1. Efek Rumah Kaca
Diadaptasi dari Daniel J. Jacob, Harvard University
Introduction To Atmospheric Chemistry
Roy Wangintan

2. Pendahuluan




Sumber utama panas bumi adalah Energi Matahari, energi yang
dipancarkan dari Matahari ke Bumi. Radiasi Matahari di ubah
menjadi panas pada permukaan bumi.
Bumi memancarkan kembali radiasi sinar matahari ke luar
angkasa sehingga kesetimbangan radiasi terjadi.
Beberapa radiasi terestrial ini terperangkap oleh gas rumah
kaca dan dipancarkan kembali ke bumi sehingga terjadi
pemanasan permukaan bumi yang dikenal sebagai efek rumah
kaca.
Efek rumah kaca digunakan untuk menunjuk dua hal berbeda
yaitu efek rumah kaca yang terjadi secara alami di bumi, dan
peningkatan efek rumah kaca yang terjadi akibat aktivitas
manusia. (wikipedia indonesia)

3. Penyebab Efek Rumah Kaca


Efek rumah kaca disebabkan oleh naiknya konsentrasi
gas karbon dioksida (CO2) dan gas-gas lainnya di atmosfer.
Selain gas CO2, yang dapat menimbulkan efek rumah kaca
adalah belerang dioksida, nitrogen monoksida (NO) dan
nitrogen dioksida (NO2) serta beberapa senyawa organik
seperti gas metana dan klorofluorokarbon (CFC). Gas-gas
tersebut memegang peranan penting dalam meningkatkan
efek rumah kaca.

4. Antropogenik Gas Rumah Kaca
Gambar 1. Kenaikan konsentrasi gas rumah kaca sejak abad ke-18 (Daniel J. Jacob, 1999)

5. Radiasi

Radiasi adalah energi yang ditransmisikan oleh gelombang
elektromagnetik.
Partikel bermuatan dalam objek osilasi
dengan frekuensi n menginduksi medan
listrik berosilasi dari luar objek pada
kecepatan cahaya c
Medan listrik berosilasi bersama dengan
medan magnet merupakan gelombang
elektromagnetik dengan panjang
gelombang λ = c / n dipancarkan oleh
obyek.
Gambar 2 Gelombang elektromagnetik yang disebabkan oleh muatan
berosilasi dalam suatu objek
(Daniel J. Jacob, 1999)
Gelombang elektromagnetik membawa
energi dan menginduksi osilasi partikel
bermuatan. Gelombang elektromagnetik
ekuivalen sebagai foton, mewakili paket
energi terkuantisasi dengan massa nol
pada kecepatan cahaya.

6. Emisi Spektrum Objek




Dengan menggunakan spektrometer kita bisa mengukur
fluks radiasi ∆ø (W m-2) yang dipancarkan suatu satuan
luas permukaan objek dalam panjang gelombang [λ, λ+ ∆λ].
Fluks radiasi merupakan energi foton mengalir tegak lurus
ke permukaan.
Dengan menutup seluruh spektrum panjang gelombang,
akan diperoleh emisi spektrum objek.
∆ø tergantung pada lebar ∆λ. Lebar ini didefinisikan
sebagai resolusi spektrometer, plot radiasi spektrum
dinyatakan sebagai ∆ø/∆λ vs λ.

7. Emisi Spektrum Objek
Gambar 3 Emisi spektrum suatu objek. Garis padat adalah fluks yang diukur dengan spektrometer
resolusi panjang gelombang yang terbatas, dan garis putus-putus adalah fungsi distribusi fluks.
(Daniel J. Jacob, 1999)

8. Emisi Spektrum Objek




∆λ  0 (Kondisi Ideal untuk menangkap spketrum
emisi  Spektrofotometer resolusi tinggi jarak jauh)
Kondisi Ideal didefinisikan sebagai Fungsi Distribusi
Flux.
Fungsi derivatif
ditunjukan sebagai total flux radiasi
dalam rentang panjang gelombang [0, λ,]
Total flux radiasi
di pancarkan dengan unit permukaan
sebagai objek di integrasikan pada semua panjang
gelombang.

9. Emisi Spektrum Objek



Karena sifat terkuantisasi radiasi, sebuah objek dapat
memancarkan radiasi pada panjang gelombang tertentu
jika menyerap radiasi pada gelombang yang sama.
Blackbody dinyatakan ideal apabila objek menyerap radiasi
dari semua panjang gelombang dengan efisiensi 100%.
Fisikawan Jerman Max Planck menunjukan dalam 1900
fungsi distribusi flux (
) blackbody tergantung pada
panjang gelombang dan pada suhu (T) blackbody.

