4/13/2012
Evaporasi vs Transpirasi
Evaporasi dan Transpirasi
Siklus Hydrologi
• Evaporasi = proses pertukaran molekul air di permukaan menjadi molekul uap air di atmosfer melalui kekuatan panas Faktor-faktor yang mempengaruhi: - faktor-faktor meteorologis - jenis permukaan tanah • Transpirasi = proses penguapan pada tumbuh-tumbuhan, lewat sel-sel stomata Faktor-faktor yang mempengaruhi: - faktor-faktor meteorologis, terutama sinar matahari - jenis tumbuhan - jenis tanah
Evaporasi • Bentuk penguapan air dari permukaan air, tanah dan bentuk permukaan bukan vegetasi lainnya oleh proses fisika • Dua unsur utama : – Energi (radiasi matahari) sebagian gelombang dirubah menjadi panasmenghangatkan udara sekitartenaga mekanikperputaran udara dan uap air – Ketersediaan airtidak hanya air yang ada akan tetapi persediaan air yang siap untuk evaporasi
Dalam 103 km3
Faktor-faktor penentu Evaporasi • Panas perubahan bentuk cair dan gasshortwave radiation lebih berpengaruh (ketinggian tempat dan musim)longwave hanya menambah panas yangdihasilkan oleh shortwave • Suhu udara, permukaan bidang penguapan (air, vegetasi, dan tanah)
1
4/13/2012
Kelembaban udara • Fungsi : sebagai pelindung permukaan bumi – Suhu udarakapasitas udara dalam penampung uap air
• Dibagi menjadi 2 jenis : – Kelembaban spesifik : tidak dipengaruhi tek. udara – Kelembaban absolut : dipengaruhi tek. udara
Energi Matahari • “mesin” yang mempertahankan berlangsungnya daur hidrologi – Perubahan iklim – Sumber energi untuk : • Evaporasi : berlangsung pada permukaan badan perairan • Transpirasi : kehilangan air dari dalam vegetasi
Heating of earth surface • Heating of earth surface is uneven – Solar radiation strikes perpendicularly near the equator (270 W/m2) – Solar radiation strikes at an oblique angle near the poles (90 Amount of energy transferred from W/m2) equator to the poles is approximately • Emitted radiation is 4 x 109 MW
more uniform than incoming radiation
Suhu Udara
Angin • Gerakan massa udara : gerakan atmosfer atau udara nisbi terhadap permukaan bumi • Parameter : – Arah – Kecepatan
• Berpengaruh dalam proses evapotranspirasi dan mempengaruhi kejadian-kejadian hujan • Hujan terjadi grakan udara lembab yang berlangsung terus menerus
Structure of atmosphere
• Mempengaruhi besarnya curah hujan, laju evaporasi dan transpirasi • Dapat dianggap sebagai salah satu faktor yang dapat memprakirakan dan menjelaskan kejadian dan penyebaran air di muka bumi
2
4/13/2012
Hadley circulation
Atmospheric circulation Circulation cells Polar Cell
Ferrel Cell
1.
Hadley cell
2.
Ferrel Cell
3.
Polar cell
Winds 1.
Tropical Easterlies/Trades
2.
Westerlies
3.
Polar easterlies
Latitudes
Warm air rises, cool air descends creating two huge convective cells.
Shifting in Intertropical Convergence Zone (ITCZ) Owing to the tilt of the Earth's axis in orbit, the ITCZ shifts north and south.
1.
Intertropical convergence zone (ITCZ)/Doldrums
2.
Horse latitudes
3.
Subpolar low
4.
