ATMOSPHERIC DISPERSION Dispersi/Persebaran Atmosfir

1
ATMOSPHERIC DISPERSION Dispersi/Persebaran
Atmosfir
2
Suara Merdeka, 16 April 2009
3

• Keharusan untuk mengurangi emisi atmosfir menjadi
  minimum atau paling tidak di bawah Nilai ambang
  batas yang ditentukan.
• Bagaimanapun juga, terdapat beberapa residu emisi
  yang tidak dapat dihilangkan dan ini harus secara
  aman didispersikan ke lingkungan.
• Faktor-faktor yang mempengaruhi dispersi gas-gas
  ke atmosfir adalah
• Suhu
• Kecepatan angin
• Turbulensi

4

• SUHU
• Suhu merupakan faktor kritis.
• Pada umumnya suhu atmosfir berkurang terhadap
  ketinggian dan perubahan nyata suhu terhadap
  ketinggian dikenal sebagai environmental lapse
  rate (ELR).
• Udara yang berasal dari permukaan bumi, jika
  naik, akan dingin karena ekspansi perubahan
  tekanan.
• Laju pendinginan dikenal sebagai dry adiabatic
  lapse rate (DALR) dan kira-kira 9,80C per
  kilometer, sampai terjadinya pengembunan.
• The environmental lapse rate (ELR) akan
  menentukan apa yang terjadi dengan kantung udara
  jika dilakukan pemaksaan untuk naik

5
Gambar 1. Stabilitas Temperatur dan Atmosfir
6

• Gambar 1.a. menunjukkan situasi di mana ELR
  mempunyai perubahan temperatur yang besar
  terhadap ketinggian dari pada DALR.
• Hal ini berarti sejumlah kecil volume udara
  dipindahkan ke atas dan menjadi kurang berat
  daripada sekelilingnya dan akan berlanjut dengan
  gerakannya ke atas.
• Hal ini merupakan kondisi yang dikehendaki untuk
  dispersi atmosfir dan dikenal dengan Unstable
  Conditions

7

• Gambar 1.b. menunjukkan situasi di mana ELR dan
  DALR secara kasar sama, dikenal dengan Neutral
  Conditions.
• Dalam hal ini, tidak ada kecenderungan untuk
  perpindahan volume untuk memperoleh atau
  kehilangan gaya ke atas.
• Situasi ketiga ditunjukkan Gambar 1.c. di mana
  ELR pada kondisi suhu meningkat terhadap
  ketinggian, dikenal sebagai Inversion.
• Hal ini dikenal dengan Stable Conditions dan
  memberikan tahan yang kuat terhadap gerakan ke
  atas dari suatu perpindahan volume udara.
• Stable Conditions merupakan problem utama dalam
  titik pandang dispersi gas.

8
Gambar 2. Tipikal Variasi Stabilitas Atmosfir
Harian
9

• Pada lapisan lebih bawah atmosfir. ELR berubah
  terhadap waktu tiap hari. Gambar 2. menunjukkan
  jenis variasi harian stabilitas atmosfir.
• Dimulai sebelum terbit matahari, suhu minimum
  adalah pada permukaan bumi. Hal ini disebabkan
  oleh hilangnya panas radiasi gelombang panjang.
  Ini akan menyebabkan suatu inversi (meningkatnya
  suhu terhadap ketinggian) sampai mungkin 100
  meter. Segera setelah matahari terbit, pemanasan
  pada lapisan atas terjadi, tetapi inversi masih
  tersisa pada lapisan yang lebih tinggi.
• Sekitar tengah hari, pemanasan telah meluas dari
  permukaan bumi, sehingga sekarang dalam kondisi
  tidak stabil (unstable conditions) yaitu
  berkurangnya suhu terhadap ketinggian melalui
  lapisan atmosfir lebih rendah.
• Mendekati matahari terbenam, terdapat radiasi
  dari permukaan bumi, dan inversi mulai meluas ke
  permukaan

10
Gambar Sebaran polutan udara pada berbagai
stabilitas atmosfir.
11

• KECEPATAN ANGIN
• Tidak hanya perubahan arah angin akan tetapi juga
  kecepatan angin meningkat terhadap ketinggian di
  atas permukaan bumi ketinggian maksimum di mana
  kecepatannya sama dengan udara bebas (free air)
  atau kecepatan angin geostrophik.
• Laju perubahan kecepatan angin terhadap
  ketinggian disebabkan oleh topografi.
• Bangunan-bangunan di area pedesaan, misalnya
  memperlambat udara sampai ke tanah, hal ini
  berarti bahwa kecepatan maksimum terjadi pada
  ketinggian yang lebih tinggi dari pada ketinggian
  permukaan daerah kita.

