Materi Meteorologi PDF

Preview

Summary

MATERI OLIMPIADE KEBUMIAN METEOROLOGI www.ujungdestinasi.wordpress.com Misbahudin [email protected] MATERI: RADIASI MATAHARI Tiga mekanisme transfer panas: a. Konduksi: transfer panas melalui material dan aktivitas molekular. b. Konveksi: transfer panas dengan pergerakan massa atau substansi d...

Description

MATERI OLIMPIADE KEBUMIAN METEOROLOGI

www.ujungdestinasi.wordpress.com

Misbahudin [email protected]

MATERI: RADIASI MATAHARI

Tiga mekanisme transfer panas: a. Konduksi: transfer panas melalui material dan aktivitas molekular. b. Konveksi: transfer panas dengan pergerakan massa atau substansi dari satu tempat ke tempat lain. c. Radiasi: transfer panas melalui gelombang elektromagnetik.

Gelombang elektromagnetik Radiasi elektromagnetik ialah energi yang dipancarkan dalam bentuk sinar, yang disebut gelombang elektromagnetik. Semua radiasi dapat memancarkan energi melalui ruang hampa. Perbedaan yang penting untuk dicermati pada gelombang elektromagnetik ialah panjang gelombangnya, yang berkisar dari yang paling panjang yaitu gelombang radio dan yang paling pendek sinar gamma. Cahaya tampak hanya sebagian dari gelombang elektromagnetik yang dapat kita lihat. Ada beberapa hukum yang mengontrol radiasi ketika terjadi pemanasan atmosfer: -

Semua obyek meradiasikan energi. Obyek yang lebih panas meradiasikan lebih banyak energi dibanding obyek yang lebih dingin. Semakin panas temperatur obyek yang meradiasi, semakin pendek panjang gelombang radiasi maksimum. Obyek yang dapat menyerap radiasi dengan baik, juga dapat meradiasikan energinya dengan baik.

Penurunan temperatur secara umum seiring dengan kenaikan ketinggian di troposfer, menunjukkan bahwa atmosfer mengalami pemanasan yang lebih intensif dari bagian bawah (tanah). Dari seluruh energi matahari yang mengenai bagian atas atmosfer, sekitar 50%nya diserap oleh permukaan bumi. Bumi, meradiasikan kembali energi yang diterimanya dalam bentuk radiasi gelombang panjang. Kemudian radiasi ini diserap oleh atmosfer, yang dilakukan oleh molekul uap air dan karbondioksida, yang berperan dalam pemanasan atmosfer.

1 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

Neraca radiasi ekuator-kutub dan sirkulasi atmosfer.

Perbandingan penyerapan panas

2 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

Kesetimbangan radiasi

3 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

MATERI: UNSUR-UNSUR CUACA

TEMPERATUR a. Karakteristik sebaran suhu bumi: o Sebaran secara horisontal Suhu di sekitar ekuator lebih tinggi daripada di kutub. o

Sebaran secara vertikal Makin tinggi suatu tempat, temperatur makin rendah, turun 6°C per 1 km.

b. Faktor-faktor yang mempengaruhi suhu: o Lama penyinaran matahari o Sudut datang sinar matahari o Relief permukaan bumi o Banyak sedikitnya awan o Jenis bentang alam c. 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 d. Gradien horizontal: Untuk skala sinoptik biasanya < 1°C 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. Distribusi temperatur dapat digambarkan dengan peta isotherm, yang merupakan garis yang menghubungkan tempat-tempat yang bertemperatur sama. Perbedaan temperatur antara bulan Januari dan Juli dapat dijelaskan dengan dasar pengontrol temperatur. TEKANAN 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 -

Gradien vertikal: ~0.14 mb m-1

-

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

4 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

KELEMBABAN 3 a. Kelembaban Absolut AH = Adalah massa dari uap air, ma pada volume tertentu udara (dalam g/m ).

b. Kelembaban Spesifik Rasio jumlah uap air di udara, ma terhadap uap air campuran, mt.

SH =

ma Vu

ma ma + mu

c. Kelembaban Relatif Rasio dari tekanan parsial uap air dalam campuran gas terhadap tekanan uap saturasi dari air pada temperatur campuran gas. RH =

p(H 2O) x100% p *(H 2O)

5 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

Kelembaban selama hujan: jumlah uap air yang larut di udara, tak termasuk air atau es yang jatuh sebagai hujan.

