Konsep Fisis Beragam Ukuran Kelembapan Udara dan Contoh Perhitungannya

Climate4life.info - Apa itu kelembapan udara? Bagaimana kaitannya dengan rasa gerah atau nyaman yang kita rasakan pada suhu udara tertentu?

Kelembapan udara adalah ukuran untuk menjelaskan keberadaan uap air pada udara di sekeliling kita. Fenomena terjadinya kabut, embun hingga hujan dan salju berkaitan dengan adanya uap air tersebut.

Daftar Isi

• Keunikan Uap Air
• Kelembapan Udara dan Rasa Nyaman
• Ragam Ukuran Kelembapan Udara
  • Kelembapan mutlak (a) atau juga densitas uap (𝛿v)
  • Mixing ratio (r)
  • Kelembapan Nisbi (RH)
  • Kelembapan Spesifik (q)
  • Suhu titik embun atau dew point (Td)
• Konsep Fisis Perhitungan Kelembapan Udara
• Contoh Perhitungan Kelembapan Udara
• Kalkulator Kelembapan Udara Online
• Referensi:

Keunikan Uap Air

Uap air adalah air dalam bentuk gas di atmosfer. Air adalah satu-satunya zat yang memiliki tiga bentuk di udara berupa gas yaitu uap air tersebut, bentuk cair misalnya embun dan butiran hujan serta bentuk padat berupa es atau salju.

Artikel terkait:
Sifat fisis atmosfer, uap air dan laju penurunan suhu udara di atmosfer alert-info

Kelembapan Udara dan Rasa Nyaman

Saat kita merasa gerah ataupun tidak nyaman dengan udara sekitar kita, itu berkaitan dengan tingkat kelembapan udara.

Tubuh kita menghasilkan keringat untuk membantu kita tetap dingin, tetapi itu hanya berfungsi jika keringat menguap, karena penguapan adalah proses pendinginan. 

Jadi ketika kelembaban relatif udara tinggi, artinya udara memiliki kadar air yang tinggi, maka proses penguapan keringat akan melambat. Hasil? Akan terasa lebih panas pada kulit kita. 

Hal sebaliknya terjadi jika udara sangat kering.

• Udara pada musim kemarau justru lebih banyak menampung uap air

Ukuran kenyamanan kita disebut Heat Index yang dihitung berdasarkan suhu udara dan kelembapan udara.

Ragam Ukuran Kelembapan Udara

Ada banyak cara untuk menyatakan keberadaan uap air dalam atmosfer, di mana masing-masing punya tujuan penggunaan atau penerapannya.

Kelembapan mutlak (a) atau juga densitas uap (𝛿v)

Merupakan ukuran jumlah aktual uap air dalam gram pada setiap 1 m³ kolom udara tanpa memandang tingkat suhu udara pada saat itu. 

Semakin tinggi jumlah uap air, semakin tinggi kelembaban absolut. 

Misalnya terdapat sekitar 15 gram uap air dapat ada dalam 1 volume meter kubik udara maka kita nyatakan bahwa kelembapan mutlak saat itu adalah 15 $gr/m³$.

Mixing ratio (r)

Merupakan perbandingan campuran antara massa uap air $M_v$ dan massa udara kering $M_d$. Rasio pencampuran dihitung dengan cara yang berbeda tergantung pada data terkait yang ada, misalnya hanya kerapatan udara atau kelembapan relatif.

Kelembapan Nisbi (RH)

Menyatakan prosentase perbandingan tekanan uap air $e$ dan tekanan uap air jenuh $e_s$ pada suhu yang sama. Disebut nisbi atau relatif, karena jika suhu udara berubah maka RH juga akan berubah.

RH tidak mencerminkan jumlah uap air, namun hanya menggambarkan seberapa dekat udara untuk mencapai titik jenuhnya.

Udara yang hangat lebih banyak mengandung uap air dibanding udara yang lebih dingin. Sehingga, pada tingkat kelembapan absolut yang sama, RH pada udara dingin lebih tinggi dibanding pada udara yang hangat dan sebaliknya.

Kelembapan Spesifik (q)

Menyatakan perbandingan berat uap air $M_v$ dalam gram dengan berat udara lembab $M$ dalam kilogram. Udara lembab merupakan total penjumlahan dari berat udara kering $M_d$ dan berat uap air $M_v$.

Jika misalnya terdapat 4 gram uap air dalam 1 kilogram udara lembab, maka kelembapan spesifiknya  adalah 4 $gr/Kg$.

Suhu titik embun atau dew point (Td)

Suhu titik embun $T_d$ didefinisikan sebagai suhu dimana udara basah menjadi jenuh jika didinginkan pada  tekanan konstan, tanpa ada penambahan dan pengurangan uap  air.

$T_d$ merupakan indikator yang baik tentang jumlah uap air dalam udara.

