

Atmosphere:
 Blanket
of air that surrounds the earth
 Comprises mainly nitrogen, oxygen, water vapour
and dust particles

Function:
 prevents
overheating
 blocks asteroids
 absorbs harmful UV rays
 contains the necessary gases for us to survive
We need the layers of atmosphere to survive
Structure of the Atmosphere
Defined by Temperature Profiles
 Troposphere

 Where

Weather Happens
Stratosphere
 Ozone
Layer
Mesosphere
 Thermosphere

 Ionosphere
Stratifikasi
Atmosfer
dan
Spesies
yang
dipengaruhi
fotoreaksi
Troposphere
Heating of the Surface creates warm air at
surface
 Warm air rises, but air expands as it rises
and cools as it expands (Adiabatic cooling)
 Heating + Adiabatic Cooling = Warm air at
surface, cooler air above
 Buoyancy = Cool air at surface, warmer air
above
 Two opposing tendencies = constant
turnover

Stratosphere



This layer sits on top
of the troposphere
It’s elevation ranges
from 10 km to around
25 km
This layer contains
the ozone layer,
which protects us
from harmful sunlight
Stratosphere
Altitude 11-50 km
 Temperature increases with altitude
 -60 0C at base to 0 0C at top
 Reason: absorption of solar energy to
make ozone at upper levels (ozone layer)
 Ozone (O3) is effective at absorbing solar
ultraviolet radiation

Mesosphere






This layer is above
the stratosphere
It’s elevation ranges
from 25 to 100 km
50 – 80 km altitude
Temperature
decreases with
altitude
0 C at base, -95 C at
top
Top is coldest region
of atmosphere
Mesosfer: Temperature decreases with
height. Why?

Lapisan mesosfer ini ditandai dengan penurunan suhu
(temperatur) udara, rata-rata 0,4°C per seratus meter.

Penurunan suhu (temperatur) udara ini menandakan
mesosfer memiliki kesetimbangan termal yang negatif.

Temperatur terendah di mesosfer <-81°C dan di bagian
paling atas mesosfer yang disebut mesopause, yaitu
lapisan batas antara mesosfer dengan lapisan termosfer
temperaturnya diperkirakan mencapai sekitar -100°C
Mengapa bisa terjadi?


Perubahan temperatur pada mesosfer
sebanding dengan jumlah ozone yang
menyerap UV panjang gelombang menengah
(0.1 μm to 0.35 μm).
Pada lapisan mesosfer konsentrasi gas ozon
makin berkurang tajam ketika altitude makin
tinggi, sehingga UV terserap juga makin sedikit
 akibatnya suhu makin ke atas akan makin
turun
Thermosphere



This is the highest layer
of the atmosphere
It’s height ranges from
100 to 400 km
This is where most small
meteorites burn up and is
also the location in the
atmosphere that the
northern lights occur
(aurora borealis)
Thermosphere
80 km and above
 Temperature increases with altitude as
atoms accelerated by solar radiation
 -95 C at base to 100 C at 120 km
 Heat content negligible
 Traces of atmosphere to 1000 km
 Formerly called Ionosphere

The Atmosphere of Earth
The atmosphere of Earth contains primarily N2 (77%) and O2 (21%).
 What happened to all the CO2?
 Where did all the O2 come from?
Tugas 1

Buat Kajian, mengapa atmosfer bumi tidak
sama komposisinya dengan atmosfer
planet lain terdekat (venus dan mars),
terutama untuk CO2, O2 dan N2 ?
Pergerakan Udara


Pergerakan massa udara : global, benua/
intercontinental, regional atau local.
Menurut kondisi geografinya :
 Macroscale
: ribuan kilometer, dipengaruhi rotasi
bumi
 Mesoscale : ratusan kilometer, topografi, lautan,
pegunungan, hutan, perkotaan
 Microscale : 10 km, gedung-gedung, pohonpohon, bis-bis, jalan aspal dan beton, gurun pasir
dan batuan
SIRKULASI ATMOSFIR
The Coriolis Effect Influences the Movement of Air in Atmospheric
Circulation Cells
Sirkulasi Udara Global
SIRKULASI ATMOSFIR
IKLIM DAN SIRKULASI
GLOBAL
The surface currents
24
Tugas 2
 Membuat
gambar analisis struktur atmosfir
bawah (Troposfir) dihubungkan dengan
pencemaran udara
Stratifikasi
Atmosfer
dan
Spesies
yang
dipengaruhi
fotoreaksi
Profil
temperatur
dan
tekanan
atmosfer
“Lee Chateleur” Principle
Strata Atmosfer
Sifat Fisik dan Kimia
Troposphere
Makin tinggi  tekanan makin naik,
temperatur menurun. Reaksi makin
cepat ke arah exotermis, dan
pemecahan molekul.
Stratosphere
Makin tinggi  tekanan makin turun,
temperatur makin naik. Reaksi kimia
makin cepat ke arah endotermis dan
pemecahan molekul.
Mesosphere
Makin tinggi  tekanan makin rendah
dan suhu makin rendah. Reaksi
molekul menjadi lebih sulit karena
tekanan terlalu rendah, tumbukan
antar molekul makin jarang.
Thermosphere
Makin tinggi  tekanan makin rendah,
suhu extrem makin tinggi, reaksi
makin sulit terjadi.
Gambaran (Profil) Vertical, Densitas dan
Tekanan Atmosfer

