Warla LAP AN, Vol. 2, No. I, Januari - Maret 2000

Proses Fotokimia Atmosfer Laju Fotolisis N02 Dan Foto ketunakan N0 /N0 2 / 0 3

Studi kasus di Jakarta

Afif Budiyono *, Azam Mulyadi"

ABSTRACT

An annual average of J N02 ( the rate of photolysis of N02) can be calculated from the hourly concentration of NO, N02 and, 03 , which are recorded continuously at ambient air condition. An individual hourly averaged reading of NOx and ozone data can also be used to verify a photostasionary state in the atmosphere.

The result of this application to local data of NO, N02 and ozone in Jakarta show that the average value of rate photolysis N02 (J) = 8.03(10" 0.5 to 1.8.

s~ ), and the photostasionary state (p) occurred on the balance values of around

ABSTRAK

Hasil pemantauan rata-rata perjam konsentrasi NO, N02, dan 03 secara kontinu pada kondisi udara ambient, dapat dihitung rata-rata tahunan laju fotolisis N02 (.1). Dengan pembacaan data NOx dan ozone rata-rata perjam secara terpisah dapat pula digunakan untuk mengidentifikasi terjadinya proses fotoketunakan NO/N02/03 di atmosfer.

Dari data NO, N02, dan ozon hasil pengukuran selama tahun 1997 di Jakarta, diperoleh nilai rata-rata laju fotolisis N02 (J) : 8,03 10 ~

3 s'1, serta fotoketunakan (p) terjadi pada nilai kesetimbangan antara 0,5 - 1.8.

1. PENDAHULUAN

Pada umumnya data polusi udara di beberapa kota besar yang telah dilakukan digunakan sebagai arsip, bahan informasi dan sebagai kontrol kualitas udara suatu daerah serta sebagai data masukan untuk kebijakan tata ruang kota. Pemanfaatan lain dari data polusi udara untuk mengetahui proses fotokimia yang terjadi di atmosfer, seperti laju fotolisis N02 (J), dan fotoketunakan (Photostasionery State) NO/N02/03.

Studi tentang proses fotokimia atmosfer telah banyak dilakukan, terutama pada daerah-daerah lintang menengah dan tinggi, sementara studi tentang proses fotokimia atmosfer untuk daerah ekuator masih sangat minim dan jarang dilakukan, khususnya di Indonesia.

Maksud dan tujuan penelitian ini untuk mengetahui proses fotokimia atmosfer yang terjadi di daerah ekuator khususnya di Jakarta. Proses fotokimia atmosfer, yaitu laju fotolisis N02 (J) dan fotoketunakan NO/NO2/O3 yang diperoleh untuk wilayah Jakarta, dibandingkan dengan kondisi yang terjadi di beberapa kota lain, seperti kota-kota di Afrika dan Amerika, yang telah dihitung oleh

peneliti (Tabel 4-1), sebagai referensi hasil perhitungan.

2. TEORI DASAR

Proses dinamika fotoketunakan NO/N02/03 yang terjadi di atmosfer sangat berhubungan erat dengan proses fotodisosiasi N02, proses fotodisosiasi N02 yang terjadi membutuhkan waktu yang sangat singkat dan dalam kondisi cuaca yang relatif cerah. Fenomena ini telah banyak digambarkan oleh para ahli (Hiram, 1972 dan John, 1986) melalui reaksi : Fotolisis : 02 + N02+hv =>NO + 03 (2-1) Perusakan: 03 + NO=>N02 + 02 (2-2) Dalam kondisi kesetimbangan dinamis :

J[N02] = k[03] [NO] (2-3)

maka laju fotolisis N02 dapat dituliskan menjadi:

J = k[03][NO]/[N02] (2-4)

Staf Peneliti Puslitbang Pengetahuan Atmosfer, LAP AN, Bandung ** Staf Bapedalda DKI Jakarta, Jl. Casablanka Kav. I, Kuningan Jakarta Selatan

40

Dari data rata-rata perjam 03, NO, N02 hasil pemantauan udara ambient secara kontinu, dapat dimungkinkan untuk mengetahui nilai laju fotolisis N02 (J) dengan menggunakan persamaan (2-4). Konstanta k pada persamaan (2-3 dan 2-4) menunjukkan keterkaitan antara temperatur dan laju konstan perusakan 03 oleh NO.

