Ilmu Kebumian : Atmosfer

Atmosfer

1. Meteorologi adalah Ilmu yang mempelajari fenomena atmosfer – termasuk dinamika, fisika dan kimia atmosfer. (asal kata meteōros/Yunani – ‘lofty’ – ‘melayang’)
2. Secara umum meteorologi dapat dikatakan suatu kajian dinamika dan termodinamika atmosfer yang mempengaruhi kehidupan manusia.

Meteorologi, Cuaca, & Iklim

• Cuaca 

1. Keadaan/kondisi sesaat atmosfer, terutama berkaitan dengan pengaruhnya terhadap kegiatan manusia.    Variabilitas jangka pendek atmosfer dengan skala waktu menit hingga bulan. Definisi populernya: temperatur, angin, kelembaban, presipitasi, perawanan, kecerahan, dan jarak pandang.
2. Kategori individual/kombinasi fenomena atmosfer yang menggambarkan kondisi atmosfer pada waktu observasi. 

• Iklim 

1.  Deskripsi stastistik kondisi atmosfer jangka panjang, perataan dalam perioda waktu tertentu (30 tahun menurut ketetapan WMO

Apa yang ingin diketahui?

 Temperatur
 Kecepatan angin
 Arah Angin
 Perawanan Tipe, ukuran, ketinggian
 Presipitasi Tipe, jumlah, lokasi
 Visibilitas Fog, haze
 Kelembaban
 Trend/Kecenderungan
 Waktu terjadi perubahan yang signifikan
 Kejadian fenomena ekstrim

1. Temperatur

 Kelvin (K) : (SI unit) perlu dalam perhitungan 

 Derajat Celcius (C) : (non-SI) digunakan untuk menyatakan temperatur secara umum 

 Derajat Fahrenheit (F) : (non-SI) umum dipakai di USA

0 K = -273.15 

C Konversi: T

Kelvin = TCelcius -273.15

• Gradien vertikal : tipikal ~0.01 °C m-1 secara bisa lebih besar, seperti, inversi temperatur lapisan batas dengan harga sampai dengan ~0.2 °C m-1
• Gradien horizontal : Untuk skala sinoptik biasanya < 1°C per 100 km (0.01 °C km1), sampai dengan ~5 °C per 100 km dalam daerah front
• Efek lokal (seperti pemanasan matahari) dapat menyebabkan  gradien yang besar untuk skala kecil

2. Tekanan

 Satuan SI untuk tekanan adalah Pascal (Pa), Tekanan atmosfer dinyatakan dalam hectopascal (hPa) = seratus Pascal. 

1 hPa = 100 Pa 

 Tekanan sering juga dinyatakan dalam millibars (mb)(non-SI) 

1 mb = 1 hPa 

 Tekanan muka laut = 1013.25 mb = 1013.25 hPa

Ada perbedaan yang sangat kontras antara gradien horizontal dan vertikal untuk variabel cuaca seperti tekanan dan temperatur. Secara umum gradien vertikal jauh lebih besar dari gradien horizontal 

Tekanan 

Gradien vertikal: ~0.14 mb m-1 

Gradien horizontal : < 0.1 mb km-1 (typikal ~0.01 mb km-1)

3. Kecepatan Angin

Kecepatan angin biasa dinyatakan dalam beberapa macam unit :

•  Meter per detik (m s-1) (unit SI) – digunakan dalam sains dan juga umum 
•  Knots (kt) = mil-laut per jam = 0.514 m s-1 = 5 m s-1 
•  Kilometer per  jam (kph) = 0.278 m s-1 
•  Mil per jam (mph) = 0.447 m s-1

4. Arah Angin

•  Menurut konvensi Meteorologi arah angin menyatakan DARI MANA angin itu datang 
•  Dinyatakan dalam derajat dari Utara – Arah kompas ketika menghadap kearah angin datang 
•  Oleh karena variabilitas angin sangat tinggi (gustiness) hanya arah angin secara umum yang dinyatakan: utaraan (northerly), timuran (easterly), baratan (westerly) dst.