$T_d$ yang tinggi mengindikasi jumlah uap air yang tinggi dan sebaliknya $T_d$ rendah berarti rendah pula jumlah uap airnya. Penambahan uap air akan meningkatkan $T_d$ dan pengurangan uap air akan menurunkan $T_d$.

Jika udara benar-benar jenuh pada tingkat tertentu, maka suhu titik embunnya sama akan dengan suhu udara sebenarnya, maka kelembaban relatifnya adalah 100 persen.

Konsep Fisis Perhitungan Kelembapan Udara

Tekanan Uap Jenuh (e_s)

Derivatif dari  persamaan Clausius–Clapeyron memberikan hubungan uap air pada atau mendekati kondisi atmosfer standar (suhu dan tekanan) yaitu:

$e_{s}=\frac{L_{v}\ T}{R_{v}}\left ( \frac{1}{T}-\frac{1}{T_{0}} \right ) \tag {1}$

di mana:

• $e_s$ = Tekanan uap jenuh (dalam Pa, hPa atau mb)
• T = suhu udara (K, °C)
• $L_v$ = Panas laten spesifik atau penguapan dari air
• $R_v$ = Tetapan uap air  (461 J/K/kg)
• $T_0$ = 273,15 K

Persamaan di atas menunjukkan $e_s$ hanya menjadi fungsi dari suhu udara dengan $L_v$ juga bergantung pada  suhu, jika dalam °C maka besarannya adalah:

$L_v(T)$ =2501-2,361 (T+273,15)
$\tag{2}$

Secara umum $e_s$ lebih sering dihitung menggunakan persamaan empiris Teten yang merupakan bentuk khusus persamaan Clausius–Clapeyron di atas yaitu menjadi:

$e_{s}=a\cdot exp\left ( \frac{b\ T}{T+c} \right ) \tag {3}$

di mana $a$, $b$ dan $c$ adalah konstanta dengan $T$ dalam °C.

Jika T > 0 °C, atau dalam fasa cair, maka:

$e_{s}=6,1078\cdot exp\left ( \frac{17,27\ T}{T+273,3} \right )$

$\tag{4}$

Jika T < 0 °C, atau di bawah titik  beku, maka berlaku:

$e_{s}=6,1078\cdot exp\left ( \frac{21,875\ T}{T+265,53} \right )$

$\tag{5}$

di mana $T$ dalam °C dan $e_s$ dalam hPA (mb).

Tekanan Uap Aktual (e)

Untuk mendapatkan tekanan uap aktual  $e$ maka berlaku persamaan:

$$e= e_{s,wet}-p\cdot \gamma (T_{dry}-T_{wet})$$

$\tag{6}$

$e_{s,wet}$  adalah tekanan uap jenuh berdasarkan temperatur bola basah (TBB) yang dihitung menggunakan persamaan (4) atau (5) di atas.

• Konsep fisis penggunaan Termometer Bola Basah dan Bola Kering pada pengamatan cuaca dan iklim

$p$ adalah tekanan udara di mana dalam perhitungan biasanya menggunakan nilai tekanan udara standar yaitu 1013,25 mb.

𝛾 adalah konstanta psikometer termodinamis dengan nilai 6,66 10⁻⁴ °C⁻¹.

$T_{dry}$ adalah suhu temperatur bola kering (TBK) dalam °C. Adapun $T_{wet}$ adalah suhu temperatur bola basah (TBB) dalam °C.

Defisit Tekanan Uap (VPD)

Vapor pressure deficit (VPD)  atau Defisit Tekanan Uap adalah ukuran berapa banyak upa air di udara dengan jumlah maksimum uap air yang dapat ditampung pada udara tersebut, maka secara berlaku:

$$VPD = e_{s}-e \tag{7}$$

Kelembapan Nisbi (RH)

$$RH = \frac{e}{e_s}\cdot 100 \% \tag{8}$$

Kelembapan Spesifik (q)

$$\begin{align*} q &=\frac{m_{v}}{m_{d}+m_{v}} \\ &= \frac{\sigma_{v} }{\sigma }\\ &=\frac{R_{d}\ e}{R_{v}\ p} \tag{9} \end{align*}$$

di mana:

• $𝛿_v$ = kerapatan uap air
• 𝛿 = kerapatan udara
• $R_d$ = Tetapan konstanta udara kering  (287 J/K/kg)

Perbandingan $R_d$/ $R_v$ dianggap tetap, maka:

$$\begin{align*} \varepsilon &=\frac{R_d}{R_v} \\ &= \frac{287}{461}\\ &= 0,622 \end{align*}$$

Maka, 

$$q=0,622\frac{e}{p} \tag {10}$$

Kelembapan Absolut (a)

$$\begin{align*} a &=\frac{m_v}{V}\\ &=\sigma_v \\ &=\frac{e}{R_v\ T} \tag {11}\end{align*}$$

Mixing Ratio (r)

Mengacu weather.gov, mixing ratio (r) aktual dihitung menggunakan persamaan berikut:

$$r= 621,97 \left ( \frac{e}{p-e} \right ) \tag {12}$$

di mana $p$ adalah tekanan dalam milibar. Untuk mendapatkan mixing ratio jenuh $r_s$ cukup mengganti $e$ dengan $e_s$.