Anderson (1979) dan Wakamatsu (1983), menunjukkan bahwa nilai k dapat diperoleh melalui hubungan persamaan :

Persamaan (2-1) menggambarkan adanya proses laju fotolisis N02 (J), yang bergantung pada radiasi matahari (ultraviolet), Nilai J dapat tergambarkan pada pola intensitas radiasi matahari ultraviolet, yang mempunyai nilai maksimum pada periode siang hari antara pukul 11.00 - 13.00 (pada kondisi atmosfer cerah/ideal).

Pada lintang menengah dan linggi nilai J akan maksimum pada musim panas dan minimum pada musim dingin, sebagaimana tingkat variasi musiman radiasi ultraviolet. Di daerah ekuator, nilai J akan relatif sama sepanjang musim. Pada kondisi stasioner (2-3), maka reaksi fotolisis dan perusakan akan setimbang (dynamic equilibrium), Shetter (1983) dan Stevens (1987) menunjukkan bahwa fotoketunakan digambarkan pada persamaan berikut:

Nilai ekspektasi p = 1 (setimbang), yang merupakan hasil dari Persamaan (2-3). Dengan mempertimbangkan pembacaan variabel kimia sesaat pada Persamaan (2-7), Shetter (1983), menunjukkan bahwa proses fotoketunakan biasanya terjadi pada siang hari.

3. DATA DAN METODOLOGI

3.1 Data

Data yang digunakan pada penelitian ini, adalah data polusi udara yang meliputi N02, NO, O3 dan temperatur, untuk daerah Jakarta (stasion pemantauan polusi udara di Pulogadung Jakarta), yang pemantauannya dilakukan oleh P4-L DKI (Pusat Penelitian dan Pengembangan Perkotaan dan Lingkungan) Bapedalda DKI Jakarta. Data yang diolah adalah data berbasiskan rata-rata perjam (pukul 06.00 - 17.00) tahun 1997 selama periode 24 jam. Dari data temperatur diperoleh rentang

temperatur berkisar pada 25,1 - 34,2 "C. Di dalam pemrosesan data, beberapa data pendukung, seperti data penutupan awan (Cloud Cover), intensitas radiasi matahari UV, fluks radiasi ekstraterestrial, albedo, aerosol, dan faktor koreksi ketinggian lokasi sangat diperlukan sebagai data koreksi. Namun data pendukung ini belum diperhitungkan sebagai faktor koreksi dari hasil yang diperoleh, hal ini dilakukan mengingat keterbatasan data yang ada

3.2 Metode Pcrhitungan laju Fotolisis N 0 2 (J)

Metode perhitungan laju fotolisis N 0 2 (J) didasarkan pada data rata-rata perjam antara pukul 06.00 - 17.00 selama 1 tahun. Pembacaan data rata-rata N0 2 , NO, dan 03 secara terpisah juga dilakukan untuk mengecek/mengidentifikasi adanya proses fotoketunakan, dengan kriteria sebagai berikut: a. Jika setiap pembacaan tiga data berturutan (,.i),

Y(i) , Y (, . ;; berbeda lebih kecil dari 10 % terhadap data ke Y(o, maka dapat disimpulkan bahwa kemungkinan proses fotoketunakan telah terjadi pada waktu ke Y,. (Shetter, Stedman and West, 1983).

b. Fotoketunakan kebanyakan terjadi pada pukul 11.00-13.00 kemudian mcnurun dengan tajam pada sebelum dan sesudahnya.

Untuk identifikasi adanya proses fotoketunakan, seluruh data pada periode siang hari antara jam 06.00 - 17.00 diolah dan dipilih untuk data-data : Konsentrasi 0 3 , N0 2 , NO 0,005 ppm dan ratio NO/N02 S 3, dengan alasan bahwa :

a. Pada wilayah di daerah equator seperti kota Jakarta sering terselimuti oleh awan (cloud cover) sehingga menyebabkan adanya proses penurunan intensitas radiasi matahari khususnya radiasi ultraviolet, yang konsekuensinya terjadi gangguan pada pembentukan (formasi) 0 3 , sehingga mengurangi kemungkinan adanya proses fotoketunakan. Pada reaksi balik (perusakan ozon) NO + 03 => N 0 2 + 02 , jika konsentrasi 03 lebih kecil 0,005 ppm maka akan mengurangi kemungkinan adanya proses fotoketunakan (Stevens, 1987).

b. Bilamana nilai ratio NO/N02 3 ada kemungkinan bahwa data yang terekam adalah data tidak normal, atau ada kejadian yang tidak normal (seperti terjadi kepadatan transportasi, proses pembakaran yang tidak normal pada sekitar stasion pemantauan) dapat menyebabkan terjadinya peningkatan konsentrasi polutan NO yang tidak wajar.

