Temperatur dan Aliran Panas Tanah

By : Kemala Sari Lubis

Suhu : pengukuran keadaan panas suatu tubuh yang berhubungan dengan kemampuannya untuk memindahkan panas.

Suhu : pengukuran intensitas atau potensial energi atau pemanasan.

Suhu mengendalikan gerak untuk aliran panas dalam bentuk tekanan untuk aliran air.

diukur dalam tiga skala : Celsius (°C), Fahrenheit (°F), and Kelvin (K).

Suhu

Merupakan faktor terpenting mempengaruhi pertumbuhan tanaman.

Kisaran optimum suhu tanah untuk pertumbuhan tanaman antara 20 dan 30°C.

Pertumbuhan tanaman menurun secara drastis jika suhu kurang dari 20°C (suboptimal) dan di atas 35°C (supraoptimal)

Regm suhu tanah secara kuat dipengaruhi lingkungan edapik.

Pelepasan unsur hara untuk akar tanaman bergantung pada regim suhu.

Proses biologi (respirasi tanaman) bergantung suhu.

Suhu Tanah

R0 adalah tingkat pada suhu yang ditentukan T0, Q10 iadalah faktor yang berhubungan dengan perubahan suhu tiap 10°C.

Tingkat respirasi pada suhu T adalah sbb :

Menentukan laju dan arah proses fisik tanah, pertukaran energi dan massa dengan atmosfer, contoh : evaporasi dan aerase

Menentukan tipe dan laju reaksi kimia yang terjadi dalam tanah.

Mempengaruhi proses biologi : perkecambahan biji, pertumbuhan dan perkembangan benih, perkembangan akar dan aktifitas mikrobia.

Peran Suhu Tanah

1.Liquid-in-Glass Thermometer Ditempatkan langsung dengan tanah atau bahan, konduksi

panas antara termometer dan sekeliling tanah menyebabkan perubahan pada volume termometer (Childs et al., 2000; Scott, 2000). Akurasi suhu berkisar ±0.01 s.d ±4°C.

2.Electric Resistance Thermometer Didasarkan pada efek suhu thermoelectric atau

perubahan resistensi logam dengan perubahan suhu.

3.Termometer Bimetal Memiliki dua jalur logam, yang diikat bersama-sama

. Strip memiliki koefisien ekspansi suhu yang berbeda. Strip juga dihubungkan ke penunjuk.

Alat Ukur Suhu Tanah

4.Thermoelectric Thermometer Termometer yang media thermometric medium merupakan

suatu konduktor loga, yang mempunyai perubahan resistensi dengan suhu. Memperkirakan suhu dengan kisaran −260°C - 1235°C

5.Thermocouple Untuk pengukuran suhu tanah, weld tetap pada

suhu referensi sedangkan uang lainnya tetap kontak dengan tanah (untuk suhu antara −270 - 3000°C).

6.Remote Sensing Thermometer Berdasarkan monitor radiasi suhu, dapat mengukkur

suhu dari 50 - 6000 K (Childs et al., 2000).

Alat Ukur Suhu Tanah

Ada 3 bentuk :1. Radiasi : perpindahan energi terjadi dalam bentuk

gelombang elektromagnetik dari semua benda dengan suhu di atas 0oK.

Hukum Stephen-Boltzman : Jt = є σT4

Jt = energi total yang dikeluarkan suatu bendaє = koefisien pancaran yang bernilai 1,0 untuk

benda yang memancar sempurna (benda hitam)σ = konstantaT = suhu absolut pada permukaan benda

Perpindahan Energi Panas

Radiasi yang diterima oleh permukaan tanah dipengaruhi oleh :

1. Vegetasi2. Albedo, 3. Ketinggian permukaan (lattitude) 4. Distribusi lahan dan air

Faktor-faktor Mempengaruhi Insolasi pada Permukaan Tanah

Vegetasi merubah keseimbangan energi tanah dengan sejumlah cara :

(i) Merubah albedo, (ii) insulasi permukaan tanah untuk

mencegah pertukaran panas,(iii) Mengurangi kedalaman penetrasi radiasi

matahari dan (iv) Meningkatkan pemindahan panas laten

melalui evapotranspirasi.

