Sains Atmosfer dan Iklim *) Oleh

Sains Atmosfer dan Iklim *)
Oleh : Bayong Tjasyono HK.
Program Studi Meteorologi
Kelompok Keahlian Sains Atmosfer
Fakultas Ilmu Kebumian dan Teknologi Mineral
Institut Teknologi Bandung
*) Disampaikan pada Short Course, Ilmu Kebumian untuk
Masyarakat, 25 April 2007. Tahun Internasional Planet
Bumi (2007 – 2009)
LAPAN – BMG, BANDUNG
Konsep Bumi
•
•
•
•
•
Ukuran bumi terbatas, kemampuan menopang kehidupan
terbatas, penduduk bertambah terus, sumber daya alam
renewable (dapat diperbaharui) mengalami kerusakan parah,
sumber daya alam non renewable terus berkurang dan
kerusakan alam terus meningkat  Ilmu dan Teknologi
Kebumian sangat penting : S2 – UPI, S1, S2, S3 – ITB, dll.
Bumi sebagai bawang, terdiri dari lapisan-lapisan dari pusatnya
sampai puncak atmosfer. Bumi Indonesia terdiri dari atmosfer,
hidrosfer, litosfer dan kriosfer (Puncak Jaya Wijaya).
Ukuran bumi : Radius polar = 6357 km, radius ekuator = 6378
km dan radius rata-rata = 6371 km.
Perbandingan keliling lingkaran dengan diameternya =  =
3,1416. Luas bumi = 4R2 ~ 510 juta km2. Volumenya = 4/3 R3
= 1,08 x 1012 km3. Massa bumi = 5,98 x 1024 kg, dan
densitasnya = 5,52 g/cm3.
Jumlah penduduk sekarang 6 milyar, pada tahun 2025
diperkirakan mencapai 8 milyar, sementara lahan pertanian
terus berkurang yang menyebabkan bahaya kelaparan dan
kemiskinan yang signifikan.
Sampai sekarang, Bumi satu-satunya planet yang dihuni oleh
manusia.
Posisi Meteorologis Indonesia
•
•
•
•
•
•
•
•
Antara dua benua dan dua osean.
Dilalui ekuator geografis dan meteorologis.
Terletak di daerah ekuatorial, zona tektonik aktif, dan monsun.
Menerima surplus energi disegala musim.
Menerima panas sensibel dan laten dalam jumlah besar.
Campuran atmosfer – hidrosfer – litosfer – kriosfer – biosfer
Wilayah pegunungan dan kepulauan – angin lokal.
Terjadi ekinoks 2 kali per tahun.
Daerah Tropis dan Ekuatorial
a. Daerah Tropis
• Istilah “tropis” tidak eksak.
• Tropic of Cancer (23,50 C) dan Tropic of Capricorn (23,50 S).
• Daerah tropis, dibatasi oleh lintang kuda (horse latitude) yaitu lintang
300 U dan 300 S.
• Pada daerah lintang kuda terjadi subsidensi; hujan sedikit, daerah
gurun dan stepa (padang rumput).
b. Daerah Ekuatorial
• Dibatasi lintang 100 U dan 100 S.
• Daerah surplus energi
• Gaya rotasi bumi (gaya Coriolis) kecil :
Fc = 2  sin  . V
: kecepatan sudut rotasi bumi, Ω  2π rad  7,2 x 105 rad s 1
23j 56m 42s
 : lintang tempat
V : kecepatan angin
• Siklon tropis lemah, umumnya masih berbentuk depresi dan badai
tropis.
Akar Keilmuan Sains Atmosfer
 Sebelum 1998 : KBK (Kelompok Bidang Keahlian)
Meteorologi, Dep. Geofisika dan Meteorologi
 1998 – 2005 : KBK Meteorologi menjadi Prodi ME
 Sejak 2005 : Kelompok Keahlian Sains Atmosfer,
FIKTM, dan mulai 1 Agustus masuk pada Fakultas Ilmu
dan Teknologi Kebumian (FITB), ITB.
 Sains Atmosfer termasuk dalam rumpun :
Sains natural terutama sains kebumian
 Akar ilmu : Fisika dan Matematika Terapan dengan akar
penunjang Geosains, Oseanografi, Kimia, Hidrogeologi
 Wawasan : Kebumian terutama pada daerah tropis
yang difokuskan pada daerah ekuatorial maritim
monsun atau benua maritim.
Lingkup Sains Atmosfer
 Sains atmosfer adalah studi proses fisis dan fenomena
atmosfer dari permukaan laut sampai rumbai-rumbai
bumi (+ 1000 km dpl).
