Galaksi

Radiasi matahari sumber energi utama untuk proses-proses fisika atmosfer.

Radiasi matahari merupakan gelombang elektromagnetik yang dibangkitkan dari fusi

nuklir dan mengubah hidrogen menjadi helium.

Sistem Tata Surya

III. RADIASI MATAHARI

Disajikan Pada:

PERKULIAHAN KLIMATOLOGI DASAR PROGRAM SARJANA FAPERTA UNLAM

Tujuan Pembelajaran 1. Menjelaskan bahwa radiasi matahari yang merupakan gelombang

elektromagnetik, selain sebagai unsur iklim juga berperan sebagai faktor pengendali iklim

2. Menjelaskan bahwa setiap benda yang mempunyai suhu > 0 K akan memancarkan radiasi menurut pangkat empat suhu permukaannya

3. Menjelaskan bahwa jarak antara matahari dan bumi, panjang hari, sudut datang matahari, dan atmosfer mempengaruhi penerimaan radiasi matahari di permukaan bumi

4. Menjelaskan bahwa gas-gas rumah kaca (CO2, H2O, CH4) menentukan fraksi radiasi yang datang dan ke luar atmosfer yang menentukan neraca energy pada permukaan bumi.

3.1. Pancaran Sinaran Matahari

Suhu permukaan matahari sekitar 6000K. Radiasi elektromagnetik ≈ 73,5 juta Wm-2.

Jarak matahari dan bumi ≈ 150 juta km.

Sinaran matahari yang sampai di permukaan hanya sekitar ½ dari 1360 Wm-2, akibat serapan dan pantulan oleh awan.

Radiasi di puncak atmosfer ≈1360 Wm-2.

3.2. Karakteristik Sinaran Matahari

dan Bumi

Setiap benda di alam, Ts > 0 K (atau -273ºC), akan

memancarkan radiasi);

F = ε ζ Ts4 (Hukum Stefan-Boltzman

F : pancaran radiasi (W m-2)

ε : emisivitas permukaan ≈ 1 untuk benda hitam,

untuk benda alam lainnya antara 0,9 – 1,0.

ζ : tetapan Stefan-Boltzman ≈ 5,67 10-8 Wm-2)

Ts : suhu permukaan (K)

Hukum Wien (λm) menyatakan bahwa semakin tinggi suhu permukaan, maka semakin pendek panjang gelombangnya;

λm = 2897/Ts

λm : panjang gelombang (μm)

Ts : suhu permukaan (K)

Radiasi matahari ≈ panjang gelombang antara 0,3 – 4,0 μm radiasi gelombang pendek.

Radiasi bumi (300 K) mempunyai kisaran panjang gelombang antara 4 – 120 μm radiasi gelombang panjang.

3.2.2. Spektrum matahari

Panjang gelombang Jenis Radiasi

< 0,001 μm Sinar X dan γ

0,001 μm – 0,200 μm Ultra violet jauh

0,200 μm – 0,315 μm Ultra violet menengah

0,315 μm – 0,380 μm Ultra violet dekat

0,380 μm – 0,720 μm Cahaya tampak

0,720 μm – 1,500 μm Infra merah dekat

1,500 μm – 5,600 μm Infra merah menengah

5,600 μm – 1,000 μm Inframerah jauh

> 1,000 μm Gelombang mikro dan radio

Tabel 3.1. Penggolongan radiasi matahari menurut panjang gelombang U

ltravio

let

Terlih

at

Infra

mera

h

3.3. Penerimaan Sinaran Matahari

di Permukaan Bumi

Penerimaan radiasi matahari di permukaan

bumi bervariasi menurut tempat dan waktu

1. Menurut tempat;

secara makro disebabkan oleh perbedaan letak lintang

dan keadaan atmosfer (awan).

secara mikro, jumlah radiasi yang diterima ditentukan

oleh arah lereng.

2. Menurut waktu, perbedaan radiasi yang diterima;

terjadi dalam sehari (dari pagi hingga sore hari)

Secara musiman (dari hari ke hari)

Faktor-faktor yang mempengaruhi penerimaan sinaran matahari di

permukaan bumi, secara makro

3.3.1. Jarak antara matahari dan bumi;

Jarak terdekat (Perihelion) terjadi pada tanggal 3 – 5 Januari.

