ATMOSPHERIC DISPERSION ATMOSPHERIC DISPERSION

Dispersi/Persebaran AtmosfirDispersi/Persebaran Atmosfir

Suara Merdeka, 16 April 2009

Keharusan untuk mengurangi emisi atmosfir Keharusan untuk mengurangi emisi atmosfir menjadi minimum atau paling tidak di menjadi minimum atau paling tidak di bawah Nilai ambang batas yang ditentukan. bawah Nilai ambang batas yang ditentukan.

Bagaimanapun juga, terdapat beberapa Bagaimanapun juga, terdapat beberapa residu emisi yang tidak dapat dihilangkan residu emisi yang tidak dapat dihilangkan dan ini harus secara aman didispersikan ke dan ini harus secara aman didispersikan ke lingkungan. lingkungan.

Faktor-faktor yang mempengaruhi dispersi Faktor-faktor yang mempengaruhi dispersi gas-gas ke atmosfir adalah :gas-gas ke atmosfir adalah : SuhuSuhu Kecepatan anginKecepatan angin TurbulensiTurbulensi

SUHUSUHU

Suhu merupakan faktor kritis. Suhu merupakan faktor kritis. Pada umumnya suhu atmosfir berkurang terhadap Pada umumnya suhu atmosfir berkurang terhadap

ketinggian dan perubahan nyata suhu terhadap ketinggian dan perubahan nyata suhu terhadap ketinggian dikenal sebagai ketinggian dikenal sebagai environmental lapse environmental lapse rate (ELR)rate (ELR). .

Udara yang berasal dari permukaan bumi, jika naik, Udara yang berasal dari permukaan bumi, jika naik, akan dingin karena ekspansi perubahan tekanan. akan dingin karena ekspansi perubahan tekanan.

Laju pendinginan dikenal sebagai Laju pendinginan dikenal sebagai dry adiabatic dry adiabatic lapse rate (DALR) lapse rate (DALR) dan kira-kira 9,8dan kira-kira 9,800C per C per kilometer, sampai terjadinya pengembunan. kilometer, sampai terjadinya pengembunan.

The environmental lapse rate (ELR) The environmental lapse rate (ELR) akan akan menentukan apa yang terjadi dengan kantung menentukan apa yang terjadi dengan kantung udara jika dilakukan pemaksaan untuk naikudara jika dilakukan pemaksaan untuk naik

Gambar 1. Stabilitas Temperatur dan Atmosfir

Gambar 1.a. menunjukkan situasi di Gambar 1.a. menunjukkan situasi di mana ELR mempunyai perubahan mana ELR mempunyai perubahan temperatur yang besar terhadap temperatur yang besar terhadap ketinggian dari pada DALR. ketinggian dari pada DALR.

Hal ini berarti sejumlah kecil volume Hal ini berarti sejumlah kecil volume udara dipindahkan ke atas dan menjadi udara dipindahkan ke atas dan menjadi kurang berat daripada sekelilingnya kurang berat daripada sekelilingnya dan akan berlanjut dengan gerakannya dan akan berlanjut dengan gerakannya ke atas. ke atas.

Hal ini merupakan kondisi yang Hal ini merupakan kondisi yang dikehendaki untuk dispersi atmosfir dan dikehendaki untuk dispersi atmosfir dan dikenal dengan dikenal dengan Unstable ConditionsUnstable Conditions

Gambar 1.b. menunjukkan situasi di mana Gambar 1.b. menunjukkan situasi di mana ELR dan DALR secara kasar sama, dikenal ELR dan DALR secara kasar sama, dikenal dengan dengan Neutral ConditionsNeutral Conditions. .

Dalam hal ini, tidak ada kecenderungan Dalam hal ini, tidak ada kecenderungan untuk perpindahan volume untuk untuk perpindahan volume untuk memperoleh atau kehilangan gaya ke atas. memperoleh atau kehilangan gaya ke atas.

Situasi ketiga ditunjukkan Gambar 1.c. di Situasi ketiga ditunjukkan Gambar 1.c. di mana ELR pada kondisi suhu meningkat mana ELR pada kondisi suhu meningkat terhadap ketinggian, dikenal sebagai terhadap ketinggian, dikenal sebagai InversionInversion. .