Polar high
• Kapasitas kadar airtinggi rendahnya suhu di tempat itu – Proses tergantung pada Dpv (Saturated vapour preseeure deficit) di udara atau jumlah uap air yang dapat diserap oleh udara sebelum udara tersebut menjadi jenuh – Evaporasi banyak terjadi di pedalaman dibanding di Pantai karena udara sudah lembab
• Kecepatan angin diatas bidang penguapan • Sifat bidang penguapan – Kasar memperlambat gerak angin turbulenmemperbesar evaporasi Southward shift in January
Creates wet Summers (Monsoons) and dry winters, especially in India and SE Asia Northward shift in July
Perkiraan Evaporasi Perkiraan evaporasi dengan menggunakan rumus empiris - aerodynamic method/Dalton law………. (2) Ea = K. Uz (ew – ez) Ea = evap perm bebas selama pengamatan K = konstanta empiris Uz = fungsi antara evap thd kec angin pada ketinggian z ew = tekanan uap jenuh di udara pada temperatur sama dengan air ez = tekanan uap sesungguhnya di udara pd ketinggian z
Perkiraan Evaporasi • Persamaan Rohwer E = a (ew – ea) (1 + b V) E = 0.484 (1+0.6 V) (ew – ea) E = evaporasi (mm/hari) ew = tekanan uap jenuh pada temperatur sama dengan temp air (millibar) ea = tekanan uap di udara sesungguhnya (millibar) V = kecepatan angin rata-rata dalam sehari (m/detik)
3
4/13/2012
Perkiraan Evaporasi • Persamaan Orstom E = 0.358 (1 + 0.588 V) (ew – ea) • Persamaan Danau Hefner E = 0.00177 V (ew – ea) E = inch/hari V = meter/jam
Perkiraan Evaporasi 3.
Pengukuran Evaporasi secara langsung Water-balance: EL = P + Isurf + Igw – Osurf – Ogw - S EL = evaporasi muka air bebas per hari P = presipitasi/hujan harian Isurf = surface inflow/aliran perm masuk Igw = ground water inflow/air tanah masuk Osurf = surface outflow/aliran perm keluar Ogw = ground water outflow/air tanah keluar S = perubahan jumlah simpanan air selama pengamatan (1 hari)
E0 (mm/hari) = C (eo -ea) C = (0.44+0.073 u)*(1.465-0,00073p)
Pengukuran Evaporasi • Diukur dari permukaan badan air : membandingkan jumlah air yang diukur antara dua waktu yang berbeda • Evaporasi waduk atau danau yang berurutan : E0 = I – O - S I = masukan air ke waduk ditambah curah hujan yang langsung jatuh pada waduk O = keluaran dari waduk ditambah bocoran air dalam tanah S = perubahan kapasitas tampung waduk
U = kecepatan angin rata-rata (km/jam) diukur pada ketinggian 0,5 m diatas permukaan tanah eo = tekanan uap air pada permukaan air yang merupakan fungsi suhu ea = tekanan uap air di permukaan air C = angka tetapan yang dihitung dengan persamaan (Rohwer, 1931) P = tekanan atmosfer (mmHg)
Untuk angka evaporasi waduk maka E0 dikalikan angka tetap 0,77 Nilai C : Kolam C = 15 + 0,93 u Danau dan waduk kecil C = 11 + 0,68 u
Evaporasi : pendekatan neraca energi
Variabel pindah panas-tampak tidak diukur langsung tercakup dalam nisbah Bowen (Bowen’s ratio, R)
Qs-QTS-Qlw-Qh-Qe+Qv- Qve = Qc
R =Qh/ Qe=0,00061 P (Ts-Ta)/(es-ea)
Qs
=
Radiasi matahari datang
P
=
Tekanan udara (mb)
QTS
=
Radiasi matahari terefleksi
TS
=
Suhu permukaan badan air (C)
Qlw
=
Radiasi gelombang panjang bersih dari permukaan badan air ke udara bebas
Ta
=
Suhu udara (C)
es
=
Tek. Uap air permukaan badan air, es=f (Ta) (mb)
ea
=
Tek. Uap air permukaan udara, ea=es x Rh (mb)
Rh
=
Kelembaban relatif udara (%)
Qh
=
Pindahan energi dari badan air ke atmosfer dalam bentuk panas-tampak (sensible heat)
Qe
=
Energi yang digunakan untuk proses evaporasi
Qv
=
Energi adveksi bersih yang masuk ke badan air akibat aliran air
Qve
=