4. HASDL DAN PEMBAHASAN

Gambar 4-1 menunjukkan variasi diurnal konsentrasi ozon, NO, dan N 0 2 sepanjang hari, hasil pengukuran selama periode tahun 1997. Pada kondisi

41

WartaLAPAN, Vol. 2 No.l.Januari-Maret 2000

siang hari (noon days) nampak adanya pola yang berlawanan antara konsentrasi ozon terhadap NO dan N02, hal ini menggambarkan adanya proses fotolisis N02 . Secara global konsentrasi NO akan lebih kecil dibandingkan dengan konsentrasi N02. Pada saat matahari mulai terbit, proses fotolisis akan berlangsung sehingga konsentrasi ozon akan meningkat, yang berakibat pada penurunan konsentrasi N02. Di samping terjadinya proses fotolisis NO2, atau proses pembentukan ozon, terjadi pula reaksi balik perusakan ozon oleh NO. Proses ini relatif lebih lambat dibandingkan proses fotolisis, hal ini terjadi karena adanya trigger (pemicu) radiasi ultraviolet pada reaksi fotolisis N02.

Proses fotolisis N02 (pembentukan ozon) dan proses perusakan ozon oleh NO berlangsung secara simultan, dengan laju proses pembentukan dan perusakan yang berbeda, akan berakibat terjadinya lime lag (pergeseran waktu pola variasi diurnal antara konsentrasi N02 dan ozon).

Gambar4-1 : Ploting hasil pengukuran variasi diurnal 03, NO, N02 tahun 1997 di Pulogadung Jakarta

Gambar 4-2 menunjukkan plot laju fotolisis N02 (J) rata-rata dan tiap jam selama tahun 1997, pada periode pukul 06.00 - 17.00, pada gambar tampak terjadi pola yang sangat menarik antara pukul 06.00 - 09.00. Pola yang terjadi ini lebih diakibatkan oleh : a. Adanya pola konsentrasi NO dan N02 yang

tinggi antara pukul 06.00 - 09.00, karena pola variasi diurnalnya, serta kemungkinan adanya aktifitas tranportasi yang meningkat pada jam-jam tersebut, mengingat lokasi pemantauannya pada daerah padat transportasi.

b. Perbedaan konsentrasi antara NO dan N02 pada pukul 06.00 - 09.00 relatif kecil dibandingkan pada kondisi siang hari, serta konsentrasi ozon pada pagi hari juga relatif kecil, (Gambar 4 - 1 ) .

c. Dari hasil pembacaan data NO, N02, dan ozon pada pukul 06.00 - 09.00 menunjukkan bahwa perbedaan data antara K06.00, Y 07.00, Y0.oo dan Y 09.00 perbedaannya lebih besar dari 10%.

Laju fotolisis N02 (J) selama pukul 09.00 -17.00, menunjukkan pola yang lebih baik dan normal, dimana perbedaan pembacaan data NO, N02, dan ozon pada jam yang ke Y ,., , Y, dan Y i+i lebih kecil dari 10 %, dan plot laju fotolisis NO^J) ini cenderung mengikuti pola intensitas radiasi matahari ultraviolet pada umumnya, yang mempunyai nilai maksimum pada pukul 12.00. Dari hasil perhitungan berdasarkan Persamaaan (2-4) diperoleh nilai rata-rata laju fotolisis N02 ( J ) = 8,03 x 10'3 s"1, selama tahun 1997, pada nilai kestimbangan antara p = 0.5 dan p = 1.8 (Gambar 4-3).

