Modul Ajar · Pencemaran Udara
Meteorologi dan Termodinamika Atmosfer: ketika cuaca menentukan nasib emisi
Tujuan pembelajaran
Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa mampu…
Kata kunci
Kata kunci Bab 6
6.1 · Peran meteorologi
Emisi sama, nasib berbeda
C bukan fungsi Q semata; angin dan stabilitas menentukan volume pengenceran.
Perjalanan pencemar dapat diringkas sebagai emisi Q (g/s) → transport dan dispersi oleh angin serta turbulensi → transformasi akibat radiasi dan kelembapan → deposisi kering atau basah → konsentrasi ambien (C) di reseptor. Menurut Cooper dan Alley, dua masukan meteorologi yang paling umum dalam model ialah kecepatan dan arah angin serta stabilitas atmosfer (Bab 7).
Pada pendekatan kotak: \(C \approx Q/(\bar{u}·H)\). Karena \(\bar{u}\) dan \(H\) berubah jam-jam-an, episode Meuse/Donora/London (Bab 1 & 10) dipicu stagnasi ≥4 hari (massa udara stasioner), bukan lonjakan emisi — pelajaran bahwa meteorologi tak dapat direkayasa tetapi harus diprediksi via cerobong tinggi, jadwal operasi, dan peringatan dini ISPU (Bab 8).
6.2 · Struktur atmosfer
Troposfer dan lapisan batas planet
75% massa atmosfer ada di troposfer; PBL adalah wadah tempat emisi diencerkan.
Udara kering: N₂ 78,08%, O₂ 20,95%, Ar 0,93%, CO₂ ±420 ppm, ditambah variabel uap air 0–4% (penentu SALR & konveksi).
Tabel 6.1 — Lapisan vertikal dan relevansi pencemaran
| Lapisan | Ketinggian tipikal | Ciri termal | Relevansi |
|---|---|---|---|
| Troposfer | 0–8 km (kutub) s.d. 16–18 km (tropis) | T turun ≈6,49 °C/km (standar) | Seluruh dispersi ambien |
| Tropopause | ±11 km (standar) | Minimum T | Tutup konveksi |
| Stratosfer | s.d. 50 km | Memanas (O₃ serap UV) | Sangat stabil; polutan bertahan lama |
PBL (planetary boundary layer): ±100 m malam stabil hingga 1–3 km siang konvektif; angin geostrofik (±bebas gesekan) tercapai ±500 m. Secara operasional tebal PBL = mixing height (6.7).
6.3 · Termodinamika
Dari gas ideal hingga temperatur potensial
Parcel yang naik cepat tak sempat bertukar panas — karena itu adiabatik.
Keterangan: p = tekanan (Pa); ρ = kerapatan (kg/m³); T = suhu absolut (K); R* = 8,314 J mol⁻¹K⁻¹; M_d = 28,97×10⁻³ kg/mol (udara kering).
Keterangan: Persamaan hidrostatik; keseimbangan gradien tekanan vs gravitasi g=9,81 m/s²; berlaku sangat baik untuk skala besar.
Keterangan: Hukum I adiabatik dq=0 → c_p dT = (1/ρ)dp; gabungan hidrostatik menghasilkan DALR (g/c_p, C_p≈3,5R untuk diatomik).
Keterangan: Persamaan Poisson untuk proses adiabatik reversibel; κ = R_d/c_p = 2/7.
Keterangan: θ = temperatur potensial; konservatif adiabatik: ∂θ/∂z>0 stabil, =0 netral, <0 tidak stabil — dasar diagnosis stabilitas tanpa bias tekanan.
6.4 · Stabilitas
Lapse rate dan Pasquill–Gifford A–F
Satu angka Γ menentukan apakah parcel terus naik atau kembali turun.
Terdapat tiga laju penurunan suhu. DALR (Γ_d) sekitar 9,8 °C/km berlaku bagi parcel udara tak jenuh yang bergerak adiabatik. SALR (Γ_s) sekitar 4–7 °C/km berlaku bagi parcel jenuh; pelepasan panas laten membuat nilainya lebih kecil, terutama di tropis yang hangat. ELR adalah laju penurunan suhu lingkungan, Γ = −dT/dz. Kondisi superadiabatik terjadi ketika Γ > Γ_d, subadiabatik ketika Γ < Γ_d, dan inversi ketika Γ < 0. Untuk udara lembap, Γ < Γ_s menunjukkan stabilitas mutlak; Γ_s < Γ < Γ_d menunjukkan ketidakstabilan kondisional; dan Γ > Γ_d menunjukkan ketidakstabilan mutlak.