 Secara tradisi, Sains Atmosfer adalah kajian tentang
proses fisis atmosfer (fenomena cuaca) atau Meteorologi
dan hasil proses fisis atmosfer (sistem iklim) atau
Klimatologi.
 Sains atmosfer tidak terisolasi terhadap upaya saintifik
lain, seperti : Interaksi atmosfer – laut (ENSO, Dipole
Mode); Pemodelan cuaca secara numerik, statistik,
analitik, sinoptik, fisis atau dengan JNA dan Logika
Samar; Paleoklimatologi dan Hidrogeometeorologi,
Aeronomi dan Astrometeorologi
Aplikasi Sains Atmosfer

Sains atmosfer dapat diterapkan secara luas dalam
masalah praktis, seperti :

Prakiraan fenomena atmosfer yang mempengaruhi
aktivitas manusia; cuaca, banjir, kekeringan, badai
guruh, dan tornado

Penilaian dan penaksiran aktivitas manusia
terhadap lingkungan atmosfer; pencemaran udara,
gas rumah kaca dan penipisan ozonosfer.

Teknik modifikasi cuaca; hujan buatan, menindas
batu es, melenyapkan kabut dan mereda siklon

Perencanaan; tata guna tanah, disain bangunan,
kesehatan masyarakat, spesifikasi pesawat dll.
Atmosfer Bumi
•
•
•
•
•
•
•
Atmosfer berasal dari kata Yunani : atmos artinya uap dan sphaira
artinya bulatan
Sumber daya alam vital, tanpa atmosfer manusia hanya bertahan
hidup beberapa menit saja.
Atmosfer dihuni oleh manusia, laut didominasi oleh ikan dan tanah
dihuni oleh sebangsa cacing.
Banyak kegagalan aktivitas manusia tanpa memperhitungkan unsur
cuaca dan iklim.
Atmosfer pelindung kehidupan di bumi dari sengatan radiasi matahari
gelombang pendek, dari benda angkasa (meteor) yang jatuh kebumi.
Bumi Indonesia : 70% perairan, 30% darat dan 100% atmosfer.
Atmosfer sebagai sumber daya alam perlu dieksplorasi dan
dieksploitasi, misalnya teknologi modifikasi cuaca, memanfaatkan
energi angin menjadi energi terbarukan.
Gambar 2. Struktur bumi bagian luar.
Komposisi dan Struktur Atmosfer
•
•
•
Gas utama :
Macam gas
N2
O2
Ar
CO2
Total
Volume %
Massa %
78,088
75,527
20,949
23,143
0,930
1,282
0,030
0,045
99,997
99,997
Struktur vertikal atmosfer berdasarkan profil temperatur.
Lapisan atmosfer
Troposfer
: lapisan berubah, massa : 80%
Stratosfer
: lapisan berlapis, massa : 19,9%
Mesosfer
: lapisan tengah, massa : 0,099%
Termosfer
: lapisan panas, massa : 0,001%
Gambar 3. Lapisan Atmosfer.
Udara natural, terdiri dari :
•
•
•
•
 Udara kering : : gas-gas atmosfer seperti CO2, O2,
N2, dll.
 Uap air, dapat berubah fasa.
 Aerosol atmosfer yang higroskopis bertindak sebagai
IKA.
O2, penting bagi kehidupan, untuk mengubah zat
makanan menjadi energi hidup.
O3, gas ini terutama terdapat pada ketinggian antara 20
dan 30 km, membentuk ozonosfer yang menyerap energi
UV.
CO2, menyebabkan efek rumah kaca, pemanasan global,
disebut gas rumah kaca (greenhouse gas).
H2O, sangat penting dalam proses cuaca, karena
berubah fasa. Dari uap menjadi fasa cair disebut
kondensasi, sebaliknya evaporasi. Dari uap menjadi
fasa padat (es) disebut deposisi, sebaliknya sublimasi.
Dari air menjadi fasa padat (es) disebut membeku,
sebaliknya melebur.
Eksplorasi Temperatur Atmosfer
•
•
•
•
•
Untuk pertama kali temperatur vertikal diukur dengan
balonsonde. Diperoleh bahwa pada lapisan bawah rata-rata
10 km, susut temperatur (lapse rate) 7 derajat per km.
Tahun
1902,
Teisserenc
de
Bort
(1885–1913)
meteorologiwan Prancis dan Assmann (1845–1918)
meteorologiwan Jerman, secara terpisah menemukan
lapisan di atas 10 km, dimana temperatur naik dengan
ketinggian (inversi temperatur). De Bort menyebut lapisan
susut temperatur : troposfer dan lapisan inversi temperatur :
stratosfer.
