Pembagian lapisan atmosfer-1

Transkripsi

1 BAGIAN 3 STRATOSPHERIC CHEMISTRY : the ozone layer

2 Lapisan Pembagian lapisan atmosfer-1 Ketinggian (km) Temperatur (C) Komposisi Spesi kimia Troposphere 0-11 km 15 s/d -56 N2, O2, CO2, H2O Stratosphere km -56 s/d -2 O3 Mesophere km -2 s/d -92 O2*, NO* Thermosphere km -92 s/d 1200 O2*, O*, NO*

3

4 Ozon Ozon di troposphere ( atmosphere bahwa) adalah hasil reaksi smog fotokimia, sebagai polutan, menyebabkan iritasi saluran pernapasan dan kerusakan tanaman, kerusakan material lainnya ( korosif) Ozon di stratosphere sebagai lapisan ozon yang berfungsi menyaring sinar UV yang berbahaya agar tidak mencapai permukaan bumi.

5 Lapisan Ozon di stratosphere Ozon, adalah gas dengan titik ndidih -112 C Satuan konsentrasi Ozon a. adalah Dobson Unit ( DU) 1 DU = 0,01 mm = 0,001 cm ( 1 atm, O C) b. Milliatmosphere centimeter = matm cm 1 matm cm = 1 DU Penemu lubang n ozon di antartika Dr. Joe C. Farman Tebal lapisan Ozon di stratosphere di daerah tropis = 250 DU ( 2.5 mm) di antartika = 450 DU ( 4.5 mm) Tebal lap. Ozon bervariasi setiap bulan (Gambar 2.1) bulan Feb. Mar. Apr. maksimum = 400 DU

6 Lapisan Ozon Gambar 2.2. Menceritakan penurunan lapisan ozon sejak tahun 1980 sampai tahun 1998, mencapai 80 DU pada tahun 1994 Penyebab adalah : a. Fenomena meteorologi b. Fenomena reaksi kimia Tahun 1986 Dr. Susan Solomon, melakukan penelitian di antartika dan menyimpulkan penyebab lubangb ozon tersebut adalah chlorine ( Cl2)

7 Penurunan Lapisan Ozon

8 Satuan konsentrasi gas di atmosphere Satuan konsentrasi : a. absolut : mol/cm3 b. Relatif : ppm ( part permillion) ppb ( part per billion) ppt ( part per trillion)

9 Absorpsi cahaya oleh molekul gas Pembagian cahaya matahari λ (nm) < 50 X-Rays UV UV-C UV-B UV-A Visible IR

10 Absorpsi cahaya oleh molekul Reaksi fotokimia adalah reaksi kimia yang terjadi karena adanya interaksi antara cahaya dengan molekul gas. Setiap molekul gas akan menyerap panjang gelombang cahaya ( energi) tertentu sesuai dengan tinggi energi elektron yang ada di dalam molekul gas tersebut. Gas O2 tidak menyerap cahaya visible tetapi hanya sinar UV nm Spectrum absorpsi : gambar yang memperlihatkan hubungan fraksi sinar yang dapat diabsorpsi oleh molekul pada berbagaiu panjang gelombang ( Lihat Gambar 2-7) Gambar 2-7, molekul oksigen menyerap cahaya UV dari panjang gel nm

11 Absorpsi cahaya oleh molekul

12 Absorpsi cahaya Di bagian atas stratosphere (mesophere ) O2 menyerap UV nm Di stratosphere UV nm diserap oleh ozon. Spectrum absorpsi ozon terhadap sinar UV diperlihtakan pada Gamabr 2-8 a,b UV nm, masuk ke troposphere diserap oleh NO2 di atmosphere

13 Dampak biologi dari lubang ozon Lapisan O3 menipis, sinar UV B ( nm) masuk kepermukaan bumi UV-B berkontak dengan kulit, menyebabkan - tanning - sunburn - kanker kulit UV-B dapat berinteraksi dengan molekul DNA sehingga terjadi kerusakan, terjadi malignan melanoma

14 Prinsip Fotokimia Cahaya dipadang sebagai : a. Gelombang b. partikel atau foton ( paket energi) Energi foton E = hv = hc/ λ h = x 10(-3) Js c = x 10(8) m/s semakin pendek λ semakin besar energinya E ( k J/mol) = /λ