Energi adveksi keluar dari badan air karena proses evaporasi
Qc
=
Energi tersimpan dalam badan air
Besarnya tek.uap air tergantung suhu pada badan air Tek.uap air di udara dapat diukur dengan sling psychrometer
Satuan dalam kalori/cm2 (langleys)
4
4/13/2012
Energi yang dipindahkan dari badan air proses evaporasi yang berlangsung di permukaan badan air dihitung :
Hubungan antara Qe dengan kedalaman evaporasi dari badan air (Eo) dapat ditunjukkan pada persamaan :
Qve = Qe c (Ts-Tb)/L c
=
Angka panas air (kal/mg/C)
Tb
=
Suhu dasar yang ditentukan (0C)
L
=
Panas-tak tampak (590 kal/mg)
p
=
Kerapatan air (mg/cm3)
Sehingga persamaan menjadi
Persamaan sebelumnya dapat diturunkan sebagai berikut
pengukuran Qv dan Qc
=
Dievaluasi dengan cara mengukur suhu dan volume air yang keluar dan masuk kedalam waduk
Ts
=
Suhu permukaan waduk
Ta
=
Suhu udara, tekanan udara (p) dan tekanan uap air atmosfir (ea)
Qs
=
Radiasi matahari datang dapat diukur secara langsung dengan alat pyrheliometer jarang ditemukan di stasiun metereologi Black dalam Chang (1986)
Persamaan panjang gelombang bersih Brunt (Anderson, 1954)
σ
=
Tetapan Stefan-Baltzman (1,17 x 10-1 kal/cm2/˚K4/hari
Ts
=
Suhu permukaan (˚K)
T2
=
Suhu udara pada ketinggian 2m di atas bidang kajian (˚K)
e2
=
Tekanan uap air pada ketinggian 2m di atas bidang kajian (mb)
c,d
=
Angka tetapan epiris, bervariasi tergantung letak geografis
C
=
Angka tetapan awan
a
=
Angka tetapan, tergantung pada tipe awan. Awan rendah =0,9 ; awan sedang = 0,6 dan awan tinggi = 0,2
Jika data ketinggian awan tidak tersedia maka (1-aC) diganti dengan (0,10+0,90 n/N) n = lama penyinaran matahari (jam) dan N lama penyinaran matahari maksimal (jam) Radiasi panjang gelombang bersih yang tidak menjadi bagian dari radiasi matahari datang dan tidak diradiasikan kembali ke atmosfer :
Sinar gelombang panjang dari bumi ke atmosfersebag besar diserap oleh uap, awan dan CO2 di atmosferdipantulkan kembali ke permukaan bumi sebagai radiasi atmosfer. H2O dan CO2 diradiasikan kembali dalam bentuk gel yg lbh panjang. Faktor berpengaruh : profil suhu udara, kadar uap air, tutupan awan di atmosfer Krn sulit dihitung maka didekati dengam Qlw
Transpirasi • Transpirasi adalah suatu proses ketika air diuapkan ke udara dari permukaan daun/tajuk vegetasi • Laju transpirasi ditentukan: – Radiasi matahari – Membuka dan menutupnya pori-pori kedudukan daun dan cabang, ketersediaan air, tanaman meranggas
5
4/13/2012
Faktor-faktor penentu Transpirasi • Faktornya hampir sama dengan evaporasi: – – – – –
Radiasi matahari Suhu Kecepatan angin Gradien tekanan udara Karakteristik dan kerapatan vegetasi seperti struktur tajuk, perilaku pori-pori daun, kekasaran permukaan vegetasi • Transpirasi di hutan lebih besar dibanding di padang rumput • Keakaran vegetasi akan berpengaruh jika cadangan air tanah menyusut
Pengukuran Transpirasi
T
=
Transpirasi (cm/th)
Pg
=
Curah hujan (cm/th)
R
=
Air larian (cm/th)
It
=
Total intersepsi (cm/th)
S
=
Perubahan kapasitas tampung air tanah
S = umumnya diabaikan,keseimbangan air tersebut dipengaruhi akan ditentukan
Evapotranspirasi • Jumlah air total yang dikembalikan lagi ke atmosfer dari permukaan tanah, badan air, dan vegetasi oleh adanya pengaruh faktor-foktor iklim dan fisiologis vegetasi • Gabungan antara evaporasi, intersepsi, dan transpirasi
T
=
Transpirasi vegetasi
It
=
Intersepsi total
Es
=
Evaporasi dari tanah, batuan dan jenis permukaan tanah lainnya
