METEOROLOGI DAN KLIMATOLOGI : KAJIAN PALEOKLIMATOLOGI DAN UNSUR PROXY IKLIM PDF

Preview

Summary

METEOROLOGI DAN KLIMATOLOGI KAJIAN PALEOKLIMATOLOGI DAN UNSUR PROXY IKLIM Disusun oleh : Nama : Aditya Pradana NIM : 14/366595/GE/07882 Program Studi : Geografi dan Ilmu Lingkungan FAKULTAS GEOGRAFI UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 2014 1 PALEOKLIMATOLOGI A. PENDAHULUAN Perubahan iklim global adal...

Description

METEOROLOGI DAN KLIMATOLOGI KAJIAN PALEOKLIMATOLOGI DAN UNSUR PROXY IKLIM

Disusun oleh : Nama

: Aditya Pradana

NIM

: 14/366595/GE/07882

Program Studi

: Geografi dan Ilmu Lingkungan

FAKULTAS GEOGRAFI UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 2014

1

PALEOKLIMATOLOGI A. PENDAHULUAN Perubahan iklim global adalah perubahan pola dan intensitas iklim dalam skala global se-bagai akibat dari perubahan keseimbangan komponen energi dalam sistem bumi, dan hal ini disebabkan oleh dua faktor yaitu natural dan antopogenik (Dwimeini, 2010). Paleoklimatologi adalah studi tentang iklim masa lalu, dapat pula dikatakan sebagai ilmu mengenai perubahan iklim yang terjadi dalam seluruh rentang sejarah bumi. Ilmu ini mempelajari iklim masa lampau dengan skala waktu puluhan sampai ribuan tahun yang lalu, beserta implikasinya terhadap perubahan yang terjadi dalam ekosistem bumi. Karena tidak mungkin untuk kembali ke masa lalu untuk melihat bagaimana kondisi iklim pada saat itu, maka ilmuwan menggunakan cetakan yang dibuat selama iklim masa lalu sebagai cara mempelajari berbagai sinyal yang terdokumentasikan di alam, yang kemudian dikenal sebagai proxy (Handiani, 2012). Proxy digunakan untuk menafsirkan kondisi paleoklimatik dan merupakan data yang digunakan untuk menggantikan data atau kondisi iklim. Proxy yang digunakan dapat berupa bentuk objek yang dapat merekam kondisi iklim pada masa lalu, baik berupa makhluk hidup (komponen biotik), maupun benda komponen abiotik. Karena iklim pada ekosistem bumi selalu bervariasi dan perubahannya hampir selalu terjadi pada setiap periode bumi, maka penelitian dalam paleoklimatologi menjadi sebuah subyek yang sangat menarik dan perlu dipelajari secara lebih rinci. Ahli paleoklimatologi menyimpulkan bahwa perubahan iklim tidak hanya terjadi pada saat ini, akan tetapi perubahan tersebut juga pernah terjadi di masa lampau. Sehingga penelitian dalam bidang paleoklimatologi dapat membantu kita dalam memahami perubahan iklim di masa yang akan datang pula. Iklim masa lalu dapat direkonstruksi menggunakan kombinasi dari berbagai jenis catatan (proxy). Catatan ini kemudian dapat diintegrasikan dengan pengamatan iklim bumi yang modern dan ditempatkan dalam sebuah model komputer untuk menyimpulkan masa lalu serta memprediksi iklim di masa depan.