Vegetasi

Bahagian radiasi matahari yang datang dan direfleksi kembali ke ruang tanaman atau tanah disebut albedo.

for forest canopies to 25% for nonequatorial crops at full ground cover

(Jury et al., 1991). The color of the soil is an important factor and affects the amount of

reflection, for example, a light-colored soil has higher albedo than a dark-colored soil.

Similarly a dry soil has higher albedo than a wet soil

Albedo

____________________________________________________________________________

Penutup/permukaan Albedo (%) Referensi________________ __________________________________________________Light sand (Dry) 30–60 Geiger (1965)Serozem (Dry) 25–30 Chudnovskii (1966)Serozem (Wet) 10–12 Chudnovskii (1966)Chernozem (Dry) 14 Chudnovskii

(1966)Chernozem (Wet) 8 Chudnovskii (1966)Clay (Dry) 23 Chudnovskii

(1966)Clay (Wet) 16 Chudnovskii

(1966)Forest 5–20 Geiger (1965)Corn (New York) 23.5 Chang (1968)Sugar cane (Hawaii) 5–18 Chang (1968)Pineapple (Hawaii) 5–8 Chang (1968)Potato (Russia) 15–25 Chang (1968)

Albedo tanah, hutan dan tanaman

angle at which the Sun’s rays meet the earth influences the amount of radiation

received per unit area because of two reasons: (i) the albedo is high because of the angle,

and (ii) radiation is subject to higher scattering reflection and adsorption, since they move

through more atmospheres.

Ketinggian Permukaan Tanah

Suhu tanah mempengaruhi :a. Perpindahan air tanahb. Ketersediaan air tanahc. Aerasid. Evaporasie. Sifat air : tegangan permukaan, viskositas, kerapatan

Panas yang disimpan dekat permukaan tanah memiliki pengaruh kuat terhadap evaporasi tanah.

Suatu yang lebih kering lebih cepat menghangatkan dan mendinginkan daripada tanah yang lebih basah karena kapasitas panas airnya lebih banyak.

Kepentingan Suhu Tanah

Radiasi adalah proses transfer panas dimana emisi energi ditunjukkan dalam bentuk gelombang elektromagnetik.

Energi radiasi lapangan dapat juga dilewatkan melalui suatu keadaan vakum karena tidak membutuhkan perantara.

Energi bergerak dalam bentuk paket diskret yang disebut kuanta atau photon, dengan demikian kandungan energi bergantung pada panjang gelombang atau frekuensi.

1. Radiasi

Hukum Wien : panjang gelombang dari intensitas radiasi maksimal λm dan berbanding terbalik dengan suhu absolut,

λm = 2900/T

λm = intensitas radiasi maksimal (mikron)

T =suhu absolut

Hukum Planck : Eλ= C1/5[exp(C2/λT)-1]

Dimana :Eλ= pengaliran energi yang dipancarkan pada

kisaran panjang gelombang tertentuC1 dan C2 = konstanta, T = suhu absolut

Radiasi

Hukum Stefan–Boltzmann : jumlah energi yang diterma oleh suatu tubuh ( Ji) meliputi semua panjang gelombang adalah sebanding dengan pangkat empat kekuatan suhu absolut tubuh (T), dan ditunjukkan seperti berikut :

Jt=σAT4

A irisan melintang suatu tubuh (m2), a adalah konstanta Stefan– Boltzmann

dalam satuan 5.675×10−8 Wm−2K4

Radiasi

Suhu permukaan tanah biasanya 300oK, radiasi yang dipancarkan oleh permukaan tanah mempunyai intensitas terbesar pada panjang gelombang sekitar 10 mm dan distribusi panjang gelombang permukaan tanah tersebut mempunyai kisaran nilai 3-50 mm (wilayah radiasi infra merah atau radiasi panas).