Dew point adalah temperatur dimana uap air mensaturasi dari massa air menjadi cair atau padat (biasanya menjadi hujan atau es). Efek kelembaban tinggi -

Lambatnya evaporasi pada manusia → tidak nyaman hingga hipertermia. Short circuit rangkaian listrik. Korosi pada permukaan logam. Daerah paling lembab adalah dekat ekuator dan tepi pantai.

TITIK EMBUN

6 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

Adalah temperatur dimana parsel 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. ANGIN Adalah udara yang bergerak akibat rotasi bumi (gaya koriolis), gaya apung, gaya gesek, dan perbedaan tekanan udara dengan sekitarnya. Faktor penyebab/terjadinya: a. Gradien barometris (makin besar makin cepat). b. Letak tempat (di daerah khatulistiwa lebih cepat). c. Tinggi tempat (makin tinggi semakin kencang). d. Waktu (siang lebih cepat daripada malam hari). Gradien barometris: bilangan yang menunjukan perbedaan tekanan udara 2 isobar sejauh 111 km. Udara mengalir dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan rendah. Di belahan utara angin dibelokan ke arah kanan dan dibelahan selatan ke kiri. Pembelokan terjadi karena efek rotasi bumi dari barat ke timur dan karena bumi bulat. 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  0.5 m s-1 Kilometer per jam (kph) = 0.278 m s-1 Mil per jam (mph) = 0.447 m s-1

Menurut konvensi Meteorologi arah angin menyatakan DARI MANA angin itu datang: -

Dinyatakan dalam derajat dari Utara – Arah kompas ketika menghadap ke arah angin datang. Oleh karena variabilitas angin sangat tinggi (gustiness) hanya arah angin secara umum yang dinyatakan: utaraan (northerly), timuran (easterly), baratan (westerly), dan seterusnya.

PEMBENTUKAN AWAN Pendinginan udara seiring naik dan mengembangnya udara, karena tekanan udara yang rendah ialah proses dasar pembentukan awan. Perubahan temperatur akibat tertekan atau mengembangnya udara disebut perubahan temperatur adiabatik. Udara tak jenuh mengalami peningkatan temperatur ketika tertekan dan mengalami penurunan temperatur ketika mengembang dengan kecepatan perubahan temperatur 10°C/1000 m perubahan ketinggian, dan disebut laju adiabatik kering. Jika udara naik cukup tinggi, maka akan cukup dingin untuk menyebabkan kondensasi dan membentuk awan. Mulai titik kondensasi tersebut, udara akan mengalami laju adiabatik basah, jika terus naik, dengan kecepatan penurunan temperatur 5-9°C/1000 m. Perbedaan kecepatan adiabatik basah dan kering disebabkan oleh uap air yang telah terkondensasi melepaskan panas laten, sehingga mengurangi kecepatan udara mendingin.

7 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

Stabilitas udara dapat diketahui dengan melihat temperatur atmosfer pada ketinggian yang bervariasi. Udara disebut tidak stabil apabila laju penurunan temperatur lingkungannya (laju penurunan temperatur seiring bertambahnya ketinggian di troposfer) lebih besar daripada laju adiabatik kering. Agar terjadi kondensasi, udara harus dalam kondisi jenuh uap air. Kejenuhan terjadi jika udara mencapai titik embunnya atau ketika kandungan uap airnya ditambahkan. Kondesasi juga dapat terjadi di dekat permukaan. Dalam pembentukan awan dan kabut, inti kondensasi juga memiliki peran yang besar. Jenis Awan dan Presipitasi Awan diklasifikasikan berdasarkan bentuk dasarnya dan ketinggiannya. Ada 3 bentuk dasar awan: a. Cirrus (tinggi, putih, tipis, berserat). b. Cumulus (gumpalan, terpisah-pisah). c. Stratus (lembaran atau lapisan yang menutupi sebagian besar atau seluruh langit).