Hal ini dikenal dengan Hal ini dikenal dengan Stable ConditionsStable Conditions dan memberikan tahan yang kuat terhadap dan memberikan tahan yang kuat terhadap gerakan ke atas dari suatu perpindahan gerakan ke atas dari suatu perpindahan volume udara. volume udara.

Stable Conditions merupakan problem utama Stable Conditions merupakan problem utama dalam titik pandang dispersi gas. dalam titik pandang dispersi gas.

Gambar 2. Tipikal Variasi Stabilitas Atmosfir Harian

Pada lapisan lebih bawah atmosfir. ELR berubah Pada lapisan lebih bawah atmosfir. ELR berubah terhadap waktu tiap hari. Gambar 2. menunjukkan jenis terhadap waktu tiap hari. Gambar 2. menunjukkan jenis variasi harian stabilitas atmosfir. variasi harian stabilitas atmosfir.

Dimulai sebelum terbit matahari, suhu minimum adalah Dimulai sebelum terbit matahari, suhu minimum adalah pada permukaan bumi. Hal ini disebabkan oleh pada permukaan bumi. Hal ini disebabkan oleh hilangnya panas radiasi gelombang panjang. Ini akan hilangnya panas radiasi gelombang panjang. Ini akan menyebabkan suatu inversi (meningkatnya suhu menyebabkan suatu inversi (meningkatnya suhu terhadap ketinggian) sampai mungkin 100 meter. terhadap ketinggian) sampai mungkin 100 meter. Segera setelah matahari terbit, pemanasan pada lapisan Segera setelah matahari terbit, pemanasan pada lapisan atas terjadi, tetapi inversi masih tersisa pada lapisan atas terjadi, tetapi inversi masih tersisa pada lapisan yang lebih tinggi. yang lebih tinggi.

Sekitar tengah hari, pemanasan telah meluas dari Sekitar tengah hari, pemanasan telah meluas dari permukaan bumi, sehingga sekarang dalam kondisi permukaan bumi, sehingga sekarang dalam kondisi tidak stabil (unstable conditions) yaitu berkurangnya tidak stabil (unstable conditions) yaitu berkurangnya suhu terhadap ketinggian melalui lapisan atmosfir lebih suhu terhadap ketinggian melalui lapisan atmosfir lebih rendah. rendah.

Mendekati matahari terbenam, terdapat radiasi dari Mendekati matahari terbenam, terdapat radiasi dari permukaan bumi, dan inversi mulai meluas ke permukaan bumi, dan inversi mulai meluas ke permukaanpermukaan

Gambar Sebaran polutan udara pada berbagai stabilitas atmosfir.

KECEPATAN ANGINKECEPATAN ANGIN Tidak hanya perubahan arah angin akan Tidak hanya perubahan arah angin akan

tetapi juga kecepatan angin meningkat tetapi juga kecepatan angin meningkat terhadap ketinggian di atas permukaan terhadap ketinggian di atas permukaan bumi ketinggian maksimum di mana bumi ketinggian maksimum di mana kecepatannya sama dengan udara bebas kecepatannya sama dengan udara bebas (free air) atau kecepatan angin geostrophik. (free air) atau kecepatan angin geostrophik.

Laju perubahan kecepatan angin terhadap Laju perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian disebabkan oleh topografi. ketinggian disebabkan oleh topografi.

Bangunan-bangunan di area pedesaan, Bangunan-bangunan di area pedesaan, misalnya memperlambat udara sampai ke misalnya memperlambat udara sampai ke tanah, hal ini berarti bahwa kecepatan tanah, hal ini berarti bahwa kecepatan maksimum terjadi pada ketinggian yang maksimum terjadi pada ketinggian yang lebih tinggi dari pada ketinggian lebih tinggi dari pada ketinggian permukaan daerah kita.permukaan daerah kita.

TURBULENSITURBULENSI Turbulansi mekanik disebabkan oleh kekasaran dari Turbulansi mekanik disebabkan oleh kekasaran dari

permukaan bumi. permukaan bumi. Jauh dari permukaan, turbulensi konvektif Jauh dari permukaan, turbulensi konvektif

(pemanasan udara yang naik dan pendinginan udara (pemanasan udara yang naik dan pendinginan udara yang turun) menjadi sangat penting. yang turun) menjadi sangat penting.