15 O à 20 H = 495 kj /mol E = kj /mol λ λ = kj/mol = 241 nm 495 kj/mol O nm -----à 2O

16 Reaksi fotokimia Reaksi kimia antara O2 dengan sinar UV 241 nm disebut reaksi reaksi fotokimia. Karena reaksi kimia tersebut terjadi penguraian maka disebut Fotolisis. Molekul gas dapat menyerap cahaya dengan panjang gelombang tertentu, maka akan menyebabkan posisi elektron terluar berubah dari posisi ground state ( energi rendah ) ke posisi excited state ( energi tinggi). notasi excited state ( *) Elektron dengan posisi excited state tidak stabil, maka akn kembali pada posisi ground state dengan melepaskan energi berupa: a. panas b. Panjang gelombang cahaya c. energi diserap oleh molekul lain menjadi exiceted state

17 Pembentukan dan penguraian Ozon dengan proses non katalitik. Di mesophere Molekul O2 lebih banyak dalam bentuk atom karena O2 berinteraksi dengan sinar UV-C O2 + UVC à 2O Di stratosphere Molekul O2 lebih banyak dari atom oksigen O2 + O ----à O3 + heat terjadi pada siang hari pada ketinggian 25 km di atas tropis 18 km di atas kutub Ozon lebih banyak pada lapisan km Dibutuhkan molekul lain untuk memebawa panas dalam reaksi pembentukan ozon yaitu M atau gas N2 Terjadi fenomena temperature inversion di stratosphere

18 O3 menyerap sinar UV B sehingga terurai menjadi O2 dan O O3 + UV <320 nm ---à O2* + O* O* + O à O3 O* + O à 2O2

19 Siklus Chapman + O O à O > O3 UV-C UV- B Konsentrasi ozon di stratosphere selalu terbentuk, terurai dan terbentuk kembali pada siang hari, sehingga konsentrasinya konstan.

20 Penguraian Ozon secara katalitik X + O à XO + O2 XO + O à X + O X + O3 + XO + O ----à XO + O2 + X + O2 O3 + O à 2 O2 X = katalis X = klorin X = Free radicals adalah molekul yang mempunyai elektron tidak berpasangan ( unpaired electron) X = di atmosfer non polluted X adalah NO` NO` berasal dari N2O

21 N2O + O* à 2 NO` NO` + O à NO2` + O2 NO2` + O à NO` + O O3 + O à 2 O2 rate = k( NO`) (O3)

22 Penguraian ozon Mekanisme I X juga dapat berupa radikal OH`, yang berperan dalam penguraian ozon startospher atas km = 45 Radikal OH berasal dari reaski CH4 dengan O* OH` + O à HOO` + O2 HOO` + O à OH` + O O3 + O à 2O2

23 Penguraian ozon di lapisan stratosphere bawah (mekanisme II) X + O à XO + O2 X`+ O à X`O + O2 XO + X`O -----à XOOX` --à X + X` +O O à 3 O2

24 Mekanisme I dan II Mekanisme I X + O à XO + O2 XO + O à X + O X + O3 + XO + O ----à XO + O2 + X + O2 O3 + O à 2 O2 Meknisme II X + O à XO + O2 X`+ O à X`O + O2 XO + X`O -----à XOOX` --à X + X` +O O à 3 O2

25 Atom Cl dan Br sebagai katalis X Atom Cl dan Br sebagai katalis X dalam penguraian ozon di startosphere CHCl3 + UV-C à CHCl3 + OH` à Cl` + CH3` Cl + other product Mekanisme I Cl` + O à ClO` + O2 ClO`+ O à Cl` + O O3 + O à 2O2 1 mol Cl dapat merusak mol ozon di stratosphere Cl dalam bentuk inaktif yaitu HCL atau ClONO2( chlorine nitrat ) Cl dapat berasal dari CFC atau CH3Cl

26 Bentuk Cl inaktif HCL berasal dari Cl + CH4 ---à HCl + CH3 ClONO2 Chlorine nitrat CLO + NO à ClONO2

27 Reaksi penguraian ozon di antartika Lapisan ozon di antartika turun 50% ( sept-nov, spring season) Cl bentuk tidak aktif adalah HCl dan ClONO2 Bentuk aktif Cl adalah Cl dan ClO Perubahan bentuk tidak aktif ---à aktif pada permukaan partikel air, HNO3 dan HSO4. Partikel yang paling banyak adalah H2SO4 yang berasal dari oksidasi COS (carbonyl sulfida) sedangkan partikel air hanya sedikit karena molekul air yang sedikit. Pada saat terjadi total darkness ( mid winter) temperatur turun --à tekanan udara turun (PV =nrt) ditambah dengan rotasi bumi terjadi VORTEX VORTEX adalah massa udara yang berputar dengan kec. 300 km/jam

28 Pembentukan partikel Partikel yang terbentuk karena kondensasi dan vortex membentuk awan polar stratosphere clouds (PSC) Partikel yang terbentuk ukurannya kecil mengandung air, H2SO4 dan HNO3 (Tipe I) Partikel yang terbentuk sebagian besar dari air dan sedikit HNO3 disebut kristsal tipe II). Reaksi perubahan Cl tidak aktif menjadi aktif melalui partikel lihat Gambar 2-15.