5, Kelembaban

Kelembaban Relatif : dinyatakan dalam persen (%) (non-SI) = jumlah uap air dalam udara     dinyatakan dalam persentasi jumlah maksimun yang mungkin pada suatu  temperatur tertentu.

Sangat berguna untuk menentukan dimana kabut atau awan akan terbentuk, kondensasi uap air ke bentuk butir awan/kabut terjadi jika RH mencapai nilai 100%

6. Titik Embun

• Titik Embun adalah temperatur dimana parcel udara dengan kandungan uap air konstan harus didinginkan pada tekanan tetap untuk menjadi jenuh
• Depresi titik embun adalah perbedaan temperatur parsel udara dengan temperatur titik embunnya.
• Perbandingan Campuran (Mixing Ratio) Perbandingan masa uap air terhadap masa udara kering

Mixing ratio = Mv/Ma

• Kelembaban Spesifik (Specific Humidity) Perbandingan masa uap air terhadap masa udara lengas.

q = Mv Mv + Ma

7. Pembagian Ruang-Waktu

 Lokal (skala mikro) 

• Waktu: beberapa jam ~1 hari 
• Jarak: <2  km 
• Fenomena: konveksi lokal, kumulus kecil, kabut, sungai kecil, variasi angin permukaan 

 Regional (skala meso) 

• Waktu: jam sampai beberapa  hari 
• Jarak: beberapa km ~ 100 km 
• Fenomena: thunderstorms, front, angin darat-angin laut 

 Skala besar (skala sinoptik) 

• Waktu: lebih dari ~10 days 
• Jarak: beberapa 100 km  ~ beberapa 1000 km 
• Fenomena : sistem tekanan tinggi dan rendah

Atmosfer Bumi

Atmosfer adalah lapisan tipis yang melingkupi/menyelubungi permukaan bumi 

• Gambar kanan memperlihatkan atmosfer dilihat dari pesawat ulang-alik (space shuttle) 

• 99% kandungan atmosfer berada pada 30 km lapisan terbawah atmosfer itu sendiri 

• Jika radius bumi sekitar 6400 km, maka ketebalan atmosfer adalah 30 km/6400 km = 0,5 % radius Bumi 

Asal Atmosfer

• Pada 4.6 miliar tahun lalu, atmosfer bumi terdiri atas campuran gas hidrogen dan helium ( dua gas utama yang ditemukan dalam alam semesta) 

• Melalui proses pelepasan gas dan perembesan gas dari dalam bumi, banyak gas lain disuntikan ke dalam atmosfer  seperti: 

• Uap air (menghasilkan hujan - sungai, danau, laut) .... + es meteor 
• karbon dioksida 
• nitrogen 

• Setelah proses diatas berlangsung selama jutaan tahun, atmosfer berevolusi menjadi seperti keadaan sekarang ini

Komposisi Atmosfer

Uap air 

•  Sekitar 0,25 % dari total masa atmosfer 
•  Konsentrasi berkurang secara cepat terhadap ketinggian 
•  Hampir seluruh UA terdapat pada ketinggian dibawah 5 km 
•  Dekat permukaan UA bervariasi antara 1% (gurun) - 4 % (tropis) 
•  Waktu tinggal di atmosfer: 10 harian

Karbon Dioksida 

•  Sekitar 0,036 % dari total masa atmosfer 
•  konsentrasi 360 ppm 
•  Masuk ke atm melalui: proses respirasi, peluruhan material organik, erupsi gunung api dan pembakaran alamiah maupun antropogenik 
•  Keberadaan dalam atm melaui: fotosintesa 
•  Waktu tinggal di atm: 150 tahunan 
•  Terjadi peningkatan 1.8 ppm/thn sejak 1950

