MODUL FISIKA AWAN (KELAS METEOROLOGI 4B) PDF

Preview

Summary

i KATA PENGANTAR Puji dan syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan Yang Maha Esa yang telah mencurahkan rahmat dan karunia-Nya kepada kita, serta dengan ijin-Nya buku yang berjudul “Modul Fisika Awan” ini dapat diselesaikan. “Buku merupakan gudang ilmu pengetahuan”. Hal yang sama juga terjadi pada buku aja...

Description

i

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan Yang Maha Esa yang telah mencurahkan rahmat dan karunia-Nya kepada kita, serta dengan ijin-Nya buku yang berjudul “Modul Fisika Awan” ini dapat diselesaikan. “Buku merupakan gudang ilmu pengetahuan”. Hal yang sama juga terjadi pada buku ajar (textbook) Modul Fisika Awan ini. Idealnya taruna mempunyai lebih dari satu buku ajar, sehingga sangat diperlukan buku ajar lainnya agar dapat melengkapi tingkat pemahaman materi. Tetapi sedikit kendala, banyak ditemukan hampir semua buku ajar fisika awan tersaji dalam bahasa asing. Secara harfiah, buku ini berisi rangkuman materi fisika awan dari berbagai buku ajar yang telah dipresentasikan Taruna/i kelas Meteorologi IV B Tahun Ajaran 2015/2016, sehingga buku ini disajikan dalam Bahasa Indonesia agar lebih mudah dipahami. Selama pembuatan buku ini, kami mendapat banyak dukungan dan bantuan dari berbagai pihak baik secara langsung maupun tidak langsung, maka dari itu kami mengucapkan banyak terima kasih kepada : 1. Dr. Suko Prayitno Adi, M.Si., selaku Pimpinan Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (STMKG). 2. Dr. Aries Kristianto, S.T, M.Si., selaku Dosen Fisika Awan, yang telah memberikan bimbingan, saran, dan juga ide demi terciptanya buku ini. 3. Taruna/i Meteorologi IV-B 2013 selaku penulis sekaligus penyusun buku “Modul Fisika Awan”. 4. Pihak-pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu dalam membantu terselesaikannya penyusunan buku ini. Sebagai sebuah karya manusia, penyusun menyadari bahwa terdapat kekurangan dalam penyusunan buku ini, karena itu penyusun menerima kritik dan saran dari pembaca dengan via email [email protected]. Akhir kata,

ii

penyusun berharap semoga buku ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan semoga Tuhan Yang Maha Esa meridhoi semua usaha baik kita.

Tangerang Selatan, Agustus 2016

Penyusun

iii

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ......................................................................................

i

KATA PENGANTAR ....................................................................................

ii

DAFTAR ISI ................................................................................................... iv DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... v DAFTAR TABEL ........................................................................................... xi BAB I

TERMODINAMIKA UDARA KERING .....................................

1

BAB II

TERMODINAMIKA UDARA BASAH ......................................

16

BAB III

PENCAMPURAN DAN KONVEKSI .........................................

30

BAB IV

SIFAT-SIFAT AWAN ..................................................................

43

BAB V

PEMBENTUKAN BUTIRAN AWAN ........................................

67

BAB VI

PERTUMBUHAN BUTIR AIR PADA PROSES DIFUSI ..........

79

BAB VII PERTUMBUHAN PRESIPITASI OLEH TUMBUKAN ............

93

BAB VIII PEMBENTUKAN DAN PERTUMBUHAN KRISTAL ES ........

119

BAB IX

RADAR CUACA ..........................................................................

137

BAB X

MODIFIKASI CUACA ................................................................

155

BAB XI

MODEL NUMERIK AWAN .......................................................

170

BAB XII KIMIA ATMOSFER ....................................................................

184

BIOGRAFI DOSEN PEMBIMBING .............................................................

204

FOTO METEOROLOGI IV B 2013 ..............................................................