2

B. MACAM PROXY MIKROBA Proxy iklim mikroba biasanya digunakan foraminifera (foram) dan diatom . Foram dan diatom adalah mikroorganisme yang ditemukan di lingkungan perairan dan laut seperti dalam gambar 1. Bentuk mikroba dapat beraneka ragam, baik planktonik (mengambang di kolom air) dan bentik (bawah hunian / dasar laut). Cangkang Foram terbentuk dari kalsium karbonat (CaCO3), sedangkan diatom terbentuk dari silikon dioksida (SiO2). Metodenya berupa analisa perbandingan komposisi isotop Oksigen (18O/16O) , penghitungan kelimpahan foraminifera planktonik dalam sedimen untuk mengetahui kondisi air permukaan tempat mereka hidup, rasio perbandingan Mg/Ca dalam shell foraminifera planktonik, dan juga metode paleobiomarker, seperti dengan menggunakan rantai alkenon. Organisme ini merekam bukti untuk kondisi lingkungan masa lalu pada cangkang mereka. Sisa-sisa foram dan diatom kerang dapat ditemukan dengan mengambil inti sedimen dari dasar lautan, karena cangkang mereka terkubur dan diawetkan dalam sedimen ketika mereka mati. Bahan kimia membuat kerang ini mencerminkan kimia air pada saat pembentukan shell (cangkang).

Gambar 1. Bakteri foraminifera sebagai elemen proxy Sumber : RKPM Meteorologi Klimatologi, UGM

Rasio isotop oksigen stabil yang terkandung dalam shell dapat digunakan untuk menyimpulkan suhu air di masa lalu. Isotop oksigen yang ditemukan secara alami di kedua atmosfer dan larut dalam air. Oksigen dalam bentuk gas memiliki dua bentuk yang berbeda, yaitu oksigen dengan bobot 16 (oksigen-16, atau berbobot 18 (Oksigen-18, atau

O), dan isotopnya yang

16

O). Konsentrasi dari setiap bentuk ini ditentukan oleh

18

suhu. Dengan mengetahui rasio antara kedua bentuk oksigen para ilmuwan bisa

3

memperkirakan suhu masa lalu. Kadar

O yang tinggi mencerminkan suhu yang lebih

18

sejuk, sementara suhu yang menghangat menunjukkan penurunan jumlah

O. Ahli

18

paleoklimatologi menggunakan data ini sebagai dasar penentuan kecenderungan iklim kita di masa lalu dan proyeksi iklim di masa depan. Air yang lebih hangat cenderung terevaporasi, sehingga kerang tumbuh di perairan hangat akan diperkaya dengan isotop lebih ringan. Pengukuran isotop stabil planktonik serta bentik-foram dan kerang diatom telah diambil dari ratusan kerang laut di seluruh dunia untuk memetakan permukaan masa lalu dan suhu bawah air . Para peneliti juga dapat menggunakan foram dan dinamika populasi diatom untuk menyimpulkan iklim masa lalu. Kelimpahan relatif serta komposisi spesies di daerah tertentu dapat menunjukkan kondisi lingkungan. Biasanya, cuaca yang lebih hangat akan menyebabkan organisme untuk berkembang biak. Selain itu, karena setiap spesies memiliki seperangkat kondisi yang ideal tertentu , komposisi spesies pada situs dan waktu tertentu dapat menunjukkan kondisi lingkungan masa lalu. Metode rekonstruksi iklim purba yang banyak dilakukan ainnya adalah dengan cara mengukur rasio Mg/Ca pada shell foraminifera planktonik. Logika dasar dari palaeotermometer ini berdasarkan pada keberadaan kation Mg2+ yang bisa menyubstitusi Ca selama masa pembentukan kalsium karbonat biogenik. Peristiwa bergabungnya (incorporation) Mg2+ ke dalam kalsit foraminifera dipengaruhi oleh temperatur air keliling dan salinitas selama pertumbuan foraminifera. Nurnberg dkk. (1995) melakukan percobaan tersebut

menggunakan spesies foraminifera

planktonik Globigerinoides sacculifer yang biasanya hidup di lautan pada arena tropis dan sub-tropis. Untuk mengetahui hubungan antara temperatur dan salinitas air dengan perbandingan Mg/Ca dalam mineral kalsit yang terdapat dalam shell foraminifera tersebut, maka suhu dan salinitas air dalam gelas percobaan diatur sedemikian rupa. Percobaan dilakukan dalam dua jenis. Pertama, dengan temperatur yang berubah dan salinitas yang tetap. Kedua, salinitas yang berubah tapi temperatur tetap. Hasilnya, mereka mendapatkan satu formula khusus yang menjelaskan hubungan ini. Intinya, suhu air memiliki hubungan yang linier dengan rasio Mg/Ca pada mineral kalsit yang ada pada shell G. sacculifer. Semakin tinggi suhu dalam gelas percobaan maka semakin tinggi pula rasio Mg/Ca, dan sebaliknya. Adapun untuk salinitas, mereka mendapatkan pola yang