Radiasi matahari meliputi : cahaya yang terlihat dengan kisaran 0,3-0,7 mm, radiasi infra merah ( > 3mm), radiasi ultra violet ( < 0,3 mm).

Radiasi gelombang pendek : spektrum matahari yang jatuh ke permukaan tanah

Radiasi gelombang panjang : spektrum yang dipancarkan oleh bumi.

Kapasitas Panas :Radiasi

Konduksi merupakan mekansme transfer panas yang penting dalam tanah dan berhubungan dengan propagation panas dalam tanah atau lainnya melalui gerak molekular.

Proses konduksi panas analog dengan difusi dan keduanya menginginkan keseimbangan atau dapat juga merupakan campuran distribusi energi kinetik molekular.

2. Konduksi

Berlangsung dari lokasi yang lebih hangat menuju lokasi lebih dingin.

Hukum Fourier : aliran panas melalui konduksi dan secara makroskopik – ukuran konduksi energi panas melalui suatu irisan tanah digambarkan sbb :

Konduksi

Dimana qh adalah flux panas (Js−1), kT adalah konstanta atau

konduktivitas panas (Jm−1s−1K−1), A adalah daerah irisan melintang

(m2), T adalah suhu dalam dan ∂T/∂z adalah gradien suhu dalam

tingkat per satuan panjang dan kemiringan kurva jarak suhu.

Tanda negatif menunjukkan bahwa transfer panas terjadi secara langsung

menurunkan suhu..

Proses konveksi adalah transfer energi panas yang melibatkan pemindahan massa pembawa panas.

Infiltrasi dari air hangat menuju suatu tanah yang dingin membutuhkan transfer panas disebut proses konveksi.

Hukum Newton I tentang hukum pendnginan digunakan untuk menghitung flux energi yang masuk dan keluar dari suatu sistem :

qv=CvAv(Ts−T0) atau L*E

Dimana qv adalah fluks panas konveksi (Js−1 atau W), Cv adalah kapastas panas volumetrik (Jm−3K−1), v adalah kekentalan cairan (m s−1), Ts adalah suhu tanah yang berkontak dengan cairan (K), T0 adalah suhu cairan paling jauh dari permukaan (K), L adalah panas laten penguapan dan E adalah tingkat evaporasi.

3. Konveksi

Di dalam tanah , fenomena konveksi panas kurang penting namun selama infiltrasi dan redistribusi air di dalam profil tanah yang lebih dingin, konveksi energipanas menjadi penting.

Konduktifitas Panas beberapa Logam (Kal/cm/s/°C) Aluminium : 9.56 Copper :16.25 Gold : 2.44 Iron : 2.24 Platinum : 0.75 Silver : 7.05 Tungstun : 4.88

Konveksi

Yakni jumlah energi yang dibutuhkan untuk merubah suhu suatu tubuh sebesar 1°C oleh adsorpsi atau pelepasan panas.

Hubungan timbal balik antara volume dan kapasitas panas untuk tanah kering dituliskan sbb :

Cv=ρb*Cg Untuk tanah basah :

Dimana ρb adalah kerapatan lindak basah, w adalah kandungan air gravimetri dan θ adalah kandungan air volumetrik

Cv bergantung pada kompossi fase padatan yang terdiri dari kandungan bahan organik dan kandungan air tanah.

Kapasitas Panas Tanah

Kapasitas panas total dapat dihitung dengan memperhitungkan masing-masing volume bahan (de Vries, 1975) seperti berikut :

Cv=Σ(fsiCsi +fwCw +faCa)

fsi = fraksi mineral fw = fraksi airfa = fraksi udara

Kapasitas Panas Total

Perhitungan Konduktivitas Panas pada Kondisi Tetap

Suhu diukur pada beberapa posisi yang berbeda seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas

Asumsi datum pada titik A, i.e., z=0 pada titik A1 fluks panas yang melewati tanah dan piring kaca adalah sama , kaca dan gelas bersentuhan dengan baik dan pemindahan panas lateral terjadi.