10. Emisi Spektrum Objek
Distribusi Flux (


)
h = 6,63x10-34 J s-1 adalah Konstanta Plank
k = 1,38x10-23 J K-1 adalah Konstanta Boltzmann

11. Emisi Spektrum Objek

1.
2.
3.
Tiga sifat penting dalam Distribusi Flux (
)
Blackbody memancarkan radiasi di semua panjang gelombang
Puncak Emisi Blackbody pada panjang gelombang λmax
berbanding
terbalik
dengan
temperatur.
Dengan
memecahkan
diperoleh λmax = α/T dimana
α = hc/5k = 2897 µm K (Hukum Wien’s). partikel dalam objek
hangat berosilasi pada frekuensi yang lebih tinggi.
Total Flux radiasi yang dipancarkan blackbody diperoleh
dengan mengintegrasikan (
) dengan semua panjang
gelombang adalah
σ = 2∏5k4/15c2h3 = 5,67x10-8 W m-2 K-4
(Konstanta Stefan-Boltzmann)

12. Emisi Spektrum Objek

Definisi Alternatif fungsi distribusi flux berhubungan
dengan frekuensi v = c/λ

adalah radiasi flux dalam frekuensi [v, v + ∆v]
Fungsi distribusi fluks relatif terhadap bilangan gelombang



Fungsi
Fungsi
dan
dan
berhubungan dengan = c
berhubungan dengan :

13. Emisi Spektrum Objek

Untuk Blackbody :
Gambar 4 Fungsi distribusi untuk Blackbody (Daniel J. Jacob, 1999)

Solusi
,yield emisi maximum pada frekuensi
vmax = 3kT/h, sesuai dengan λmax = hc/3kT. Fungsi
puncak pada panjang gelombang 5/3 lebih besar dari fungsi

14. Emisi Spektrum Objek
Flux radiasi (garis tebal) yang dipacarkan oleh
Benda transparant (Ɛλ = 0) untuk panjang
Gelombang lebih pendek dari λ1 atau lebih
dari λ3 , tidak tembus cahaya (Ɛλ = 1) untuk
Panjang gelombang antara λ1 dan λ2 dan
50 % .absorpsi (Ɛλ = 0,5) untuk panjang
Gelombang antara λ2 dan λ3 .
Garis putus-putus adalah menunjukan
suhu objek.
Gambar 5 Spektrum Emisi Absorpsi( Daniel J. Jacob, 1999)
Pembentukan Planck Blackbody untuk emisi
radiasi secara umum menggunakan hukum
Kirchhoff untuk semua objek

15. Suhu Efektif Bumi
Spektrum emisi matahari dan terestrial


Fluks radiasi matahari di
permukaan laut lebih lemah
dibandingkan di bagian atas
atmosfer, sebagian karena
adanya refleksi oleh awan.

Gambar 6 Spektrum radiasi matahari dari satelit diluar atmosfer
bumi (garis tebal) dan permukaan laut ( Daniel J. Jacob, 1999)
Matahari adalah blckbody
yang baik dan dari spektrum
emisi suhu di permukaan
Matahari 5800 K.
Terjadi pula absorpsi utama
O2 dan O3 di ultraviolet dan
H2O di Inframerah

16. Suhu Efektif Bumi
Spektrum emisi matahari dan terestrial


Plot menunjukkan radian
fungsi panjang gelombang

Radian
adalah
energi
radiasi yang diukur oleh
satelit dan dinormalkan

Gambar 7 Spektrum radiasi terestrial , Kombinasi spektrum
blackbody untuk berbagai kondisi
(Hanel, R.A., et al., J. Geophys. Res., 77, 2629-2641, 1972.)
Kurva blackbody untuk
perbandingan suhu yang
berbeda
Radian dan v = 1/ λ
berhubungan
dengan
faktor geometrik.

17. Keseimbangan Radiasi Bumi

Untuk mempertahankan iklim yang stabil, Energi bumi
harus dalam keadaan seimbang antara radiasi yang
diterimanya dari matahari dan radiasi yang dipancarkannya
ke ruang.
Gambar 8 Keseimbangan radiasi bumi ( Daniel J. Jacob, 1999)

18. Keseimbangan Radiasi Bumi




Dari keseimbangan dapat dikalkulasikan Temperatur
Efektif (TE) bumi.
Total radiasi (ES) yang dipancarkan matahari pada
Temperatur (TS) = 5800 K per unit waktu diberikan oleh
radiasi flux σTS4 dikalikan area matahari.
RS = 7x105 km adalah radius matahari
d = 1.5 x 108 km adalah jarak bumi dari matahari

19. Keseimbangan Radiasi Bumi

Flux radiasi matahari (FS) didistribusikan secara merata
pada bola matahari.

