Hasil Penelitian P2PLR Tahun 2002

STUDI RADIOEKOLOGI 14C DI PERAIRAN TELUK JAKARTA DAN SEMENANJUNG LEMAH ABANG

Heny Suseno

Pusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif

ABSTRAK STUDI RADIOEKOLOGI 14C DI PERAIRAN TELUK JAKARTA DAN

SEMENANJUNG LEMAH ABANG. Telah dilakukan pengkajian absorsi CO2 ke dalam air laut berdasarkan studi 14C dan isotop stabil dalam air laut. Penelitian ini direncanakan menggunakan hasil pengukuran 14C dan isotop stabil terkait, akan tetapi karena keterbatasan kemampuan alat (preparasi dan limit deteksi pengukuran), maka dilakukan perhitungan menggunakan data sekunder. Penelitian ini bertujuan untuk menghitung absorsi CO2 ke dalam air laut menggunakan berbagai pendekatan fisika kimia laut berbasis pada kajian radioisotop 14C. Hasil penelitian menunjukkan kelarutan CO2 dalam air laut sebesar 2,61 mol. L-1.atm-1 pada suhu 30oC dan kecepatan perpindahaan CO2 dalam air laut sebesar 0,001389 ms-1. Fluks CO2 yang masuk ke dalam permukaan laut perunit area adalah sebesar 0,726 mol.atm.m-2.s-1. Kecepatan reaksi dehidrasi keseluruhan 5,14 X 10-3 [CO2] s-1. ABSTRACT

RADIOECOLOGYCAL STUDY 14C AT JAKARTA AND LEMAH ABANG COASTAL. The assesment of CO2 absorption to sea water that base on 14C and stabile isotope study at sea water. Firstly, this research was planed by using measurement result of 14C and related isotope but unperformance of equipment (such as: preparation and detection limit of instrument), this research was performanced by calculation that using of secondary datas. The research was purposed to calculated CO2 absorption by using behavior of physical chemical of sea water that base on of 14C. Result of this reseach was found that solubility of CO2 at sea water was 2,61 mol. L-1.atm-1 at 30oC. Tranfer velocity , flux and dehidration rate of CO2 at sea water are 0,001389 ms-1, 0,726 mol.atm.m-2.s-1 and 5,14 X 10-3 [CO2] s-1. PENDAHULUAN Emisi gas karbon dioksida sangat berhubungan dengan tingkat pertumbuhan dan kegiatan ekonomi di suatu wilayah. Jakarta dan sekitarnya merupakan sentra kegiatan ekonomi di Indonesia sehingga emisi gas CO2 dalam jumlah yang sangat besar memasuki atmosfer setiap harinya. Berdasarkan hukum keseimbangan alam gas CO2 yang diemisikan dapat difiksasi oleh tumbuhan hijau untuk proses fotosintesis. Disis lain keberadaan tanaman hijau di Jakarta sangat sedikit sehingga laju fiksasi tersebut tidak seimbang dibandingkan dengan emisi gas CO2 yang dihasilkan dari pembakaran bahan fosil. Sisa dari ketidakseimbangan tersebut akan memasuki atmosfer dan sebagian diantaranya akan masuk ke dalam laut melalui proses difusi. Proses penterapan ini sesuai dengan kemampuan laut berfungsi sebagai media pertukaran CO2 dari udara.

Gas CO2 yang masuk kedalam perairan laut Jakarta tersebut memberikan kontribusi terhadap perubahan radioekologi lingkungan kelautan Teluk Jakarta. Hal ini berhubungan dengan CO2 yang diserap oleh permukaan laut dalam berbagai bentuk isotop (12C, 13C dan 14C). Karbon dioksida dengan

Hasil Penelitian P2PLR Tahun 2002 kandungan 14C yang tertimbun didasar laut akan terbawa kembali kepermukaan melalui proses upwelling. Pengendapan karbon oleh organisme laut (karang/shell) yang merefleksikan aktivitas 14C dan dapat digunakan sebagai penentuan umur air laut . Pengendapan karbon sebagai karbonat dalam keadaan setimbang dengan air laut merupakan indikator perubahan CO2 didalam laut. Konsentrasi 14C pada permukaan air bercampur dengan lapisan yang lebih dalam melalui gelombang dan proses pengendapan serta pelarutan kembali dari laut dalam.