Jika suhu diukur pada piring di titik A adalah T0

Hukum Fourier’s tentang fluks panas kolom melintang dan datar tanah dapat dihitung sbb :

qh = - KT (T2-T0)/d

Dan

qh = -KT (T3 – T2)/d

Perhitungan Konduktifitas Panas Tanah

1.Mulsa Mulsa berwarna terang (seperti : serasah

chopped, mulsa plastik) memantulkan radiasi matahari yang datang dan mengurangi jumlah fluks radiasi mencapai permukaan tanah, selanjutnya menurunkan suhu tanah.

2.Pengolahan3.Irigasi4.Drainase5.Tanaman penutup dan naungan6.Aplikasi pupuk gelap/cerah

Pengelolaan Suhu Tanah

Light-colored mulch(aluminium foil) decreases soiltemperature (Lal, 1975)

Pengolahan baris tanam meningkatkan suhu permukaan tanah

melalui peningkatan areal yang terpapar matahari dan kelembaban tanah.

Pada permukaan 5 cm, atau daerah pembibitan tanah yang tidak diolah bisa lebih hangat secara lebih lambat di musim semi dan dingin lebih lambat di musim gugur daripada tanah yang diolah.

Di bawah permukaan 5 cm, di daerah perakaran , tanah yang tidak diolah bisa lebih hangat dan lebih basah dari musim salju hingga semi.

Variasi amplitudo suhu pada permukaan lebih besar pada tanah diolah daripada tidak diolah karena konduktifitas panas lebih besar pada tanah diolah daripada yang tidak diolah.

Amplitudo menurun lebih cepat pada tanah diolah daripada tidak diolah. van Duin, 1956).

Pengolahan

Pengolahan barisan tanam dapat menurunkan suhu minimum dan meningkatkan suhu maksimum tanah

Irigasi dengan air dingin selama musim panas menghasilkan penurunan suhu permukaan tanah.

Drainase berpengaruh besar terhadap suhu tanah.

Irigasi

____________________________________________ Jarak dari aliran (m)____________________________________________Pengolahan 0 9 27____________________________________________No-till 6.2 6.1 6Ridge-till 5.4 5.3 5.1Plow-till 6.2 5.8 5.5Beds 6 5.7 5.7_____________________________________________Source: Modified from Fausey and Lal, 1989.

Efek Pengolahan dan Drainase Terhadap Rata-Rata Suhu Harian Maksimum Tanah ( °C)

Irigasi menurunkan suhu tanah di musim panas

Jika kerapatan partikel tanah adalah 2.65×103kg/m3, dan kerapatan lindak 1.45×103kg/m3, tanah dalam kondisi jenuh air.

Hitunglah kapasitas panas volumetrik (Cv) tanah jika kandungan bahan organik adalah 15% dari massa padat.

Diketahui kapasitas panas volumetrik mineral = 2×106, kapasitas panas bahan organik dan kapasitas panas air masing-masing 2.5×106, and 4.2×106 J/m3.

Contoh Soal 1

Porostas total tanah dapat dihitung sbb :

Karena fraksi volume air jenuh sama dengan porositas, maka :

Fraksi padat volumetrik =1 − 0.453=0.547 Fraksi bahan organik=0.547*0.1 =0.0547 Fraksi bahan mineral = 0.547*0.9=0.492 Selanjutnya kapasitas panas volumetrik dapat dihitung sbb :

Cv =fmCm +f0C0 +fwCw

Cv=0.492*2*106+0.0547*2.5*106+0.453*4.2*106 = 4.25*106 J/m3

Jawaban

Perbedaan suhu dari suatu contoh tanah dengan tebal irisan melintang 30 cm adalah 20°C. Hitunglah fluks suhu dan pemindahan panas total dalam keadaan tetap selama 1 jam.

Konduktifitas panas tanah sebesar 1.6 J/ m/s/ °C.

Contoh Soal 2

Fluks panas kolom tanah adalah sbb :

Transfer panas total dalam 1 jam = qh*t= 106.67 x3600=3.84×105J/m2

Jawaban