FS = 1370 W m-2,  FS disebut konstanta matahari untuk
bumi.
Flux radiasi matahari (FS) diinterpretasikan dengan luas
penampang bumi (∏RE2) digambarkan area bayangan
bumi.


20. Keseimbangan Radiasi Bumi

Rata-rata fluks radiasi matahari yang diserap per satuan
luas dari permukaan bumi :

Fraksi A dari radiasi diinterpretasikan kembali ke angkasa
oleh awan, salju, es. A disebut planetary albedo. A = 0,28
untuk bumi.
Penyerapan energi oleh Bumi harus diimbangi dengan
emisi radiasi terestrial keluar ke ruang angkasa.
Bumi bukanlah blackbody pada panjang gelombang dengan
efisiensi absorpsi radiasi matahari oleh bumi yang hanya
Ɛ =1–A = 0,72



21. Keseimbangan Radiasi Bumi

Dengan memperkirakan flux emisi dari bumi sebagai
Temperatur blackbody TE. Didapatkan persamaan
keseimbangan energi bumi.

Untuk suhu Bumi

TE = 255 K (Temperatur permukaan bumi)
Suhu efektif (Bumi dan Atmosfer)


22. Radiasi Absorpsi Atmosfer
Spectroscopy Molekul Gas








Sebuah molekul gas menyerap radiasi dari panjang gelombang
yang diberikan, energi dapat digunakan untuk meningkatkan
level energi internal molekul.
Tingkat energi internal dalam elektronik, getaran, dan rotasi.
Peningkatan energi internal dicapai dengan transisi ke keadaan
yang lebih tinggi.
Radiasi UV < 0,4 µm
Transisi vibrasi membutuhkan Radiasi IR 0,7 – 20 µm
Transisi rotasi membutuhkan Radiasi IR > 20 µm
Absorpsi kecil berada dalam kisaran radiasi 0,4 – 0,7 µm
Gas yang menyerap dalam rentang panjang gelombang 5-50
mm, sebagian besar radiasi terestrial dipancarkan (Gambar 9),
disebut gas rumah kaca.

23. Radiasi Absorpsi Atmosfer
Spectroscopy Molekul Gas






Secara umum, molekul asimetri dengan peregangan atau pelenturkan (CO2,
H2O, N2O, O3, hidrokarbon ...) merupakan gas rumah kaca.
Molekul yang tidak asimetri (N2, O2, H2) bukan gas rumah kaca.
Gas atom seperti gas mulia tidak memiliki moment dipol dan karenanya
tidak ada sifat rumah kaca.
konstituen utama dari atmosfer (N2, O2, Ar) bukan penyebab gas rumah
kaca. Sebagian besar konstituen lain penyebab gas rumah kaca, ditemukan
dalam jumlah lain di atmosfer.
Gas rumah kaca ditimbulkan karena konsentrasi spesies yang cukup tinggi
untuk menyerap fraksi secara signifikan dari radiasi yang dipancarkan oleh
Bumi,(H2O, CO2, CH4 , N2O, O3, dan chlorofluorocarbons (CFC)).
Sejauh ini gas rumah kaca yang paling penting adalah uap air karena uap air
tersedia dalam jumlah banyak dan kemampuannya untuk mengabsorp yang
tinggi.

24. Radiasi Absorpsi Atmosfer
Spectroscopy Molekul Gas




Gambar 9 Vibrasi Normal untuk CO2 dan N2 ( Daniel J. Jacob, 1999)
Dalam Mekanika kuantum menjelaskan
bahwa transisi getaran terjadi jika
terdapat perubahan getaran moment
dipole (p) molekul.
Perbedaan derajat getaran molekul, dan
gelombang elektromagnetik terhadap
peregangan listrik memliki efek yang
berbeda pada ujung molekul p ≠ 0.
Molekul CO2 tidak memiliki moment
dipole karena distribusi muatannya yang
simetris. (transisi ke tingkat energi yang
lebih tinggi dari modus tidak mengubah
moment dipole molekul). Sedangkan untuk
muatan asimetris terdapat perubahan
moment dipole.
Molekul N2 memiliki distribusi muatan
seragam dengan mode getaran stretch
asimetris. Namun transisi dalam mode ini
dilarang, akibatnya molekul N2 tidak
menyerap IR.

