MODEL KONSEPTUAL SIKLUS NITROGEN

Muhammad Fahri. Univ. Brawijaya Malang 2009

Atmosphere

Kandungan Nitrogen (N) didalam dua lapisan atmospir paling rendah adalah arus penting isu lingkungan. Lapisan yang paling rendah, troposphere, jarak dari permukaan bumi atas sekitar 10 kilometer. Lapisan yang berikutnya, stratosfir, jarak dari bumi sekitar 10 sampai 50 kilometer hidup. Gabungan antara kedua lapisan sangat lambat. Radionuklida yang disuntik kedalam stratosfir selama uji coba senjata nuklir di atmosfir mempunyai seumur hidup menyerupai bulan sampai beberapa tahun pada stratosfir. Sebelum pencampuran kadang-kadang peristiwa secepatnya membawa bekas pengeboman ke troposphere di mana ingin umur hidup dari hari ke minggu sebelum disimpan pada permukaan bumi (Junge, 1963).

Berkenaan dengan siklus N di atmosfir (Graedel dan Crutzen, 1993), molekular nitrogen lemah (N2) menyusun lebih dari 99.9999% dari kehadiran N di atmospir. Nitro oxida (N2O), menyusun lebih dari 99% dari sisa N di atmospir, adalah suatu gas rumah kaca penting dan sangat penting untuk isu perubahan iklim. N2O dipancarkan dari alam dan sumber industri di permukaan bumi dan kemudian secara pelan-pelan bercampur ke dalam stratosfir dimana mempunyai endapan, yang pelan-pelan dihancurkan oleh penguraian kimia (umur hidup didalam stratosfir sekitar 170 tahun).

Di troposphere jejak gas sisa N adalah faktor penting dalam beberapa isu lingkungan sekarang, mencakup kualitas udara dan dampak pada mutu air sebagai hasil deposisi jejak gas N dan aerosol. Jejak campuran N ini, seperti amoniak (NH3) dan N oksida (NOx), dipancarkan ke atmospir dari alam dan sumber anthropogenik didalam biosphere, geosphere, dan hydrosphere. Walaupun troposphere adalah sekitar 10 kilometer dalam, kebanyakan dari jejak N didalam 1-2 kilometer bersebelahan pada permukaan bumi dibandingkan pada lapisan atmospir lain mempunyai kecepatan pengangkutan horisontal yang tinggi dan dapat menyimpan jejak N kembali ke lapisan lain pada jarak sepuluh, ratusan, atau beribu-ribu kilometer dimana awal disuntikkan ke dalam atmospir.
Sekali penyuntikkan ke dalam troposphere yang lebih rendah, jejak gas N dilaksanakan oleh proses berikut: pengangkutan horisontal (dengan angin badai), pencampuran dengan vertikal dan secara menyamping oleh pergolakan, bahan kimia dan perubahan bentuk phisik, dan deposisi dari atmospir. Proses yang kompleks ini akan menjadi pembahasan singkat di bawah ini.

Perubahan secara kimia didalam troposphere terjadi antara berbagai unsur berupa gas (reaksi kimia homogen) dan antara gas dan cairan atau partikel butiran padat (reaksi bahan kimia heterogen). Reaksi homogeneous antara NOx dan hidrokarbon mengakibatkan formasi ozon, salah satu kandungan utama didalam photochemical asap yang pertama diketahui Tahun 1950an di basin Los Angeles (Williamson, 1973). Radiasi matahari memandu sebagian dari reaksi penghasilan asap ini dan dikenal sebagai reaksi photochemical. Konsentrasi ozon udara yang berkenaan dengan lingkungan tinggi adalah udara berkualitas yang penting untuk menjadi perhatian baik di wilayah perkotaan besar seperti halnya kota besar. Perubahan bentuk atmospherik wilayah yang besar sebagian N inorganic, memancar ke atmospir, ke dalam gas organik-N. Suatu kombinasi bahan kimia dan perubahan bentuk phisik mengkonversi sebagian dari jejak gas N untuk menangkap partikel aerosol dalam berbagai ukuran.

N2 di atmospir tidak berguna bagi kebanyakan organisma sampai "difiksasi" atau mengkonversi ke suatu bentuk yang dapat secara kimiawi digunakan oleh organisme. Proses anthropogenik dan alami mengkonversi N2 ke nitrogen oksida pada gilirannya dikonversi dari atmospir ke nitrat dan kemudian akhirnya disimpan pada permukaan bumi. Pembakaran didalam mobil, pembangkit tenaga listrik dan lain sumber aktif dan industri mengkonversi N2 di atmosfir seperti N berada dibahan bakar ke nitrogen oksida. Denitrifikasi adalah suatu sumber nitrogen oksida penting pada atmospir. Tindakan alami gejala mengionisasi, seperti petir, mengkonversi N2 ke nitrogen oksida. Satu perkiraan (IPCC,1995) untuk sumber global NO dan NO2 pada berjuta-juta metrik tons/tahun unit N memberi suatu total nilai 52.6 dan puncak empat sumber sebagai : pembakaran bahan bakar fosil (24), pelepasan/release tanah (12), biomass pembakaran (8) dan petir (5). Perkiraan (IPCC,1995) untuk sumber N2O global adalah total nilai 14.7 dan sumber tiga besar adalah: samudra (3), lahan basah didalam hutan tropis (3) dan lahan ditanami anthropogenik (3.5).

