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 R 2 ~ 510 juta km 2. Volumenya = 4/3 R 3 = 1,08 x 10 12 km 3. Massa bumi = 5,98 x 10 24 kg, dan densitasnya = 5,52 g/cm 3. 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 (23,5 0 C) dan Tropic of Capricorn (23,5 0 S). Daerah tropis, dibatasi oleh lintang kuda (horse latitude) yaitu lintang 30 0 U dan 30 0 S. Pada daerah lintang kuda terjadi subsidensi; hujan sedikit, daerah gurun dan stepa (padang rumput). b. Daerah Ekuatorial Dibatasi lintang 10 0 U dan 10 0 S. Daerah surplus energi Gaya rotasi bumi (gaya Coriolis) kecil : F c = 2 sin. V : kecepatan sudut rotasi bumi, : lintang tempat V : kecepatan angin Ω 2π rad 23j 56m 42s 7,2 x 10 Siklon tropis lemah, umumnya masih berbentuk depresi dan badai tropis. 5 rad s 1
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 N 2 O 2 Ar CO 2 Total Volume % 78,088 20,949 0,930 0,030 99,997 Massa % 75,527 23,143 1,282 0,045 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 CO 2, O 2, N 2, dll. Uap air, dapat berubah fasa. Aerosol atmosfer yang higroskopis bertindak sebagai IKA. O 2, penting bagi kehidupan, untuk mengubah zat makanan menjadi energi hidup. O 3, gas ini terutama terdapat pada ketinggian antara 20 dan 30 km, membentuk ozonosfer yang menyerap energi UV. CO 2, menyebabkan efek rumah kaca, pemanasan global, disebut gas rumah kaca (greenhouse gas). H 2 O, 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 40km. 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 CO 2 memberi efek rumah kaca, CO adalah gas aktif dan beracun. Jika pembakaran bbm oleh kendaraan bermotor secara sempurna maka muncul CO 2, jika tidak sempurna keluar CO.
Sulfur dioksida SO 2 dan asam belerang H 2 SO 4 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 (CFCl 3 ) dan Freon 12 (CF 2 Cl 2 ) 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 0 C, 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 Kota Tokyo Osaka Kyoto Bandung Kenaikan temperatur ( 0 C/tahun) 0,032 0,029 0,032 0,030 Pembangunan lambat Kota Nemuro Tyoshi Hikore Kenaikan temperatur ( 0 C/tahun) 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 Minggu Senin s/d Jum at Sabtu Beda temperatur kota - dusun 0,6 0 C 1,1 0 C 1,0 0 C 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 : CO 2 adalah gas rumah kaca, transparan terhadap gelombang pendek matahari dan menyerap radiasi gelombang panjang bumi.
Kesimpulan Manusia dapat bertahan hidup tanpa atmosfer (O 2 ~ 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 CO 2, lubang ozonosfer oleh gas CFC, deforestasi dan tumpahan minyak di laut dapat menyebabkan global warming. CO 2 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.