Penerimaan CO2 oleh laut dapat dijelaskan oleh fisika sirkulasi laut dan kimia CaCO3 dan CO2. Secara kuantitatif CO2 yang dilepaskan dari daratan akan diserap oleh permukaan laut yang disitilahkan sebagai invasi CO2. Skala waktu invasi ditentukan oleh skla waktu sirkulasi laut dan kapasitas penyangga permukaan laut mengikuti kesetimbangan atmosfir dengan air. Karbon dioksida akan bereaksi dengan CaCO3 yang disebut sebagai proses netralisasi. Terdapat dua proses netralisasi :

(1) Transportasi CO3= dari CaCO3 dari dasar laut (2) Ketidak setimbangan antara kecepatan pelarutan pada daratan dan

akumulasi CaCO3 pada dasar laut

Pengukuran perubahan CO2 dilaut dapat digunakan untuk memperkirakan penerimaan CO2 dan dampaknya secara global. Laut merupakan reservoir panas, air dan CO2 dan memberikan efek komplek pada musim. Keberhasilan penentuan kapasitas reservoir laut terhadap penyerapan CO2 : (1) Dokumentasi perubahan konsentrasi karbon anorganik (DIC), pH, rasio

13C/12C dan nutrien untuk transisi masuknya CO2 ke dalam laut (2) Membandingkan perubahan dengan model yang telah dikembangkan Monitoring kandungan CO2 di dalam laut lebih sulit dibandingkan dengan di daratan. Jumlah 14C dilaut sangat kecil dibandingkan dengan 12C, dengan rasio 1 atom 14C berbanding dengan ..... atom 12C. Konsentrasi 14C dalam air laut yang sangat kecil, akan memberikan kesulitan pengukuran karena berhubungan dengan limit deteksi alat.

Perhitungan aliran CO2 antara atmosfir dan laut sering dipertimbangkan beberapa problem untuk menghitung atau memprediksi konsentrasi CO2 sepanjang interface udara-laut. Beberapa cara yang digunakan untuk memperkirakan aliran CO2 yang didasarkan pada transportasi 14C dan transisi tracer lainnya seperti rasio 12C/13C. Profil radiokarbon 14C dan tracer transisi (antropogenik klorofluoro karbon, tritium dari percobaan bom) tidak hanya menjelasakan kecepatan pertukaran udara-laut tetapi percampuran antara lapisan-lapisan air di dalam laut dan proses uptake antropogenik CO2.

196

Hasil Penelitian P2PLR Tahun 2002

Metoda isotop karbon didasarkan pada kecenderungan uptake CO2 sebagai karbon yang lebih ringan yaitu 12C dilaukan oleh tanaman. Gas CO2 yang dihasikan dari pembakaran bahan fosil selanjutnya dengan fraksi yang lebih besar (13C) selanjutnya diserap oleh laut. Berdasarkan perbandingan 12C/13C dapat diketahui seberapa cepatnya 13C dapat masuk ke dalam laut.