12

• TURBULENSI
• Turbulansi mekanik disebabkan oleh kekasaran dari
  permukaan bumi.
• Jauh dari permukaan, turbulensi konvektif
  (pemanasan udara yang naik dan pendinginan udara
  yang turun) menjadi sangat penting.
• Banyaknya turbulensi dan ketinggian yang
  beroperasi tergantung pada kekasaran permukaan,
  kecepatan angin dan stabilitas atmosfir.
• Masalah utama bagi perancang adalah untuk
  menentukan tinggi cerobong yang cocok.
• Pada Gambar 3 menunjukkan ketinggian cerobong
  efektif merupakan kombinasi dari tinggi cerobong
  nyata dan tinggi kepulan (plume rise).
• Tinggi kepulan merupakan fungsi kecepatan
  pembuangan, suhu emisi, dan stabilitas atmosfir.

13
Gambar 3. Ketinggian Cerobong
14

• Emisi dari cerobong harus mematuhi peraturan
  lingkungan konsentrasi dan laju alir polutan.
• Bagaimanapun juga, cerobong harus cukup tinggi
  sehingga polutan yang mencapai tanah harus lebih
  rendah dibandingkan dengan tingkat konsentrasi
  permukaan tanah yang tertentu dengan otoritas
  peraturan.
• Tingkat konsentrasi polutan di permukaan tanah
  tergantung pada banyak faktor, yang paling
  penting adalah
• Tinggi cerobong emisi
• Kecepatan dan suhu emisi cerobong
• Stabilitas atmosfir
• Keadaan alam topografi sekitarnya

15

• Iklim
• biasanya minimal 10 tahun (idealnya berjangka
  waktu 30 tahun),
• Harian diukur 3 kali (06.00, 12.00, dan 18.00)
• Parameter-parameter yang ada (Data BMG)
• kelembaban,
• tekanan udara,
• suhu udara (tertinggi dan terendah),
• jumlah hari hujan,
• curah hujan,
• evaporasi,
• radiasi surya,
• arah angin,
• kecepatan angin

16
Tabel Kriteria Iklim
No Klasifikasi Iklim Kriteria
1 Thornthwaite Evapotranspirasi potensial dan moisture budget
2 Koppen Suhu dan curah hujan rerata bulanan atau tahunan dikaitkan dengan pertumbuhan vegetasi.
3 Schmidt-Ferguson Curah hujan bulanan.
4 Oldeman Curah hujan dan kebutuhan air tanaman.
17
00
Gambar Penentuan Arah Mata Angin Untuk Dari Data
Mateorologi
U
BL
TL
B
T
BD
TG
S
18
Tabel Frekuensi sebaran angin suatu daerah pada
waktu tertentu.
No Arah angin Kecepatan (m/detik) Kecepatan (m/detik) Kecepatan (m/detik) Kecepatan (m/detik) Kecepatan (m/detik)
No Arah angin 0 0 - 5 5 - 10 10 - 15 gt 15
1 Utara .... (...) .... (...) .... (...) .... (...) .... (...)
2 Timur Laut .... (...) .... (...) .... (...) .... (...) .... (...)
3 Timur .... (...) .... (...) .... (...) .... (...) .... (...)
4 Tenggara .... (...) .... (...) .... (...) .... (...) .... (...)
5 Selatan .... (...) .... (...) .... (...) .... (...) .... (...)
6 Barat Daya .... (...) .... (...) .... (...) .... (...) .... (...)
7 Barat .... (...) .... (...) .... (...) .... (...) .... (...)
8 Barat Laut .... (...) .... (...) .... (...) .... (...) .... (...)
19
5-10 m/det
0-5 m/det
? 10 m/dett
30
20
30
10
10
20
Malam, Oktober 2003 Siang, Oktober
2003 Gambar Pola angin di daerah studi.
20
Model Pendugaan Emisi Dan Penyebaran Polutan Di
Atmosfir