Tabel 6.2 — Kriteria stabilitas (udara kering/tak jenuh)
| Kondisi | Kriteria | Respons parcel | Dispersi |
|---|---|---|---|
| Tidak stabil | Γ > Γ_d | Terus naik (apung) | Kuat, pengenceran baik |
| Netral | Γ ≈ Γ_d | Ikut tanpa gaya netto | Mekanis |
| Stabil | Γ < Γ_d | Kembali ke semula | Lemah, terkonsentrasi |
| Inversi | Γ < 0 | Ekstrem stabil | Penumpukan (6.5) |
Tabel 6.3 — Kelas Pasquill–Gifford (rekayasa, angin 10 m)
| Kelas | Stabilitas | Kondisi tipikal |
|---|---|---|
| A | Sangat tidak stabil | Siang terik, angin lemah |
| B | Tidak stabil moderat | Insolasi kuat–sedang |
| C | Agak tidak stabil | Insolasi lemah / angin agak kuat |
| D | Netral | Berawan tebal / angin kuat |
| E | Agak stabil | Malam sebagian berawan |
| F | Sangat stabil | Malam cerah, angin lemah |
Tabel 6.4 — Penentuan kelas (angin 10 m vs insolasi/awan)
| u₁₀ (m/s) | Kuat | Sedang | Lemah | Malam ≥4/8 awan | Malam ≤3/8 |
|---|---|---|---|---|---|
| <2 | A | A–B | B | — | F |
| 2–3 | A–B | B | C | E | F |
| 3–5 | B | B–C | C | D | E |
| 5–6 | C | C–D | D | D | D |
| >6 | C | D | D | D | D |
Catatan tabel: overcast siang/malam → D tanpa pandang angin; “malam” = 1 jam sebelum terbenam s.d. 1 jam sesudah terbit. Kelas memilih σ_y, σ_z Bab 7.
6.5 · Inversi
Tutup yang sangat menghambat dispersi
Hanya empat mekanisme membentuknya — semuanya menghambat vertikal dan horizontal.
Tabel 6.5 — Empat tipe inversi (Γ<0)
| Tipe | Mekanisme | Kondisi tipikal | Contoh episode |
|---|---|---|---|
| Radiasi | Didinginkan dari bawah (malam cerah, angin lemah) | Malam–dini hari, lembah; salju memperkuat | Donora 1948; Central Valley |
| Subsidensi | Dipanaskan dari atas (turun antisiklon) | Cuaca tenang berhari-hari | Los Angeles; timur AS |
| Inversi frontal | Hangat mengalir di atas dingin | Zona front sinoptik | Musim dingin lintang sedang |
| Adveksi | Dingin menyusup di bawah hangat / foehn | Pesisir; lee pegunungan | Pesisir persisten |
Di dalam inversi, stabilitas ekstrem mengurangi pertukaran momentum angin → dispersi horizontal dan vertikal terhambat. Pada cerah, matahari meruntuhkan radiasi harian; di dingin, inversi bertahan sampai sistem sinoptik kuat. Inversi berkabut memantulkan matahari → tahan lama; drainase persisten di cekungan tertutup kerap memberi konsentrasi maksimum — anatomi London 1952 (Bab 10.1).
6.6 · Plume
Bentuk asap adalah diagnosis stabilitas
Mata dapat menebak kelas Pasquill sebelum membuka tabel.
Tabel 6.6 — Perilaku plume cerobong vs stabilitas
| Bentuk | Profil | Penampakan | Konsentrasi tanah |
|---|---|---|---|
| Looping | Superadiabatik A–B | Berkelok besar | Fluktuatif dekat sumber, singkat |
| Coning | Netral D | Kerucut simetris ±10° | Maksimum jauh; desain rata-rata |
| Fanning | Stabil F/inversi | Pipih kipas | Rendah dekat; jauh utuh; bahaya bukit |
| Lofting | Stabil di bawah, tak stabil di atas | Mengembang ke atas | Minimum (paling baik) |
| Fumigation | Inversi diruntuhkan pagi | Teraduk ke tanah | Tinggi sesaat (±08.30) |
| Trapping | Atas+ bawah inversi | Terjepit | Tinggi bertahan |
Fumigation terdokumentasi: 06.00 inversi kuat; matahari tumbuhkan lapisan konvektif yang menggerogoti dasar inversi; saat mencapai plume (±08.30) seluruh plume teraduk → lonjakan singkat merusak tanaman. Varian pesisir: plume tepi pantai dibawa land breeze stabil, lalu fumigation saat pemanasan darat — relevan PLTU Suralaya.
6.7 · Mixing height & VC
Batas atas pencampuran dan koefisien ventilasi
Puncak cumulus yang rata adalah penggaris visual H.
Mixing height H: ketinggian pencampuran vertikal kuat; polutan permukaan tercampur seragam sampai H, praktis tidak menembus ke atasnya. Rendah pagi (inversi radiasi), tumbuh siang, tertinggi musim panas.