Molchanov (1893–1941) meteorologiwan Soviet dalam tahun
1927 menemukan radiosonde yang mampu mengukur
temperatur, tekanan, kelembapan sampai ketinggian 40 km.
Untuk paras yang lebih tinggi struktur temperatur diukur oleh
roket dan dideduksi (diturunkan) secara tidak langsung oleh
observasi satelit cuaca.
Tatanama lapisan atmosfer menurut distribusi vertikal adalah
troposfer, stratosfer, mesosfer dan termosfer yang
puncaknya
masing-masing
tropopause,
stratopause,
mesopause dan termopause.
Dampak Aktivitas Manusia
• Sejak revolusi industri pencemaran atmosfer
terus naik, berdampak serius pada kesehatan
manusia
• Efek pencemaran atmosfer
a. Perubahan komposisi atmosfer
b. Perubahan partikel atau aerosol atmosferik
c. Perubahan temperatur atmosfer
• CO2 memberi efek rumah kaca, CO adalah gas
aktif dan beracun.
• Jika pembakaran bbm oleh kendaraan bermotor
secara sempurna maka muncul CO2, jika tidak
sempurna keluar CO.
•
•
•
•
Sulfur dioksida SO2 dan asam belerang H2SO4 dari
pembakaran bbm, batu bara dan proses industri adalah
gas beracun dan menimbulkan hujan asam.
Kebakaran hutan dan bahan kimia seperti formaldehida
dapat menyebabkan kabas (smog).
Percobaan bom atom dan pabrik tenaga nuklir
merupakan ancaman baru dengan kadar racun yang
tinggi. Bahaya radioaktif berkaitan dengan medis dan
keturunan.
CFC (chlorfluorocarbons) terutama Freon 11 (CFCl3) dan
Freon 12 (CF2Cl2) dapat merusak lapisan ozon. Dampak
lubang ozon stratosferik adalah penetrasi radiasi
matahari dimana organisme biologis sangat sensitif
seperti; kanker kulit, penyakit katarak, penurunan hasil
pertanian dan penurunan jumlah plankton di laut.
Gambar 4. Pengukuran konsentrasi ozon troposferik dan
stratosferik di Jerman.
Cuaca dan Iklim
•
•
•
•
Cuaca : Variasi atmosfer periode pendek, keadaan atmosfer pada suatu saat.
Meteorologi berasal dari kata meteoros : benda di udara dan logos : ilmu,
diartikan sebagai ilmu yang mengkaji fenomena cuaca.
Iklim : sifat statistik unsur cuaca jangka panjang. Klimatologi berasal dari kata
klima : kemiringan bumi atau lintang tempat dan logos ; ilmu, diartikan sebagai
ilmu yang mengkaji jenis iklim di muka bumi dan faktor penyebabnya.
Unsur cuaca dan iklim sama : temperatur udara, curah hujan, kelembapan
udara, arah dan kecepatan angin, durasi sinar mataharai, dan sebagainya.
Faktor yang mempengaruhi iklim disebut kendali iklim : matahari, distribusi
darat dan air, ketinggian tempat, massa udara, sel tekanan tinggi dan rendah,
dan arus laut.
Kendali
Iklim
Unsur
Iklim
Jenis dan
Variasi Iklim
Gambar 5. Hubungan unsur iklim dan kendali iklim.
Komponen Iklim
•
Iklim ditentukan oleh cara kerja dan interaksi 5 komponen
lapisan bumi, yaitu :
i. Atmosfer; sangat cepat bervariasi dan cepat tanggap
terhadap gaya-gaya eksternal dari matahari
ii. Biosfer; lapisan atmosfer yang masih ada kehidupan,
tebalnya sekitar 8 km. Perubahan musiman tanaman
mempengaruhi albedo dan siklus hidrologi.
iii. Hidrosfer; lapisan air bumi, cenderung
mempengaruhi temperatur dan sirkulasi pada skala
waktu musiman sampai ratusan tahun (abad).
iv. Kriosfer; bagian permukaan bumi dengan temperatur
rerata di bawah 0 0C, seperti daerah polar dan
puncak gunung tinggi seperti di Jaya Wijaya (Papua).
Permukaan salju dan es adalah reflektor radiasi
matahari dibandingkan laut dan darat.
v. Pedosfer; bagian padat permukaan bumi. Kapasitas
panas kontinen lebih kecil dari pada osean, sehingga
kontinen cepat panas/dingin ketika ada/tidak ada
matahari.
