BAGAIMANA TERJADINYA EFEK RUMAH KACA ? Leave a commentBy : Dra.Ida Farida Ch, M.Pd Makalah (Prodi Pendidikan Kimia UIN Sunan Gunung Djati Bandung 2009) Pertanyaan di atas sering diajukan terutama kaitannya dengan masalah pemanasan global yang kian hari semakin terasa dampaknya. Untuk menjawab pertanyaan di atas, berikut ini pembahasannya : APAKAH ATMOSFER ITU ? Atmosfer bumi merupakan selubung gas yang menyelimuti permukaan padat dan cair pada bumi. Selubung itu membentang ke atas sejauh beratus-ratus kilometer, dan akhirnya bertemu dengan medium antar planet yang berkerapatan rendah dalam sistem tata surya. Atmosfer merupakan sumber karbondioksida bagi tumbuhan yang berfotosintesis dan oksigen untuk pernafasan. Juga menyediakan nitrogen yang digunakan oleh bakteri nitrogen dan tanaman-tanaman yang mampu mengubah nitrogen menjadi amonia untuk menghasilkan komponen penting bagi kehidupan, yaitu protein. Atmosfer mentransportasikan air dari lautan menuju daratan, dan juga bertindak sebagai kondenser dalam penyaluran sinar matahari. Sayangnya, atmosfer juga telah digunakan sebagai tempat penimbunan untuk banyak materi polutan dari mulai sulfur dioksida hingga freon- yang menyebabkan kerusakan bagi vegetasi dan material, kehidupan manusia dan mengubah karakteristik alami dari atmosfer itu sendiri. Atmosfer berfungsi sebagai pelindung bagi absorbsi sinar kosmis dari angkasa luar dan melindungi pengaruhnya terhadap manusia. Juga mengabsorbsi sebagian besar radiasi elektromagnetik dari matahari, sehingga jumlah signifikan radiasi yang ditransmisikan ke bumi hanya dalam kisaran 300 2500 nm (daerah radiasi UV dekat, sinar tampak, dan IR dekat) dan 0,01 40 m (gelombang radio). Melalui penyerapan radiasi elektromagnetik di bawah 300 nm, atmosfer menyaring radiasi UV yang merusak, sehingga bumi tetap menjadi tempat yang nyaman bagi kehidupan organisme. Atmosfer dapat menyerap kembali sejumlah radiasi IR melalui absorbsi energi matahari yang diemisikan kembali ke angkasa. Sehingga atmosfer menstabilkan temperatur bumi dan menjaganya dari temperatur ekstrim (Manahan, 1995) Atmosfer juga menyebabkan hambatan bagi benda yang bergerak melaluinya, sehingga sebagian meteor yang melalui atmosfer akan menjadi panas dan hancur sebelum mencapai permukaan bumi. (Bayong, 1999) BAGAIMANA STRUKTUR ATMOSFER ? Berdasarkan temperaturnya, atmosfer terbagi atas 4 lapisan, yaitu troposfer, stratosfer, mesosfer dan termosfer. Lapisan troposfer dan stratosfer dipisahkan oleh lapisan tropopause. Lapisan stratosfer dan mesosfer dipisahkan oleh lapisan stratopause, dan antara lapisan mesosfer dengan termosfer dipidahkan oleh lapisan mesopause. Gambar 1, memperlihatkan

lapisan atmosfer berdasarkan temperatur dan hubungannya dengan proses fotokimia dan fisika. Troposfer adalah lapisan terbawah dari atmosfer yang membentang dari permukaan laut hingga ketinggian 10 16 km, dan mempunyai karakteristik semakin bertambah ketinggian semakin rendah temperaturnya. Namun ada suatu batas di mana penurunan temperatur tersebut berubah menjadi kenaikan temperatur. Ini menunjukkan telah terjadinya peralihan dari kedudukan lapisan troposfer menjadi stratosfer lapisan tropopause). Temperatur minimum yang dicapai lapisan troposfer kira-kira 560C. Penurunan temperatur disebabkan oleh sangat sedikitnya troposfer menyerap radiasi gelombang pendek matahari, sebaliknya permukaan tanah memberikan panas pada lapisan troposfer di atasnya melalui konduksi, konveksi dan panas laten dari kondensasi dan sublimasi yang dilepaskan oleh uap air atmosfer. Troposfer ini mengandung gas-gas utama dengan komposisi homogen seperti yang dijelaskan sebelumnya, kehomogenan komposisi ini merupakan hasil pencampuran konstan melalui sirkulasi massa udara. Akan tetapi, uap air yang terkandung di troposfer jumlahnya tidak tetap. Lapisan teratas troposfer, yaitu bagian terbawah tropopause temperaturnya sangat rendah, karenanya merupakan bagian yang paling dingin. Hal ini merupakan suatu barrier (rintangan) yang menyebabkan udara troposfer sukar menembusnya. Demikian pula dengan uap air yang akan mengalami kondensasi menjadi es , sehingga tidak dapat menjangkau ketinggian yang dapat memungkinkannya mengalami fotodisosiasi oleh radiasi ultra-violet berenergi tinggi. Namun bila fotodisosiasi inipun terjadi, hidrogen yang dihasilkannya akan ke luar dari atmosfer bumi dan hilang. (Banyak hidrogen dan helium asli yang ada di bumi hilang melalui proses ini ) Lapisan atmosfer setelah tropopause, yaitu stratosfer. Pada stratosfer terjadi kenaikan temperatur dengan bertambahnya ketinggian hingga mencapai temperatur maksimum 20C . Fenomena kenaikan temperatur pada lapisan atmosfer disebabkan oleh adanya ozon yang dapat mencapai 10 ppm membentuk lapisan ozonosfer yang dapat menyerap energi radiasi ultra-violet dengan panjang gelombang sampai sekitar 300 nm. Tak adanya spesi yang dapat menyerap radiasi berenergi tinggi pada bagian mesosfer, menyebabkan temperaturnya menurun hingga mencapai 92 0C pada ketinggian sekitar 85 km. Wilayah teratas dari mesosfer dan juga merupakan wilayah tertinggi sering juga disebut bagian eksosfer dari atmosfer, di mana molekul-molekul dan ion-ion dapat semuanya lepas dari atmosfer. Perluasannya mencapai bagian paling terjauh dari atmosfer, yaitu termosfer. Pada bagian termosfer temperatur tertinggi dapat mencapai 12000C. Hal ini karena spesi gas yang berada dalam wilayah ini menyerap radiasi berenergi sangat tinggi dengan panjang gelombang kurang dari 200 nm. BAGAIMANA KOMPOSISI UDARA DI ATMOSFER ? Udara kering yang terkandung di dalam beberapa kilometer dari permukaan tanah mengandung dua komponen utama, yaitu ; nitrogen (78, 08%), dan oksigen (20,95 %), ; 2

komponen yang jumlahnya sedikit, yaitu argon (0,934 %) dan karbondioksida 0,035 %. Terdapat juga empat gas mulia dalam jumlah sangat sedikit sekali, yaitu ;y y

neon ( 1,818 X 10-3 %), krypton ( 1,14 X 10-4 %), helium (5,24 X 10-4 %) xenon (8,7 X 10-6 %),

Gas-gas tersebut bersifat permanen dengan proposi yang relatif konstan dari permukaan bumi hingga ketinggian kira-kira 25 km. Selain udara kering, lapisan atmosfer mengandung air dalam ketiga fasanya dan aerosol atmosfer, yaitu 0,1 % 5 % volum dengan kisaran normal 1 % - 5 %. Dengan demikian udara kering yang murni di alam tidak pernah dijumpai karena sebagai hasil penguapan dari laut, danau, kolam , sungai dan transpirasi tanaman. Di atmosfer selain mengandung komposisi udara seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, terkandung pula beberapa gas runut yang keberadaannya dapat berubah-ubah. (lihat tabel 1). Gas-gas runut tersebut terdapat dalam atmosfer bawah (troposfer) dimana sumber utamanya dapat berasal dari aktifitas manusia (antropogenik), aktivitas biologis mahluk hidup lainnya , seperti hewan, tanaman dan mikroorganisme (biogenik) atau proses fotokimia yang terjadi secara alami. Konsentrasi gas runut yang tercantum di dalam tabel merupakan level tertinggi yang dicapai tanpa mengakibatkan polusi udara. Secara alami gas runut tersebut dapat berkurang atau berubah menjadi partikel lain melalui proses fotokimia , tercuci atau larut dalam air hujan dan kemudian mengendap kembali (mengalami presipitasi). Tentu saja mekanisme pembersihan tersebut tidak selamanya berhasil mengurangi polutan, karena jumlah yang diemisikan lebih besar dibandingkan dengan yang terubah secara alami. Bahkan proses fotokimia yang menjadi bagian mekanisme pembersihan itupun turut menyumbang terjadinya masalah lingkungan di atmosfer. Tabel 1. Gas Runut dalam Udara Kering Dekat Permukaan Tanah di Atmosfer Gas atau spesi CH4CO N2 O NOx HNO3 NH3 H2 H2 O2 Proses untuk pembersihan dari atmosfer -4 1,6 X 10 ~ 1,2 BiogenikFotokimia,antropogenik FotokimiaFotokimia X 10-3 Biogenik Fotokimia -5 3 X 10 Fotokimia,antropogenik, kilat Fotokimia 10-10 - 10-6 Fotokimia Tercuci melalui presipitasi -9 -7 10 - 10 Biogenik Fotokimia, tercuci melalui presipitasi 10-8 - 10-7 Biogenik, Fotokimia Fotokimia 5 X 10-5 Fotokimia Tercuci melalui presipitasi 10-8 - 10-6 % Volume Sumber Utama

HO HO2 H2CO CS2 OCS SO2 I2 CCl2F2 H3CCCl3

10-13 - 10-10 10-11 - 10-9 10-8 - 10-7 10-9 - 10-10 10-8 ~ 2 X 10-8 0 runut 2,8 - 10-5 ~ 1 X 10-8

Fotokimia Fotokimia Fotokimia Fotokimia Antropogenik, biogenik Antropogenik,biogenik, fotokimia Antropogenik,fotokimia, vulkanik Antropogenik Antropogenik

Fotokimia Fotokimia Fotokimia Fotokimia Fotokimia Fotokimia Fotokimia Fotokimia Fotokimia

(Manahan, Stanley E, 1995 : 265) BAGAIMANA TERJADINYA TRANSFER ENERGI DI ATMOSFER ? Sinar matahari ini merupakan gelombang elektromagnetik, yang panjang gelombangnya bervariasi dari yang sangat pendek, yaitu sinar g, sampai pada yang panjang, yaitu sinar infra nerah atau sinar panas. Makin pendek panjang gelombang, makin tinggi energi yang terkandung dalam sinar itu. , Berikut ini adalah spektrum radiasi matahari dan bagaimana pengaruhnya terhadap atmosfer, menurut Acra A, et.al (dalam Otto : 1992) dan Neiburger (1995) : 1. Radiasi matahari yang kasat mata (sinar tampak) ; dengan panjang gelombang ( ) = 400 nm- 700 nm, yaitu berturut-turut sinar berwarna ungu, indigo, biru, hijau kuning, oranye dan merah. Masing-masing jenis mempunyai panjang gelombang tertentu. Sinar ungu mempunyai panjang gelombang terpendek dan merah terpanjang. Sinar tampak ini diteruskan hampir tanpa pengurangan, kecuali yang bergelombang pendek mengalami penghamburan oleh partikel-partikel gas di udara atmosfer. 2. Radiasi yang tak kasat mata, pada daerah panjang gelombang sebelum sinar tampak ungu, yaitu terdiri dari : sinar gamma ( lebih kecil dari 0,03 nm), diserap atmosfer bagian atas ; sinar x, ( antara 0,03 3 nm), diserap atmosfer atas; sinar ultra violet (UV) yang dipancarkan oleh matahari dapat dibagi dalam empat bagian, yaitu : UV ekstrim ( = 100 200 nm) dan UV-C ( = 200- 280 nm) keduanya diserap atmosfer atas , yaitu oleh oksigen dan nitrogen ( > 120) (seluruhnya terabsorpsi dalam pembentukan ozon di lapisan stratosfer) . Adapun UV-B ( = 280 nm 320 nm) sebagian besar diserap oleh ozon (antara = 210 340 nm) di atmosfer atas, sedangkan UV-A ( = 320 400 nm) menembus atmosfer dengan banyak penghamburan ; sinar dengan panjang gelombang lebih besar daripada sinar tampak merah , yaitu sinar inframerah (IM) (disebut juga sinar panas), terdiri dari dua bagian

yaitu sinar IM-reflektif (l = 300 700nm) sebagian besar dipantulkan kembali ke ruang angkasa dan sinar IM-termal (l = 3000 20.000 nm) diserap oleh uap air (pada antara 5000 7000 nm dan > 12000 nm) dan oleh karbon dioksida (pada antara 4000 5000 nm dan > 14000 nm). Sinar yang mempunyai antara 8000 11000 hampir seluruhnya lolos, (kecuali pada 9600 nm diserap ozon stratosfer), sehingga disebut jendela atmosfer. Jadi sekitar 35 % dari radiasi matahari tidak sampai ke permukaan bumi. Hampir seluruh radiasi yang bergelombang pendek seperti sinar gamma , sinar X, sinar UV ekstrim, UV-C dan sebagian besar UV-B diserap lapisan atmosfer atas. Yang lainnya dihamburkan dan dipantulkan kembali ke ruang atmosfer pada batas atas di atmosfer atas oleh molekul gas dalam atmosfer, awan dan partikel yang ada di dalam udara. Sisanya yang 65 %, masuk ke dalam troposfer. Di dalam troposfer ini, 14 % diserap oleh uap air, debu, dan gas-gas tertentu. Sehingga hanya 51 % yang sampai ke permukaan bumi. Dari yang 51 % ini, 37 % merupakan radiasi langsung (jendela atmosfer) dan 14 % radiasi difus yang telah mengalami penghamburan di dalam troposfer oleh molekul gas dalam atmosfer dan partikulat. Radiasi yang diterima oleh bumi sebagian diserap dan dipancarkan kembali oleh permukaan bumi dalam bentuk sinar yang bergelombang panjang yaitu sinar infra merah (karena temperatur bumi rendah). Bagian radiasi matahari yang dikembalikan oleh suatu permukaan disebut albedo permukaan tersebut. Albedo permukaan bumi tergantung pada sifat dan jenis tumbuhan yang tumbuh padanya, serta sudut matahari di atas horison. Contohnya permukaan bersalju segar dengan matahari rendah mempunyai albedo 90 %, karena 9/10 radiasi yang masuk direfleksikan kembali, sebaliknya permukaan tanah yang basah dan banyak ditumbuhi tanaman (hutan) mempunyai albedo hanya sekitar 15 25 %. Temperatur pada lapisan troposfer sangat dipengaruhi oleh absorbsi sinar inframerah oleh molekul-molekul gas yang terdiri atas lebih dari satu atom. Molekul-molekul gas tersebut yang secara alami ada di atmosfer antara lain gas CO2, dan H2 O. Gas-gas ini menyerap sebagian sinar infra merah agar tidak terlepas ke angkasa luar. Oleh karena sinar infra merah merupakan sinar panas, maka panas itupun terperangkap di dalam lapisan atmosfer. Molekul-molekul gas (CO2, dan H2 O) kemudian memantulkan kembali sinar infra merah yang diserapnya di dalam lapisan troposfer. Sebagian besar absorpsi radiasi infra merah dilakukan oleh molekul air. Akibatnya temperatur troposfer dan permukaan bumi naik. Peningkatan temperatur permukaan bumi karena pancaran balik ini dikenal sebagai efek rumah kaca. Istilah ini timbul dari pemikiran bahwa atap kaca suatu rumah kaca yang dapat ditembus radiasi matahari dan relatif kedap terhadap radiasi gelombang panjang memegang peranan yang sama dengan atmosfer dalam menjaga agar temperatur dalam rumah kaca cukup tinggi bagi tumbuhan untuk dapat hidup di musim dingin. Namun demikian dalam rumah kaca, faktor yang terpenting adalah pencegahan gerakan udara, bukan akibat kaca yang digunakannya. Karena penggantian atap kaca dengan materi lain yang memungkinkan lolosnya sinar bergelombang panjang, akan menghasilkan