4

sama dengan efek yang timbul akibat perubahan temperatur. Salah satu interval waktu yang menjadi sasaran para peneliti adalah Late Glacial Maximum (LGM), yaitu interval waktu sekira 21.000 tahun yang lalu (Batubara, 2009). Berdasarkan formula yang ditemukan melalui percobaan tersebut maka dilakukanlah rekonstruksi terhdap suhu muka air laut LGM di berbagai tempat di dunia seperti dalam gambar 2. Dari sekian banyak rekonstruksi iklim purba LGM yang telah dilakukan di seluruh dunia, maka Barker dkk. (2004) membuat sebuah model kompilasi berupa suhu permukaan air laut global pada LGM. Meskipun banyak perbedaan dan diskrepansi dari banyak penelitian yang telah dilakukan, tetapi secara general kompilasi mereka menunjukkan bahwa temperatur tropis pada LGM lebih dingin sekitar 2.0 — 3.50 C dari temperatur modern.

Gambar 2. Peta Suhu Permukaan Air Laut (Sea Surface Temperature—SST) LGM pada beberapa lokasi di dunia . Sumber : Barker, dkk., 2004

5

INTI ES Gletser merupakan perekam terbaik yang paling cepat merespon perubahan iklim natural maupun antropogenik. Analisis ice core merupakan analisis bagian dari gletser yang di bor dan memberikan 3 jenis informasi dari masa lalu maupun perubahan iklim saat ini: - Informasi temperatur dan presipitasi sebagai data iklim terekam dalam tiap lapisan es. - Informasi percepatan hilangnya gletser itu sendiri. - Informasi flora dan fauna kuno yang pernah hidup di tepian gletser (Thompson 2010). Salju yang jatuh menggambarkan informasi yang unik, bukan hanya presipitasi dan temperatur, tapi juga komposisi atmosfer (partikulat larut atau tidak larut), letusan gunung berapi, bahkan variasi pergerakan matahari di masa lalu (Bradley 1999). Parameter

Analisis

Suhu Musim panas

Melt layers

Hari turun salju

δD, δ18O

Kelembaban

Deuterium excess (d)

Akumulasi masalalu (net)

Seasonal signals, 10Be

Aktivitas vulkanik

Conductivity, nss. SO4

Turbiditas troposfer

ECM, microparticle content, trace elements

Kecepatan angin

Particle size,

Komposisi atmosfer: jangka panjang akibat ulah

Concentration

manusia

CO2, CH4, N2O content,

Sirkulasi atmosfer

Glaciochemistry (major ions),

Aktivitas tatasurya

10

Be

Tabel 1. Sumber informasi utama paleoklimatik dari inti es Sumber : Bradley 1999 Informasi suhu pada saat musim panas didapatkan dari lapisan es gelap yang meleleh, sedangkan suhu pada musim dingin dengan salju turun setiap harinya didapatkan dari kuantitas isotop oksigen yang terkandung dalam es tersebut. Informasi kelembaban didapatkan dari kandungan isotop hidrogen atau deuterium (Tabel 1). Semua analisis