• Box Model
• Rollback Model
• Gaussian Model

21

• Box Model

Emission rate
Gambar Udara yang Terencerkan dari Box Model yang
Sederhana
22

• Asumsi
• Model paling sederhana, keadaan selalu tetap
  emisi, kecepatan angin dan karakteristik udara
• Pelepasan polutan tercampur sempurna
• Polutan udara secara kimia stabil
• Laju emisi polutannya konstan, P (massa/waktu)
• Memasuki suatu volume udara ambien yang bergerak
  pada satu arah yang tetap, U
• Udara yang bergerak dibatasi dari atas oleh
  lapisan udara yang stabil pada ketinggian, h
• Udara yang bergerak juga dibatasi oleh arah tegak
  lurus terhadap kecepatan angin
• Model ini menggambarkan suatu lembah di manan
  udara melewati suatu daerah (zona) dengan lebar,
  w, yang terbentuk dari dua baris bukit.

23

• Konsentrasi Polutan yang dilepaskan ke udara
  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

24

• Rollback Model

kP b
b background level Mass of emissions per
unit time, P
Hubungan Linier Antara Emisi dan Konsentrasi pada
Rollback Model
25

• Pendekatan sederhana untuk menduga emisi yang
  mempengaruhi kualitas udara ambien
• Asumsi
• Jumlah total polutan yang dilepas di suatu daerah
  pada suatu waktu tertentu (p) mempunyai hubungan
  linier dengan konsentrasi pada titik tertentu
• c kp b
• c konsentrasi polutan, µg/m3
• b background concentration (emisi 0), µg/m3
• k konstanta empirik
• Nilai k
• k (c b)/p
• C konsentrasi partikulat dekat stasiun
  pengukuran, µg/m3

26
Gaussian Model

• Model penyebaran yang paling banyak digunakan
• Dapat menentukan konsentrasi di beberapa titik
  ruang
• Asumsi
• Laju emisi polutan konstant
• Kecepatan dan arah angin rerata konstant
• Sifat kimia senyawa stabil dan tidak berubah di
  udara
• Daerah sekitar sumber pencemar adalah datar dan
  terbuka
• Diturunkan dari Hukum Kekekalan Massa dalam
  bentuk persamaan differensial adveksi dan
  difusi
• Konsentrasi polutan searah angin (downwind)
• Sistem koordinat 3 dimensi

27

• Gaussian Model
• Rumus umum untuk 3 dimensi
• Konsentrasi di permukaan tanah (z0)

28

• Keterangan
• Q Laju emisi konstant (µgr/detik)
• U Kecepatan angin konstant (m/detik)
• h Ketinggian emisi efektif dari cerobong (m)
• ty koeffisien dispersi horizontal (m)
• tz koeffisien dispersi vertikal (m)

29
Koeffisien Dispersi Horizontal
30
Koeffisien Dispersi Vertikal
31
Tabel Stabilitas atmosferik, Turner
Kec. angin pada ketinggian 10 m, m/det Siang Siang Siang Malam Malam
Kec. angin pada ketinggian 10 m, m/det Strong Moderate Slight gt 1/2 cloud clear to 1/2 cloud
lt 2 A A-B B - -
2-3 A-B B C E F
3-5 B B-C C D E
5-6 C C-D D D D
gt6 C D D D D
Sumber Perkins, 1974
32
Tabel Penggolongan Stabilitas atmosferik
(Forsdyke, 1970)
Kec. angin pada ketinggian 10 m, m/det Intensitas Radiasi Sinar Surya Siang Hari Intensitas Radiasi Sinar Surya Siang Hari Intensitas Radiasi Sinar Surya Siang Hari Penutupan Awan Rendah Malam Hari Penutupan Awan Rendah Malam Hari
Kec. angin pada ketinggian 10 m, m/det Strong Moderate Slight gt 4/8 lt 3/8
lt 2 A A-B B - -
2-3 A-B B C E F
3-5 B B-C C D E
5-6 C C-D D D D
gt6 C D D D D
A sangat tidak stabil D netral B tidak
stabil E agak stabil C agak tidak stabil F
stabil