Banyaknya turbulensi dan ketinggian yang beroperasi Banyaknya turbulensi dan ketinggian yang beroperasi tergantung pada kekasaran permukaan, kecepatan tergantung pada kekasaran permukaan, kecepatan angin dan stabilitas atmosfir.angin dan stabilitas atmosfir.

Masalah utama bagi perancang adalah untuk Masalah utama bagi perancang adalah untuk menentukan tinggi cerobong yang cocok. menentukan tinggi cerobong yang cocok.

Pada Gambar 3 menunjukkan ketinggian cerobong Pada Gambar 3 menunjukkan ketinggian cerobong efektif merupakan kombinasi dari tinggi cerobong efektif merupakan kombinasi dari tinggi cerobong nyata dan tinggi kepulan (plume rise). nyata dan tinggi kepulan (plume rise).

Tinggi kepulan merupakan fungsi kecepatan Tinggi kepulan merupakan fungsi kecepatan pembuangan, suhu emisi, dan stabilitas atmosfir.pembuangan, suhu emisi, dan stabilitas atmosfir.

Gambar 3. Ketinggian Cerobong

Emisi dari cerobong harus mematuhi Emisi dari cerobong harus mematuhi peraturan lingkungan : peraturan lingkungan : konsentrasikonsentrasi dan dan laju alir polutanlaju alir polutan. .

Bagaimanapun juga, cerobong harus cukup Bagaimanapun juga, cerobong harus cukup tinggi sehingga polutan yang mencapai tinggi sehingga polutan yang mencapai tanah harus lebih rendah dibandingkan tanah harus lebih rendah dibandingkan dengan tingkat konsentrasi permukaan tanah dengan tingkat konsentrasi permukaan tanah yang tertentu dengan otoritas peraturan. yang tertentu dengan otoritas peraturan.

Tingkat konsentrasi polutan di permukaan Tingkat konsentrasi polutan di permukaan tanah tergantung pada banyak faktor, yang tanah tergantung pada banyak faktor, yang paling penting adalah :paling penting adalah : Tinggi cerobong emisiTinggi cerobong emisi Kecepatan dan suhu emisi cerobongKecepatan dan suhu emisi cerobong Stabilitas atmosfirStabilitas atmosfir Keadaan alam topografi sekitarnyaKeadaan alam topografi sekitarnya

Iklim :Iklim : biasanya minimal 10 tahun (idealnya biasanya minimal 10 tahun (idealnya

berjangka waktu 30 tahun), berjangka waktu 30 tahun), Harian : diukur 3 kali (06.00, 12.00, dan Harian : diukur 3 kali (06.00, 12.00, dan

18.00)18.00) Parameter-parameter yang ada (Data BMG) : Parameter-parameter yang ada (Data BMG) :

kelembaban, kelembaban, tekanan udara, tekanan udara, suhu udara (tertinggi dan terendah), suhu udara (tertinggi dan terendah), jumlah hari hujan, jumlah hari hujan, curah hujan, curah hujan, evaporasi, evaporasi, radiasi surya, radiasi surya, arah angin, arah angin, kecepatan anginkecepatan angin

Tabel Kriteria Iklim

NoNo Klasifikasi Klasifikasi IklimIklim KriteriaKriteria

11 ThornthwaitThornthwaitee

Evapotranspirasi potensial Evapotranspirasi potensial dan moisture budgetdan moisture budget

22 KoppenKoppen Suhu dan curah hujan rerata Suhu dan curah hujan rerata bulanan atau tahunan bulanan atau tahunan dikaitkan dengan dikaitkan dengan pertumbuhan vegetasi.pertumbuhan vegetasi.

33 Schmidt-Schmidt-FergusonFerguson

Curah hujan bulanan.Curah hujan bulanan.

44 OldemanOldeman Curah hujan dan kebutuhan Curah hujan dan kebutuhan air tanaman.air tanaman.

TG

U

TLBL

B

BD

T

S

00Gambar Penentuan Arah Mata Angin Untuk Dari Data Mateorologi

Tabel Frekuensi sebaran angin suatu daerah pada waktu tertentu.