6

yang dilakukan pada lapisan es tertentu menghasilkan output parameter yang saling berhubungan seperti yang terlihat pada Tabel 1. Informasi suhu dari inti es dapat diketahui dari isotop oksigen, hidrogen, dan konstituen air serta karbon dioksida yang terkandung dalam lapisan es tersebut. Aktivitas vulkanik dapat dideteksi dengan menganalisis konduktivitas serta kandungan sulfat yang tidak mengandung air laut. Kekeruhan atmosfer dapat diketahui dengan menganalisis ECM (Elektrical Conductivity Measure) , kandungan mikropertikel, dan jejak elemen. Ukuran partikel yang terkandung dalan inti es manggambarkan kecepatan angin pada masa itu. Selain itu aktivitas tatasurya di indikasikan dengan kandungan isotop berelelium yang merupakan isotop radioaktif. Lapisan es terbentuk dari salju,

suhu udara Antartika selalu jauh di bawah titik beku

air. Jika suhu musim panas berada di atas titik beku, catatan inti es akan rusak parah atau benar-benar tidak berguna, karena air lelehan akan meresap ke dalam salju. Salju yang terus menumpuk terkubur dan dikompresi serta membentuk firn, bahan kasar dengan tekstur mirip dengan gula pasir. Celah udara dan sirkulasi udara terbentuk terus-menerus. Salju yang menumpuk di atas firn semakin padat , serta di beberapa titik pori menutup sehingga udara yang terperangkap. Di bawah tekanan yang meningkat firn yang dikompresi menjadi es. Kedalaman ini bisa berkisar antara beberapa untuk beberapa puluh meter ke biasanya 100 m untuk core Antartika. Aktivitas tersebut dapat terlihat dalam gambar 3. Karena udara terus beredar sampai saat itu, zaman es dan umur gas tertutup tidak sama. Perbedaan usia gas dan usia es yang besar (7 kyr) ditemukan di kawasan glasial es Vostok, Antartika, dan inti es berupa sampel es silinder.

(a)

(b)

Gambar 3. (a) Aktivitas pengeboran inti es di Antartika dan (b) Bentuk inti es. Sumber : Dewan Perubahan Iklim Indonesia, 2013

7

Banyak bahan dapat muncul dalam inti es. Lapisan dapat diukur dalam beberapa cara untuk mengidentifikasi perubahan komposisi. Diidentifikasi meteorit kecil dapat tertanam dalam es, selain itu letusan gunung berapi dapat meninggalkan lapisan abu . Debu di inti dapat dikaitkan dengan peningkatan temperatur daerah sekitarnya. Analisis isotop dari inti es dapat dihubungkan dengan suhu dan variasi permukaan laut global. Analisis udara yang terkandung dalam gelembung dalam es dapat mengungkapkan palaeocomposition atmosfer, dalam variasi CO2 tertentu. Kedalaman paling dalam yang pernah diobservasi berada di Vostok antartika timur. Inti es ini merekam informasi iklim selama 420.000 tahun yang kemudian dijadikan objek dan rujukan untuk penelitian perubahan iklim dunia (NOAA 2007), seperti dalam gambar 4.

Studi tentang inti es ini telah menjadi indikator

penting perubahan dalam CO2 selama bertahun bahkan bermilenium, dan terus memberikan informasi berharga tentang perbedaan antara kuno dan modern kondisi atmosfer.

Gambar 4. Analisis inti es Vostok untuk 420.00 tahun terakhir. Grafik hijau terkait konsentrasi CO2, biru terkait suhu yang direkontruksi, dan merah terkait konsentrasi debu dalam inti es. Sumber : NOAA, 2007

8

LINGKARAN TAHUN POHON ( DENDROKRONOLOGI) Dendrokronologi adalah studi tentang perubahan iklim sebagaimana dicatat oleh cincin pertumbuhan pohon. Setiap tahun, pohon menambahkan lapisan pertumbuhan antara kayu tua dan kulit. Lapisan ini, atau cincin tidak hanya merekam kadar air tanah, melainkan juga merekam kejadian selama pertumbuhan (Dwimeini, 2010). Lapisan yang lebih lebar merupakan rekaman musim hujan. Sedangkan lapisan yang lebih sempit merekam musim kering. Informasi iklim pada cincin pohon sangat bervariasi bukan hanya suhu dan kelambaban tapi juga keadaan radiasi pada masa itu. Dalam kondisi tertentu pohon dapat tumbuh hingga ribuan tahun misalnya pinus bristlecone. Pohon tertua yang sudah diobservasi berumur 9000 tahun dari jenis pinus bristlecone (Gou et al. 2006). Bagian batang dari pohon berkambium yang biasanya banyak terdapat di daerah tropis menggambarkan banyak informasi iklim dari cincin pertumbuhannya. Cincin pohon (Gambar 5) merupakan bagian lapisan sel tebal (latewood) yang dipisahkan oleh lapisan sel tipis (earlywood). Ketebalan lapisan antara earlywood dan latewood merupakan sumber informasi yang sangat berharga.