Klasifikasi Awan

Tipe Awan

8 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

Kabut didefinisikan sebagai awan yang bagian dasarnya sangat dekat atau tepat di atas tanah. Kabut terbentuk ketika udara mendingin hingga dibawah titik embunnya atau ada penambahan uap air dalam udara yang membuatnya jenuh uap air. Ada beberapa jenis kabut: a. b. c. d. e.

Kabut adveksi Kabut radiasi Kabut upslope Kabut steam Kabut frontal (presipitasi)

Untuk membentuk presipitasi, jutaan tetes air di awan harus bergabung untuk membentuk tetes hujan yang besar. Ada 2 mekanisme pembentukan presipitasi yang telah dirumuskan: a. Dalam awan yang temperaturnya dibawah titik beku, maka kristal es terbentuk dan jatuh dalam bentuk kepingan es. Pada ketinggian yang lebih rendah, kepingan es mencair dan menjadi tetes hujan sebelum mencapai tanah. b. Tetes air hujan yang besar terbentuk di dalam awan yang cukup hangat dan mengandung inti higroskopik (“water-seeking”) seperti partikel garam. Ketika tetesan ini bergerak turun, mereka bertumbukan dan bergabung dengan tetes air yang lebih kecil. Setelah banyak tumbukan, tetes air ini menjadi cukup besar dan jatuh ke tanah sebagai hujan. Ada beberapa bentuk presipitasi: rain, snow, sleet, freezing rain (glaze), hail, dan rime.

9 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

MATERI: ATMOSFER

Atmosfer adalah lapisan tipis yang melingkupi/menyelubungi permukaan bumi. 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, dan nitrogen. Setelah proses diatas berlangsung selama jutaan tahun, atmosfer berevolusi menjadi seperti keadaan sekarang ini. KOMPOSISI ATMOSFER Atmosfer terdiri atas: campuran molekul gas, partikel tersuspensi (padat dan cair), dan presipitasi yang jatuh. Atmosfer memiliki komposisi berupa: a. b. c.

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.

d. Heterosfer: Wilayah diatas homosfer – gas-gas ringan (H and He).

Udara kering 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.

10 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

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.

Metana -

Konsentrasi meningkat 0,01 ppm/tahun 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 tahun. Mempengaruhi absorbsi radiasi termal.

Grafik pengamatan metana

Konsentrasi CO2 (ppm)

Aerosol -

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

Ozon -

Sangat vital untuk kehidupan di stratosfer dan tidak berbahaya untuk 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 O 2 yang kemudian akan membentuk molekul ozon yang lain.

11 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

Kondisi lapisan ozon pada tanggal 6 September 2006

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.

Troposfer -

Bagian terbawah atmosfer. Tebal ~8 km di kutub, ~16 km 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.

12 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

-

Bagian atas dibatasi oleh lapisan inversi atau lapisan isothermal yang disebut lapissan Tropopause. Tropopause berfungsi sebagai langit-langit, yang mencegah pertukaran udara antara troposfer dan stratosfer.

Lapisan Batas -

Merupakan sublapisan troposfer. Bersentuhan 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 dan suhu) mengalami variasi harian yang besar. Variasi ketebalan dari beberapa 10 meter (pada kondisi sangat stabil), sampai ~2 km diatas lautan tropis. Temperatur berkurang dengan ketinggian. Bagian atas dibatasi oleh inversi temperatur yang membatasi percampuran dengan troposfer bebas diatasnya. Lapisan batas yang terdefinisi dengan baik tidak selalu ada.

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. Di sini, 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.

13 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

Ionosfer Merupakan daerah di atmosfer atas yang mengalami elektrifikasi sehingga mengandung sejumlah besar konsentrasi ion (partikel bermuatan) dan elektron bebas. Ionosfer sangat penting dalam proses penjalaran gelombang radio. Partikel bermuatan bisa karena kehilangan elektron (muatan + ) atau mendapatkan elektron (muatan - ).