Jarak terjauh (Aphelion) terjadi pada tanggal 5 Juli

M 91,5

Juta mil

94,5

Juta mil B

3.3.2. Jarak antara matahari dan bumi yang berbeda menyebabkan perbedaan kerapatan fluks (Wm-2) atau intensitas yang sampai di permukaan bumi;

4 π R12 Q1 = 4 π R2

2 Q2

Q1 = Q2 (R2/R1)

Lin

tasa

n M

ata

ha

ri

Konstanta Matahari

Nilai tetapan matahari: 1360 Wm-2 dengan variasi 1 – 2% akibat variasi pancaran radiasi di permukaan matahari.

56 x 1026 kal menit -1

S = --------------------------

4 π (1,5 x 1013 cm)2

= 2,0 kal cm-2 menit -1

= 2 ly menit-1 (1 langley = 1 kal cm-2)

= 1360 Wm-2

d=12.700 km

Jarak rerata matahari - bumi

(1,5 x 108 km ± 1,7%)

(32º D=1,42 X 106 km

Tetapan matahari (solar constant) merupakan radiasi matahari yang datang tegak lurus bumi, untuk jarak rata-rata matahari dan bumi selama setahun.

3.3.2. Panjang hari dan sudut datang

Panjang hari merupakan perbedaan

penerimaan kerapatan fluks

radiasi matahari dan periodenya

karena perbedaan tempat menurut

lintang.

Radiasi matahari yang sampai di permukaan bumi pada lintang dan waktu tertentu adalah;

Qs’ = η QA

Qs’: radiasi matahari di permukaan bumi pada hari cerah (Wm-2)

η : transparansi atau kerapatan optik atmosfer; 0,6-0,9

QA : radiasi Angot atau radiasi matahari yang sampai di puncak atmosfer.

QA = QA’ (R’/R)2

R’ : jarak rata-rata matahari-bumi

R : jarak matahari-bumi sebenarnya

QA’= QSO cos z

QSO: tetapan matahari, 1360 Wm-2.

z : sudut antara garis normal dengan

sinar datang (zenith angle)

z = sin Ф sin δ + cosФ cos δ cos h

Ф : letak lintang (º) dan

δ : sudut waktu ataun deklinasi matahari (24 jam = 360º)

Sudut datang adalah perbedaan penerimaan radiasi matahari di permukaan bumi pada waktu tertentu.

Radiasi yang diterima permukaan bumi per satuan luas dan satuan waktu disebut insolasi atau radiasi global.

Φ = Φ0 cos θ Φ : kerapatan aliran energi yang

diterima suatu permukaan

Φ0 : kerapatan aliran energi jika radiasi matahari jatuh pada posisi tegak lurus.

θ : sudut antara radiasi matahri dengan sumbu tegak lurus pada permukaan.

Batas atas atmosfer

A T M O S F E R

Permukaan Bumi

sore hari tengah hari

Teladan 3.1.

Suatu berkas cahaya

dengan intensitas 1000

Wm-2 jatuh pada suatu

permukaan. Sudut yang

terbentuk antara berkas

radiasi matahari dengan

permukaan penerima

adalah 30º.

Hitunglah kerapatan

aliran energi radiasi

matahari yang menerpa

permukaan tersebut

Penyelesaian Teladan

3.1.

Φ = Φ0 cos θ

Φ0 sebesar 1000 Wm-2

θ = 30º, cos 30º = 0,8660

Φ = 1000 Wm-2 x 0,8660

Φ = 866 Wm-2

3.3.3. Pengaruh atmosfer bumi

Radiasi matahari yang memasuki sistem atmosfer akan dipantulkan ke angkasa luar (r = refleksi), diserap (a = absorbsi) dan diteruskan (t = transmisi) berupa radiasi global, oleh gas, aerosol serta awan.

1 = r + a + t ;

1 = 0,3 + 0,2 + 0,5

Radiasi global (0,5) terdiri dari radiasi langsung (direct) dan radiasi baur (diffuse).

Absorbsi, a Absorbsi atmosfer:

selektif atau bergantung pada partikel tententu (uap air, O2, CO2, nitrogen, ozon) dan panjang gelombang yang datang.

Emisivity, e (daya pancar): kemampuan relatif suatu permukaan untuk memancarkan energi cahaya.

Nilai fraksi daya pancar dari suatu permukaan sama dengan daya serapnya (Hukum Kirchoff; a = e)

Teladan 3.2.

Intensitas penerimaan radiasi matahari pada permukaan sebesar 100 Wm-2. Sifat permukaan adalah opaque dengan daya pantul sebesar 0,32. • Berapa kerapatan aliran

energi radiasi yang diserap, dipantulkan dan diteruskan oleh permukaan tersebut ?

• Berapa intensitas pancaran radiasi oleh permukaan tersebut ?