Pada penelitian ini seharusnya dilakukan pengukuran 14C dan isotop-isotop karbon untuk mempelajari secara detail pengaruh emisi CO2 di Jakarta terhadap radioekologi lingkunbgan kelautan Teluk Jakarta. Data tersebut dibandingkan dengan pengukuran di Semenanjung Muria Jawa Tengah. Namum demikian, mengingat keterbatasan dana sehingga proses pengadaan alat dan bahan sangat terbatas, maka pada lingkup laporan hasil penelitian ini hanya dibahas secara teoritis sehingga diperoleh estimasi pengaruh emisi gas CO2 terhadap radioekologi dan lingkungan kelautan di Teluk Jakarta. SISTEM KIMIA KARBONAT DALAM AIR LAUT

Gas CO2 bereaksi dengan air membentuk asam karbonat. Karbonat kehilangan sebuah proton membentuk ion bikarbonat dan kehilangan satu proton lagin akan membentuk ion karbonat. Kesetimbangan thermodinamik proses pelarutan gas CO2 ditunjukan pada persamaan berikut :

CO2(aq) + H2O H2CO3 (1) H2CO3== HCO3- K1 = 10-6 mol L-1. (2)

HCO3- === CO32- + H+ K2 = 10-10 mol.L-1 (3)

H2O === H+ + OH- Kw = 10-14 mol.L-1 (4)

Kuantitas karbonat diketahui sebagai alkalinitas.

Calk = [HCO3-] + 2 [CO2] + [OH-]- [H+] (5)

Pertukaran CO2 antara laut dan udara adalah transfer karbon antara

lapisan percampuran dan air dalam. Kecepatan transfer ditentukan oleh difusi molekular sepanjang lapisan tipis yang tidak berubah. Batas bagian bawah dari stagnan lapisan tipis ini memberikan cara pencampuran. Ukuran lapisan tipis dan difusi berhubungan dengan kecepatan perpindahan yang dirumuskan sebagai berikut :

kw = D/Z (6)

dimana : kw : kecepatan perpindahan (ms-1) D : difusi Z : ketebalan lapisan tipis (m)

197

Hasil Penelitian P2PLR Tahun 2002

Kecepatan perpindahaan CO2 dalam air laut (kw)menurut Wesley (1982) seperti yang dikutip pada pustaka (1) adalah 500 cm perjam pada secepatan angin 8 cm per jam.

Kelarutan (Ko) dan kelarutan tak berdimensi () dirumuskan sebagai berikut :

Ko = 100 / RT (7) dimana : Ko : kelarutan CO2 dalam air laut (mol.kg-1.atm-1) : dimensionless solubility (tidak ada satuan) R : Tetapan gas (Kg.m2.s-2.K-1.mol-1) T : Suhu (K)

Perhitungan kecepatan pertukaran CO2 antara udara ke laut mengacu pada prinsip-prinsip : (1) Perbedaan tekanan parsial CO2 antara udara dan bulk air (pCO2) yang

dipertimbangkan sebagai gaya dorong thermodinamik (2) Kecepatan pertukaran gas adalah kecepatan transfer yang merupakan

parameter kinetik Flux perunit area dirumuskan sebagai

Flux = kw . Ko .pCO2 (8) dimana : pCO2 : Tekanan parsial CO2 dalam air laut (tidak mempunyai satuan) Reaksi langsung CO2 dengan ion hidroksil (OH-) membentuk HCO3- lebih cepat dibandingkan reaksinya dengan H2O. Kecepatan reaksi direpresentasikan berdasarkan reaksi berikut : kCO2 CO2 + H2O ==== H2CO3 ==== HCO3- + H+ (9)

kCO2

kOH CO2 + OH- ==== HCO3- (10)

kOH

198

Hasil Penelitian P2PLR Tahun 2002 Kecepatan reaksi dehidrasi keseluruhan

Ktotal [CO2] (11)

Ktotal = kCO2 + kOH [OH-] (12)

Harga kCO2 pada suhu 0 sampai dengan 30oC adalah 0,002 sampai dengan 0,005 s-1 [2] . Harga kOH pada suhu 0 sampai dengan 30oC adalah 850 sampai dengan 1400s-1mol-1 [2]. PERHITUNGAN INVASI CO2 KE DALAM PERMUKAAN LAUT