Keterangan: VC = ventilation coefficient; H = mixing height (m); ū = kecepatan angin rata-rata dalam lapisan campuran (m/s). Ambang empiris VC < ±6.000 → potensi pencemaran tinggi (Portelli & Lewis).
Pada Contoh 6.2, kondisi siang konvektif dengan H = 1.500 m dan ū = 4 m/s menghasilkan VC = 6.000, tepat pada ambang yang digunakan di sini. Pada dini hari, H = 200 m dan ū = 1,5 m/s hanya menghasilkan VC = 300 sehingga potensi akumulasinya sangat tinggi. Sebagai pembanding, Beijing memiliki nilai rata-rata musim semi 3.940 ± 2.110 dan musim panas 2.953 ± 1.322 (Tang et al., 2019). Nilai di bawah 6.000 konsisten dengan episode polusi berulang. Untuk Indonesia, klimatologi H dan VC yang sistematis masih belum tersedia; ini dapat menjadi topik penelitian menggunakan radiosonde BMKG, ceilometer/LIDAR, atau WRF.
6.8 · Angin & turbulensi
Mawar angin dan profil vertikal
Dari anemometer 10 m ke mulut cerobong 150 m.
Kecepatan tahunan rata-rata Amerika Utara ±4,5 m/s; layanan cuaca lapor <1 m/s sebagai “calm”. Arah dinyatakan dari mana angin datang (barat → timur). Mawar angin merangkum frekuensi arah–kecepatan; format sama dipakai sebagai pollution rose.
Keterangan: Hukum pangkat; u₁ pada z₁ (mis. 10 m); p≈1/7 (≈0,14) netral terbuka (de Nevers) hingga 0,4–0,6 sangat stabil/kota bergedung.
Keterangan: Hukum logaritmik untuk lapisan permukaan netral; u* = kecepatan gesek; z₀ = kekasaran (mm rumput s.d. meter kota). Hanya untuk ±10% terbawah PBL tempat fluks konstan.
Contoh 6.3: u₁₀=3 m/s, p=0,25, z=150 m → u≈5,9 m/s (masukan plume rise Bab 7). Turbulensi mekanis (geser kekasaran) dominan malam/berawan/angin kuat vs termal (apung pemanasan) dominan siang cerah. Siklus PBL: pagi–sore lapisan campuran 1–3 km dibatasi capping inversion; terbenam: stabil nokturnal ±100–200 m + residual layer; terbit: konvektif baru “memakan” residual → fumigation.
6.9 · Radiasi & kelembapan
Pemanasan permukaan dan panas laten
Radiasi mengatur stabilitas siang–malam sekaligus fotokimia O₃.
Radiasi surya mengendalikan neraca energi permukaan. Pemanasan pada siang hari cenderung membuat atmosfer tidak stabil, sedangkan pendinginan radiasi inframerah pada malam cerah dapat membentuk inversi radiasi. Radiasi ultraviolet juga memicu fotolisis NO₂ dalam siklus NO₂–O₃ (Bab 2.5). Karena itu, smog fotokimia memerlukan gabungan emisi, radiasi, dan stagnasi, seperti di Los Angeles (Bab 10.2) dan Jakarta (Bab 10.5). Kelembapan memengaruhi Γ_s dan energi konveksi. Pada kelembapan relatif tinggi, partikel higroskopik membesar, jarak pandang menurun, dan reaksi heterogen sulfat maupun nitrat lebih mudah berlangsung. Rainout di dalam awan dan washout di bawah awan membantu membersihkan atmosfer; hal ini menjelaskan mengapa musim hujan umumnya menurunkan konsentrasi PM.
6.10 · Sirkulasi lokal
Darat–laut, gunung–lembah, dan pulau panas kota
Saat sinoptik lemah, skala meso mengambil alih.
- Darat–laut (sea/land breeze): siang onshore (laut→darat), malam offshore; dominan saat tidak ada sistem sinoptik kuat, angin lemah cerah. Implikasi: daur ulang polutan pesisir (kembali keesokan hari walau dispersi di laut besar), fumigation pesisir, dan inversi yang diperkuat angin dingin. Relevan Jakarta, Surabaya, Semarang, Makassar.
- Gunung–lembah: siang anabatik naik lembah, malam katabatik turun lembah; kuat pada lembah dalam/curam, malam cerah angin lemah. Drainase malam mengisi cekungan dengan udara dingin → inversi drainase → penumpukan (Donora 1948; Bandung berpotensi ringan).