Contoh Perhitungan Kelembapan Udara

Pada pengamatan sebuah stasiun klimatologi diketahui pembacaan suhu udara pada termometer dalam sangkar meteorologi sebagai berikut:

• Temperatur Bola Kering $T_{dry}$= 25,5 °C
• Temperatur Bola Basah $T_{wet}$= 20,1 °C

Maka:

1. Tekanan uap jenuh (e_s)

Karena T > 0 °C, maka kita gunakan persamaan (4);

Untuk $T_{dry}$:

$e_s=6,1078\ exp\left ( \frac{17,27\ \text{x}\ 25,5}{25,5 +237,3} \right )$

$e_s =$ 32,63 hPa 

Ini artinya udara pada suhu 25,5 °C dengan tekanan udara standar 1013,25 mb dapat menampung uap air hingga tekanannya mencapai 32,63 hPa.

Untuk $T_{wet}$:

$e_{s,wet}=6,1078\ exp\left ( \frac{17,27\ \text{x}\ 20,1}{20,1 +237,3} \right )$

$e_{s,wet} =$ 23,53 hPa  

2. Tekanan Uap Aktual (e)

Berdasarkan persamaan (6) maka:

$e= e_{s,wet}-p\cdot \gamma (T_{dry}-T_{wet})$

 

e = 23,53 - 1013,25 x 6,66/10⁴ x (25,5 - 20,1)

e = 19,89 hPa = 1989 Pa

Artinya, pada bola basah 20,1 °C pada tekanan udara standar 1013,25 mb, uap air yang ada tekanannya mencapai 19,89 hPa.

3. Defisit Tekanan Uap (VPD)

Berdasarkan persamaan (7) maka:

    $VPD = e_{s}-e$

    $VPD =$ 32,63 - 19,89

    $VPD =$ 12,74 hPA

Menunjukkan bahwa sisa tekanan uap yang diperlukan hingga kemudian udara menjadi jenuh dengan RH menjadi 100%.

4. Kelembapan nisbi (RH)

 Berdasarkan persamaan (8):

    $RH = \frac{e}{e_s}\cdot 100 \%$

    $RH = \frac{19,88}{32,63}\cdot 100 \%$    

    RH = 60,96 %

Artinya tingkat kejenuhan udara pada suhu 25,5 °C dan suhu bola basah 20.1 °C pada kondisi tekanan udara standar baru mencapai 60,96 %.

5. Kelembapan Spesifik (q)

Mengacu persamaan (10) maka:

    $q=0,622\frac{e}{p}$

    

    $q=0,622 \cdot \frac{19,89}{1013,25}$

    $q = 0,0122098\ kg/kg$

    $q = 12,21 gr/kg$

6. Kelembapan Absolut (a)

Mengacu persamaan (11) maka:

    $a =\frac{e}{R_v\ T}$

    $a =\frac{1989}{461\ T}$,  T dalam Kelvin

    $a =\frac{1989}{461\cdot (25,5 + 273,15})$, t dalam ( °C)

    $a = 0,01445\ kg/m³$

    $a = 14,45\ gr/m³$

7. Mixing Ratio (r)

Mengacu persamaan (12) maka ratio percampuran (r) aktual sebagai berikut:

    $r= 621,97 \left ( \frac{e}{p-e} \right )$

    $r= 621,97 \left ( \frac{19,89}{1013,23-19,89} \right )$

    $r = 12,45$

Kalkulator Kelembapan Udara Online

Untuk memudahkan perhitungan berbagai ukuran kelembapan udara tersebut, dapat menggunakan kalkulator online di sini.

Tampilan kalkulator online berbagai parameter ukuran kelembapan udara

Demikian pembahasan beragam ukuran kelembapan udara, konsep fisis kelembapan udara dan contoh perhitungan rumus kelembapan udara.

Referensi:

• Branislava Lalic dkk - Agricultural Meteorology and  Climatology
• https://en.wikipedia.org/wiki/Vapour-pressure_deficit
• https://www.weather.gov/lmk/humidity
• https://www.weather.gov/media/epz/wxcalc/mixingRatio.pdf
• Gambar feature: https://dutchreview.com, edited on canva

Climate4life.info mendapat sedikit keuntungan dari penayangan iklan dan digunakan untuk operasional blog ini.

Jika menurut anda artikel ini bermanfaat, maukah mentraktir kami secangkir kopi melalu "trakteer id"?

Dukung Saya di Trakteer