206

iv

DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Komposisi Udara Kerin............................................................................ 1 Gambar 1.2 Grafik Isotermal ....................................................................................... 3 Gambar 1.3 Grafik Isobarik ......................................................................................... 4 Gambar 1.4 Grafik Isokhorik ....................................................................................... 5 Gambar 1.5 Mereprentasikan keadaan working substance di dalam silinder .............. 7 Gambar 2.1 Grafik Pseudo Adiabatik yang Menyelesaikan Persamaan Poison .......... 27 Gambar 2.2 Skema hubungan antara tekanan (P) dan temperature (T) ....................... 28 Gambar 3.1. Ilustrasi dari Convective Condensation Level (CCL).............................. 35 Gambar 3.2. Profil suhu (T), suhu potensial (θ), kelembapan spesifik (q) dan kecepatan angin (V) pada malam dan siang hari .................................... 36 Gambar 3.3 Ilustrasi dari Profil Suhu Potensial yang Stabil (a) dan Tidak Stabil (b) ........................................................................................................... 38 Gambar 3.4. Kondisi untuk (a) kestabilan statis positif (Г < Г𝑑) dan (b) ketidakstabilan statis negative (Г > Г𝑑) untuk perpindahan parsel

udara yang tidak jenuh ............................................................................ 39 Gambar 3.5. Kondisi untuk ketidakstabilan (Г𝒔 < Г < Г𝒅) ...................................... 39

Gambar 4.1 Jenis-jenis awan ....................................................................................... 45 Gambar 4.2 Model konseptual kinematik, mikrofisis, dan struktur eco-radar dari gerak konvektif adanya presipitasi dari awan stratiform terlihat sepanjang penampang vertikal tegak lurus terhadap garis konvektif (umumnya paralel terhadap geraknya). Sedang dan kuatnya reflektivitas radar ditentukan oleh medium dan gelapnya bayang) ....... 48 v

Gambar 4.3 Pengukuran kandungan air dan kecepatan updraft di dalam awan pada ketinggian 4,58 km ................................................................................. 48 Gambar 4.4 Diamati updraft dan downdraft maksimum serta kecepatan vertical RMS diplot terhadap ketinggian di atas dasar awan ............................... 49 Gambar 4.5 Nilai maksimum, rata-rata, dan kandungan air cair adiabatik yang diplot terhadap ketinggian di atas dasar awan ........................................ 49 Gambar 4.6 Variasi terhadap ketinggian dari rata-rata konsentrasi butir dan ratarata ukuran butir...................................................................................... 50 Gambar 4.7 Awan Lenticularis ..................................................................................

50

Gambar 4.8 Awan Nacreous ......................................................................................

51

Gambar 4.9 Awan Gelombang Kelvin-Helmholtz ....................................................

51

Gambar 4.10 Awan Badai Supersel ...........................................................................

52

Gambar 4.11 Awan Mammatus .................................................................................

52

Gambar 4.12 Awan Nocticulent.................................................................................

53

Gambar 4.13 Catatan kecepatan udara vertikal (m/s), rata-rata diameter butir (µm), kandungan air cair (g/m3) dan ketinggian (m). selama turunnya melewati awan stratus laut ..................................................

54

Gambar 4.14 Lingkungan sounding yang diplot pada koordinat Q versus Ө q ( diagram Paluch). Dasar awan (CB) dan puncak awan (CT) terlihat. Pengukuran berurutan pada suatu level dalam awan diperlihatkan oleh titik-titik ......................................................................................

55

Gambar 4.15 Hubungan kandungan air cair dan ketinggian berdasarkan tinggi dasar awan dimana titik biru adalah nilai rata - rata lwc dan kotak kotak adalah nilai terbesar lwc diukur pada awan cumulus ...............

vi

56

Gambar 4.16 Bagian irisan vertikal kecepatan udara vertikal (m/s) pada badai guntur diperoleh dari pengukuran dropsonde .....................................

56

Gambar 4.17 Catatan kecepatan udara vertikal, suhu potensial setimbang, kandungan air cair (padat) dan partikel es (putus-putus) pada inti/tengah badai guntur ......................................................................

57

Gambar 4.18 Distribusi ukuran tetes yang diukur (garis titik-titik) dibandingkan dengan kurva eksponensial (garis lurus). R adalah intensitas hujan ..

60

Gambar 4.19 Spektrum tetesan di awan cumulus trade-wind Pesisir Hawai dan cumulus benua diatas Blue Mts. Dekat Sydney, Australia.................

60

Gambar 4.20 Jarak butir air........................................................................................

61

Gambar 5.1 Pengaruh kelengkungan larutan .............................................................