Kecepatan perpindahan CO2 antara laut dan udara dihitung menggunakan persamaan (6) . Bolin (1960) seperti yang dikutip oleh pustaka (2), menggunakan pengukuran fluks 14C antara udara dan laut untuk menghitung lapisan tipis stagnan dan diperoleh sebesar 35m. Kelarutan CO2 dalam air laut dihitung menggunakan persamaan (7). Menurut Weiss (1974) seperti yang dikutip oleh pustaka (2), nilai pada suhu 30oC sebesar 0,65. Penyesuaian satuan parameter-parameter pada persamaan (7) sebagai berikut : Konstanta gas (R) adalah 8,206 X 10-2 L.atm.K-1.mol-1 Suhu (T) 30oC adalah 303K dan hasil perhitungan diperoleh nilai kelarutan CO2 (Ko) dalam air laut sebesar 2,61 mol. L-1.atm-1.

Kecepatan perpindahaan CO2 dalam air laut (kw) yang telah disesuaikan satuannya adalah sebesar 0,001389 ms-1. Kecepatan pertukaran melibatkan difusi gas ke dalam air dan pengaruh proses fisik pada lapisan batas (boundary layer). Flux CO2 yang masuk ke dalam laut perunit area dihitung menggunakan persamaan (8). Menurut Broecer (1974) seperti dikutip pada pustaka (2), nilai pCO2 pada tahun 1970an adalah 330 dan saat ini umumnya adalah 200. Nilai kecepatan perpindahan CO2 dan kelarutan CO2 di dalam air laut masing-masing sebesar 0,001389 ms-1dan 2,61 mol. L-1.atm-1. Mengacu pada tekanan parsial CO2 (pCO2) dalam air laut sebesar 200, maka fluks CO2 yang masuk ke dalam permukaan laut perunit area menggunakan persamaan (8) adalah sebesar 0,726 mol.atm.m-2.s-1.

Reaksi hidrasi air laut ditunjukkan pada persamaan berikut :

H2O ==== H+ + OH- (13)

Nilai konstanta kesetimbangan hidrasi ditunjukkan pada persamaan berikut :

Kw = [H+] [OH-]/[H2O] = 10-14 (14)

199

Hasil Penelitian P2PLR Tahun 2002 Mengacu pada persamaan (14), maka diperoleh nilai [OH] pada reaksi dehidrasi air laut sebesar = 10-7. Menggunakan persamaan (10)

ktotal pada 30oC= {0,005 + 1400 X 10-7} = 5,14 X 10-3 s-1

Perhitungan kecepatan dehidrasi berdasarkan persamaan (11) Kecepatan reaksi dehidrasi keseluruhan = 5,14 X 10-3 [CO2] s-1. KESIMPULAN

Kelarutan CO2 dalam air laut sebesar 2,61 mol. L-1.atm-1 pada suhu 30oC dan kecepatan perpindahaan CO2 dalam air laut sebesar 0,001389 ms-1. Fluks CO2 yang masuk ke dalam permukaan laut perunit area adalah sebesar 0,726 mol.atm.m-2.s-1. Kecepatan reaksi dehidrasi keseluruhan = 5,14 X 10-3 [CO2] s-1. DAFTAR PUSTAKA 1. Spennemann, H,R,D; et.al (1999) Reservoir Modification of 14-C

Signature in Coastal Water of E. Australia: The State Play, Australian Ocean Reservoir Correction Research Project , Charles Sturt University, Australia.

2. Annom (2000), The Rate of Air-Sea CO2 Exchange, www.chooseclimate.org

3. Archer, D., (1999), The Dinamic of Fossil Fuel CO2 Netralization by Marine CaCO3, Max Plank Institut Fuer Meteorologie, germany

4. Taft, B, et.al (1999) NOAA Ocean Carbon Dioxide and Tracer Program, An Integrated Approach to Decadal Ocean Climate Change Studies, Pacific Marine Environmental Laboratories, Seattle

200

ABSTRAKPENDAHULUANSISTEM KIMIA KARBONAT DALAM AIR LAUT

DAFTAR PUSTAKA