Eo
=
Evaporasi permukaan badan air seperti sungai, danau, dan waduk
S
=
Perubahan kapasitas tampung air tanah
Untuk tegakan hutan, Eo dan Es biasanya diabaikan ET = T+It untuk tegakkan hutan, bila unsur vegetasi dihilangkan, ET= ES
6
4/13/2012
Faktor-faktor Evapotranspirasi • Evapotranspirasi/Evaporasi Total = peristiwa evaporasi dan transpirasi yang terjadi bersama-sama • Evapotranspirasi potensial (potential evaporation, PET) = evaporasi yang terjadi, apabila tersedia cukup air (dari presipitasi atau irigasi) untuk memenuhi pertumbuhan optimum dipengaruhi faktor2 metereologi radiasi matahari dan suhu • Evapotranspirasi sesungguhnya (Actual evapotranspiration, AET) = evapotranspirasi yang terjadi sesungguhnya, dengan kondisi pemberian air seadanya dipengaruhi oleh faktor fisiologi tanaman dan unsur tanah • Consumptive use = air yang diperlukan tumbuhtumbuhan untuk pertumbuhan sel-selnya
Perkiraan Evaporasi Perkiraan evaporasi berdasarkan pan evaporasi………… (1) Evaporasiperm. Air bebas = Cpan x Evaporasipan
Evaporation pan = 1.21 m = 4”
H = 25.4 cm = 10”
Penguapan dari evaporasi pan biasanya lebih besar dari evaporasi sebenarnya, karena: • luas permukaan sempit gel. dan turbulensi udara kecil • kemampuan menyimpan panas berbeda antara pan dan danau • terjadinya pertukaran panas antara pan dgn tanah, udara, air sekitar • pengaruh panas, kelembaban, angin akan berbeda bagi perm. kecil dgn perm. besar atmometer, lysimeter, phytometer
Metode Thornthwaite
Metoda Blaney-Criddle
• Memanfaatkan suhu udara sebagai indeks ketersediaan energi panas
• Memperkirakan besarnya evapotranspirasi potensial (PET) pada awalnya dikembangkan untuk memperkirakan besarnya konsumsi air irigasi di Amerika Serikat (Dunne dan Leopold, 1978) • Besaran suhu dan sepanjang hari (lamanya waktu penyinaran matahari)
Ta
=
Suhu rata-rata bulanan (C)
I
=
Indeks panas tahunan
7
4/13/2012
Angka faktor pertamananan meningkat sejalan dengan pertambahan ketinggian vegetasi, untuk memperkirakan besarnya air yang diperlukan suatu vegetasi selama pertumbuhannya (Blaney-Criddle) PET
=
Evapotranspirasi potensial (cm/bln)
Ta
=
Suhu rata-rata (C) apabila Ta <3C maka angka konstan 0,142 harus diganti dengan 1,38
k
=
Faktor pertanaman empiris, bervariasi menurut tipe pertanaman serta tahap pertumbuhan tanaman tahunan, angka koefisien disajikan secara bulanan, untuk angka koef tanaman musiman dinyatakan dalam persentase menurut musim pertumbuhan
d
=
Fraksi lama penyinaran matahari per bulan dalam waktu satu tahun
K
=
Koefisien pertanaman selama periode pertumbuhan
n
=
Jumlah bulan selama masa pertumbuhan
Tai
=
Suhu udara (C)
di
=
Fraksi lama penyinaran matahari setiap bulan dalam waktu satu tahun,
Metoda Penman • Dikembangkan untuk menentukan besarnya evaporasi dari permukaan air terbuka • Digunakan untuk menentukan besarnya evapotranspirasi potensial (PET) • Perhitungan besarnya evaporasi dari permukaan vegetasi jenuh air dapat ditentukan tanpa harus mengukur suhu pada permukaan bidang penguapan
s
=
Laju perubahan tekanan uap jenuh dan merupakan fungsi dari suhu (PaC)
A
=
Energi yang tersedia (Rn-GRn)
Ec
=
Laju evaporasi tajuk dalam kondisi jenuh (PET) (mm/s)
=
Kerapatan udara (kg/m3)
Cp
=
Specific heat of air pada tekanan udara konstan, (dalam hal ini adalah 1010 J/Kg/C)
es(T)
=
Tekanan uap air jenuh pada suhu atmosfer suhu (PaC)
ea
=
Tekanan uap airatmosfer (PaC)
=
Latent heat of vaporation (J/Kg)
=
Tahanan psikrometik (Pa/C)