Iklim Kota
•
Pembangunan kota menyebabkan atmosfer diatasnya kotor
oleh debu atau asap, meningkatnya kendaraan bermotor.
Siang hari kota menyerap panas sehingga terjadi konveksi
atau awan konvektif, dan adanya heat island.
•
Tabel 2. Kenaikan temperatur kota akibat pembangunan
Pembangunan cepat
Pembangunan lambat
Kota
Kenaikan
temperatur
(0C/tahun)
Kota
Kenaikan
temperatur
(0C/tahun)
Tokyo
Osaka
Kyoto
Bandung
0,032
0,029
0,032
0,030
Nemuro
Tyoshi
Hikore
–
0,005
0,011
0,020
–
Sumber
Fukui, 1970
Fukui, 1970
Fukui, 1970
Bayong, 1990
Tabel 3. Beda temperatur kota dan dusun sebagai fungsi hari
(Mitchell, 1962)
Hari
Beda temperatur kota - dusun
Minggu
Senin s/d Jum’at
Sabtu
0,6 0C
1,1 0C
1,0 0C
Tabel 4. Beda unsur iklim kota dan dusun
K
O
T
A
Perawanan >
Curah hujan >
Hari hujan >
Radiasi <
Temperatur udara >
Kelembapan <
Kecepatan angin <
Kabut >>
Polutan >>>
D
U
S
U
N
Perubahan Iklim
•
•
•
Cuaca pagi biasanya udara dingin, langit cerah, dan pada siang hari
udara panas, langit berawan. Perubahan cuaca seperti ini lebih
tepat disebut fluktuasi, yaitu perubahan yang cenderung berulang.
Perubahan iklim baru dapat diketahui setelah periode lama,
beberapa klimatologiwan memakai istilah kecenderungan iklim
(climatic trend)
Beberapa teori yang menjelaskan perubahan iklim diantaranya :
a. Teori geologi : teori hanyutan benua dan teori vulkano.
b. Teori Astronomi
i. Perubahan orbit bumi : dari lingkaran (radiasi matahari ~ 25%
lebih besar) ke elip (pada aphelion radiasi matahari yang
diterima kecil)
ii.
Noda matahari (sunspot) : menyebabkan peningkatan
konveksi
c. Teori karbon dioksida : CO2 adalah gas rumah kaca, transparan
terhadap gelombang pendek matahari dan menyerap radiasi
gelombang panjang bumi.
Kesimpulan
 Manusia dapat bertahan hidup tanpa atmosfer (O2 ~ 21%) hanya
beberapa menit saja, tanpa minum sampai satu minggu karena
kehilangan cairan tubuh lebih dari 10% akan mati, dan tanpa makan
dapat bertahan hidup sampai satu bulan.
 Gas rumah kaca CO2, lubang ozonosfer oleh gas CFC, deforestasi
dan tumpahan minyak di laut dapat menyebabkan global warming.
CO2 diemisikan ke atmosfer oleh sumber biotik (makhluk hidup)
dan bahan bakar fosil.
 Peristiwa cuaca ekstrim kemungkinan lebih sering terjadi. Beda
temperatur udara di atas darat dan laut menyebabkan badai sering
terjadi : badai guruh, badai hujan, tornado, siklon tropis, kekeringan
dan banjir.
 Jika tidak ada tindakan mencegah global warming, maka Bumi
kapal angkasa yang nyaman akan menjadi Bumi rumah panas.
Daftar Pustaka
Arlery, R., H. Grisollet et B. Guilmet, 1973. Climatologie, Gauthier
Villars, Paris.
Bayong Tjasyono HK. 1987. Iklim dan Lingkungan, Penerbit PT
Cendikia Jaya Utama, Bandung.
Bayong Tjasyono HK., 2006. Meteorologi Indonesia I : Karakteristik
dan Sirkulasi Atmosfer, Penerbit BMG, Jakarta.
Bayong Tjasyono HK., dan Sri Woro B. Harijono, 2006. Meteorologi
Indonesia II : Awan dan Hujan Monsun, Penerbit BMG,
Jakarta.
Bayong Tjasyono HK., 1990. Dampak Urbanisasi Terhadap Iklim
Kota Bandung, Seminar Nasional Perubahan Iklim Bumi,
Jakarta.
Bayong Tjasyono HK., 2004. Klimatologi, Penerbit ITB, Bandung
Erich J. Plate, 1982. Engineering Meteorology, Elsevier Scientific
Publishing Company, Amsterdam.
Landsberg, H. E., 1981. The Urban Climate, Academic Press,
London.
Sellers, W. D., 1972. Physical Climatology, The Univ. of Chicago
Press, Chicago.