PERBANDINGAN LAJU TRANSFER MOMENTUM DALAM KONDISI TIDAK STABIL, NETRAL DAN KONDISI STABIL DI DAERAH DATARAN RENDAH

Transkripsi

1 PERBANDINGAN LAJU TRANSFER MOMENTUM DALAM KONDISI TIDAK STABIL, NETRAL DAN KONDISI STABIL DI DAERAH DATARAN RENDAH Meity Martina Pungus, Rolles Nixon Palilingan, Hennie Mieke Tumundo Staf Jurusan Fisika FMIPA UNIMA ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk menentukan laju perpindahan momentum antara permukaan dan pesawat udara di atas dalam tiga jenis kondisi, stabil, netral dan tidak stabil stabilitas. Penelitian dilakukan di Staion Klimatologi Kayuwatu Manado dengan ketinggian 76 m di atas permukaan laut. Penelitian ini adalah penelitian deskriptif eksperimental untuk mengetahui laju perpindahan momentum dalam tiga kondisi yang berbeda dari atmosfer di dekat tanah terutama di dataran rendah atau daerah panas. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa laju perpindahan momentum antara stabil dan netral (probabilitas (p = 0, 02168), alami dan tidak stabil (p = 0, ), dan antara kondisi stabil dan tidak stabil (p = 0, ), adalah berbeda secara signifikan dengan probabilitas p <0, 05. Ini berarti bahwa kondisi atmosfer dekat tanah sangat berpengaruh terhadap laju perpindahan momentum antara permukaan dan udara di atas. Kata kunci: Stabilitas, Netral, tidak stabil, momentum transfer, dataran rendah PENDAHULUAN Atmosphere merupakan campuran dari bermacam-macam gas yang terdiri dari nitrogen sejumlah kira-kira 75 %, Oksigen sekitar 20 %, dan sebagian kecil gas lain seperti Argon, Neon, Helium, Kripton, Xenon, Kabondioksida, Hidrogen dan Ozon (Rogers, 1979; Monteith, 1973; Monteith and Unsworth, 1990). Atmosfir senantiasa bergerak. Sifat gerakan atmosfir akan menentukan efektivitas berlangsungnya transfer momentum, panas dan massa antara permukaan dan atmosfir di atasnya. Sifat gerakan atmosfir khususnya untuk atmosfir pada permukaan menunjuk kepada apa yang disebut stabilitas atmosfir. Stabilitas atmosfir pada permukaan berkaitan dengan sifat gerakan udara sebagai fluida. Setiap permukaan yang bersentuhan dengan atmosfir mempunyai lapisan laminar dan turbulent (McIntosh and Thon 1978). Dalam lapisan batas laminar transfer momentum adalah proses molekular yang ditentukan sebagian oleh viskositas kinematik yang bergantung pada agitasi molekular dan suhu, proses-proses transfer kalor dan massa yang sesuai akibat agitasi molekular dan sebagian oleh gradien suhu (McIntosh and Thom 1978). Di atas lapisan laminar sifat aliran udara menjadi turbulent. Turbulensi udara menentukan kondisi stabilitas atmosfir dekat permukaan yang tentu saja akan berpengaruh terhadap laju 34 Perbandingan laju transfer momentum

2 transfer entitas. Oleh karena itu informasi tentang kondisi stabilitas atmosfer sangat penting sebelum dapat menentukan laju transfer. Dengan mengetahui kondisi atmosfir secara kuantitatif maka dapat ditentukan laju transfer sekaligus dapat membandingkan laju tersebut pada dua kondisi yang berbeda. Dalam penelitian ini akan dillihat perbandingan laju transfer momentum pada kondisi netral dan tidak stabil. Masalah dalam penelitian ini dapat dirumuskan sebagai berikut: Apakah terdapat perbedaan laju transfer momentum di antara kondisi atmosfir dekat permukaan?. Adapun yang menjadi tujuan dari penelitian ini adalah: 1).Menentukan kondisi stabilitas atmosfer di setiap interval waktu pengukuran 30 menit, 2) Menentukan besarnya laju transfer momentum pada kondisi atmosfir tidak stabil, netral dan stabil, 3). Membandingkan besarnya laju transfer momentum antar kondisi atmosfir pada ketiga kondisi stabilitas. Definisi Operasional METODOLOGI 1) Untuk mengukur suhu udara digunakan termometer suhu udara yang dinyatakan dengan satuan derajat Kelvin, dan untuk mengukur kecepatan angin digunakan anemometer, dengan hasil pengukuran dinyatakan dalam m/det. 2) Laju transfer momentum adalah besarnya gaya massa udara yang bergerak (angin) per satuan lulas permukaan, dan dinyatakan dengan sastuan Newton m -2 atau satuan momentum per satuan luas per satuan waktu. 3) Stabilitas atmosfir adalah suatu kondisi yang ditentukan oleh perubahan kecepatan angin dan suhu udara pada lapisan-lapisan atmosfir dekat permukaan. Secara kuantitatif stabilitas atmosfir dinyatakan oleh parameter stabilitas bilangan Richardson, yang didefinisikan oleh hubungan g z Ri = u z 2 Metode dan Prosedur Penelitian Penelitian ini adalah penelitian eksperimen yang bersifat deskriptif untuk mengetahui perbedaan laju transfer momentum pada tiga kondisi stabilitas atmosfir dekat permukaan yaitu kondisi tidak stabil netral dan stabil. Dua ketinggian di atas permukaan yang ditetapkan adalah z 1 = 0,5 m dan z 2 = 2,0 m. Hal ini disesuaikan dengan pengaturan alat di Stasiun Klimatologi Kayuwatu Manado. Pengamatan terhadap kecepatan angin dan suhu dilakukan secara serentak di tiap ketingian dimulai pada pukul Pengamatan terus dilanjutkan setiap interval waktu 5 menit, sampai pada Perbandingan laju transfer momentum 35