Dipengaruhi oleh gaya gravitasi
FG = Gaya Gravitasi
FG
mGM E
r2
mg
The ME massa bumi = 5.98*1024 kg
Konstanta gravitasi=6.67x10-11 Nm2kg2
What is atmospheric thermodynamics?


Termodinamika Atmosfer  kajian tentang atmosfer ditinjau dari sifat-sifat termodinamika.
Dalam termodinamika atmosfer, dibangun asusmsi:



Sistem  diasumsikan sebagai parcel udara
Lingkungan  kondisi/keadaan disekitar parcel yang mempengaruhi parcel udara
Batas  batas yang memisahkan keduanya (asumsi)

Atmosfer terdiri atas campuran gas (homogen/heterogen)  dimana pada posisi ruang
yang berbeda  tekanan dan temperatur berbeda  perbedaan iklim/cuaca

Radiasi matahari adalah ultimate source semua energi yang merubah iklim/cuaca 
interakasi dengan gas-gas atmosfer  profil temperatur (dapat dijelaskan dengan hukum
termodinamika).



Struktur spasial temperatur yang dihasilkan berhubungan dengan struktur spasial tekanan dan
densitas gas (cocok dengan persamaan keadaan gas )
Variasi spasial temperatur  tekanan  menimbulkan angin atmosfer
Perubahan fasa air menentukan sistem iklim di atmosfer bawah (mendung, hujan, es, dsb)
 perubahan fasa ini juga dapat dijelaskan dengan termodinamika
Contoh:
Asumsi parcel
gas/udara
Sebagai satu
sistem
termodinamik
a
Konsep (Asumsi) : Parcel Udara




Sistem (campuran sejumlah
kecil gas/udara) yang
terbungkus dan dikelilingi
lingkungan (atmosfer), untuk
dry air parcel  massa fixed
Ukuran bisa berubah-ubah
Terinsulasi dari lingkungan 
adiabatik  tidak ada transfer
panas
Sisi batas parcel fleksibel
Termodinamika Atmosfer  menjelaskan konversi energi matahari (input) ke
atmosfer dan thd respon atmosfer (turbulensi, sirkulasi, link sirkulasi
dengan transfer energi (radiasi), panas sensibel dan laten antara permukaan
bumi dengan atmosfer
Konsep dasar termodinamika yang penting dalam
menjelaskan sifat atmosfer








Tinjauan sifat gas ideal (variabel state)  PV=nRT
Tekanan  P = F/A = nRT/V; F = nRT/h
Volume
Konsep gas dalam kesetimbangan
Hukum ke-nol termodinamika
Temperature
Kerja ekspansi atau kompresi
Hukum pertama termodinamika dan perubahan
turunannya
WHAT ARE THE VARIABLES OF ATMOSPHERIC
THERMODYNAMICS?


Diasumsikan udara di atmosfer merupakan gas ideal kering
yang mengembang secara adiabatic.
Formuasi Gas Ideal: PV = nRT
(1)




P  tekanan dari sejumlah volume udara kering,
n  jumlah mol parcel udara,
R  konstanta gas ideal dan T  temperature absolut (K)
Turunan pertama rumur di atas,
d(PV) = d(nRT)  PdV + VdP = nRdT

(2)
Penyataan Hukum I termodinamika  perubahan energi
dalam ΔU pada gas = kerja yang dilakukanpada sistem plus
panas Q yang ditambahkan  dU = dW + dQ
(3)