Angin dan badai pada semua tempat didalam troposphere yang lebih rendah bergantian secara harian dan dari hari ke hari. Kecepatan putaran meningkat dengan tingginya maka jejak gas N yang dipancarkan dari cerobong asap tinggi mengandaskan mobil tingkatan tailpipes diangkut dengan cepat oleh angin kebawah dan harus dicampur hingga menuju ke permukaan bumi oleh badai sebelum molekul N dapat disimpan oleh saling interaksi dengan daun-daun, rumput, tanah, dan lain lain. Pencampuran dan pengangkutan di atmosfir membawa sumber emisi spesifik berbagai jejak gas N ke dekatnya dengan jejak emisi gas dari beratus-ratus sumber lain untuk memudahkan bahan kimia kompleks dan perubahan bentuk phisik terjadi. Sebagai contoh NH3 dari sumber ternak pada bentuk yang sederhana dapat bercampur dengan emisi mobil dan sumber belerang industri (S) dan N oksida beratus-ratus mil menurun (downwind) untuk menghasilkan partikel ammonium sulfat yaitu suatu komponen aerosol utama yang memproduksi peristiwa asap regional. Model ini telah menunjukkan bahwa suatu fraksi NH3 substansial dipancarkan oleh sumber dasar tingkatan yang disimpan didalam 1-100 kilometer sumber emisi; jika NH3 di atmosfir bereaksi dengan gas di atmospir untuk membentuk partikel diameter sub-micrometer, kemudian NH3 disimpan jauh lebih pelan mendorong ke arah pengangkutan 100an sampai 1000an kilometer (Ferm, 1998).
Deposisi N dari atmospir berperan untuk siklus N di geosphere, biosphere dan hydrosphere dan hingga ke isu lingkungan N sehubungan dengan lapisan ini. Adalah penting untuk memonitor besarnya perubahan terus menerus deposisidi atmosfir ini pada waktu dan ruang. Sebagai tambahan adalah penting untuk memahami faktor utama yang menentukan variasi perubahan terus menerus deposisi pada waktunya dan ruang dalam rangka memandu keputusan kebijakan yang dapat dijjadikan penerapan untuk mengurangi besar fluxes. Deposisi fluxes (perubahan terus menerus) dibagi menjadi dua komponen, basah dan deposisi kering. Deposisi basah mengacu pada N yang menyatu dengan hydrometeors (cairan dan penyelesaian air beku ke luar dari atmospir, seperti tetesan air hujan dan kepingan salju) atau ke dalam awan droplets dan mengaburkan droplets semua mengatasi sangat pelan-pelan atau disimpan oleh inertial impaction ke berbagai hal seperti pohon menjahit atau daun-daun atau bagian lain biosphere yang memperpanjang ke atmospir. Deposisi kering mengacu pada gas N dan partikel yang secara langsung saling berinteraksi dengan dan lengket; mendukung ke unsur-unsur geosphere, biosphere, dan hydrosphere yang berhubungan dengan atmospir. Komponen In-Cloud dan Below-Cloud proses deposisi basah dapat terjadi sepanjang keseluruhan troposphere dan ke dalam stratosfir. Itu adalah, hujan besar awan dapat meluas secara vertikal ke puncak troposphere dan deposisi ke dalam bagian yang lebih rendah di stratosphere. Secara operasional deposisi basah diukur dengan pengumpulan sampel hujan (hujan, salju, hail, dll.) untuk analisa unsur.

Deposisi basah via awan droplets jarang diukur tetapi bisa merupakan suatu perubahan terus menerus besar didalam tempat tertentu seperti hutan dengan elevasi tinggi (Johnson dan Lindberg, 1992). Deposisi kering pada umumnya ditentukan dengan perkalian konsentrasi jejak udara yang diukur gas N dan aerosol N oleh model memperoleh percepatan deposisi. Deposisi kering jauh lebih sukar untuk dimonitor dibanding deposisi basah dan mempunyai ketidak-pastian pengukuran lebih besar. Deposisi kering terjadi sejak awal. Deposisi basah terjadi hanya persen kecil dari jam satu tahun tetapi suatu proses perpindahan sangat penting; sebagai perkiraan kasar kita mengasumsikan deposisi basah tahunan dan deposisi fluxes kering adalah sama besar untuk jenis N dan S. Di sana tinggal jarak banyak didalam pengetahuan kita yang deposisi basah dan kering jenis N. Tempat kediaman tropospheric molekul N diukur basah dan deposisi kering terbentang dari beberapa menit ke minggu.

