Atmos Fer

ATMOSFER BUMI

http://.www.pelatihan-osn.com Lembaga Pelatihan OSN

By : Asri Oktaviani

Meteorologi, Cuaca, & Iklim

Meteorologi

adalah Ilmu yang mempelajari fenomena atmosfer termasuk dinamika, fisika dan kimia atmosfer.

(asal kata meteros/Yunani lofty melayang)

Secara umum meteorologi dapat dikatakan suatu kajiandinamika dan termodinamika atmosfer yang mempengaruhikehidupan manusia.

Cuaca 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.

Kategori individual/kombinasi fenomena atmosfer yangmenggambarkan kondisi atmosfer pada waktu observasi.

Iklim Deskripsi stastistik kondisi atmosfer jangka panjang,

perataan dalam perioda waktu tertentu (30 tahunmenurut ketetapan WMO)

Meteorologi, Cuaca, & Iklim

Mengapa belajar meteorologi?

Peringatan Cuaca ekstrim

PertanianWaktu tanam, panen dsb untuk

menghindari cuaca jelek yang merusak/membahayakan ketahanan pangan

Transportasi & PelayananPelayaran, penerbangan, road

gritting, peringatan banjir,

Komersial

November 14, 1854: A sudden stormdevastated a joint British-French fleetnear Balaklava in the Black Sea.

French astronomer Urbain Jean JosephLe Verrier (1811-1877) demonstratedthat telegraphed observations couldhave given the ships a day to prepare.

In England, Capt. Robert FitzRoy (1805-1865) started the Meteorological Officeas a small department of the board oftrade. On September 3rd 1860, 15stations began reporting 8amobservations. February 5,1861 startedissuing storm warnings to ports.

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

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

Derajat Celcius (C) : (non-SI) digunakan untukmenyatakan temperatur secara umum

Derajat Fahrenheit (F) : (non-SI) umum dipakai diUSA.

0 K = -273.15 C

Konversi:

TKelvin = TCelcius -273.15

Temperatur

Konversi antar Termometer

Konversi Fahrenheit ke Celsius:

Konversi Celsius ke Fahrenheit:

((F-32)x(5/9))=C (C x (9/5))+32=F

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 < 1C per 100 km (0.01 C km-1), sampai dengan ~5 C per 100 km dalam daerah front

Efek lokal (seperti pemanasan matahari) dapat menyebabkan gradien yang besar untuk skala kecil

Temperatur

Surface temperature analysis 4 Mei 2009

850mb temperature (2 C contours), RH (%), wind (m s-1) : analysis 0000-040929

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 gradienhorizontal dan vertikal untuk variabel cuaca sepertitekanan dan temperatur.

Secara umum gradien vertikal jauh lebih besar darigradien horizontal

Tekanan

Gradien vertikal:

~0.14 mb m-1

Gradien horizontal : < 0.1 mb km-1

(typikal ~0.01 mb km-1)

Tekanan

Gradient ~4 mb per 100 km (0.04 mb km-1)

SLP 4mb contours : Analysis 0000-040927

Kecepatan Angin

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 0.5 m s-1

Kilometer per jam (kph) = 0.278 m s-1

Mil per jam (mph) = 0.447 m s-1

Kecepatan angin biasa dinyatakan dalam beberapa macam unit :

Arah Angin

Menurut konvensi Meteorologi arah angin menyatakanDARI MANA angin itu datang

Dinyatakan dalam derajat dari Utara Arah kompasketika 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.

NS

EW

vektor angin rataan

Arah angin = 50

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 menentukandimana kabut atau awan akanterbentuk, kondensasi uap air kebentuk butir awan/kabut terjadi jikaRH mencapai nilai 100%

Kelembaban

RH = 64%

RH = 100%

Tekanan uap jenuh

PvPs

RH = 100%

Titik Embun

Titik Embun

adalah temperaturdimana parcel udaradengan kandungan uapair konstan harusdidinginkan padatekanan tetap untukmenjadi 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

Kelembaban Spesifik (Specific Humidity)

Perbandingan masa uap air terhadap masa udara lengas.

Kelembaban absolut atau densitas uap (Absolute Humidity or Vapour Density)

Masa uap air per satuan volume udara lengas.

q = MvMv + Ma

Mixing ratio = Mv

Ma

Pembagian Ruang-Waktu

Lokal (skala mikro) Waktu: beberapa jam ~1 hari

Jarak:

GRAVITASI & HUKUM KEPLER

Gerak Sirkular Uniform di Permukaan Bumi

sm6

s

m

6

E

222

net

2

net

2

net

7910m1038.681.9

m 106.38=r :Earth of Radius

:force physical theis weight The

:motioncircular Uniform

:Law 2nd sNewton'

2

Egrv

grvgrvr

vg

r

vmmg

mgwF

r

vmF

r

va

maF

Tanpa hambatan udara, setiap obyek yang bergerak dengankecepatan 7.91 km/s paralel terhadap permukaan Bumi dan tidakakan pernah jatuh ke tanah. Berat, mg, akan memberikanpercepatan yang cukup, a=g, untuk tetap berada pada lingkarandengan radius rE. Lalu bagaimana dengan bulan?