Pada Tabel 4-1, ditunjukkan perbandingan hasil perhitungan nilai laju fotolisis N02 (.1) peneliti dari beberapa kota, tampak nilai laju fotolisis yang diperoleh untuk kota Jakarta (Indonesia) tidak berbeda jauh dengan nilai-nilai hasil peneliti lain. Secara global perbedaan nilai laju fotolisis yang diperoleh untuk kota Jakarta relatif kecil (5 %) terhadap kota-kota lain. Hal ini menunjukkan bahwa hasil yang diperoleh untuk kota Jakarta cukup bagus dan rasional. Adanya perbedaan nilai laju fotolisis N02 (J) lebih diakibatkan oleh adanya perbedaan kondisi wilayah setempat, seperti background polutan, ketinggian lokasi, tingkat perawanan dan intensitas radiasi ultraviolet.

Gambar 4-2 : Nilai laju fotolisis N02 (.1) rata-rata tiap jam pada tahun 1997 di Jakarta

42

WartaLAPAN, Vol. 2 No.l, Januari -Maret 2000

Tabel 4-1 : PERBANDINGAN NILAI LAJU FOTOLISIS N0 2 (J) ANTARA KOTA JAKARTA DAN KOTA-KOTA LAIN

Gambar 4-3, menunjukkan perbedaan pola plot variasi diurnal Fotoketunakan NO/N02/03 (Photostasionary State) untuk wilayah Jakarta rata-rata pada bulan September 1997 dan rata-rata tahun 1997, serta untuk kondisi kota Johannesburg (Afrika Selatan) pada tanggal 16 September 1987 (Steven 1987). Tanda garis datar terpotong-potong menunjukkan nilai expectasi (p), (kondisi setimbang), yaitu kondisi laju pembentukan ozon dan perusakan ozon setimbang (Forward rate = Backward rate) atau kondisi kesetimbangan dinamis Persamaan (2-3). Pada keadaan alamiah, kondisi setimbang sangat sulit untuk diperoleh, atau diamati. Dengan mempertimbangkan pembacaan parameter-parameter kimiawai sesaat yang terjadi di atmosfer, maka nilai fotoketunakan dapat diperoleh kembali melalui Persamaan (2-7). Pada plot variasi diurnal fotoketunakan pada bulan September 1997 menunjukkan nilai yang menurun pada sekitar jam 12.00 (W1B). Kondisi ini menggambarkan bahwa secara rata-rata pada bulan September 1997, ada kecenderungan atmosfer di Jakarta (Pulogadung) mengalami penurunan intensitas radiasi matahari (UV), karena proses peliputan awan. Secara global dari perbandingan nilai variasi diurnal proses fotoketunakan yang terjadi untuk kota Jakarta dan Johannesburg, menunjukkan pola yang mirip, meskipun secara riil pada nilai-nilai tiap jamnya sangat berbeda satu sama lain. Hal ini menggambarkan bahwa peranan kondisi lokal (setempat) sangat berpengaruh.

Gambar 4-3 : Variasi diurnal fotoketunakan NO/N02/03 untuk kota Jakarta & Johannesburg

Gambar 4-4: Hubungan konsentrasi ozon dan nisbah NO/N02 pada J 8.03 x 10"5 s'' tahun 1997 di Jakarta

Pada Gambar 4-4 menunjukkan hubungan antara konsentrasi ozon dan ratio NO/N02, pada kondisi nilai laju fotolisis N02 (J) + 8.03 10'

3 S"1, selama jam 06.00 - 18.00 selama tahun 1997, sementara Gambar 4-5 menunjukkan gambar yang sama dengan Gambar 4-4 akan tetapi hanya pada bulan September 1997. Dari kedua gambar menunjukkan pola hubungan antara ozon dan ratio NO/N02 mempunyai pola yang mirip, begitu pula dengan kondisi pada bulan-bulan yang lain. Dari hasil ploting data Oj dan ratio NO/N02, seperti Gambar 4-4 dan 4-5 diperoleh adanya hubungan yang memenuhi persamaan Y = a X ~ , dimana Y = konsentrasi ozon, X = ratio NO/NO?, dan a,b adalah konstanta-konstanta yang mengikutinya. Secara rata-rata hubungan antara konsentrasi ozon dan ratio NO/N02 mempunyai faktor korelasi ( r ) yang besar, yaitu antara 0,92 - 0.95. Hal ini menggambarkan bahwa konsentrasi kedua parameter

43

Warta IAPAN, Vol. 2 No.l, Januari Maret 2000

itu mempunyai peran yang sangat penting sebagai prekursor ozon. Hubungan konsentrasi ozon dan ratio NO/NO2 untuk tahun 1997 memenuhi persamaan [03] = 13,939 [NO/N02] ~

0'5696, dengan korelasi 95 %, sementara untuk bulan September 1997[0,] = 8,604 [NO/N02] ~'

1M'*i dengan korelasi 92 %.