29 Pembentukan partikel

30 Reaksi perubahan Cl inaktif Gas ClONO2 berkontak dengan air yang ada dalam partikel ClONO2 + H2O ---à HOCl + HNO3 Gas HCl terlarut dalam lapisan air pada permukaan partikel HCl à H+ + CL- Cl- + HOCl -----à Cl2 + OH HCl + ClONO à CL2 + HNO3 Cl2 + sinar matahari------à 2 Cl HOCl + sinar matahari ----à OH + Cl

31 HNO3 dilepaskan dari partikel tipe I melalui reaksi HNO3 + UV ----à NO2 + OH NO2 bereaksi dengan klorin monoksida membentuk klor inaktif sebagai klorine nitrat ClO + NO à ClONO2

32 Reaksi penguraian ozon oleh klor aktif Step 1 Cl + O à ClO + O2 Step 2 a, b,c 2 ClO à Cl-O-O-Cl Cl-O-O-Cl +UV -----à Cl-O-O + Cl Cl-O-O à O2 + Cl ClO -----à Cl-O-O-Cl ----à O2 + 2Cl Reaksi step 1 dan 2 2 O à 3 O2

33 KOMPOSISI GAS DALAM UDARA BERSIH (TIDAK TERCEMAR) Gas Udara kering (%) µg/m³ Nitrogen 78, Oksigen 20, Air - - Argon 0, Karbon dioksida 0, Neon 0, Helium 0, Metan 0, Krypton 0, Oksida nitrogen 0, Hidrogen Xenon Organik 0,

34 Sistem Pencemaran Udara Sumber Emisi Pencemar Atmosfer Mixing & transformasi kimia Receptor Antropogenik Transportasi Manusia Biogenik Pengenceran Tumbuhan Fisik Hewan Reaksi kimia Material etc

35 Sumber Pencemaran Udara : Biogenik : letusan gunung berapi, dekomposisi biotik, etc. Antropogenik: transportasi, dan jenis konversi energi lainnya.

36 Sumber Biogenik-1 Sumber pencemar alamiah timbul dengan sendirinya tanpa ada pengaruh dari aktivitas manusia Contoh : meletusnya gunung berapi : pengemisian SO2, H2S, CH4, dan partikulat kebakaran hutan : mengemisikan HC, CO, dan partikulat berupa asap.

37 Sumber Biogenik-2 Masalah terhadap kesehatan dan lingkungan dapat muncul sebagai akibat pengemisian pencemar biogenik. Sumber biogenik bukan merupakan main contributor dalam kasus pencemaran udara perkotaan. Sumber pencemaran yang uncontrolled tapi terjadi occasionally.

38 Sumber Antropogenik-1 Sumber statis : cerobong industri kawasan industri, dan lain-lain; tingkat dan laju pengemisian serta jenis pencemar dari sumber statis sangat tergantung dari proses produksi yang ada dalam industri; contoh : industri semen didominasi oleh partikulat.

39 Sumber Antropogenik-2 Sumber bergerak : transportasi; jenis pencemar yang diemisikan tergantung dari bahan bakar dan sistem ruang bakar yang digunakan contoh : mesin jet didominasi oleh pengemisian gas NOx

40 Penyebaran konsentrasi zat pencemar Dipengaruhi Faktor Meteorologi Arah dan kecepatan angin, temperatur, tekanan, curha hujan, sinar matahari, stabilitas atmosfer dll. Topografi Daerah cekungan, dataran rendah, pegunungan, lembah dll. Sumber emisi Kendaraan bermotor, cerobong, pemukimam ( urban area).