Kalkulasi kesetimbangan massa sering dilaksanakan untuk menerangkan aspek siklus N. Didalam teknik ini perubahan terus menerus massa berbagai jenis bahan kimia ke dalam dan ke luar dari suatu volume dipilih dan dihitung. Ketergantungan pada sasaran hasil studi memilih suatu volume yang seluruhnya di dalam suatu lapisan, atau suatu volume meliputi beberapa lapisan. Untuk belajar gejala seperti hypoxia didalam sungai dan danau satu kekuatan memilih suatu volume meliputi hydrosphere, geosphere, dan biosphere, dimana volume permukaan atas adalah alat penghubung antara tiga lapisan ini dan atmospir. Dalam studi demikian diperlukan kalkulasi fluxes N dari atmospir ini ke tiga lapisan lain. Seperti itu, seseorang memerlukan perkiraan dari basah dan deposisi kering dari atmospir ke permukaan bumi. Karena suatu penelitian spesifik, seperti seseorang menentukan deposisi di atmosfir untuk memilih lokasi hutan selama dua tahun periode (Johnson dan Lindberg, 1992), peralatan yang dioperasikan untuk mengukur fluxes. Karena deposisi ke area lebih besar, seperti di Batas air Sungai Mississippi (MRW), jaringan nasional monitoring data yang digunakan untuk perkiraan deposisi N. Sejumlah besar dari deposisi basah memonitoring lokasi didalam MRW, perkiraan nitrat dapat dipercaya (NO3-) dan ammonium(NH4+) pemecatan basah dapat dibuat, bagaimanapun, [itu] diketahui bahwa H4 data mungkin dibiaskan oleh suatu jumlah namun untuk secara menyeluruh terukur. Dua jenis ini adalah dominan jenis inorganik pada deposisi basah. Karena deposisi kering ke MRW monitoring lokasi yang banyak adalah tidak cukup.

Penggunaan perkiraan data deposisi bersih fluxes asam nitrit kering (HNO3), NO3- partikel, dan partikel NH4+ dapat dibuat. Suatu jarak penting bahwa NH3 gas tidak diukur jaringan nasional deposisi kering dari jenis ini sangat tidak bisa dipercaya dibuat. Karena belajar kesetimbangan massa untuk area yang besar seperti MRW seseorang dapat menghindari kebutuhan akan pengetahuan yang direduksi N (NH4+ dan NH3) fluxes di atmosfir dengan pengabaian volatilisasi NH3 dari sumber emisi seperti hewan feedlots dan aplikasi pupuk komersil untuk produksi panen. Karena area kecil (seperti batas air kecil) pendekatan ini tidak sah. Pengetahuan tentang jarak lain berhubungan dengan fakta bahwa N tidak dapat larut dan organik-N tidak diukur pada monitoring jaringan nasional. Mungkin, secara relatif tidak penting tetapi belakangan dirasakan menjadi penting dan perlu untuk ditujukan dengan penelitian. Sehingga perkiraan dari deposisi basah dan kering dari fluxes N di atmosfir dapat dibuat, ada kebutuhan untuk peningkatan perlu dipertimbangkan di dalam teknik monitoring.

Jenis N diukur sekarang ini beroperasi deposisi jaringan monitoring nasional, meliputi Illinois enam lokasi deposisi basah dan tiga lokasi deposisi kering. Dari database deposisi basah, nilai rata-rata untuk Illinois sekitar 3.4 Kg N/ha-tahun untuk deposisi N dari NO3- dan 3.3 Kg N/ha-tahun dari NH4+. Karena deposisi kering, didalam unit yang sama, nilai rata-rata adalah sekitar 0.1 dari NO3- partikel , 0.4 dari NH4+ partikel , dan 2.4 dari HNO3 uap air. Ini perkiraan deposisi kering berlaku pada area pertanian flat. Pada bagian lain status dengan lebih sedikit tanah lapang flat dan lebih banyak pohon untuk meningkatkan pencampuran laju turbulensi endapan kering dapat menjadi dengan sangat tinggi. NH3 tidak diukur di lokasi deposisi kering tetapi beberapa pengukuran pada akhir Tahun 1980an rata-rata konsentrasi sekitar 4 micrograms/m3. Penggunaan literatur khas percepatan deposisi kering untuk NH3 1 cm/sec memberi nilai deposisi NH3 sekitar 1.3. Pengukuran beberapa NH3 sepanjang tahun lalu menyatakan bahwa NH3 sekarang nilai-nilai dapat jadi dua kali dari nilai Tahun 1980an. Jumlah enam nilai deposisi adalah sekitar 11 Kg N/h A-Tahun. Ini nilai diperkirakan untuk Illinois adalah untuk deposisi N inorganik terlarut (DIN).

Prospero et al (1996) meninjau ulang beberapa penelitian melaporkan DIN. Literatur yang mereka kutip menyatakan bahwa DON menjadi sepadan dengan DIN untuk Samudra Atlantik Utara dan untuk skala global.

Konsentrasi jenis N di udara dan didalam hujan berganti musiman, dengan konsentrasi lebih tinggi didalam bagian tahun yang lebih hangat. Pola acuan mengenai konsentrasi ruang N dalam hujan dan N didalam deposisi digambarkan dengan peta pada lokasi web NADP.