Radiasi matahari dan bumi Bagian 1

by R.Larasati

Energi Alam Pada Sistem Bumi-Atmosfer

Energi didefinisikan sebagai kapasitas untuk melakukan kerja (energy is defined as the capacity for doing work). Energi alam di atmosfer terdiri dari empat bentuk yaitu energi radiasi, energi termal, energi potensial, dan energi kinetik. Energi radiasi adalah energi yang berhubungan dengan perambatan gelombang alektromagnetik melalui ruang dengan kecepatan cahaya. Energi termal adalah energi yang berkaitan dengan kemampuan benda atau substansi untuk menaikkan suhunya. Energi potensial merupakan energi yang timbul akibat posisi atau kedudukan suatu benda. Energi kinetik merupakan energi yang timbul akibat gerakan.

PerpindahanBahang/Energi

Ada tiga model dalam perpindahan bahang yaitu melalui radiasi, konduksi, dan konveksi. Radiasi merupakan perpindahan energi berupa rambatan gelombang elektromagnetik tanpa membutuhkan medium perantara. Contoh perpindahan energi matahari ke bumi, dan kehilangan  energi bumi melalui radiasi bumi ke angkasa yang intensif terjadi dari siang hingga malam hari dengan akibat makin mendinginnya bumi menjelang dini hari. Konduksi merupakan perpindahan energi dari suatu benda melalui gerak molekul – molekul benda tersebut tanpa gerakan eksternal (rambatan melalui medium yang diam). Contoh perpindahan panas dari ujung batang besi yang dipanaskan pada api ke ujung besi yang lain yang tidak dipanaskan.  Konveksi adalah proses perpindahan energi oleh gerakan massa melalui medium yang bergerak (fluida seperti udara (gas) dan cairan (air)). Dengan kata lain, konveksi adalah transportasi energi sesungguhnya (actual transport of energy). Perambatan terjadi dari udara/air yang bersuhu rendah.

Konsep Dasar Radiasi

Matahari adalah sumber energi utama bagi atmosfer, lautan, dan semua benda hidup yang ada di bumi. Energi terbentuk oleh adanya proses termonuklir dimana hidrogen dikonversi menjadi helium (massa dikonversi menjadi energi). Laju konversi sebesar 4 x 10pangkat6 ton setiap detik terjadi di inti (core) matahari. Radiasi yang dipancarkan berupa energi dengan osilasi medan elektromagnetik. Yang terpenting adalah karakteristik panjang gelombang yakni jarak antara dua puncak. Energi elektromagnetik bergerak melalui ruang hampa dengan kecepatan cahaya sebesar 3 x 10pangkat8 m s-1 . Radiasi matahari berbentuk spektrum/gelombang elektromagnetik bergerak dari matahari ke segala arah dengan kecepatan cahaya berbentuk tiga spektrum, yaitu :

1. Radiasi gelombang pendek (< 0.4 µm (mikro meter)) : efek letal (mematikan) dengan komposisi sinar gamma, sinar X, dan sinar U.V. Total 9% dari keseluruhan.

2. Radiasi tampak (visible light) pada panjang gelombang 0,4 – 0,7 µm dalam bentuk cahaya pelangi MJKHBNU (merah, jingga, kuning, biru, nila, dan ungu) sebanyak 41% mempunyai efek kehidupan terutama pada PAR (photosynthetic active radiation) : yakni bagian radiasi yang menyebabkan aktifnya fotosintesis.

3. Radiasi gelombang panjang (infra red) dengan panjang gelombang > 0,7 µm , mempunyai efek termal (panas) sebanyak 50%.

Karakteristik Matahari dan Bumi

Parameter Kajian Matahari Bumi
Bahan penyusun Helium, Hidrogen Batuan (litosfer), air (hidrosfer), dan udara (atmosfer)
Radius jari-jari 6,69 x 10pangkat5 km Kutub 6,357 x 10pangkat3 km ; Ekuator 6,378 x pangkat3 km
Bobot 333.434 x bobot bumi 5,9 x 10pangkat21 ton
Kecepatan Rotasi 25 hari 9 jam 24jam/hari
Suhu Permukaan di troposfer 6000 K , di bintik matahari (sunspot) 5923 K 300 K (rata-rata muka bumi

Hubungan Bumi- Matahari

Bumi dalam sistem galaksi Bima Sakti mengelilingi matahari yang disebut sebagai revolusi bumi dan berputar pada porosnya disebut rotasi bumi. Sistem seperti ini pertama kali ditemukan oleh Copernichus dan Galileo Galilei. Revolusi bumi terjadi dalam bentuk elips mengelilingi surya selama 1 tahun setara dengan 365,25 hari. Akibat revolusi :

1. Terdapat 3 jarak matahari – bumi :

  • jarak terdekat (perihelion) terjadi tanggal 1 januari dengan jarak 1,47 x 10pangkat8 km.
  • jarak terjauh (aphelion) pada tanggal 1 juli dengan jarak 1,52 x a0pangkat8 km.
  • jarak rata-rata 1,50 x 10pangkat8 km.

2. Jumlah hari dalam setahun menurut kalender syamsiah sebesar 365 hari dan pada tahun kabisat = 366 hari.

3. Ada empat posisi semu matahari terhadap bumi sehingga menimbulkan adanya fenomena 4 musim

Rotasi bumi adalah perputaran bumi pada porosnya dari arah timur ke barat yang akan menyebabkan :

  • Matahari terbit (sun rise) dari timur dan terbenam (sun set) di barat.
  • Pergantian diurnal (fenomena siang dan malam).
  • Beda waktu 1 jam setiap 15derajat garis bujur (longitude).