25. Radiasi Absorpsi Atmosfer
Spectroscopy Molekul Gas
Efisien absorpsi 100 %
dalam UV terjadi karena transisi
Elektromagnetik O2 dan O3
di stratosfer
Gambar 10. Efisiensi penyerapan radiasi oleh atmosfer sebagai fungsi panjang
gelombang ( Daniel J. Jacob, 1999)

26. Model Rumah Kaca Sederhana
Lapisan transparan adalah
Radiasi matahari, menyerap sebagian
kecil fraksi (f) radiasi terestrial
Karena keberadaan gas rumah kaca.
T adalah Suhu permukaan Bumi
dan suhu lapisan atmosfer.
Gambar 11. Model rumah kaca sederhana. Fluks radiasi per unit area
permukaan bumi( Daniel J. Jacob, 1999)

27. Model Rumah Kaca Sederhana

Menghitung jumlah absorpsi dan radiasi emisi lapisan
atmosfer.
T0 = 288 K
f = 0,77
Asumsi absorpsi lapisan atmosfer
Terhadap radiasi terestrial 77 %
Subtitisi T0 = 288 K  T1 = 241 K
Ketinggian atmosfer = 7 km

28. Interpretasi Spektrum Radiasi Terestrial
Gambar 12. Fluks radiasi yang dipancarkan ke ruang angkasa pada tiga panjang gelombang yang berbeda. Panel
kiri adalah profil temperatur, daerah buram abu-abu adalah atmosfer ( Daniel J. Jacob, 1999)

29. Interpretasi Spektrum Radiasi Terestrial



Absorpsi CO2 kuat pada kolom λ = 15 mm, radiasi
dipancarkan oleh permukaan bumi diserap oleh CO2 di
atmosfer, dan radiasi dipancarkan kembali oleh CO2 yang
diserap kembali oleh CO2 di kolom atmosfer. Kaadaan
buram untuk radiasi dalam rentang panjang gelombang ini.
Fluks radiasi diukur dari ruang angkasa sesuai dengan
emisi dari ketinggian di mana Konsentrasi CO2 relatif tipis,
kira-kira berada di atas troposfer atau stratosfer bawah.
λ = 15 mm warna hitam dengan suhu pada Gambar 7
adalah sekitar 215 K, dikenal sebagai suhu tropopause.

30. Interpretasi Spektrum Radiasi Terestrial

Pada λ = 20 mm, terjadi penyerapan H2O tapi tidak terjadi
penyerapan CO2. Opacity atmosfer pada panjang
gelombang ini tergantung pada konsentrasi H2O. Fluks
radiasi sesuai dengan keadaan suhu atmosfer pada
ketinggian sekitar 5 kilometer, pada jarak tersebut jumlah
H2O terlalu rendah untuk penyerapan yang efisien. Suhu
pada ketinggian ini adalah sekitar 260 K (Gambar 12).
Emisi yang sama suhu ditemukan pada 7-8 mm di mana
H2O adalah absorber utama.

31. Interpretasi Spektrum Radiasi Terestrial


Terestrial spektrum emisi diukur dari ruang dapat
digunakan untuk mengambil informasi tentang suhu
permukaan bumi serta termal struktur dan komposisi
atmosfer.
Informasi mengenai distribusi vertikal gas dapat diperoleh
dari lebar garis penyerapan, yang meningkat secara linear
dengan kerapatan udara di troposfer dan stratosfer
bawah.

32. Interpretasi Spektrum Radiasi Terestrial




Semua gas rumah kaca efesiensinya tidak sama. Gas rumah kaca
menyerap pada λ = 11 mm.
Absoprsi gas ke dalam atmosfer akan mengurangi radiasi yang
dipancarkan ke ruang angkasa pada λ = 11 mm (Radiasi ini akan
dipancarkan oleh suasana dingin bukan oleh permukaan yang
hangat).
Untuk mempertahankan emisi terestrial yang konstan dan
terintegrasi pada semua panjang gelombang, maka diperlukan
dengan meningkatkan fluks emisi di daerah lain, spektrum
tersebut dapat menghangatkan Bumi.
Kontras dengan situasi ini penyerapan CO2 gas rumah kaca
terjadi pada λ = 15 mm, (Gambar 7). Sedangkan pada panjang
gelombang dengan kolom atmosfer yang buram (Gambar 12),
dan menyuntikkan tambahan absorber atmosfer tidak memiliki
efek rumah kaca yang signifikan.