Orbit Bulan

The moon is in uniform circular motion

around the Earth a v2

r. The moon's

speed is v circumference of orbit

1 lunar month

2r

27.3 days

The radius of the orbit, r, is the distance to

the moon, r 3.84108 m. The lunar month is

T = 27.3 d = 27.3d24h

d

3600 s

h 2.36106 s

a v2

r

(2r)2

T 2 r

4 2r

T 2

4 2 3.84108 m

(2.36106 s)2 2.72103m

s2

Apel Newton vs. Bulan

The apple, a distance rE 6.38106 m

from the center of the Earth, experiences

an acceleration aapple g 9.81m

s 2.

The moon, a distance rEM 3.84108 m

from the center of the Earth, experiences

an acceleration amoon 2.72103 m

s2.

2

2

2

s

m

s

m3-

apple

moon

6

8

E

EM

. Earth, theof mass the toalproportiondirectly and

, moon,or apple theof mass the toalproportiondirectly be should force The

1 :squared distance the toalproportion inverse is , force, theThus,

1 :squared distance the toalproportion inverse ison accelerati the

3607

1

9.81

102.722.60

m 106.38

m 1084.3

:ratiosat look sLet'

2

2

r

MmF

M

m

rFmaF

ra

a

a

r

r

Hukum Gravitasi Newton

Fg Gm1m2

r 2, G 6.671011

Nm2

kg2

Hukum Kepler

T 2 rorbit

3

GMsun/planet or rorbit

3 GMsun/planetT

2

4 2

Untuk obyek yang mengelilingi matahari atau planet, dengan massamatahari/planet Msun/planet , dengan radius rorbit dan waktu untuk satu periode(satu orbit penuh) T dihubungkan sbb:

1. Setiap planet bergerak dengan lintasan elips, matahari berada di salah satu fokusnya.2. Luas daerah yang disapu pada selang waktu yang sama akan selalu sama.3. Perioda kuadrat suatu planet berbanding dengan pangkat tiga jarak rata-ratanya dari matahari.

KOMPOSISI & STRUKTUR ATMOSFER

Atmosfer adalah lapisan tipis yang melingkupi/menyelubungipermukaan bumi Gambar kanan memperlihatkan atmosfer dilihat dari pesawatulang-alik (space shuttle) 99% kandungan atmosfer berada pada 30 km lapisan terbawahatmosfer itu sendiri Jika radius bumi sekitar 6400 km, maka ketebalan

atmosfer adalah 30 km/6400 km = 0,5 % radius Bumi

Atmosfer Bumi

Gas Simbol % Vol Peran

Nitrogen N2 78.08 Biosfer

Oksigen O2 21% Pernapasan

Argon AR 0.9%Inert gas (gas yang tidak reaktif terhadap elemen kimia lainnya)

The Permanent Gasses

Komposisi Atmosfer

Gas Simbol % vol Peran di Atm

Uap air H2O 0-4Pencipta cuaca,Transfer panas, gas rumah kaca

Karbon Dioksida ada kenaikan di atm.

CO2 0.038 GRK, biosfer

Metana ada kenaikan diatm.

CH4 0.00017 GRK, lebih efektif dari CO2

Nitrat Oksida N2O 0.00003 GRK

Ozon O3 0.000004 Lapisan Ozone

Partikel (debu, tepung sari, dll) juga disebut aerosol

0.000001 Kesetimbangan energi bumi

The Variable Gasses

Komposisi Atmosfer

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:o Uap air (menghasilkan hujan - sungai, danau, laut)

.... + es meteoro karbon dioksidao nitrogen

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

Atmosfer terdiri atas :

1. Campuran molekul gas

2. Partikel tersuspensi (padat dan cair )

3. Presipitasi yang jatuh

Komposisi Atmosfer

Gas-gas Permanen 99.999 % dari masa atmosfer

Nitrogen, Oksigen, Argon, Neon, Helium, Kripton, Xenon, Hidrogen

Gas-gas varibel Uap air, Karbondioksid, Ozone, Metan

Homosfer Dibawah ketinggian 80 km wilayah dengan homogenitas kimia

Heterosfer

Wilayah diatas homosfer gas-gas ringan (H and He)

Diagram Pie Atmosfer tanpa uap air (udarakering)

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

Komposisi Atmosfer

Singkat

Lama

Konsep waktu tinggal

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

Komposisi Atmosfer

Grafik pengamatan konsentrasi CO2 (ppm)