70

Gambar 5.2 Aerosol di atmosfer .................................................................................. 73 Gambar 5.3 Jenis-jenis ukuran aerosol ........................................................................ 73 Gambar 5.4 Sebaran aerosol di belahan bumi utara dan belahan bumi selatan. .......... 74 Gambar 5.5 Distribusi Aerosol......................................................................... ........... 76 Gambar 5.6 Persebaran partikel aerosol (a) sebaran diameter partikel aerosol pada luasan permukaan (b) Sebaran diameter aerosol terhadap volume........................................................................................... ......... 77 Gambar 5.7 Waktu tinggal partikel aerosol di atmosfer berdasarkan sumber dan penyebabnya................................................................ ........................... 77 Gambar 6.1 Pertumbuhan butiran awan dengan kondensasi dalam lingkungan konstan ...................................................................................... ............ 86 Gambar 6.2 Ketergantungan parameter pertumbuhan ξ1 = 1/(Fk + Fd) pada temperatur dan tekanan .............................................................. ............ 87

vii

Gambar 6.3 Perbandingan pertumbuhan kondensasi dengan dan tanpa koreksi kinetik ........................................................................................ ............ 89 Gambar 6.4 Perbandingan perhitungan dan pengukuran dari spektrum butiran awan pada ketinggian 244 m di atas dasar awan ....................... ............ 89 Gambar 7.1 Skema Awan Hangat di Daerah Tropis ....................................... ............ 93 Gambar 7.2 Proses di Awan Hangat ............................................................... ............ 94 Gambar 7.3 Proses Pertumbuhan Droplet Melalui Proses Kondensasi dan Tumbukan-Penggabungan ....................................................... ............ 95 Gambar 7.4 Skema Droplet Saat Adanya Gaya Hambat dan Gaya Gravitasi ............ 98 Gambar 7.5 Grafik Kecepatan Jatuh Terminal Berdasarkan Nilai k dan Ukuran Droplets...................................................................................... ............ 100 Gambar 7.6 Skema Efisiensi Tumbukan Pada Droplets Berukuran R dan r .. ............ 100 Gambar 7.7 Grafik Medan Efisiensi Tumbukan E(R,r) Berdasarkan Proses Collision .................................................................................. ............ 101 Gambar 7.8 Grafik Hubungan Kecepatan Droplets dengan Ukuran R dan r.. ............ 102 Gambar 7.9 Grafik Model Bowen Berdasarkan Lintasan di Udara, Butiran Awan, dan Tetes .................................................................................... ............ 103 Gambar 7.10. Grafik Pertumbukan Droplets Melalui Proses Statistika Secara Diskrit .................................................................................... ............ 104 Gambar 7.11 Skema Diagram Perluasan Droplets Secara Statistik ................ ............ 106 Gambar 7.12 Grafik Perkembangan Spektrum Droplets Melalui Penggabungan Stokastik .................................................................................. ............ 106 Gambar 7.13 Grafik Efek Kondensasi Pada Pertumbuhan Dengan Proses Penggabungan........................................................................ ............ 108

viii

Gambar 7.14 Grafik Keadaan Titik Lewat Jenuh (%) dan Konsentrasi Droplets (cm-3) di Lautan ....................................................................... ............ 109 Gambar 7.15. Grafik Keadaan Titik Lewat Jenuh dan Konsentrasi Droplets di Daratan .................................................................................. ............ 110 Gambar 8.1 Skema pembentukan inti es atmosfer ....................................................... 121 Gambar 8.2 Ketergantungan konsentrasi inti es (IES) pada pada temperature ........... 123 Gambar 8.3 Grafik perbedaan tekanan uap jenuh air dan tekanan uap jenuh es ......... 123 Gambar 8.4 Pertumbuhan normal ukuran Kristal es terhadap temperature ................. 126 Gambar 8.5 Tipe-tipe kristal es .................................................................................... 126 Gambar 8.6 Kristal es uyang jatuh bergabung dengan tetes air kelewat jenuh membentuk partikel yang lebih besar ...................................................... 127 Gambar 8.7 Kristal es besar jatuh mencair membentuk butiran hujan ........................ 130 Gambar 8.8. Skema pembentukan tumbukan dan penggabungan ............................... 131 Gambar 9.1. Diagram dasar instalasi radar .................................................................. 139 Gambar 9.2. Prinsip Radar Cuaca ................................................................................ 139 Gambar 9.3. Klasifikasi radar berdasarkan frekuensi operasional............................... 140 Gambar 9.4. Radar Cuaca Generasi Pertama ............................................................... 141 Gambar 9.5. Radar Cuaca Generasi Kedua.................................................................. 142 Gambar 9.6. Radar Cuaca Generasi Ketiga ................................................................. 143 Gambar 9.7. Radar Cuaca Generasi Keenam ............................................................... 145 Gambar 9.8. Deteksi Awan .......................................................................................... 148 Gambar 9.9 Produk PPI ............................................................................................... 150 Gambar 9.10 Produk CAPPI ........................................................................................ 150