ra
=
Aerodynamic transfer resistance (s/m)
rs
=
Resistensi stomata (s/m)
Analisis Neraca Kelembaban Tanah (soil moisture budget analysis) • Memanfaatkan perangkat komputer • Teknik membandingkan ET aktual (AET)dan ET potensial (PET) dikenal dengan istilah ETR (Evapotranspiration Ratio)
AET
=
Evapotranspirasi aktual (panjang/waktu)
PET
=
Evapotranspirasi potensial (panjang/waktu)
AW
=
Jumlah air dalam tanah yang diserap oleh akar tanaman (SM-PWP)
AWC
=
Kapasitas air yang tersedia (FC-PWP)
PWP
=
Tingkat kelembaban tanah ketika tanaman tidak mampu lagi menyerap air tanah (wilting point)
FC
=
Jumlah air yang masih dapat dithan oleh tanah dari gaya tarik bumi ( field capacity)
8
4/13/2012
Komponen ETR • Indeks PET untuk kondisi tanah dan vegetasi setempat • Kelembaban tanah terkait dengan water table • AET yang merupakan fraksi PET untuk tingkat kelembaban tanah tertentu
Mekanisme evaporasi • Sejumlah uap air di atmosfer bergerak ke tempat yang lebih tinggi oleh adanya beda tekanan uap air. Tekanan uap tinggi tekanan uap rendah. Uap air bergerak bergerak ke tempat yang lebih tinggi (T udara rendah) jenuh kondensasi
Kejadian presipitasi • Udara di atmosfer mengalami proses pendinginan melalui beberapa cara : – Pertemuan antara dua massa udara dengan suhu yang berbeda – Sentuhan antara massa udara dengan obyek atau benda dingin
Hujan berlangsung ada tiga kejadian • Kenaikan massa uap air ke tempat yang lebih tinggi sampai saatnya atmosfer menjadi jenuh • Terjadi kondensasi atas partikel-partikel uap air di atmosfer • Partikel-partikel uap air tersebut bertambah besar sejalan dengan
Hujan akibat pertemuan dua massa air • Hujan konveksi (Convectional storms) adanya beda panas yangditerima permukaan tanah dengan panas yang diterima oleh lapisan udara di atas permukaan tanah • Hujan frontal (frontal/cyclonic storms) bergulungnya dua massa udara yang berbeda suhu dan kelembaban • Hujan orografik (Orographic storms) jenis hujan yang umum terjadi di daerah pegunungan, yaitu ketika massa udara bergerak ke tempat yang lebih tinggi mengikuti bentang lahan pegunungan sampai saatnya terjadi proses kondensasi
9
4/13/2012
Convective lifting Convective precipitation occurs when the air near the ground is heated by the earth’s warm surface. This warm air rises, cools and creates precipitation.
Hot earth surface
Orographic lifting Orographic uplift occurs when air is forced to rise because of the physical presence of elevated land.
Frontal Lifting • Boundary between air masses with different properties is called a front • Cold front occurs when cold air advances towards warm air • Warm front occurs when warm air overrides cold air
Cold front (produces cumulus cloud)
Cold front (produces stratus cloud)
Condensation • Condensation is the change of water vapor into a liquid. For condensation to occur, the air must be at or near saturation in the presence of condensation nuclei. • Condensation nuclei are small particles or aerosol upon which water vapor attaches to initiate condensation. Dust particulates, sea salt, sulfur and nitrogen oxide aerosols serve as common condensation nuclei. • Size of aerosols range from 10-3 to 10 mm.
Precipitation formation • Lifting cools air masses so moisture condenses • Condensation nuclei – Aerosols – water molecules attach • Rising & growing – 0.5 cm/s sufficient to carry 10 mm droplet – Critical size (~0.1 mm) – Gravity overcomes and drop falls
10
