Radiasi Matahari dan Bumi

Radiasi Matahari dan Bumi

Pembelajaran kedua ini membahas tentang radiasi yang dipancarkan oleh matahari yang kemudian diserap oleh bumi dan juga ada yang dipantulkan kembali ke ruang angkasa. Suhu matahari diperkirakan sekitar 6000ºC dan memancarkan radiasi ke bumi sebagai gelombang pendek. Akibatnya, bumi yang kita tempati ini memiliki suhu rata-rata sekitar 15ºC.

Matahari itu sendiri merupakan sumber utama energi yang berpengaruh pada kondisi atmosfer, cuaca serta iklim di bumi ini. Radiasi yang dipancarkan akan sampai di puncak tertinggi atmosfer sebesar 1360 Wm². Kemudian sekitar 30% dari radiasi tersebut akan dipantulkan kembali ke angkasa luar.

Matahari memiliki komposisi unsur pembentuknya yaitu Hydrogen ( 75%) dan Helium ( 25%) dengan sedikit silikon, neon dan carbon. Inti dari matahari, memiliki ciri-ciri sebagai berikut :

•           Suhu mencapai 15.000ºK
•         Kerapatan 160.000 kg/m³
•         Dapat mengembang sekitar ¼ dari radius matahari
•         Mengalami reaksi thermonuklir sinar gamma dan sinar x

Penting !!!

Matahari adalah sumber energi utama, sedangkan bintang-bintang dan benda angkasa lainnya diabaikan.

Bagaimana panas dapat berpindah ..??

Panas dapat berpindah melalui 3 proses, yaitu

• ü  Radiasi        : Perpindahan panas dari molekul ke molekul. Perpindahan panas ini melalui gelombang eletromagnetic.
• ü  Konduksi          :  Perpindahan panas yang terjadi pada benda dengan Suhu berbeda pada benda yang berhubungan.
• ü  Konveksi               :  Perpindahan panas yang diikuti oleh pindahnya massa udara.

Energi radiasi elektromagnetic dari matahari terdiri dari paket-paket energi yang disebut Photon. Dimana besarnya energi tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut

Berikut ini adalah tabel dari gelombang elektromagnetic menurut panjang gelombang, frekuensi dan nomor gelombang

Kita harus tahu bahwa matahari mengemisikan 41% radiasi cahaya visible. 9% cahaya ultraviolet, 50% cahaya dekat Inframerah.

Hukum Kirchoff

Suatu objek yang mudah menyerap radiasi matahari juga akan mudah mengemisikan radiasi tersebut. Seperti contoh saat siang hari, daratan mudah menyerap panas dari matahari kemudian suhu permukaannya menjadi hangat. Begitu pula saat malam hari, daratan lebih mudah mengemisikan radiasi tadi ke atmosfer sehingga suhu permukaan menjadi dingin.

Energi yang diserap dan diemisikan oleh bumi kita ini memiliki perhitungannya tersendiri. Berikut ini merupakan Neraca energi di bumi :

Qn             : Radiasi netto ( Wm²)

Qs dan Qs : radiasi surya yang datang dan keluar(Wm²)

Ql dan Ql  : radiasi gelombang panjang yang keluar(Wm²)

• Radiasi surya (Qs)  bernilai 0 pada malam hari, radiasi netto (Qn) bernilai negatif.
• Siang hari Qs jauh lebih besar sehingga Qn positif.
• Qn yang positif akan digunakan untuk memanaskan udara (H), penguapan (λE), pemanasan tanah/lautan (G) dan kurang dari 5 % untuk fotosintesis (berlakiu bila tidak ada adveksi panas/pemindahan panas secara horisontal)

Keseimbangan Energi Global

Dari gambar diatas kita bisa mengetahui tentang keseimbangan energi yang ada di bumi kita ini. