Pencemaran Udara:

Struktur Atmosfer (Fisik-Kimia);

Konsep Pencemaran Atmosfer;

Metode Penetapan Baku Mutu

Kuliah Minggu II

Laboratorium Pencemaran Udara dan Perubahan Iklim (LPUPI)

Jurusan Teknik Lingkungan FTSP ITS

Pembahasan

Struktur Kimia-Fisika Atmosfer

Konsep pencemaran udara

Metode Penetapan baku mutu udara

Struktur Atmosfer (Fisik-

Kimia)

General of Atmosfer Atmosphere:

Blanket of air that surrounds the earth

Comprises mainly nitrogen, oxygen, water vapour

and dust particles

Function:

prevents overheating

blocks asteroids

absorbs harmful UV rays

contains the necessary gases for us to survive

We need the layers of atmosphere to survive

Structure of the Atmosphere

Defined by Temperature Profiles

Troposphere

Where Weather Happens

Stratosphere

Ozone Layer

Mesosphere

Thermosphere

Ionosphere

Stratifikasi

Atmosfer

dan

Spesies

yang

dipengaruhi

fotoreaksi

Troposphere

Heating of the Surface creates warm air at surface

Warm air rises, but air expands as it rises and cools as it expands (Adiabatic cooling)

Heating + Adiabatic Cooling = Warm air at surface, cooler air above

Buoyancy = Cool air at surface, warmer air above

Two opposing tendencies = constant turnover

Stratosphere

This layer sits on top

of the troposphere

It’s elevation ranges

from 10 km to around

25 km

This layer contains

the ozone layer,

which protects us

from harmful sunlight

Stratosphere

Altitude 11-50 km

Temperature increases with altitude

-60 0C at base to 0 0C at top

Reason: absorption of solar energy to

make ozone at upper levels (ozone layer)

Ozone (O3) is effective at absorbing solar

ultraviolet radiation

Mesosphere This layer is above

the stratosphere

It’s elevation ranges

from 25 to 100 km

50 – 80 km altitude

Temperature

decreases with

altitude

0 C at base, -95 C at

top

Top is coldest region

of atmosphere

Mesosfer: Temperature decreases with

height. Why?

Lapisan mesosfer ini ditandai dengan penurunan suhu

(temperatur) udara, rata-rata 0,4°C per seratus meter.

Penurunan suhu (temperatur) udara ini menandakan

mesosfer memiliki kesetimbangan termal yang negatif.

Temperatur terendah di mesosfer <-81°C dan di bagian

paling atas mesosfer yang disebut mesopause, yaitu

lapisan batas antara mesosfer dengan lapisan termosfer

temperaturnya diperkirakan mencapai sekitar -100°C

Mengapa bisa terjadi?

Perubahan temperatur pada mesosfer

sebanding dengan jumlah ozone yang

menyerap UV panjang gelombang menengah

(0.1 μm to 0.35 μm).

Pada lapisan mesosfer konsentrasi gas ozon

makin berkurang tajam ketika altitude makin

tinggi, sehingga UV terserap juga makin sedikit

akibatnya suhu makin ke atas akan makin

turun

Thermosphere

This is the highest layer

of the atmosphere

It’s height ranges from

100 to 400 km

This is where most small

meteorites burn up and is

also the location in the

atmosphere that the

northern lights occur

(aurora borealis)

Thermosphere

80 km and above

Temperature increases with altitude as

atoms accelerated by solar radiation

-95 C at base to 100 C at 120 km

Heat content negligible

Traces of atmosphere to 1000 km

Formerly called Ionosphere

The Atmosphere of Earth

The atmosphere of Earth contains primarily N2 (77%) and O2 (21%).

What happened to all the CO2?

Where did all the O2 come from?

Tugas 1

Buat Kajian, mengapa atmosfer bumi tidak

sama komposisinya dengan atmosfer

planet lain terdekat (venus dan mars),

terutama untuk CO2, O2 dan N2 ?

Pergerakan Udara

Pergerakan massa udara : global, benua/ intercontinental, regional atau local.

Menurut kondisi geografinya :Macroscale : ribuan kilometer, dipengaruhi rotasi

bumi

Mesoscale : ratusan kilometer, topografi, lautan, pegunungan, hutan, perkotaan

Microscale : 10 km, gedung-gedung, pohon-pohon, bis-bis, jalan aspal dan beton, gurun pasirdan batuan

SIRKULASI ATMOSFIR

The Coriolis Effect Influences the Movement of Air in Atmospheric Circulation Cells

Sirkulasi Udara Global

SIRKULASI ATMOSFIR

IKLIM DAN SIRKULASI

GLOBAL

The surface currents

24

Tugas 2

Membuat gambar analisis struktur atmosfir

bawah (Troposfir) dihubungkan dengan

pencemaran udara

Stratifikasi

Atmosfer

dan

Spesies

yang

dipengaruhi

fotoreaksi

Profil

temperatur

dan

tekanan

atmosfer

“Lee Chateleur” PrincipleStrata Atmosfer Sifat Fisik dan Kimia

Troposphere Makin tinggi tekanan makin naik,

temperatur menurun. Reaksi makin

cepat ke arah exotermis, dan

pemecahan molekul.

Stratosphere Makin tinggi tekanan makin turun,

temperatur makin naik. Reaksi kimia

makin cepat ke arah endotermis dan

pemecahan molekul.

Mesosphere Makin tinggi tekanan makin rendah

dan suhu makin rendah. Reaksi

molekul menjadi lebih sulit karena

tekanan terlalu rendah, tumbukan

antar molekul makin jarang.

Thermosphere Makin tinggi tekanan makin rendah,

suhu extrem makin tinggi, reaksi

makin sulit terjadi.

Gambaran (Profil) Vertical, Densitas dan

Tekanan Atmosfer

Dipengaruhi oleh gaya gravitasi

FG = Gaya Gravitasimg

r

mGMF E

G 2

The ME massa bumi = 5.98*1024 kgKonstanta gravitasi=6.67x10-11 Nm2kg2

What is atmospheric thermodynamics?

Termodinamika Atmosfer kajian tentang atmosfer ditinjau dari sifat-sifat termodinamika.

Dalam termodinamika atmosfer, dibangun asusmsi: Sistem diasumsikan sebagai parcel udara

Lingkungan kondisi/keadaan disekitar parcel yang mempengaruhi parcel udara

Batas batas yang memisahkan keduanya (asumsi)

Atmosfer terdiri atas campuran gas (homogen/heterogen) dimana pada posisi ruangyang berbeda tekanan dan temperatur berbeda perbedaan iklim/cuaca

Radiasi matahari adalah ultimate source semua energi yang merubah iklim/cuacainterakasi dengan gas-gas atmosfer profil temperatur (dapat dijelaskan dengan hukumtermodinamika). Struktur spasial temperatur yang dihasilkan berhubungan dengan struktur spasial tekanan dan

densitas gas (cocok dengan persamaan keadaan gas )

Variasi spasial temperatur tekanan menimbulkan angin atmosfer

Perubahan fasa air menentukan sistem iklim di atmosfer bawah (mendung, hujan, es, dsb) perubahan fasa ini juga dapat dijelaskan dengan termodinamika

Contoh:

Asumsi parcel

gas/udara

Sebagai satu

sistem

termodinamik

a

Konsep (Asumsi) : Parcel Udara Sistem (campuran sejumlah

kecil gas/udara) yang

terbungkus dan dikelilingi

lingkungan (atmosfer), untuk

dry air parcel massa fixed

Ukuran bisa berubah-ubah

Terinsulasi dari lingkungan

adiabatik tidak ada transfer

panas

Sisi batas parcel fleksibel

Termodinamika Atmosfer menjelaskan konversi energi matahari (input) ke

atmosfer dan thd respon atmosfer (turbulensi, sirkulasi, link sirkulasi

dengan transfer energi (radiasi), panas sensibel dan laten antara permukaan

bumi dengan atmosfer

Konsep dasar termodinamika yang penting dalam

menjelaskan sifat atmosfer

Tinjauan sifat gas ideal (variabel state) PV=nRT

Tekanan P = F/A = nRT/V; F = nRT/h

Volume

Konsep gas dalam kesetimbangan

Hukum ke-nol termodinamika

Temperature

Kerja ekspansi atau kompresi

Hukum pertama termodinamika dan perubahan

turunannya

WHAT ARE THE VARIABLES OF ATMOSPHERIC

THERMODYNAMICS?

Diasumsikan udara di atmosfer merupakan gas ideal keringyang mengembang secara adiabatic.

Formuasi Gas Ideal: PV = nRT (1) P tekanan dari sejumlah volume udara kering,

n jumlah mol parcel udara,

R konstanta gas ideal dan T temperature absolut (K)

Turunan pertama rumur di atas, d(PV) = d(nRT) PdV + VdP = nRdT (2)

Penyataan Hukum I termodinamika perubahan energidalam ΔU pada gas = kerja yang dilakukanpada sistem plus panas Q yang ditambahkan dU = dW + dQ(3)

Dalam kasus adiabatik dQ=0, maka

dU = dW + 0= nCvdT.

Dan kerja akan digunakan untuk merubahvolume, dW = -PdV, sehingga

PdV = -dW = -nCvdT(4)

Substitusi persamaan 4 dan 2 , maka

–nCvdT + VdP = nRdT VdP = n(R + Cv)dT

Karena R = Cp – Cv, maka VdP = nCpdT

dT/dP = V/nCp(5)

Dari formulasi kesetimbangan hidrostatik dangas ideal, diperoleh hubungan tekanan denganaltitude dP/dz = – ρg dan ρ = nMW/V,

dP/dz = – nMWg/V (6)

Kalikan pers 6 dg 7

dT/dz = (V/nCp)( – nMWg/V)

Untuk dry adiabatic lapse rate

diperoleh (Contoh kasus di Troposfer)

– dT/dz = MWa g/Cp.

Maka – dT/dz = (29 10-3kg/mol

* 9.8m/s2)/29 J/K*mol = 9.8*10-3 K/m,

Atau

– dT/dz = 9.8 K/km

dT/dz lapse rate

WHAT IS LAPSE RATE?

Lapse rate lajuperubahan temperaturpada perubahanketinggian di atmosfer Lapse rate negatif

temperatur menurunketika ketinggian naik

Lapse rate positif temperatur naik ketikaketinggian naik

Inversi perubahanprofil/kecenderunganperubahan temperatur

Dry adiabatic Lapse rate Perubahan/penurunan

temperatur kareba ketinggianparcel udara kering (asumsi dryadiabatis), seperti dijelaskanpada persamaan sebelumnya

T=9 oC

T=8 oC

T=7 oC

11

11

2

8.90098.01004

81.9kmKmK

kgKJ

sm

c

g

dz

dTd

p

Catatan penting7oC

8oC

9oCT=9 oC

T=8 oC

T=7 oC

Γd (adiabatis lapse rate) perubahan temperatur parcel saat naik

atau turun secara adiabatik di atmosfer .

Γ (lapse rate lingkungan) perubahan temperatur yang terukur

(sebenarnya) {diukur salah satunya dengan radiosonde); rata-rata

6-7 K km-1 di troposfer, tetapi nilainya bisa sangat bervariasi di

lokasi-lokasi yang berbeda menentukan stabilitas pendispersi

atmosfer

Pencemaran Atmosfer

40

Kualitas Ambien

Model

Kualitas

Udara

Kesehatan

/Lingkungan

Perubahan

Iklim

Emisi

Bentuk Lahan/Terrain

Meteorologi

Kimia Atmosfer

Proses

yang

terjadi

pada

spesies

gas di

atmosfer

Atmosfer merupakan rekator

kimia low temperatur

Troposphere

Stratosphere

Tropopause

-70oC

14 km

O3 layer

UV

visible

Urban Anthropogenic emissions

Surface O3

Regional and global

biogenic emissions

(CH4)

Important Chemistry:

UV absorption by O3

IR absorption by

Greenhouse gases

(H2O, CH4, CO2)

Surface emissions

resulting in O3 and

aerosol formation,

and acid rain

Atmospheric

Chemistry starts with sunlight

O3 O+O2

E = hv

• Breaking chemical bonds

requires energy

• Sunlight has energy

• If sufficient energy is deposited

in the bond, then it will break

• O3 has a bond energy of ~105

kJ mol-1

v = c/

Energy/kJ mol-1

Red 700 170

Orange 620 190

Yellow 580 210

Green 530 230

Blue 470 250

Violet 420 280

Near UV 400-200 300-600

Far UV 200-50 600-2400vi

sible

The Troposphere

10-16 km, -56ūC

Temperatureinvers ion

O2, N2, Ar, CO2, trace gases

NO2 + h NO + O

Photoche mical reactions

Stratosphere, upper atmosphere

Troposphere

We athe r

H2O

Vapor

Droplets

Particle s

Air pollutants

Temperature Inversion

KAJIAN

PENENTUAN BAKU

MUTU UDARA

Hierarki Regulasi Udara di

Indonesia

UUD

1945

• Lingkungan hidup yang baik dan sehat

• Hak asasi dan hak konstitusi setiap warga negara

UU No 32 2009 dan UU no 23

1997

• Baku Mutu Lingkungan

• Air,….udara ambien, emisi,……gangguan, lainnya

• Pengelolaan Lingkungan hidup

PP RI No 41

Tahun 1999

• Pengendalian Pencemaran Udara

• Lampiran Baku Mutu Udara Ambien Nasional

Permen LH

• Kepmen LH No. 15/1996 Program Langit Biru / PROPER

• Permen LH No. 4/2009 tentang ambang batas emisi gas buang bagi kendaraan bermotor

Kewenangan Pemerintaha

Daerah UU No. 32/2004 tentang Pemerintahan Daerah berlaku menggantikan UU

No. 22/1999, wewenang pengendalian lingkungan hidup diserahkansebagai urusan wajib berdasarkan asas desentralisasi kepada pemerintah daerah provinsi (Pasal 13) dan

kabupaten/kota (Pasal 14).

UU No. 32/2004 Pasal (11 (2)) menetapkan bahwa hubungan kewenangan antara pemerintah pusat,

pemerintahan provinsi dan pemerintah kabupaten/kota merupakan satu sistempemerintahan.

Pasal 11 (1) pembagiannya dilakukan berdasarkan kriteria eksternalitas, akuntabilitas, dan efisiensi dengan memerhatikan keserasian hubungan antar susunan pemerintahan

Lampiran PP No. 38/2007 Perincian pembagian urusan pemerintahan antara pemerintah, pemerintah daerah

provinsi dan pemerintah daerah kabupaten/kota

Pembagian Kewenangan

Pengelolaan UdaraNo Pemerintah Pusat Pemda Provinsi Pemda Kabupaten/Kota

1 Pengelolaan kualitas udara

skala nasional dan/atau

lintas batas negara.

2 Penetapan baku mutu udara

ambien nasional, kebisingan

dan getaran lingkungan.

Penetapan baku mutu udara ambien

daerah lebih ketat atau sama dengan

baku mutu udara ambien nasional

Pemantauan kualitas udara ambien,

emisi sumber bergerak dan tidak

bergerak skala kabupaten/kota.

3 Penetapan baku mutu emisi

udara sumber tidak bergerak,

ambang batas emisi gas buang

kendaraan bermotor tipe baru

dan kendaraan bermotor lama.

Penetapan status mutu udara ambien

daerah.

4 Penetapan baku tingkat

kebisingan dan getaran sumber

tidak bergerak dan baku tingkat

kebisingan kendaraan bermotor

tipe baru dan kendaraan

bermotor lama skala nasional.

Penetapan baku mutu emisi udara

sumber tidak bergerak, ambang batas

emisi gas buang kendaraan bermotor

lama dan penetapan baku tingkat

kebisingan dan getaran sumber tidak

bergerak dan baku tingkat kebisingan

kendaraan bermotor lama skala

provinsi.

Pengujian emisi gas buang dan

kebisingan kendaraan bermotor lama

secara berkala.

5 Penetapan Indeks Standar

Pencemar Udara.

Pelaksanaan koordinasi operasional

pengendalian pencemaran udara

skala provinsi.

Pembagian Kewenangan

Pengelolaan UdaraNo Pemerintah Pusat Pemda Provinsi Pemda Kabupaten/Kota

6 Koordinasi dan pelaksanaan

pemantauan kualitas udara

lintas provinsi atau lintas batas

negara atau skala global (asap

kebakaran,

hutan, hujan asam, dan gas

rumah kaca) skala nasional

Koordinasi dan pelaksanaan

pemantauan kualitas udara skala

provinsi.

Koordinasi dan pelaksanaan

pemantauan kualitas udara skala

kabupaten/kota

7 Pengaturan pengelolaan

kualitas udara dan pengendalian

pencemaran udara skala

nasional.

Pembinaan dan pengawasan baku

mutu emisi udara sumber tidak

bergerak, ambang batas emisi gas

buang kendaraan bermotor lama dan

penetapan baku

tingkat kebisingan dan getaran

sumber tidak bergerak dan baku

tingkat kebisingan kendaraan

bermotor lama skala provinsi

8 Pengawasan terhadap penaatan

penanggung jawab usaha

dan/atau

kegiatan yang dapat

menyebabkan terjadinya

pencemaran udara

Pengawasan terhadap penaatan

penanggung jawab usaha dan/atau

kegiatan yang dapat menyebabkan

terjadinya pencemaran udara skala

provinsi.