- UHI: permukaan kota 10–15 °C siang dan udara 1–7 °F (0,6–3,9 °C) siang / 2–5 °F (1,1–2,8 °C) malam lebih hangat vs sekitarnya (US EPA). Melemahkan inversi nokturnal → konveksi lokal + country breeze menyedot polutan pinggiran ke pusat kota, serta mempercepat fotokimia O₃.
6.11 · Tropis
Skala gerak, monsun, dan ENSO–IOD
Polusi kota diatur meso–sinoptik, kabut nasional diatur global.
Tabel 6.7 — Skala gerak atmosfer (penyederhanaan pedagogis)
| Skala | Horizontal | Waktu | Fenomena |
|---|---|---|---|
| Mikro | <1 km | detik–menit | Dust devil, bangkitan cerobong, wake bangunan |
| Meso | 1–1.000 km | jam–hari | Darat–laut, lembah, petir, UHI |
| Sinoptik | 1.000–10.000 km | hari–minggu | Siklon/antisiklon, front, monsun |
| Global | >10.000 km | minggu–musim | Hadley, ENSO, IOD |
Monsun Asia–Australia: barat (Okt–Apr, hujan) dari Asia vs timur (Apr–Okt, kering) dari Australia; kemarau = puncak PM (washout hilang, PBL stabil malam). ENSO & IOD: El Niño+IOD positif → pusat konveksi menjauh → hujan <20 mm/bln bahkan 0 mm/bln (BMKG Q3-2023: 23.451 ha kekeringan, 6.964 ha gagal panen, hanya 73/178 ZOM hujan akhir Okt). Rantai: El Niño+IOD → kemarau panjang → gambut kering → titik api (hotspot) → karhutla → PM2,5 lintas batas (Bab 10.4; AATHP Bab 8.2).
6.12 · Terkini
El Niño lima-terkuat dan proyeksi stagnasi tropis
Cuaca tahunan dan iklim abad — keduanya memengaruhi plafon kapasitas dispersi.
El Niño 2023–24: WMO lima-terkuat, GMST Juli 2023–Juni 2024 +1,58 °C. Kombinasi IOD positif → SiPongi 2023 ±1,1 juta ha; 2025 turun 69% (≈0,34 juta ha — hitungan penulis dari 1,1×31%, bukan angka SiPongi) — verifikasi silang. Sebagai pembanding lintas tahun: 2015 ±2,6 juta ha, 2019 ±1,6 juta ha. Angka SiPongi berbasis citra+lapangan, bukan pengukuran langsung.
Prospek 2026 (per Agu 2026): WMO 80% Juni–Agustus 2026 dan ≥90% lanjutan; NOAA ±60% musim gugur; BMKG 437 zona musim (48,77% daratan) durasi kemarau lebih panjang; risiko tertinggi Riau, Sumsel, Jambi, Kalbar, Kalteng, Papua Selatan. Pantau BMKG & SiPongi berkala.
Proyeksi stagnasi. Horton dkk. (2014): wilayah hunian 55% populasi → +40 hari/tahun stagnasi tropis/subtropis pada akhir abad; pusat industri AS timur/Mediterranean/Tiongkok timur +12–25% (3–18+ hari). Tren stagnan Asia Timur (angin ↓, stabilitas ↑) diatribusikan pemanasan antropogenik. Untuk Indonesia belum ada studi khusus (butuh indeks stagnasi CMIP6 maritim kontinen) — kombinasi stagnasi tropis + El Niño ekstrem berarti kapasitas pengenceran tidak konstan untuk perencanaan panjang.
Rangkuman
Pokok pembelajaran
- C = f(Q, u, H) dan stagnasi ≥4 hari — meteorologi, bukan emisi, pemicu episode.
- DALR g/cₚ≈9,8 K/km dari Hukum I + hidrostatik; θ konservatif; stabilitas via Γ vs Γ_d/Γ_s atau Pasquill A–F.
- Inversi 4 tipe menghambat vertikal & horizontal; drainase cekungan → konsentrasi maksimum (London 1952).
- Plume looping/coning/fanning/lofting/fumigation/trapping adalah diagnosis stabilitas; fumigation = lonjakan pagi.
- VC=H·ū; <6.000 potensi tinggi; power law u(z)=u₁(z/z₁)^p dan log law untuk profil angin.
- Monsun mengatur musim, ENSO/IOD mengatur kekeringan → karhutla (2023 1,1 juta ha); proyeksi +40 hari stagnasi tropis → plafon dispersi menyusut.
Checkpoint
Uji pemahaman
Enam soal tentang termodinamika, Pasquill, plume, VC, dan ENSO.
Diskusi
Pertanyaan diskusi
Buka petunjuk setiap pertanyaan untuk memulai pembahasan.
Latihan
Latihan mandiri
Enam tugas penerapan; progres tersimpan otomatis di perangkat ini.
Referensi