3 pukul Dalam analisis, data pengamatan kecepatan angin dan suhu diambil rata-rata setiap interval waktu 30 menit. Hasil pengamatan disajikan dalam tabel yang berbentuk seperti Tabel 1. Tabel 1. Format pengamatan kecepatan angin dan suhu udara pada dua ketinggian di atas permukaan. Waktu Pengamatan Ketinggian (m) Z = 0,5 m Z = 2,0 m u 1 u 2 T 1 T 2 Metode Analisis Data Langkah-langkah yang digunakan dalam menganalisis data dalam penelitian ini sebagaimana tergambar dalam kerangka berpikir adalah sebagai berikut: 1) Pada langkah ini data pengamatan kecepatan angin dan suhu udara pada dua ketinggian, digunakan untuk menentukan parameter stabilitas atmosfir dengan menggunakan parameter bilangan Richardson (Ri) (persamaan 11). Pada langkah ini sekaligus akan ditentukan regim stabilitas dan regim konveksi. 2) Setelah kondisi atmosfir diketahui, kelompok data dipisahkan menurut regim stabilitas netral dan tidak stabil. 3) Selanjutnya laju transfer momentum dihitung berdasarkan persamaan (13) untuk kondisi netral dan persamaan (15) untuk kondisi tidak stabil. 4) Untuk membandingkan laju transfer momentum pada kondisi netral dan kondisi tidak stabil digunakan ANOVA dan dilanjutkan dengan uji Perbandingan Berganda dengan menggunakan perangka lunak SPSS. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan prosedur yang telah dikemukakan dalam bagian 3 maka data hasil pengamatan kecepatan angin dan suhu udara yang dilakukan di Stasiun Klimatologi Kayuwatu Manado dengan elevasi 76 m yang diukur pada ketinggian Z 1 = 0,5 meter dan Z 2 = 2 meter diberikan dalam Lampiran 1. Demikian juga hasil analisis untuk perhitungan angka 36 Perbandingan laju transfer momentum