Pengawasan terhadap penaatan

penanggung jawab usaha dan/atau

kegiatan yang dapat menyebabkan

terjadinya pencemaran udara dari

sumber bergerak dan tidak bergerak

skala kabupaten/kota.

9 Penetapan standar pengelolaan

kualitas udara dalam ruangan.

Pemantauan kualitas udara dalam

ruangan.

Pemantauan kualitas udara dalam

ruangan.

PERATURAN PEMERINTAH REPUBLIK INDONESIA NOMOR 41

TAHUN 1999

TENTANG PENGENDALIAN PENCEMARAN UDARA

Perlindungan mutu udara ambien didasarkan pada baku mutu udaraambien, status mutu udara ambien, baku mutu emisi, ambang batas emisigas buang, baku tingkat gangguan, ambang batas kebisingan dan IndeksStandar Pencemar Udara

Baku mutu udara ambien adalah ukuran batas atau kadar zat, energi, dan/atau komponen yang ada atau yang seharusnya ada dan/atau unsurpencemar yang ditenggang keberadaannya dalam udara ambien;

Mutu emisi adalah emisi yang boleh dibuang oleh suatu kegiatan ke udaraambien;

Baku mutu emisi sumber tidak bergerak adalah batas kadar maksimumdan/atau beban emisi maksimum yang diperbolehkan masuk ataudimasukkan ke dalam udara ambien;

Ambang batas emisi gas buang kendaraan bermotor adalah batasmaksimum zat atau bahan pencemar yang boleh dikeluarkan langsung daripipa gas buang kendaraan bermotor;

Penentuan BM

Seharusnya spesifik menurut daerah, wilayah, zona

Spesifik menurut corak, karakteristik atau kemampuanlingkungan, sistem pengelolaan lingkungan

Mestinya ditinjau ulang setiap periode waktu tertentu: Regulasi BM ditinjau 5 tahun sekali

Referensi selalu ditinjau ulang (EPA, WHO, dll)

Kondisi perkembangan permasalahan, teknologi, humanisme, dsb

Pertimbangan dalam Penentuan

Baku Mutu

BM Udara Ambien utk Kesehatan Manusia

BM Udara Ambien utk Melindungi

Ekosistem

Pertimbangan lain:

Teknologi pemantauan

Teknologi pengendalian

Konsentrasi background

Sumber daya manusia yang

menerapkan/menjalankan

BM Udara Ambien utk Kesehatan

Manusia Tujuan melindungi kesehatan manusia (baik yang sehat

maupun yang sensitif (anak, manula, orang sakit, dsb)

• BM Primer (Sistem Amerika Serikat)

NAB berdasarkan informasi dosis-response (menghubungkan

gangguan penyakit – nilai pajanan pencemar)

Pertimbangan batas marjin keamanan (margin of safety (The National Academies, 2004)

Informasi dampak kesehatan: Studi eksperimental atau toksikologi, atau

Studi onservasi atau epidemiologi

BM Udara Ambien utk Melindungi

Ekosistem Tujuan melindungi lingkungan dan ekosistem

kesejahteraan manusia

• BM skunder (Sistem Amerika Serikat)

NAB ditentukan dengan: Studi Laboratorium

Studi Lapangan

Gabungan Studi Lab dan Lap

BM/NAB didasarkan pada: Kemampuan alam menetralisir pencemaran

critical load atau critical level estimasi paparan maksimumjangka panjang thd ekosistem yang dapat diterima tanpa efekbahaya signifikan (Grennfelt dan Nelson, 1988)

Proses Penentuan Ambang Batas

Konsentrasi Ambien di Indonesia

Dilakukan dengan kajian Pustaka

Referensi Baku Mutu di Negara lain

Evaluasi dari data pemantauan jaringan

pemantauan otomatis (AQMS) di

Indonesia (Jakarta, Bandung, dan

Surabaya)

Data AQMS yang digunakan

penentuan BM di Indonesia

Kota Stasiun Jenis Data Tahun

Jakarta JAF1 (jakTim), JAF4 (Jakbar),

JAF5 (jaksel)

Rata-rata 30

menitan

2001 – 2008

Surabaya SUF1 (taman prestasi), SUF2

(Perak Timur), SUF3

(Sukomanunggal), SUF4

(Gayungan), SUF5 (Gebang

putih)

Rata-rata harian 2001 – 2005

Bandung BAF1 (Dago Pakar), BAF2 (Aria

graha), BAF3 (Tirta lega), BAF

4 (Batununggal), BAF5

(Cisaranten)

Rata-rata Harian 2001 – 2003