Gambar 5. Penampang melintang batang pohon berkambium Sumber : Bradley, 2007 dalam Dwimeini, 2010

9

Densitas lapisan dikaitkan dengan suhu dan kemudian dikaitkan dengan musim. Kerapatan yang tinggi sangat erat kaitannya dengan bulan April sampai Agustus di daerah hutan boreal Alaska sampai Labrador. Musim dingin menyebabkan terjadinya nilai densitas lebih minimum (D'Arrigo et al. 2009). Kerapatan lapisan lingkar pohon juga dapat diukur dengan sinar x (Gambar 6) untuk mendapatkan hasil yang akurat. Penanggalan dengan metode ini juga sangat penting. Metode ini dilakukan untuk mengetahui secara tepat usia cincin yang terdapat pada pohon tersebut menggunakan pohon pembanding yang seumur (Bradley 1999).

Gambar 6. Hasil pengukuran densitas dengan sinar X Sumber : Schweingruber et al., 1993 dalam Dwimeini, 2010

LUBANG BOR SUHU Borehole suhu (lubang bor suhu) dapat digunakan sebagai proxy temperatur. Karena perpindahan panas melalui tanah berlangsung lambat, pengukuran suhu lubang bor di serangkaian kedalaman yang berbeda dapat disesuaikan dengan dampak kenaikan panas dari dalam bumi. Hal ini bersifat "terbalik" (rumus matematika untuk memecahkan persamaan matriks) untuk menghasilkan serangkaian non-value yang unik dari suhu permukaan. Solusinya adalah "non-unik "karena ada beberapa kemungkinan rekonstruksi suhu permukaan yang dapat menghasilkan profil temperatur yang sama. Ketika

10

merekonstruksi suhu sekitar 1.500 AD, lubang bor memiliki resolusi temporal beberapa abad. Pada awal abad ke-20, resolusinya beberapa dekade tidak terlalu memberikan cek yang berguna pada catatan suhu. Namun, konfirmasi ini telah memberikan keyakinan bagi paleo klimatologis bahwa mereka dapat mengukur suhu 500 tahun yang lalu. Hal ini disimpulkan oleh skala kedalaman sekitar 492 kaki (150 meter) untuk mengukur suhu 100 tahun yang lalu, sementara kedalaman 1.640 kaki (500 meter) untuk mengukur suhu 1.000 tahun yang lalu. Lubang bor memiliki keuntungan besar dari berbagai jenis proxy lain karena tidak perlu adanya kalibrasi karena yang dicatat adalah suhu aktual. Namun, yang dicatat adalah suhu permukaan bukan suhu dekat permukaan (1.5 meter) seperti hal nya yang digunakan untuk sebagian "permukaan" pengamatan cuaca. Ini dapat berbeda secara substansial untuk di bawah kondisi ekstrim atau ketika ada salju permukaan. Dalam prakteknya efek pada suhu lubang bor diyakini umumnya kecil. Lebih dari 600 lubang bor di seluruh dunia telah digunakan sebagai proxy untuk merekonstruksi suhu permukaan. Konsentrasi tertinggi lubang bor yang ada di Amerika Utara dan Eropa. Kedalaman pengeboran mereka biasanya berkisar dari 200 sampai lebih besar dari 1.000 meter ke dalam kerak Bumi atau lapisan es. Pusat suhu lubang bor Greenland menunjukkan "pemanasan selama 150 tahun terakhir” sekitar 1 ° C ± 0,2 ° C didahului oleh beberapa abad kondisi dingin. Mendahului ini adalah periode hangat berpusat sekitar tahun 1000, yang lebih hangat daripada akhir abad ke-20 oleh sekitar 1 ° C. "Sebuah lubang di es Antartika menunjukkan bahwa suhu pada 1 AD sekitar 1 ° C lebih hangat dibandingkan pada akhir abad ke-20 ". KARANG Istilah karang (coral) umumnya digunakan untuk terumbu karang yang berasal dari ordo Scleractinia. Karang dari ordo tersebut memiliki kerangka kapur yang sejati (keras). Satu individu karang disebut polip yang memiliki ukuran yang bervariasi, mulai dari 1mm-5000mm (Cobb et al. 2008). Untuk studi iklim masa lalu karang yang penting untuk diobservasi merupakan bangunan terumbu karang yang besar dan hidup saling ketergantungan (simbiotik) dengan alga uniseluler (zooxanthellae). Karang yang melakukan hubungan simbiotik dengan zooxanhellae disebut karang hermatypic.