Sumber: IPCC

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 atmosferbertumbukan dengan molekul oksigen (O2) di stratosfer

Radiasi UV memecahkan ikatan ozon menjadi O and O2 yang kemudian akan membentuk molekul ozon yang lain

Komposisi Atmosfer

Lubang Ozon

Sumber : NASA

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

Komposisi Atmosfer

Grafik Pengamatan Metana

Sumber: IPCC

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 visibilitas

Komposisi Atmosfer

STRUKTUR VERTIKAL ATMOSFER

Struktur Vertikal Atmosfer

Berdasarkan Profil Temperatur

troposfer

stratosfer

mesosfer

Termosfer

Berdasarkan Propertis Elektrik: Ionosfer

mulai bagian atas mesosfer sampai dengan Termosfer

tiga lapisan : D, E dan F

lapisan D hanya ada pada siang hari dan menyerap gelombang radio AM

aurora borealis and aurora australis

Mt Everest(8km)

ozone layer

meteorite

aurora

noctilucentclouds

TROPOSPHEREcumulusclouds

cirrostratusclouds

10km

20km

30km

40km

50km

70km

80km

90km

60km

110km

120km

130km

100km

MESOSPHERE

STRATOSPHERE

TERMOSFER

tropopause

stratopause

mesopause

20

60

40

100

80

0-100 -80 -60 -40 -20 0 4020

100

10

1

0.1

0.01

0.001

0.0001

0.00001

TROPOSPHERE

MESOSPHERE

THERMOSPHERE

STRATOSPHERE

Alt

itu

de

(km

)

Pe

rce

nta

ge o

f A

tmo

sph

eri

c M

ass

Ab

ove

Temperature (C)

Tropopause

Stratopause

Mesopause

ozonelayer

Mt Everest

cumulonimbus

Struktur Vertikal Temperatur

Sketsa struktur vertikal ionosfer dan pengaruhnya terhadap

penjalaran gelombang radio

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.


Lapisan Batas merupakan Sub-lapisan troposfer bersentuhab langsung dengan permukaan dipengaruhi secara

langsung oleh gaya gesek permukaan didominasi oleh turbulensi dan proses pertukaran panas,

kelembaban, dan momentum dengan permukaan sifat fisik (seperti ketebalan, suhu, .....) mengalami variasi harian

yang besar. variasi ketebalan dari beberapa 10 meter (pada kondisi sangat

stabil), sampai ~2km diatas lautan tropis. temperatur berkurang dengan ketinggian. bagian atas dibatasi oleh inversi temperatur yang membatasi

percampuran dengan troposfer bebas diatasnya. N.B. Lapisan batas yang terdefinisi dengan baik tidak selalu ada


Profil temperatur lapisan terbawah atmosfer

tropopause

Troposfer bebas

Lapisan batas

Inversi termperatu

stratosfer

April 24 2004

Profil Humiditas Lapisan Troposfer

tropopause

inversion

STRATOSFER

Mulai dari puncak troposfer sampai dengan ~50 km.

Secara umum, temperatur bertambah dengan ketinggian pada musim panas Suhu terendah pada tropopauseequatorial. Pada musim dingin memiliki struktur yang lebih kompleks

Mengandung mayoritas ozon atmosfer (O3). Mengabsorpsi radiasi ultraviolet sehingga menghasilkan suhu maximum di stratopaus (kadang2 mencapai 0C).

Interaksi dengan troposfer sangat terbatas dan masih sangat kurang dimengerti.


MESOSFERDi mesosfer udara bercampur secara relatif dan suhu menurun dengan ketinggianDisini, atmosfer mencapai suhu terdinginnya ~ -90CPada lapisan ini meteor terbakar ketika memasuki atmosfer bumi

Sumber: NASA


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

Sumber: NASA

TERMOSFER 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 1,500C atau lebih). Temperatur tidak dapat diukur secara langsung, tetapi dengan cara mengukur tekanan atmosfer terhadap satelit dan menghitung suhu dari persamaan gas ideal.

Ionosfer

Merupakan daerah diatmosfer atas yang mengalami elektrifikasi sehingga mengandung sejumlah besar konsentrasi ion (partikel bermuatan) dan elektron bebas.

Catatan:Partikel bermuatan bisa karena kehilangan elektron (muatan + ) atau mendapatkan elektron (muatan - )Ionosfer sangat penting dalam proses penjalaran gelombang radio.

Tekanan pada sembarang titik adalah akibat dari berat udara dalam kolom diatasnya

Gaya tekanan ke atas sebanding dengan gaya berat udara diatasnya

Berkurang secara logaritma dengan ketinggian

Dekat permukaan, perubahan tekanan sebesar 1mb setara

dengan perubahan ketinggian 7m.

Struktur Vertikal Tekanan

De

sk

rip

sik

olo

mu

da

ra

Documents

Atmos Fer