14 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

MATERI: SIRKULASI UMUM

TEKANAN UDARA DAN ANGIN Udara memiliki berat. Di permukaan laut, udara memberikan tekanan 1 kg/cm 2. Tekanan udara ialah gaya yang diberikan oleh berat udara yang di atas. Seiring bertambahnya ketinggian, udara yang menekan dan berada di atas semakin sedikit, sehingga tekanan udara dikatakan menurun seiring bertambahnya ketinggian, pertama-tama dengan cepat, kemudian menjadi melambat kemudian. Satuan yang digunakan oleh meteorologist untuk mengukur tekanan atmosfer ialah milibar. Faktor Penyebab Angin Angin ialah aliran udara yang horizontal dari area yang bertekanan tinggi ke area bertekanan rendah. Angin dikontrol oleh kombinasi gaya berikut: a. Gaya gradien-tekanan (sejumlah perubahan tekanan pada jarak tertentu). b. Efek Coriollis (efek pembelokan akibat rotasi bumi, ke kanan di Hemisfer Utara, ke kiri di Hemisfer Selatan). c. Gesekan dengan permukaan bumi (memperlambat gerakan udara dan mengubah arah angin). Pusat Tekanan dan Angin Ada 2 jenis pusat tekanan, yaitu: a. Siklon, atau pusat tekanan rendah. b. Antisiklon, atau pusat tekanan tinggi. Pada belahan bumi utara, angin di sekitar siklon, bergerak berlawanan arah jarum jam dan mengarah ke pusat. Di sekitar antisiklon, angin bergerak searah jarum jam dan mengarah menjauhi pusat. Di belahan bumi selatan, efek Coriolis menyebabkan angin bergerak searah jarum jam di sekitar siklon, dan berlawanan arah jarum jam di sekitar antisiklon. Karena udara bergerak naik dan mendingin secara adiabatik di pusat siklon, sehingga kondisi siklon sering berasosiasi dengan cuaca berawan dan hujan. Dan sebaliknya di pusat antisiklon, udara bergerak turun, dan menghangat, sehingga tidak terbentuk awan dan presipitasi, dan cuaca cerah. Gaya Coriollis Adalah gaya yang diperkenalkan untuk menjelaskan penyimpangan gerak objek pada suatu bingkai referensi yang berputar, seperti bumi misalnya gaya Coriollis bekerja tegak lurus terhadap arah gerak dan sumbu rotasi bingkai referensi.

15 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

Gaya Gradien Tekanan Horizontal F = -(1/) dP/dx Adalah gaya utama penggerak angin, dimana P adalah tekanan,  adalah densitas udara, dan x adalah jarak. Karena itu gaya akan berbanding terbalik dengan jarak antar isobar, tegak lurus terhadap isobar dan mengarah dari tekanan tinggi ke tekanan rendah. Gaya tekanan akan mempercepat gerak partikel udara kearah tekanan rendah Sistem Angin Lokal Angin berskala kecil yang dihasilkan oleh gradien tekanan yang bersifat lokal. a. Angin darat dan laut (terbentuk pada sepanjang pesisir, disebabkan oleh perbedaan tekanan harian karena perbedaan pemanasan daratan dan lautan).

Angin laut (siang T-darat > T-laut, P darat < P laut).

Angin darat (malam T-darat < Tlaut, P darat > P laut).

b. Angin gunung dan lembah (angin harian seperti angin laut dan darat, namun pada daerah pegunungan dimana udara di sepanjang lereng mengalami perbedaan pemanasan dengan udara pada elevasi yang sama di atas lembah).

Angin lembah (siang T-lereng > Tlembah, P lereng < P lembah).

Angin gunung (malam T-lereng < T-lembah, P lereng > P lembah).

c. Angin Chinook dan Santa Ana (angin yang hangat dan kering terbentuk ketika udara turun pada sisi “bawah angin” (leeward) di gunung, dan mengalami kompresi sehingga menghangat.

16 www.ujungdestinasi.wordpress.com ©2021

Mekanisme angin Chinook Beberapa jenis angin lainnya, yaitu: a. Angin Bahorok adalah angin Fohn yang bertiup di daerah dataran rendah Deli Utara, Sumatra Utara. Karena datangnya dari arah kota Bohorok, maka dinamakan Angin Bohorok. Bohorok terletak pada arah barat-barat-laut dari Medan. b. Angin Fohn adalah angin yang bertiup di bagian belakang atau di bagian bawah angin gunung atau pegunungan dengan sifat panas, kering, kencang dan ribut. Hal ini disebabkan oleh udara yang dipaksa secara mekanik menaiki dan melewati puncak dan kemudian menuruni lereng bagi...