Ozon 

•  Sangat vital utk kehidupan di stratosfer dan tdk berbahaya utk tanaman dan manusia di troposfer 
•  Konsentrasi: stratosfer ==> sampai 15 ppm  pada ketinggian sekitar 25 km 
•  Terbentuk jika atom oksigen (O) dari bagian atas atmosfer bertumbukan dengan molekul oksigen (O2) di stratosfer 
•  Radiasi UV memecahkan ikatan ozon menjadi O and O2 yang kemudian akan membentuk molekul ozon yang lain

Metana 

•  Konsentrasi meningkat 0,01 ppm/yr beberapa dekade terakhir 
•  Konsentrasi saat ini: 1.7 ppm 
•  Sumber emisi: perut sapi, tambang batu bara, sumur minyak, pipa gas dan sawah 
•  Waktu tinggal di atmosfer: ~ 10 yrs 
•  Mempengaruhi absorbsi radiasi termal

Aerosol

•  Benda padat kecil yang tersuspensi (debu, asap, ...) atau partikel cair dalam udara 
•  Sumber: manusia (pembakaran bahan bakar fosil) dan proses alamiah (gunung api dan spray osean) 
•  Peran dalam atmosfer: - pembentukan awan (inti kondensasi) - urban smog dan badai pasir/debu yang sangat mengurangi  visibilita

Struktur Vertikal Atmosfer

 Berdasarkan Profil Temperatur 

1. troposfer 
2. stratosfer 
3. mesosfer 
4. Termosfer 

 Berdasarkan Propertis Elektrik: Ionosfer 

1. mulai bagian atas mesosfer sampai dengan Termosfer 
2. tiga lapisan : D, E dan F 
3. lapisan D hanya ada pada siang hari  dan menyerap gelombang radio AM 
4. aurora borealis and aurora australis

TROPOSFER 

•  Bagian terbawah atmosfer 
•  Tebal ~8km di kutub, ~16km di equator. Ketebalan bervariasi terhadap ruang dan waktu. 
•  Lapisan dimana fenomena cuaca terjadi. Sebagian besar uap air atmosfer terkonsentrasi pada lapisan bawah troposfer. 
•  Temperatur menurun dengan ketinggian 
•  Bagian atas dibatasi oleh lapisan inversi atau lapisan isothermal lyang disebut  lapissan Tropopaus.  Tropopause berfungsi sebagai langit-langit (lid), yang mencegah pertukaran udara antara troposfer dan stratosfer.

STRATOSFER 

•  Mulai dari puncak troposfer sampai dengan ~50 km. 
•  Secara umum, temperatur bertambah dengan ketinggian pada musim panas – Suhu terendah pada tropopause equatorial. Pada musim dingin memiliki struktur yang lebih kompleks 
•  Mengandung mayoritas ozon atmosfer (O3). Mengabsorpsi radiasi ultraviolet sehingga menghasilkan suhu maximum di stratopaus (kadang2 mencapai 0°C). 
•  Interaksi dengan troposfer sangat terbatas dan masih sangat kurang dimengerti.

MESOSFER 

• Di mesosfer udara bercampur secara relatif dan suhu menurun dengan ketinggian 
• Disini, atmosfer mencapai suhu terdinginnya ~ -90°C 
• Pada lapisan ini meteor terbakar ketika memasuki atmosfer bumi
• Merupakan lapisan yang terekspos secara langsung terhadap radiasi Matahari dan karena itu merupakan lapisan yang dipanasi oleh Matahari. Udara sangat tipis sehingga penambahan kecil energi akan menyebabkan peningkatan suhu secara signifikan
• Suhu di termosfer sangat bergantung pada aktivitas Matahari (suhu dapat mencapai nilai 1,500°C atau lebih). Temperatur tidak dapat diukur secara langsung, tetapi dengan cara mengukur tekanan atmosfer terhadap satelit dan menghitung suhu dari persamaan gas ideal
• Termosfer juga mencakup wilayah atmosfer bumi yang disebut Ionosfer, dalam wilayah mana atmosere dipenuhi dengan partikel bermuatan. Peningkatan temperatur dapat menyebabkan molecule udara terionisasi
• Pesawat Ulang-alik mengorbit  Bumi pada lapisan Termosfer