fenomena yang sama. Sehingga fenomena kenaikan temperatur akibat penjebakan sinar (radiasi) oleh udara tersebut disarankan untuk disebut sebagai effek atmosfer dan bukannya effek rumah kaca (Neiburger, 1995). Namun karena istilah efek rumah sudah memasyarakat, di sini masih digunakan istilah tersebut. Hanya kita harus memahami bahwa istilah tersebut disebabkan oleh pengertian yang salah. Dengan demikian, sebenarnya fenomena efek rumah kaca merupakan fenomena alami di mana bumi mempertahankan temperaturnya agar layak didiami mahluk hidup. Tanpa terjadinya fenomena seperti itu permukaan bumi akan membeku. Sebagai bandingan, atmosfer di planet Venus sangat tinggi kadar karbondioksidanya dan efek rumah kaca sedemikian kuatnya, sehingga seluruh permukaan planet tersebut sama panasnya dengan lava yang sedang mendingin di bumi. Sementara itu di planet Mars sangat dingin, karena tidak terdapat uap air maupun gas rumah kaca lain di atmosfernya. Akan tetapi aktivitas manusia dan proses-proses lain yang terjadi di alam menunjukkan pengaruhnya dalam menambah konsentrasi GRK, sehingga menaikkan intensitas efek rumah kaca. Akibatnya terjadilah gejala naiknya temperatur permukaan bumi yang disebut sebagai pemanasan global. MENGAPA GAS RUMAH KACA MENYEBABKAN PEMANASAN GLOBAL ? Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa uap air menyerap sinar infra merah dengan antara 5000 7000 nm sedangkan CO2 menyerap antara 12500 dan 17000, sehingga antara 7000-13000 nm terdapat jendela (jendela atmosfer) yang dapat dilalui oleh sinar infra merah untuk dilepaskan kembali ke luar angkasa. Atau dengan perkataan lain, pada daerah panjang gelombang tersebut, sinar infra merah tidak ditangkap oleh satupun gas di atmosfer, sehingga memungkinkannya untuk kembali lagi ke ruang angkasa. Melalui jendela atmosfer, 70 90% dari radiasi bumi lepas ke angkasa luar, sehingga intensitas efek rumah kaca di bumi tidak berlebihan. Akan tetapi dengan adanya polutan udara yang bertindak sebagai GRK (gas rumah kaca) , seperti CFC, metan, ozon, N2O, metil kloroform, PAN (peroksiasetilnitrat), SO2 dan CCl4 yang mempunyai spektrum absorbsi antara 7000 19000 nm, makin sedikit sinar infra merah yang dapat lolos ke luar angkasa. Ibaratnya jendela tersebut semakin tertutup bagi infra merah untuk melaluinya. Adanya GRK tersebut menaikkan resiko terjadinya kenaikan temperatur permukaan bumi atau disebut pemanasan global. Intensitas penyerapan sinar infra merah oleh masing-masing GRK juga berbeda-beda. Ada gas yang dapat menyerap sinar infra merah dengan sangat intensif sehingga dapat sangat efektif pula menaikkan suhu. Ada pula yang intensitas penyerapannya rendah. Houghton J.T et. al, 1990 (dalam Otto, 1992) memperkirakan potensi pemanasan global dari beberapa gas rumah kaca , sebagai berikut : Waktu Tinggal (Tahun) CO2 Metan 50 20010 Gas Potensi Pemanasan Global 121

N2 O CFC-11 CFC-12

150 65 130

290 3500 7300

Nampak dari tabel tersebut, CFC-12 mempunyai potensi pemanasan global yang tinggi dibandingkan dengan CO2 (7300 X), dan mempunyai waktu tinggal diurutan kedua setelah N2 O, sehingga CFC lebih berbahaya dibandingkan dengan GRK lainnya. Hal tersebut, juga karena makin panjang waktu tinggal suatu gas di atmosfer menunjukkan gas tersebut stabil atau tidak mudah bereaksi dengan zat lain, sehingga makin efektif pula pengaruhnya terhadap kenaikan temperatur. BAGAIMANA RESPOS IKLIM TERHADAP GRK ? Jerry Mahlman, dari NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), pada tahun 1987 memberikan penjabaran dari model matematika tiga dimensi sistem cuaca mengenai bagaimana perkiraan pengaruh pertambahan gas-gas rumah kaca terhadap perubahan iklim (Silver, C S & Ruth S. : 1992), yaitu sebagai berikut ;y