NoNo Arah anginArah anginKecepatan (m/detik)Kecepatan (m/detik)

00 0 - 50 - 5 5 - 105 - 10 10 - 1510 - 15 > 15> 15

11 UtaraUtara

.... (....... (...%)%)

.... (...%).... (...%) .... (....... (...%)%)

.... (...%).... (...%) .... (...%).... (...%)

22 Timur LautTimur Laut .... (...%).... (...%) .... (....... (...%)%)

.... (...%).... (...%) .... (...%).... (...%)

33 TimurTimur .... (...%).... (...%) .... (....... (...%)%)

.... (...%).... (...%) .... (...%).... (...%)

44 TenggaraTenggara .... (...%).... (...%) .... (....... (...%)%)

.... (...%).... (...%) .... (...%).... (...%)

55 SelatanSelatan .... (...%).... (...%) .... (....... (...%)%)

.... (...%).... (...%) .... (...%).... (...%)

66 Barat DayaBarat Daya .... (...%).... (...%) .... (....... (...%)%)

.... (...%).... (...%) .... (...%).... (...%)

77 BaratBarat .... (...%).... (...%) .... (....... (...%)%)

.... (...%).... (...%) .... (...%).... (...%)

88 Barat LautBarat Laut .... (...%).... (...%) .... (....... (...%)%)

.... (...%).... (...%) .... (...%).... (...%)

30%

20%

10%

30%

20%

10%

0-5 m/det

5-10 m/det

10 m/dett

Malam, Oktober 2003 Siang, Oktober 2003

Gambar Pola angin di daerah studi.

Model Pendugaan Emisi Dan Model Pendugaan Emisi Dan Penyebaran Polutan Di AtmosfirPenyebaran Polutan Di Atmosfir

Box ModelBox Model Rollback ModelRollback Model Gaussian ModelGaussian Model

Box ModelBox Model

Emission rateHeight, h

Length of box, w

Wind speed, U

Static layer of air

Gambar Udara yang Terencerkan dari Box Model yang Sederhana

Asumsi :Asumsi : Model paling sederhana, keadaan selalu tetap : Model paling sederhana, keadaan selalu tetap :

emisi, kecepatan angin dan karakteristik udaraemisi, kecepatan angin dan karakteristik udara Pelepasan polutan tercampur sempurnaPelepasan polutan tercampur sempurna Polutan udara secara kimia stabilPolutan udara secara kimia stabil Laju emisi polutannya konstan, P (massa/waktu)Laju emisi polutannya konstan, P (massa/waktu) Memasuki suatu volume udara ambien yang Memasuki suatu volume udara ambien yang

bergerak pada satu arah yang tetap, Ubergerak pada satu arah yang tetap, U Udara yang bergerak dibatasi dari atas oleh Udara yang bergerak dibatasi dari atas oleh

lapisan udara yang stabil pada ketinggian, hlapisan udara yang stabil pada ketinggian, h Udara yang bergerak juga dibatasi oleh arah tegak Udara yang bergerak juga dibatasi oleh arah tegak

lurus terhadap kecepatan anginlurus terhadap kecepatan angin Model ini menggambarkan suatu lembah di manan Model ini menggambarkan suatu lembah di manan

udara melewati suatu daerah (zona) dengan lebar, udara melewati suatu daerah (zona) dengan lebar, w, yang terbentuk dari dua baris bukit.w, yang terbentuk dari dua baris bukit.

Konsentrasi Polutan yang dilepaskan ke udara Konsentrasi Polutan yang dilepaskan ke udara ambien :ambien :

C = P/(U h w) C = konsentrasi polutan j, ppm U = kecepatan angin, dianggap konstan, m/jam P = laju emisi polutan j, µg/jam h = tinggi kolom udara, m w = lebar kolom udara, m

Jika kecepatan angin sangat rendah (mendekati nol)

C= [P . t / (x w h)] x = panjang kolom udara, m t = waktu emisi, detik

Rollback ModelRollback Model

b : background level Mass of emissions per unit time, P

kP + b

Hubungan Linier Antara Emisi dan Konsentrasi pada Rollback Model

Pendekatan sederhana untuk menduga emisi Pendekatan sederhana untuk menduga emisi yang mempengaruhi kualitas udara ambienyang mempengaruhi kualitas udara ambien