Dalam kasus adiabatik  dQ=0, maka
dU = dW + 0= nCvdT.
Dan kerja akan digunakan untuk merubah
volume,
dW = -PdV, sehingga
PdV = -dW = -nCvdT
(4)
Substitusi persamaan 4 dan 2 , maka
–nCvdT + VdP = nRdT  VdP = n(R + Cv)dT
Karena R = Cp – Cv, maka VdP = nCpdT
dT/dP = V/nCp
(5)
Dari formulasi kesetimbangan hidrostatik dan
gas ideal, diperoleh hubungan tekanan dengan
altitude
dP/dz = – ρg dan ρ = nMW/V,
dP/dz = – nMWg/V
(6)
Kalikan pers 6 dg 7 
dT/dz = (V/nCp)( – nMWg/V)
 Untuk dry adiabatic lapse rate
diperoleh (Contoh kasus di Troposfer)
– dT/dz = MWa g/Cp.
Maka
– dT/dz = (29 10-3kg/mol
* 9.8m/s2)/29 J/K*mol = 9.8*10-3 K/m,
Atau
– dT/dz = 9.8 K/km
dT/dz  lapse rate
WHAT IS LAPSE RATE?

Lapse rate  laju
perubahan temperatur
pada perubahan
ketinggian di atmosfer
rate negatif 
temperatur menurun
ketika ketinggian naik
 Lapse rate positif 
temperatur naik ketika
ketinggian naik
 Inversi  perubahan
profil/kecenderungan
perubahan temperatur
 Lapse
Dry adiabatic Lapse rate

Perubahan/penurunan
temperatur kareba ketinggian
parcel udara kering (asumsi dry
adiabatis), seperti dijelaskan
pada persamaan sebelumnya
T=7 oC
T=8 oC
T=9
oC
dT
dz
g
cp
d
9.81 m s 2
1004 J K 1kg
1
0.0098K m
1
9.8K km 1
Catatan penting
T=7 oC
7oC
T=8 oC
8oC
T=9
oC
9oC
Γd (adiabatis lapse rate) perubahan temperatur parcel saat naik
atau turun secara adiabatik di atmosfer .
Γ (lapse rate lingkungan)  perubahan temperatur yang terukur
(sebenarnya) {diukur salah satunya dengan radiosonde); rata-rata
6-7 K km-1 di troposfer, tetapi nilainya bisa sangat bervariasi di
lokasi-lokasi yang berbeda  menentukan stabilitas pendispersi
atmosfer
Pencemaran Atmosfer
Bentuk Lahan/Terrain
Model
Kualitas
Udara
Meteorologi
Perubahan
Iklim
Kualitas Ambien
Kimia Atmosfer
40
Emisi
Kesehatan
/Lingkungan
Proses
yang
terjadi
pada
spesies
gas di
atmosfer
Atmosfer merupakan rekator
kimia low temperatur
Important Chemistry:
UV
Stratosphere
O3 layer
Tropopause
-70oC
14 km
visible
UV absorption by O3
Troposphere
Regional and global
biogenic emissions
(CH4)
Urban Anthropogenic emissions
Surface O3
IR absorption by
Greenhouse gases
(H2O, CH4, CO2)
Surface emissions
resulting in O3 and
aerosol formation,
and acid rain
Atmospheric
Chemistry starts with sunlight
O3
v = c/
O +O2
• Breaking chemical bonds
requires energy
• Sunlight has energy
• If sufficient energy is deposited
in the bond, then it will break
• O3 has a bond energy of ~105
kJ mol-1
visible
E = hv
Red
Orange
Yellow
Green
Blue
Violet
Near UV
Far UV
700
620
580
530
470
420
400-200
200-50
Energy/kJ mol-1
170
190
210
230
250
280
300-600
600-2400
The Troposphere
Stratosphere, upper atmosphere
10-16 k m, -56ūC
Troposphere
O2, N2, Ar, CO2, trace gas es
Vapor
NO 2 + h
NO + O
Photoche mical reactions
H2O
Droplets
Air pollutan ts
Particle s
Temperature
invers ion
We athe r
Temperature Inversion
KAJIAN
PENENTUAN BAKU
MUTU UDARA
Hierarki Regulasi Udara di
Indonesia
UUD
1945
UU No 32 2009
dan UU no 23
1997
PP RI No 41
Tahun 1999
• Lingkungan hidup yang baik dan sehat
• Hak asasi dan hak konstitusi setiap warga negara
• Baku Mutu Lingkungan
• Air,….udara ambien, emisi,……gangguan, lainnya
• Pengelolaan Lingkungan hidup
• Pengendalian Pencemaran Udara
• Lampiran  Baku Mutu Udara Ambien Nasional
• Kepmen LH No. 15/1996 Program Langit Biru / PROPER
• Permen LH No. 4/2009 tentang ambang batas emisi gas buang bagi kendaraan bermotor
Permen LH
Kewenangan Pemerintaha
Daerah