Kerapatan aliran energi yang dipantulkan (r) oleh permukaan tersebut adalah sebesar 0,32 x 100 Wm-2 = 32 Wm-2.

Permukaan bersifat opaque (tak tembus cahaya),

jadi t = 0 Wm-2. Kerapatan aliran energi

yang diserap (a) adalah 1 = 0,32 + a + 0,0, maka a = 1 – 0,32 – 0,0 = 0,68.

Jadi a = 0,68 x 100 Wm-2. Intensitas pancaran radiasi

oleh permukaan adalah, hukum Kirchoff; a = e.

Jadi e adalah 68 Wm-2.

3.4. Neraca Energi pada Permukaan Bumi

Neraca energi pada suatu permukaan bumi ;

Qn = Qs + Ql - Qs’ – Ql’

Qn : radiasi neto (Wm-2)

Qs dan Qs; : radiasi matahari yang datang dan ke luar (Wm-2)

Ql dan Ql’ : radiasi gelombang panjang yang datang dan ke luar (Wm-2).

Albedo merupakan nisbah antara radiasi gelombang pendek (radiasi matahari) yang dipantulkan dengan yang datang pada suatu permukaan.

3.4.1. Radiasi Gelombang Panjang

Jumlah radiasi gelombang panjang dari suatu permukaan (rumus Brunt, 1932); Ql = ζ T4 (0,56 – 0,079 ea

0,5) (0,1 + 0,9 n/N)

Ql : radiasi gelombang panjang dari suatu permukaan bumi (Wm-2).

T : suhu udara

ea : tekanan uap air di udara (mb)

Untuk radiasi gelombang panjang yang datang < yang ke luar, maka; Qn = Qs (1 – α) – Ql

Qs : radiasi matahari yang terukur dengan solarimeter (Wm-2)

Ql : pancaran radiasi gelombang panjang (rumus Brunt, Wm- 2)

3.4.2. Neraca Energi

Qn = H + λ E + G + P

Malam hari; Radiasi matahari (Qs) = 0,

Radiasi neto (Qn) < 0.

Qn < 0 maka akan terjadi pendinginan (- H dan – G)

Siang hari; Qs > Ql dan Qn > 0

Qn > 0 digunakan untuk (1) memanaskan udara (+H), (2) penguapan (λ E ), pemanasan lautan/tanah (+G) dan < 5% untuk fotosintesis.

3.4.3. Pengaruh Rumah Kaca

Di atmosfer, uap air, CO2 dan methane (CH4) adalah penyerap radiasi gelombang panjang sempurna. Energi radiasi yang diserap oleh kedua gas tersebut akan dipancarkan kembali ke permukaan bumi diiringi oleh peningkatan suhu udara.

3.5. Pengukuran dan Pengolahan Data Radiasi dan Lama

Penyinaran Matahari

Alat pengukur radiasi matahari disebut solarimeter atau radiometer atau piranometer atau pirheliometer.

Permukaan penerima sekurang-kurangnya mempunyai dua elemen indera (hitam dan putih).

Waktu pengukuran; 06.00 – 18.00.

Intensitas radiasi matahari dinyatakan sebagai jumlah energi yang jatuh pada satuan luas permukaan tertentu dalam satuan waktu.

Cal cm-2 menit-1; Wm-2

3.5. Pengukuran dan Pengolahan Data Radiasi dan Lama

Penyinaran Matahari

Alat pengukur lama penyinaran matahari adalah jenis Campbell-Stokes dan Jordan.

Bola gelas pejal berdiameter 10 cm dan bertindak sebagai lensa untuk memusatkan radiasi matahari yang datang

Jam (06.00-18.00).

Penduga radiasi matahari, Qs.

Qs/QA = a + b n/N

n ; lama penyinaran aktual (jam)

N; panjang hari (jam)

Konstanta yang tergantung dari keadaan wilayah

Tugas Rumah Radiasi

1. Suatu benda transparan menerima cahaya dengan intensitas terpaan sebesar 100 Wm-2. Daya tembus cahaya pada benda tersebut adalah sebesar 0,70 dengan daya pantul sebesar 0,15.

Hitunglah berapa besar energi cahaya yang diserap oleh benda tersebut!

Hitung pula berapa besar energi yang dipancarkannya untuk dapat kembali pada status awalnya, sebelum menerima terpaan cahaya !

2. Mengapa albedo radiasi bumi sukar untuk ditentukan ?

3. Sebutkanlah sumber-sumber yang dapat merusak la-pisan atmosfer (Ozon) yang terdapat di rumah anda !