Asumsi :Asumsi : Jumlah total polutan yang dilepas di suatu daerah Jumlah total polutan yang dilepas di suatu daerah

pada suatu waktu tertentu (p) mempunyai pada suatu waktu tertentu (p) mempunyai hubungan linier dengan konsentrasi pada titik hubungan linier dengan konsentrasi pada titik tertentutertentu

c = kp + bc = kp + b c : konsentrasi polutan, c : konsentrasi polutan, µg/mµg/m33 b : background concentration (emisi = 0), b : background concentration (emisi = 0), µg/mµg/m33

k = konstanta empirikk = konstanta empirik

Nilai k :Nilai k : k = (c – b)/pk = (c – b)/p

C : konsentrasi partikulat dekat stasiun pengukuran, C : konsentrasi partikulat dekat stasiun pengukuran, µg/mµg/m33

Gaussian ModelGaussian Model Model penyebaran yang paling banyak Model penyebaran yang paling banyak

digunakandigunakan Dapat menentukan konsentrasi di beberapa Dapat menentukan konsentrasi di beberapa

titik ruangtitik ruang Asumsi :Asumsi :

Laju emisi polutan konstantLaju emisi polutan konstant Kecepatan dan arah angin rerata konstantKecepatan dan arah angin rerata konstant Sifat kimia senyawa stabil dan tidak berubah di Sifat kimia senyawa stabil dan tidak berubah di

udaraudara Daerah sekitar sumber pencemar adalah datar dan Daerah sekitar sumber pencemar adalah datar dan

terbukaterbuka Diturunkan dari Hukum Kekekalan Massa Diturunkan dari Hukum Kekekalan Massa

dalam bentuk persamaan differensial + dalam bentuk persamaan differensial + adveksi dan difusiadveksi dan difusi

Konsentrasi polutan searah angin (downwind)Konsentrasi polutan searah angin (downwind) Sistem koordinat 3 dimensiSistem koordinat 3 dimensi

Gaussian ModelGaussian Model Rumus umum untuk 3 dimensiRumus umum untuk 3 dimensi

Konsentrasi di permukaan tanah (z=0)Konsentrasi di permukaan tanah (z=0)

e e τ τ Uπ

QC

2z

2

2z

2

2z

2

τ2

h)(z

τ2

h)--(z

τ2

y)(

zyz)y,(x,

2

z

2

2z

2

τ2

h

τ2

y

zyy)(x, e

τ τ Uπ

QC

Keterangan :Keterangan : Q = Laju emisi konstant (Q = Laju emisi konstant (μμgr/detik)gr/detik) U = Kecepatan angin konstant (m/detik)U = Kecepatan angin konstant (m/detik) h = Ketinggian emisi efektif dari cerobong (m)h = Ketinggian emisi efektif dari cerobong (m) ttyy = koeffisien dispersi horizontal (m) = koeffisien dispersi horizontal (m) ttzz = koeffisien dispersi vertikal (m) = koeffisien dispersi vertikal (m)

Koeffisien Dispersi Horizontal

Koeffisien Dispersi Vertikal

Tabel Stabilitas atmosferik, Turner

Kec. angin Kec. angin padapada

ketinggian 10 ketinggian 10 m, m/detm, m/det

SiangSiang MalamMalam

StrongStrong ModeratModeratee

SlightSlight > 1/2 > 1/2 cloudcloud

clear to clear to 1/2 1/2

cloudcloud

< 2< 2 AA A-BA-B BB -- --

2-32-3 A-BA-B BB CC EE FF

3-53-5 BB B-CB-C CC DD EE

5-65-6 CC C-DC-D DD DD DD

>6>6 CC DD DD DD DD

Sumber : Perkins, 1974

Tabel Penggolongan Stabilitas atmosferik (Forsdyke, 1970)

Kec. angin Kec. angin padapada

ketinggian 10 ketinggian 10 m, m/detm, m/det

Intensitas Radiasi Sinar Intensitas Radiasi Sinar Surya Siang HariSurya Siang Hari

Penutupan Awan Penutupan Awan Rendah Malam Rendah Malam

HariHari

StrongStrong ModeratModeratee

SlightSlight > 4/8> 4/8 << 3/8 3/8

< 2< 2 AA A-BA-B BB -- --

2-32-3 A-BA-B BB CC EE FF

3-53-5 BB B-CB-C CC DD EE

5-65-6 CC C-DC-D DD DD DD

>6>6 CC DD DD DD DDA = sangat tidak stabil D = netralB = tidak stabil E = agak stabilC = agak tidak stabil F = stabil