41 Klasifikasi zat pencemar udara-1 Berdasarkan kondisi fisiknya a. Partikulat ( debu, aerosol) b. Gas ( CO, NOx, Hidrokarbon) Berdasarkan proses pembentukannya a. Zat pencemar primer, zat pencemar yang ada di udara ambien berasal dari zat pencemar dari sumber emisi ( SO2, CO, H2S dll) b.zat pencemar sekunder zat pencemar yang ada di udara ambient berasal dari hasil reaksi kimia yang terjadi di udara ambien ( misalnya Ozon, H2SO4, dll)

42 ZAT PENCEMAR UDARA PRIMER & SEKUNDER

43 Klasifikasi umum zat pencemar Partikulat Senyawa sulfur ( SO2, H2S, SO3, H2SO4, MSO4) Senyawa Nitrogen ( NO, NO2, NH3, MNO3) Senyawa Carbon ( CO, CO2) Senyawa Organik ( Hidrokarbon, aldehide dll)

44 Zat Pencemar utama Debu ( Suspended particulate matter) Sulfur dioksida Karbonmonoksida Oksida-oksida nitrogen ( NOx) Hidrokarbon Oksidan ( ozon)

45 WAKTU RETENSI BERBAGAI GAS DI ATMOSFIR Gas Waktu Retensi Siklus Ar - Ne - Kr - Tidak ada siklus Xe - N thn O 2 10 thn biologis dan mikrobiologis CH 4 7 thn biogenik dan kimiawi CO 2 15 thn antropogenik dan biogenik CO 65 hari antropogenik dan kimia H 2 10 thn biogenik dan kimiawi N 2 O 10 thn biogenik dan kimiawi SO 2 40 hari antropogenik dan kimiawi NH 3 20 hari biogenik, kimiawi, dan rainout NO + NO 2 1 hari antropogenik, kimiawi, dan sinar/cahaya O 3? kimiawi HNO 3 1 hari kimiawi dan rainout H 2 O 10 hari He 10 thn Psiko-kimiawi

46 Reaksi kimia di atmosfer Berkaitan dengan siklus a. oksida anorganik ( CO,CO2, NOx, SO2 ) b. Ozon c. Reduktan ( CO, H2S, SO2) d. Senyawa organik Terjadi dalam fasa: gas, liquid, dan fasa solid ( partikulat) Melibatkan interaksi anatara sinar matahari dengan molekul zat pencemar.

47 Reaksi Atmosferik Precursor Gases (HCs, NOx, etc) sunlight Products of Atmospheric Reaction (oxigenated HCs, PAN, etc)

48 Pencemar Udara Partikulat Partikulat : Terbagi dua: solid liquid Ukuran : µm µm Komposisi : organik anorganik

49 Berbagai istilah untuk nama partikulat No. Istilah Keterangan 1. Partikulat Berbagai bentuk solid atau liquid dengan ukuran 0, µ 2. Aerosol Berbagai bentuk solid atau liquid dengan ukuran mikroskopis 3. Dust Bentuk solid dengan ukuran > ukuran koloid 4. Fly Ash Partikel halus dari hasil pembakaran yang mengandung sisa bahan bakar yang tidak terbakar. 5. Fog Aerosol yang terlihat 6. Fume Partikel yang terbentuk dari kondensasi dan reaksi kimia dengan ukuran < 1 µ 7. Mist ( kabut) Dispersi tetesan air dengan ukuran 0, µ 8. Partikel Dispersi untuk solid dan liquid 9. Smoke Partikel halus yang berasal dari pembakaran 10. Soot Partikel-partikel karbon 11 Smog Campuran smoke dan fog

50 Pembagian ukuran partikulat

51 Perilaku partikulat Diffusi ( partikel debu terdiffusi dalam gas) Koagulasi ( partikel-partikel debu bersatu membentuk partikel yang lebih besar ) Scavenging ( Partikel debu terperangkap dalam liquid dan mengendap) Sedimentasi ( partikel debu mengendap karena gaya gravitasi) Kondensasi ( partikel debu berkondensasi dengan uap air Adsorpsi ( partikel debu mengadsorpsi molekul gas pencemar di sekitarnnya

52 Perilaku partikulat di atmosfer

53 Jenis senyawa sulfur di atmosfer SO2 (Sulfur dioksida ) SO3 (Sulfur trioksida) H2SO4 ( Asam sulfat) H2S ( Hydrogen disulfida) CH3S ( Metil sulfida CH3SCH3 ( dimetil sulfida) CS2 ( Carbon disulfida) COS ( Karbonil sulfida) CH3SSCH3 ( Metil disulfida)