UU No. 32/2004 tentang Pemerintahan Daerah berlaku menggantikan UU
No. 22/1999, wewenang pengendalian lingkungan hidup diserahkan
sebagai urusan wajib berdasarkan asas desentralisasi kepada



UU No. 32/2004



pemerintah daerah provinsi (Pasal 13) dan
kabupaten/kota (Pasal 14).
Pasal (11 (2)) menetapkan bahwa hubungan kewenangan antara pemerintah pusat,
pemerintahan provinsi dan pemerintah kabupaten/kota merupakan satu sistem
pemerintahan.
Pasal 11 (1) pembagiannya dilakukan berdasarkan kriteria eksternalitas, akuntabilitas,
dan efisiensi dengan memerhatikan keserasian hubungan antar susunan
pemerintahan
Lampiran PP No. 38/2007

Perincian pembagian urusan pemerintahan antara pemerintah, pemerintah daerah
provinsi dan pemerintah daerah kabupaten/kota
Pembagian Kewenangan
Pengelolaan Udara
No
Pemerintah Pusat
Pemda Provinsi
Pemda Kabupaten/Kota
1
Pengelolaan kualitas udara
skala nasional dan/atau
lintas batas negara.
2
Penetapan baku mutu udara
ambien nasional, kebisingan
dan getaran lingkungan.
Penetapan baku mutu udara ambien
daerah lebih ketat atau sama dengan
baku mutu udara ambien nasional
Pemantauan kualitas udara ambien,
emisi sumber bergerak dan tidak
bergerak skala kabupaten/kota.
3
Penetapan baku mutu emisi
udara sumber tidak bergerak,
ambang batas emisi gas buang
kendaraan bermotor tipe baru
dan kendaraan bermotor lama.
Penetapan status mutu udara ambien
daerah.
4
Penetapan baku tingkat
kebisingan dan getaran sumber
tidak bergerak dan baku tingkat
kebisingan kendaraan bermotor
tipe baru dan kendaraan
bermotor lama skala nasional.
Penetapan baku mutu emisi udara
sumber tidak bergerak, ambang batas
emisi gas buang kendaraan bermotor
lama dan penetapan baku tingkat
kebisingan dan getaran sumber tidak
bergerak dan baku tingkat kebisingan
kendaraan bermotor lama skala
provinsi.
5
Penetapan Indeks Standar
Pencemar Udara.
Pelaksanaan koordinasi operasional
pengendalian pencemaran udara
skala provinsi.
Pengujian emisi gas buang dan
kebisingan kendaraan bermotor lama
secara berkala.
Pembagian Kewenangan
Pengelolaan Udara
No
Pemerintah Pusat
Pemda Provinsi
Pemda Kabupaten/Kota
6
Koordinasi dan pelaksanaan
pemantauan kualitas udara
lintas provinsi atau lintas batas
negara atau skala global (asap
kebakaran,
hutan, hujan asam, dan gas
rumah kaca) skala nasional
Koordinasi dan pelaksanaan
pemantauan kualitas udara skala
provinsi.
Koordinasi dan pelaksanaan
pemantauan kualitas udara skala
kabupaten/kota
7
Pengaturan pengelolaan
kualitas udara dan pengendalian
pencemaran udara skala
nasional.
Pembinaan dan pengawasan baku
mutu emisi udara sumber tidak
bergerak, ambang batas emisi gas
buang kendaraan bermotor lama dan
penetapan baku
tingkat kebisingan dan getaran
sumber tidak bergerak dan baku
tingkat kebisingan kendaraan
bermotor lama skala provinsi
8
Pengawasan terhadap penaatan
penanggung jawab usaha
dan/atau
kegiatan yang dapat
menyebabkan terjadinya
pencemaran udara
Pengawasan terhadap penaatan
penanggung jawab usaha dan/atau
kegiatan yang dapat menyebabkan
terjadinya pencemaran udara skala
provinsi.
Pengawasan terhadap penaatan
penanggung jawab usaha dan/atau
kegiatan yang dapat menyebabkan
terjadinya pencemaran udara dari
sumber bergerak dan tidak bergerak
skala kabupaten/kota.
9
Penetapan standar pengelolaan
kualitas udara dalam ruangan.
Pemantauan kualitas udara dalam
ruangan.
Pemantauan kualitas udara dalam
ruangan.
PERATURAN PEMERINTAH REPUBLIK INDONESIA NOMOR 41
TAHUN 1999
TENTANG PENGENDALIAN PENCEMARAN UDARA