y

y

y

Pendinginan Stratosfer besar-besaran ; Berkurangnya kadar ozon di Stratosfer akan mengurangi daya absorbsinya terhadap radiasi matahari dan dengan demikian mengurangi kenaikan temperatur. Di samping itu naiknya konsentrasi GRK di troposfer akan mengurangi penerimaan radiasi inframerah di stratosfer. Gabungan dari kedua hal tersebut akan menurunkan temperatur stratosfer bagian bawah secara nyata sekitar 100 C sampai 200 C. Kenaikan temperatur permukaan global rata-rata ; Dengan adanya penumpukan GRK di troposfer kenaikan temperatur permukaan global rata-rata jangka panjang , diperkirakan berkisar antara 1,50C sampai 50C. Temperatur global rata-rata sekarang ini sekitar 140C. Suatu kenaikan sebesar 30C saja akan menimbulkan kondisi yang belum pernah dapat diatasi oleh beberapa organisme selama 100.000 tahun terahir. Jika temperatur naik 40C saja , maka bumi akan menjadi lebih panas sejak periode Eocene (40 juta tahun yang lalu). Di pertengahan masa glasial terahir, ketika sebagian Amerika Utara tertutup es, suhu bumi rata-rata hanya sekitar 50C lebih dingin dari sekarang. Jadi yang nampaknya merupakan perubahan temperatur rata-rata yang sangat kecil sebenarnya dapat mengakibatkan efek yang dramatis. Kenaikan presipitasi global rata-rata ; Kenaikan temperatur permukaan bumi akan meningkatkan penguapan air permukaan, lengas tanah turun dan menaikkan evatransportasi tumbuhan , sehingga kebutuhan air akan meningkat. Di pihak lain kenaikan penguapan juga akan menambah terbentuknya banyak awan sehingga curah hujan akan berubah. Ada daerah yang mengalami penurunan curah hujan dan ada pula yang mengalami kenaikan. Hal ini akan mengacaukan sistem pertanian yang ada dan diperlukan biaya sangat besar untuk melakukan penyesuaian. Kenaikan suhu permukaan kutub utara di musim salju : Udara di permukaan wilayah kutub utara diperkirakan akan lebih panas 100C dari suhunya sekarang, sehingga dikhawatirkan ambruknya massa es ke dalam laut yang akan menyebabkan kenaikan permukaan air laut mutlak.

y

y

y

Kenaikan permukaan air laut global rata-rata akan mengakibatkan terendamnya daerah pantai yang rendah. Hal ini akibat mencairnya gletser dan bongkahanbongkahan es di daratan dan kemungkinan akibat pemuaian air laut. Frekuensi dan intensitas badai tropis dan topan mungkin meningkat. Namun hal ini tidak pasti akibat pemanasan global, karena badai tropis ditentukan juga oleh faktorfaktor lain, seperti struktur angin lokal. Beberapa ilmuwan menduga ada hubungan antara pemanasan global dengan fenomena El Nino, karena fenomena El Nino berkaitan dengan peningkatan suhu permukaan lautan di Pasifik ekuator.

REFERENS : Bayong Tjasjono. 1999. Klimatologi Umum. Bandung. Penerbit ITB Gidding. J. Calvin. 1973. Chemistry, Man and Environmental Change. An Integrated approach. USA. Harper & Row Publisher. Manahan, Stanley E. 1995. Environmental Chemistry. Sixth Edition. Columbia. Lewis Publishers. Neiburger, Morris, James G. Edinger & William D. Bonner. 1995. Memahami Lingkungan Atmosfer Kita. Ed.2 (terj : Adino Purbo). Bandung. Penerbit ITB. Otto Soemarwoto. 1992. Indonesia Dalam Kancah Isu Lingkungan Global. Jakarta. PT Gramedia. Silver, Cheryl Simon & Ruth S. De Fries. 1992. Satu Bumi Satu Masa Depan, Perubahan Lingkungan Global Kita. (Terj : Lien Amalia). Bandung. PT. Remaja Rosda Karya. Ward Barbara. 1980. Hanya Satu Bumi.Pemeliharaan dan Perawatan Planet Kecil. (terj : Supomo). Jakarta. PT. Gramedia