ix

Gambar 9.11 Produk RHI ............................................................................................ 151 Gambar 9.12 Produk CMAX ....................................................................................... 151 Gambar 9.13 Produk VCUT ........................................................................................ 152 Gambar 9.14 Produk UWT .......................................................................................... 152 Gambar 9.15 Produk SWAD ....................................................................................... 153 Gambar 10.1 Teknologi Modifikasi Cuaca .................................................................. 158 Gambar 10.2 Sekuens Awan Tidak Disemai ............................................................... 160 Gambar 10.3 Sekuens Awan Disemai.......................................................................... 161 Gambar 10.4 Metode Penyemaian Awan .................................................................... 162 Gambar 10.5 Super fine powder seeding agent ........................................................... 163 Gambar 10.6 Serbuk (Powder) dari Pesawat ............................................................... 164 Gambar 10.7 Semai Jenis Ejectable............................................................................. 164 Gambar 10.8 Ground Base Generator .......................................................................... 165 Gambar 10.9 Roket ...................................................................................................... 166 Gambar 12.1 Gas di udara traposfer kering pada 1 atm............................... ................ 185 Gambar 12.2 Siklus Nitrogen................................................................................ ....... 187 Gambar 12.3 Siklus Carbon.......................................................................................... 190 Gambar 12.4 Siklus Sulfur.................................................................................... ....... 193 Gambar 12.5 Dampak Senyawa sulfur dari Hujan Es............................................ ...... 194 Gambar 12.6 God Ozone,Bad Ozone.................................................................... ....... 195 Gambar 12.7 Proses Pertumbuhan Aerosol, Sumber Aerosol dan Punahnya Aerosol ................................................................................................. 197 Gambar 12.8 Sumber Pencemaran Oleh Aktivitas Manusia ....................................... 201 Gambar 12.9 Aktivitas Gunung Berapi Menghasilkan gas SO2 ......................................... ......... 202

x

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Klasifikasi awan ..........................................................................................

45

Tabel 4.2 Nilai Klasifikasi Air Cair ............................................................................

54

Tabel 5.1 Nilai r* dan (S*-1) sebagai fungsi massa dan jejari nukleus .......................

71

Tabel 6.1 Nilai viskositas dinamik udara (µ), koefisien konduktivitas termal udara (K), dan koefisien difusi uap air dalam udara (D), pada p = 1000 mb .......................

86

Tabel 6.2 Kecepatan pertumbuhan butiran dengan kondensasi ..................................

87

Tabel 7.1 Kecepatan Terminal Sebagai Fungsi Ukuran Droplets ...............................

99

xi

BAB I TERMODINAMIKA UDARA KERING

1.1 PENDAHULUAN “Termodinamika mentrasformasikan panas kedalam bentuk energi lain dan sebaliknya (Tjasyono, 2008).” Termodinamika tidak hanya pada sistem mesin uap, tetapi di atmosfer pun terjadi proses termodinamika. Menurut Tjasyono (2008), atmosfer merupakan lapisan gas yang menyelimuti bulatan bumi. Atmosfer bertindak sebagai pelindung kehidupan di bumi dari energi matahari yang sangat kuat pada siang hari dan mencegah hilangnya panas ke ruang angkasa pada malam hari. Di antara campuran gas tadi terdapat pula uap air. Campuran gas yang tidak mengandung uap air dinamakan udara kering.

Gambar 1.1 Komposisi Udara Kering Sumber : Saha, 2008

1.2 VARIABEL TERMODINAMIKA Menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia, variabel merupakan sesuatu yang dapat berubah atau dapat juga diartikan sebagai faktor atau unsur yang menentukan perubahan. Pada sistem termodinamika juga terdapat beberapa variabel yang dibedakan menjadi dua, yaitu:

1

a. Variabel Intensif Variabel termodinamika yang tidak tergantung pada jumlah materi. Contohnya: temperatur, tekanan, massa jenis, panas spesifik. b. Variabel Ekstensif Variabel termodinamika yang tergantung pada jumlah materi. Contohnya: massa, volume, energi dalam, entalpi, dan entropi.

1.3 PERSAMAAN GAS IDEAL Persamaan keadaa...