Periode sejak terbit matahari hingga terbenam dikenal dengan istilah panjang hari. Periode diurnal untuk wilayah tropis 12 jam dan 12 jam malam (relatif bergeser dalam hitungan menit). Sementara di lintang tinggi hingga kutub pergantian siang dan malam dapat melampaui 12 jam, bahkan kutub 6 bulan  siang dan 6 bulan malam.

Hukum – Hukum yang Berkaitan dengan Radiasi

1. Hukum Planc : mengungkapkan besarnya radiasi yang dapat dipancarkan oleh benda hitam (black body) semata – mata hanya ditentukan oleh suhu permukaan benda tersebut, dirumuskan sebagai :

dimana T adalah suhu mutlak (K) ; c1 adalah konstanta dengan nilai 3,74 x 10pangkat-16 W m-2 ; c2 adalah konstanta dengan nilai 1,44 x 10pangkat-2 m K.  Karena hampir semua kisaran panjang gelombang nilai eksponensial dalam persamaan jauh lebih besar dari 1, maka rumus tersebut dapat dituliskan sebagai berikut :

2. Hukum Wien : panjang gelombang rambatan energi radiasi tergantung dari tinggi atau rendahnya suhu, dituangkan dalam rumusan :

dimana λ adalah panjang gelombang maksimum (µm = mikro meter) ; T adalah suhu mutlak (K) ; dan α adalah tetapan Wien sebesar 2897 µm K. Panjang gelombang berbading terbalik dengan suhu. Suhu yang tinggi memiliki panjang gelombang yang pendek begitupun sebaliknya suhu yang rendah memiliki panjang gelombang yang panjang. Bandingkan panjang gelombang radiasi matahari yang bersuhu 6000 K dan radiasi bumi bersuhu 300 K, sehingga akan didapatkan bukti bahwa, matahari radiasinya adalah gelombang pendek pada bagian cahaya tampak dan infra merah dekat, sedangkan radiasi bumi radiasinya gelombang panjang pada bagian infra merah.

3. Hukum Stefan-Boltzmann : besarnya fluks radiasi yang dipancarkan suatu benda setara dengan pangkat empat suhu mutlak benda tersebut, dituangkan dalam rumusan sebagai berikut :

dimana R adalah fluks radiasi (W m-2) ; ε adalah emisifitas nilainya antara 0 sampai 1 : black body = 1,  = 0 dan grey body = 0 – 1 ; T adalah suhu mutlak ; dan σ adalah tetapan Stefan-Boltzmann sebesar 5,67 x 10pangkat-8 W m-2 K-4. Bila suhu tinggi, fluks radiasi yang dipancarkan suatu benda besar dan sebaliknya bila suhu benda rendah fluks radiasi juga rendah. Bandingkan radiasi matahari yang mempunyai suhu 6000 K dengan bumi yang suhunya kira-kira 300 K.

4. Hukum Kirchoff : pada benda hitam sempurna besarnya daya serap (absorbtivity) berbanding lurus dengan daya pancar (emisivity). Secara matematika dirumuskan sebagai :

5. Hukum Beer : besarnya penyerapan radiasi yang melalui suatu lapisan udara horizontal yang tebalnya dz adalah sebanding dengan banyaknya molekul per satuan luas yang terdapat dalam lapisan tersebut.

dimana ρ adalah kerapatan udara ; Ф  adalah sudut zenit ; kλ adalah koefisien penyerapan yang merupakan ukuran banyaknya molekul udara dalam selang satu satuan panjang gelombang yang menyerap radiasi pada gelombang tertentu (jadi merupakan fungsi dari komposisi udara, suhu dan tekanan udara).  Massa yang terdapat dalam volume yang dipotong oleh satu satuan luas yang dilalui oleh radiasi adalah ρ sec Ф dz . Jika ditarik integral dari ketinggian z hingga tak hingga akan diperoleh :

Lalu dengan menarik antilog persamaan tersebut menjadi :

dimana : 

Jadi intensitas radiasi mengecil secara monotonik dengan makin besarnya katebalan lapisan yang dilalui. σ λ  disebut tebal optik yang merupakan ukuan pengurangan kumulatif radiasi yang melalui suatu lapisan.

6. Hamburan Rayleigh : radiasi dihamburkan sebagai pangkat empat dari panjang gelombangnya. Bila hal ini terjadi maka sebagai indikator langit berwarna biru.

7. Hamburan MIE : bila ukuran partikel seperti debu dan asap lebih besar panjang gelombang radiasi surya yang datang, sebagai indikator langit berwarna putih abu-abu.

8. Suhu Efektif Surya (Te) : menggunakan hukum Stefan-Boltzmann dan konstanta surya. Bila energi total radiasi surya sama dengan yang diterima permukaan (konstanta surya), maka

dimana R adalah jari-jari matahari sebesar 6,96 x 10pangkat8 meter ; σ adalah tetapan Stefan-Boltzmann sebesar 5,67 x 10pangkat-8 W m-2 K-4 ; rM adalah jarak rata-rata bumi-matahari sebesar 1,50 x 10pangkat11 meter ; S adalah tetapan surya sebesar 1387 W m-2 .

sehingga besarnya suhu efektif matahari :

apabila semua dimasukan maka nilai Te adalah sebesar ± 6000 K