4 Richardson (parameter stabilitas atmosfir dekat permukaan) dan laju transfer momentum diberikan dalam Lampiran 2. Hasil analisis pada Lampiran 2 menunjukkan bahwa dalam kisaran waktu pengamatan dari pukul s/d terdapat periode dengan kondisi tidak stabil, netral dan stabil. Periode pengamatan dengan kondisi tidak stabil dikelompokkan dengan kode 1, kondisi netrasl dikelompokkan dengan kode 2, dan kondisi stabil dikelompokkan dengan kode 3. Terlihat bahwa periode pengamatan didominasi oleh kondisi stabil. Hasil uji beda rata-rata dengan ANOVA (Lampiran 3) menunjukkan bahwa: 1) Terdapat perbedaan yang signifikan antara laju transfer momentum pada kondisi tidak stabil dan kondisi netral dengan nilai peluang p=0,02168 (p<0,05). 2) Terdapat perbedaan yang signifikan antara laju transfer momentum pada kondisi netral dan kondisi stabil dengan nilai peluang p=0,00014 (p<0,05). 3) Terdapat perbedaan yang signifikan antara laju transfer momentum pada kondisi tidak stabil dan kondisi stabil dengan nilai peluang p=0,00000 (p<0,05). Dari perhitungan angka Richardson (Ri) terlihat bahwa dalam kisaran waktu pengukuran dari pagi hari pukul sampai sore hari atmosfir dekat permukaan pada tempat penelitian dapat berada dalam ketiga kondisi yaitu tidak stabil, netral dan stabil. sebagaimana kajian teori kondisi atmosfir ditentukan oleh perbedaan kecepatan angin dan suhu udara pada lapisan atmosfir dekat permukaan yang dapat diindikasikan oleh angka Richardson. Kondisi tidak stabil, angka Ri berkisar dari -1,09 sampai -0,02; kondisi netral berkisar dari -0,01 sampai 0,01, sedangkan untuk kondisi stabil dari 0,02 sampai 0,04. Kondisi atmosfir dekat permukaan jelas berpengaruh terhadap laju transfer. Pengaruh tersebut dapat dilihat pada faktor koreksi pada persamaan laju transfer yaitu M -2 (Lampiran 2). Dapat dilihat bahwa pada kondisi tidak stabil M -2 <1, padakondisi netral M -2 1 dan pada kondisi stabil M -2 >1. Dengan kenyataan ini, sebagaimana yang diprediksi oleh persamaan laju transfer momentum, besarnya laju transfer momentum terkecil pada kondisi tidak stabil kemudian diikuti kondisi netral dan tidak stabil. Pada kondisi tidak stabil, laju transfer momentum berkisar dari 8,11 N/m 2 sampai 119,74 N/m. Pada kondisi netral, berkisar dari 141,51 N/m 2 sampai 219,78 N/m 2. Pada kondisi stabil, birkisar dari 240,11 N/m 2 sampai 800,47 N/m 2. Perbedaan besarnya laju transfer momentum pada ketiga kondisi atmosfir ini, secara statistik. Ternyata sangat berbeda secara signifikan dengan nilai probabilitas jauh lebih kecil dari 0,05. Nilai probabilitas untuk perbandingan laju transfer pada kondisi tidak stabil-netral, netral-stabil, dan tidak stabilstabil masing-masing, p=0,02168, p=0,00014, p=0, Perbandingan laju transfer momentum 37

5 Kenyataan di atas menunjukkan bahwa kondisi atmosfir yang paling berpengaruh terhadap laju transfer momentum adalah kondisi stabil. Sedangkan kondisi tidak stabil meredam atau memperkecil laju transfer momentum. Untuk aplikasi pada bidang-bidang terkait dengan pemanfaatan transfer momentum (seperti untuk pemukiman, peternakan, atau pertanian) kondisi atmosfir dekat permukaan dapat dikondisikan dengan mengatur perbedaan kecepatan angin dan suhu lapisan atmosfir. Dalam bidang pertanian hal ini telah dimanfaatkan dengan cara modifikasi iklim mikro. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan 1) Rata-rata laju transfer momentum antara kondisi Tidak Stabil dan kondisi Netral berbeda secara signifikan dengan peluang p=0, Dalam hal ini rerata laju transfer momentum pada kondisi netral lebih besar dari laju transfer pada kondisi tidak stabil. 2) Rata-rata laju transfer momentum antara kondisi Netral dan kondisi Stabil berbeda secara signifikan dengan peluang p = 0, Dalam hal ini rerata laju transfer momentum pada kondisi Stabil lebih besar dari laju transfer pada kondisi netral. 3) Rata-rata laju transfer momentum antara kondisi Tidak Stabil dan kondisi Netral berbeda secara signifikan dengan peluang p=0, Dalam hal ini rerata laju transfer momentum pada kondisi Stabil lebih besar dari laju transfer pada kondisi tidak stabil. Saran Beberapa hal yang dapat disarankan dalam penelitian ini adalah: Penelitian ini dapat lebih dikembangkan, dengan membandingkan beberapa daerah yang mewakili daerah khas (terutama dilihat dari elevasi dan topografi) yang terdapat di daerah Sulawesi Utara. Sebaiknya menggunakan alat-alat yang lebih peka dengan ketelitian yang lebih tinggi. DAFTAR PUSTAKA Campbell, G. S An Introduction to Environmental Biophysics. Springer-Verlag. New York. 159p. Hatori, K Vegetational Impacts on The Monin-Obukhov Similarity Theory. ( diakses 13 Mei 2003) Kreith, F Prinsip-prinsip Perpindahan Panas. Erlangga Jakarta. 38 Perbandingan laju transfer momentum