Gambar 4-5 : Hubungan konsentrasi Ozon dan nisbah NO/NO Pada J 8.03 x 10":

s"1 September 1997 di Jakarta

5. KESIMPULAN

a. Dari hasil pengolahan data 0 3 , NO, N0 2 , dan temperatur pada tahun 1997, untuk terminal Pulogadung Jakarta diperoleh nilai laju fotolisis N 0 2 (J) sebesar = 8,03 10"

3 s"1, belum dilakukan koreksi terhadap data radiasi UV, Cloud cover, albedo, dan aerosol sebagai faktor koreksi. Bila dibandingkan dengan perolehan hasil peneliti lain, maka nilai (J) yang diperoleh untuk Jakarta mempunyai perbedaan lebih kecil 5 %.

b. Pola plot laju fotolisis N 0 2 dan proses fotoketunakan NO/N02 /03 , mempunyai keccnderungan yang sama, yang mempunyai nilai maksimum pada pukul + 12.00, terjadinya fluktuasi nilai (J), dan (p), diakibatkan oleh pengaruh-pengaruh parameter atmosfer lokal, seperti fluktuasi radiasi ultraviolet dan perawanan.

c. Adanya hubungan yang sangat erat (r > 90 %) antara konsentrasi ozon dan ratio NO/N02 , yang memenuhi persamaan [Y] = a [X] "b . Hal ini menggambarkan bahwa NO dan N 0 2 sebagai prekursor mempunyai peran yang

sangat berarti (significant) terhadap konsentrasi ozon.

DAFTAR RUJUKAN

Anderson L.O, 1979, "Effect of Night-time Chemistry Upon The Transport of Ozone and Ozone Precursors", J.Air Pollut. Control Ass, V. 29, p.970-973.

Bahe F.C., Schurath U. and Backer K.B, 1980, " The frequency ofN02 photolysis at ground level as recorded by a continous actinometer". Atmospheric Envronment, V. 14, p. 711-718.

Disckerson R.R and Stedman D.H, 1980 "Precision of N02 photolysis rate measurement", Enmv. Sci. Technology, V. 14, p. 1261 - 1262.

Harvey R.B, Stedmen.D.H and Chemeides W, 1977, "Determination of absolute rate of solar

photolysys of N02", J.Air. Pollution control Ass, V. 27, p. 663 - 666.

Hiram Levy II, 1972, " Photochemistry Of The Lower Troposphere" Planet Space Sci. V.2, p. 919-935.

John H. Seinfield, 1986, "Atmospheric Chemistry and Physics of Air Pollution", John Wiley & Sun, A Wiley Interscience Publicution, p. 111-184.

Pamsh D.D, Murphy P.C., Albritton D.L, and Fehesnfeld F.C., 1983, "The Measurement of Photodissociation rate of N02 in the atmosphere" , Atmph.Env. , V.17, p. 1365 -1379.

Shelter RE. , Stedman D.H and West D.H , 1983, " The NO/N02/03 Photostasionary State in Clameront, California", J. Air Pollut. Control Ass. 33 ,p .212-214 .

Sickles.J.E, Ripperton L.A, Eaton W.C, and Wrigth R.S, 1977, "Diurnal sunlight intensity determined by nitrogen dioxide photolysis", A field study research Triangle Institute, North Carolina, report No. RT 1-1163/F3.

Stevens. C.S , 1987, " The NO/N03/03 Photostasionary State and Rate Of Photolysis OfN02 In Central Johannesburg" Atmospheric Environment V.21, No. 4 p. 799 - 805

Wakamatsu.S., Ogawa.Y., Murano. K., Goi. K. and Aburamoto. Y, 1983, "Aircrafts Survey of the Scondary Photochemical Pollutans Covering The Tokyo Metropolitan Area", Atmospheric Environment, V.17, p. 827 - 837.

Zafonte L., Rieger P., and Holmes JR . 1977, "Nitrogen dioxide photolysis in the Los Angles

Atmophere", Env. Sci. Technl., V. 11, p. 483 -487.

44