54 Sifat SO2 Gas tidak berwarna, Tidak mudah terbakar Mudah teroksidasi O + SO2 + (M) O3 + SO2 NO2 + SO2 NO3 + SO2 N2 O5 + SO2 SO3 + (M) SO3 + O2 SO3 + NO SO3 + NO2 SO3 + N2O4

55 REAKTIF SPESIES SULFUR DI ATMOSFER

56 Oksida-oksida Nitrogen N2 + O2 ----à 2 NO 2 NO + O2 ----à 2 NO2 NO2 + hv ---à NO + O * 3NO2 + H2O ---à 2HNO3 + NO

57 SIKLUS NITROGEN GLOBAL : biogenik

58 SIKLUS NITROGEN GLOBAL : setelah dipengaruhi oleh aktivitas manusia

59 Karbonmonoksida (CO) Gas tidak berwarna Tidak berbau Sangat Stabil Waktu tinggal 2-4 bulan Sumbernya dari pembakaran tidak sempurna Mengalami penyisihan menjadi CO2 yang diserap oleh tumbuhan CO + OH* -----à CO2 + H*

60 Hidrokarbon Berbagai jenis hidrokarbon ( C1-C6) Dibedakan atas : MHC = Methanic Hydrocarbon ( CH4) NMHC = Non Methanic Hydrocarbon ( C2- C6) THC = Total Hydrocarbon THC = MHC + NMHC Sebagai prekursor untuk reaksi smog fotokimia

61 Photochemical Smog Photochenical smog adalah fenomena pencemaran udara, yaitu terjadinya kabut yang berwarna kecoklatan, banyak mengandung oksidan, yang dihasilkan dari reaksi fotokimia antara NOx dengan hidrokarbon yang dikatalisis oleh sinar matahari Smog fotokimia mengandung : NO2, O3, H2O2, Formaldehide, HNO3, Para Asil NItrat ( PAN) dll.

62 Smog Fotokimia Timbul sebagai akibat terjadi reaksi fotokimia antara pencemar-pencemar udara, khususnya pencemar HC dan NOx dengan bantuan sinar matahari. Terbentuk smog (smoke + fog), contoh terkenal : LA smog. Dampak : iritasi terhadap mata dan kulit. Skala dampak : lokal dan regional.

63 Reaksi pembentukan smog fotokimia

64 Reaksi pembentukan smog fotokimia

65 Global Warming( Pemanasan Global) Terjadi sebagai akibat peningkatan emisi gas rumah kaca yang memiliki kemampuan berinteraksi dengan energi sinar gelombang infra merah yang dipantulkan oleh permukaan bumi. Selanjutnya molekul gas akan melepaskan energi tersebut dalam bentuk panas ke lingkungan sekitarnya. Global warming berguna untuk menjaga agar tidak terjadi perubahan temperatur yang drastis antara siang dan malam

66 Global Warming Gas-gas rumah kaca : CO, CO 2, CH 4, N 2 O, uap air, dan lain-lain. Efek global warming : climate change, peningkatan muka air laut, dll. Skala fenomena : global.

67 Penipisan Lapisan Ozon Timbul sebagai akibat penggunaan dan pengemisian gas-gas yang memiliki stabilitas tinggi CFC. CFC baru akan bereaksi dan reaktif di lapisan stratosfer, dimana terdapat lapisan ozon yang berguna untuk melindungi bumi dari sinar gelombang pendek.

68 Ozon stratosfer sebagai filter UV Reaksi pembentukan ozon O2 + hv -----à O + O ( λ < 242,5 nm ) O2 + O ----à O3 O + O2 + M ----à O3 + M Reaksi penguraian ozon O3 + hv ----à O2 + O ( λ < 325 nm )

69 Reaksi pengrusakan O3 oleh CFC CF2Cl2 + hv -----à Cl * + CClF2 Cl* + O à ClO* + O2 ClO* + O ----à Cl* + O2 1 molekul CFC dapat merusak ribuan molekul ozon

70 KOMPOSISI PERILAKU OZON ATMOSFERIK

71 Hujan Asam Timbul sebagai akibat tingginya pengemisian pencemar udara, khususnya SO 2 dan NOx. Proses oksidasi di atmosfer mengakibatkan gas-gas tersebut berubah menjadi H 2 SO 4 dan HNO3 meningkatkan keasaman air hujan (deposisi basah).

72 Hujan Asam Dapat pula terjadi dalam bentuk deposisi kering terperangkap dalam bentuk partikel. Skala fenomena : regional hingga global.

73 PENYEBARAN HUJAN ASAM DI KOTA-KOTA BESAR DI INDONESIA