11

Ganggang menghasilkan karbohidrat dengan proses fotosintesis. Proses tersebut membutuhkan sinar matahari. Dengan demikian karang hermatypic tumbuh paling dalam hanya 20m dari permukaan laut, dengan tingkat kekeruhan air yang kecil. Sebagian besar carbon organik diserap gangang untuk fotosintesis, dan menyediakan makanan bagi karang untuk terus tumbuh. Sementara itu karang memberikan perlindungan terhadap alga. Pertumbuhan karang sangat dipengaruhi oleh suhu (minimal pada 20oC), karena itulah karang tumbuh di sekitar perairan ekuator dengan batas lintang 30o utara dan 30o selatan. Ketika suhu turun ke 18oC, tingkat klasifikasi pertumbuhan karang berkurang dan akan mati pada suhu yang lebih rendah (Bradley,1999). Sampel untuk analisis biasanya dibor di bagian yang menggambarkan pertumbuhan karang. Untuk mendapatkan hasil yang maksimal dilakukan pengambilan sampel yang rutin (6-10 kali per tahun). Penelitian karang berfokus pada catatan lingkungan pada masa pertumbuhannya. Tingkat pertumbuhan karang bergantung pada suhu permukaan laut dan nutrisi yang terkandung pada air laut. Nutrisi tersebut banyak didapatkan dari proses fotosintesis yang dipengaruhi oleh radiasi dan keawanan. Waktu rekonstruksi karang yang terpanjang adalah 800 tahun yang berhasil diobservasi di perairan Bermuda. Pada observasi tersebut diketahui bahwa tingkat pertumbuhan koral berbanding terbalik dengan Sea Surface Temperature, sebagai contoh air upwelling yang dingin membawa banyak nutrisi dan menyebabkan meningkatnya pertumbuhan karang. Kondisi terdingin yang dialami dari 1470-1710 dan sejak 1760 sampai akhir abad kesembilan belas, diikuti oleh pemanasan di abad kedua puluh. Hal ini mirip dengan perkiraan musim panas belahan bumi utara (Bradley,1999). Isotop oksigen diketahui menujukan korelasi terhadap suhu ketika mengalami pengendapan karbonat secara biologis. Berkurangnya konsentrasi δ18O sebesar 0,22% menyebabkan kenaikan suhu sebesar 1oC (Gribin,1978). Dengan meningkatnya suhu permukaan laut maka penguapan semakin meningkat. Sehingga jumlah curah hujan juga akan mengalami peningkatan. δ13C (isotop karbon) mengindikasikan perawanan pada masanya. Nilai δ13C tersebut dipengaruhi oleh fotosintesis gangang yang terdapat pada karang. Semakin tinggi konsentasi δ13C pada karang maka semakin tinggi tingkat fotosintesis. Konsentrasi δ13C berkurang seiring dengan bertambahnya kedalaman. Hal ini menunjuka...