33. RADIATIVE FORCING


Radiative forcing disebabkan oleh
perubahan massa
atmosfer (∆m) gas rumah kaca (X) yang didefinisikan
sebagai
fluks
yang
dihasilkan
karena
ketidakseimbangan jumlah radiasi sistem Bumi.
Model radiasi diestimasi dengan nilai dari semua
variabel yang mempengaruhi jumlah radiasi termasuk gas
rumah kaca, awan, dan aerosol.

34. RADIATIVE FORCING
Gambar 13. Kalkulasi radiative forcing ∆F karena penambahan ∆m gas rumah kaca. Lapisan atas atmosfer
biasanya disebut sebagai tropopause ( Daniel J. Jacob, 1999)

35. RADIATIVE FORCING
Gambar 14. Radiasi global rata-rata karena perubahan rumah kaca gas, aerosol, dan aktivitas matahari dari
tahun 1850 hingga hari ini. ( Daniel J. Jacob, 1999 ; Climate Change 1994, Intergovernmental Panel on Climate
Change, Cambridge University Press, New York ,1995)

36. RADIATIVE FORCING



Kebijakan lingkungan internasional yang ditujukan untuk
emisi gas rumah kaca terus berkembang. Salah satu yang
berhubungan secara kuantitatif dari emisi antropogenik
dari gas khusus adalah radiative forcing.
Indeks yang digunakan adalah global warming potential
(GWP).
GWP gas X didefinisikan sebagai radiative forcing akibat
1-kg suntikan X ke atmosfer relatif terhadap radiative
forcing suntikan 1-kg CO2.

37. RADIATIVE FORCING

Tabel 1. Potensi pemanasan global injeksi sesaat dari 1 kg trace gas, relatif terhadap
karbon dioksida
Sumber : Daniel J. Jacob, 1999

38. RADIATIVE FORCING
Radiative forcing dan temperatur permukaan






Radiative Forcing ;
Suhu permukaan meningkat sebesar ∆T0 dari keadaan
awal.
Untuk gangguan yang cukup kecil ;
Subtitusi ;
Subtitusi ∆T0 dan ∆F ;
λ adalah parameter sensitivitas iklim ;

39. Uap Air dan Umpan Balik Awan
Uap Air




Sumber alam uap air banyak terdapat di lautan
Uap air dapat memberikan umpan balik positif kuat pemanasan
global yang disebabkan oleh gangguan dari gas rumah kaca.
Situasi di mana peningkatan CO2 menyebabkan peningkatan
kecil dalam suhu permukaan.
Peningkatan ini akan meningkatkan penguapan air di lautan.
Efek rumah kaca dari uap air yang ditambahkan akan
memperburuk pemanasan global.
Amplifikasi CO2 bisa menyebabkan efek rumah kaca, di mana
lautan benar-benar menguap ke atmosfer dan permukaan suhu
mencapai nilai yang sangat tinggi. Seperti yang terjadi di planet
Venus, dimana suhu permukaan Venus melebihi 700 K. Tapi Ini
tidak bisa terjadi di Bumi karena uap air terakumulasi dalam
pembentukan awan dan curah hujan, akan kembali air ke
permukaan.

40. Uap Air dan Umpan Balik Awan
Uap Air
Gambar 15. Evolusi suhu di atmosfer awal Venus dan Bumi (garis putus-putus), ditumpangkan pada diagram fasa
air ( Daniel J. Jacob, 1999)

41. Uap Air dan Umpan Balik Awan
Awan




Umpan balik perubahan tutupan awan mewakili
ketidakpastian terbesar dalam perkiraan perubahan iklim
saat ini. Awan-awan dapat memberikan umpan balik
negatif yang cukup besar terhadap pemanasan global.
Dari gambar 13, Radiative forcing ∆F terjadi karena
peningkatan ∆A dalam albedo bumi.
Sejak zaman pra industri menyebabkan radiative forcing
bernilai negatif ∆F = -2,5 W m-2 dan secara bersamaan
mencegah kenaikan forcing gas rumah kaca.
Awan tidak hanya meningkatkan albedo Bumi, tapi juga
sebagai peredam efisien radiasi IR.

42. Kedalaman Optik
Gambar 16. Transmisi radiasi melalui slab elemental( Daniel J. Jacob, 1999)

Penyerapan atau hamburan radiasi oleh media optik aktif
atmosfer diukur dengan medium kedalaman optik.

43. Kedalaman Optik
= Cross section
Gambar 17. Pengaruh sudut datang pada transmisi radiasi melalui lempengan
( Daniel J. Jacob, 1999)

44. Terima Kasih