Perlindungan mutu udara ambien didasarkan pada baku mutu udara
ambien, status mutu udara ambien, baku mutu emisi, ambang batas emisi
gas buang, baku tingkat gangguan, ambang batas kebisingan dan Indeks
Standar Pencemar Udara
Baku mutu udara ambien adalah ukuran batas atau kadar zat, energi,
dan/atau komponen yang ada atau yang seharusnya ada dan/atau unsur
pencemar yang ditenggang keberadaannya dalam udara ambien;
Mutu emisi adalah emisi yang boleh dibuang oleh suatu kegiatan ke udara
ambien;
Baku mutu emisi sumber tidak bergerak adalah batas kadar maksimum
dan/atau beban emisi maksimum yang diperbolehkan masuk atau
dimasukkan ke dalam udara ambien;
Ambang batas emisi gas buang kendaraan bermotor adalah batas
maksimum zat atau bahan pencemar yang boleh dikeluarkan langsung dari
pipa gas buang kendaraan bermotor;
Penentuan BM



Seharusnya spesifik menurut daerah, wilayah, zona
Spesifik menurut corak, karakteristik atau kemampuan
lingkungan, sistem pengelolaan lingkungan
Mestinya ditinjau ulang setiap periode waktu tertentu:



Regulasi  BM ditinjau 5 tahun sekali
Referensi  selalu ditinjau ulang (EPA, WHO, dll)
Kondisi  perkembangan permasalahan, teknologi,
humanisme, dsb
Pertimbangan dalam Penentuan
Baku Mutu
BM Udara Ambien utk Kesehatan Manusia
 BM Udara Ambien utk Melindungi
Ekosistem
 Pertimbangan lain:

 Teknologi
pemantauan
 Teknologi pengendalian
 Konsentrasi background
 Sumber daya manusia yang
menerapkan/menjalankan
BM Udara Ambien utk Kesehatan
Manusia
Tujuan  melindungi kesehatan manusia (baik yang sehat
maupun yang sensitif (anak, manula, orang sakit, dsb)
• BM Primer (Sistem Amerika Serikat)
 NAB




berdasarkan informasi dosis-response (menghubungkan
gangguan penyakit – nilai pajanan pencemar)
Pertimbangan batas marjin keamanan (margin of safety (The
National Academies, 2004)
Informasi dampak kesehatan:


Studi eksperimental atau toksikologi, atau
Studi onservasi atau epidemiologi
BM Udara Ambien utk Melindungi
Ekosistem
Tujuan  melindungi lingkungan dan ekosistem 
kesejahteraan manusia
• BM skunder (Sistem Amerika Serikat)
 NAB ditentukan dengan:





Studi Laboratorium
Studi Lapangan
Gabungan Studi Lab dan Lap
BM/NAB didasarkan pada:


Kemampuan alam menetralisir pencemaran
critical load atau critical level estimasi paparan maksimum
jangka panjang thd ekosistem yang dapat diterima tanpa efek
bahaya signifikan (Grennfelt dan Nelson, 1988)
Proses Penentuan Ambang Batas
Konsentrasi Ambien di Indonesia
Dilakukan dengan kajian Pustaka
 Referensi Baku Mutu di Negara lain
 Evaluasi dari data pemantauan jaringan
pemantauan otomatis (AQMS) di
Indonesia (Jakarta, Bandung, dan
Surabaya)

Data AQMS yang digunakan
penentuan BM di Indonesia
Kota
Stasiun
Jenis Data
Tahun
Jakarta
JAF1 (jakTim), JAF4 (Jakbar),
JAF5 (jaksel)
Rata-rata 30
menitan
2001 – 2008
Surabaya
SUF1 (taman prestasi), SUF2
(Perak Timur), SUF3
(Sukomanunggal), SUF4
(Gayungan), SUF5 (Gebang
putih)
Rata-rata harian
2001 – 2005
Bandung
BAF1 (Dago Pakar), BAF2 (Aria Rata-rata Harian
graha), BAF3 (Tirta lega), BAF
4 (Batununggal), BAF5
(Cisaranten)
2001 – 2003