6 Oke, T. R Boundary layer Climate. Methuen & Co LTD. London. 272p. Monteith, J. L Principles of Environmental Physics. Edward Arnold. London. 241p. McIntosh, D. H., abd A. S. Thom Essential of Meteorology. Wykehem Publications Ltd. London. 226p. Monteith, J. L and M. H. Unsworth Principles of Environmental Physics. Edward Arnold. London. 291p. Palilingan, R. N Termodinamika Udara. Diktat. Tidak dipublikasikan. Jurusan Pendidikan Fisika. FPMIPA IKIP Tondano. Palilingan, R. N Fisika Lingkungan. Cetakan I. Media Pustaka Manado. 264p. Rogers, R A Short Course in Cloud Physics. Pergamon Press. Oxford. 235p. Sutton, O. G Micrometeorology. McGraw-Hill book company Inc. New york 333p. Warland, J. S Applications And theory of Micrometeorological flux measurement. The University of Guelph. ( Diakses 5 Mei 2003). Perbandingan laju transfer momentum 39

7 Lampiran 1. Data Pengamatan dan Perhitungan Nilai Ri di Kayuwatu Manado. Elevasi 76 m. Range Z(1) = 0,5 m Z(2) = 2 meter Pengamatan u1 T1 u2 T2 T u2- T2-T1 (deg.k) (deg.k) (deg.k) (deg.k) ,33 295,60 2,17 296,22 295,91 0,84 0, ,00 297,10 3,00 297,32 297,21 1,00 0, ,20 299,31 2,50 295,00 297,16 1,30-4, ,50 301,62 4,17 301,22 301,42 0,67-0, ,00 302,45 3,33 302,40 302,43 0,33-0, ,33 303,28 3,50 303,17 303,23 0,17-0, ,00 304,02 3,33 303,75 303,89 0,33-0, ,00 304,90 3,33 304,40 304,65 0,33-0, ,33 305,35 3,00 304,83 305,09-0,33-0, ,50 305,55 3,83 305,40 305,48 0,33-0, ,17 305,00 3,67 305,07 305,04 0,50 0, ,33 304,87 2,83 302,80 303,84 0,50-2, ,50 303,83 0,33 304,88 304,36-1,17 1, ,33 303,88 1,33 304,70 304,29-1,00 0, ,50 304,65 2,67 304,00 304,33 0,17-0, ,83 305,13 4,00 305,05 305,09 0,17-0, ,67 304,35 2,33 303,70 304,03-0,34-0, ,33 304,15 2,55 303,90 304,03 0,22-0, ,00 303,83 3,45 302,12 302,98 0,45-1, ,00 303,98 1,67 301,90 302,94-0,33-2, ,50 303,83 0,50 304,18 304,01-1,00 0, ,00 303,45 1,50 301,89 302,67 0,50-1, ,67 302,58 2,01 302,00 302,29 0,34-0, ,17 301,15 2,00 301,00 301,08 0,83-0,15 40 Perbandingan laju transfer momentum

8 Lampiran 2. Hasil uji perhitungan angka Richardson dan laju trasfer momentum menurut kelompok stabilitas.. Kelompok Stabilitas T (deg.k) u2-u1 m/det T2-T1 (deg.k) Ri (kg/m 3 ) M (N/m 2 ) 1 301,42 0,67-0,40-0, ,83 0,75 94, ,43 0,33-0,05-0, ,93 0,84 119, ,23 0,17-0,11-0, ,85 0,48 38, ,89 0,33-0,27-0, ,31 0,56 52, ,65 0,33-0,50-0, ,39 0,45 33, ,09-0,33-0,52-0, ,72 0,44 32, ,48 0,33-0,15-0, ,26 0,68 75, ,09 0,17-0,08-0, ,72 0,54 48, ,16 1,30-4,31-0, ,66 0,55 52, ,84 0,50-2,07-0, ,51 0,35 20, ,33 0,17-0,65-1, ,63 0,22 8, ,03-0,34-0,65-0, ,78 0,41 28, ,03 0,22-0,25-0, ,78 0,43 30, ,98 0,45-1,71-0, ,81 0,35 20, ,94-0,33-2,08-0, ,94 0,24 9, ,67 0,50-1,56-0, ,98 0,39 25, ,29 0,34-0,58-0, ,45 0,43 31, ,21 1,00 0,22 0, ,44 1,12 212, ,04 0,50 0,07 0, ,93 1,15 219, ,08 0,83-0,15-0, ,17 0,92 141, ,91 0,84 0,62 0, ,67 2,16 800, ,36-1,17 1,05 0, ,52 1,73 500, ,29-1,00 0,82 0, ,77 1,87 581, ,01-1,00 0,35 0, ,86 1,20 240,11 Lampiran 3. Hasil uji Wilcoxon perbedaan rata-rata laju trasfer momentum. (a) Statistik deskriptif; (b) Hasil ANOVA; (c) Perbandingan berganda. (a) Stastistik Deskriptif Perbandingan laju transfer momentum 41

9 (b) Hasil ANOVA (c) Perbandingan Berganda 42 Perbandingan laju transfer momentum

10 Perbandingan laju transfer momentum 43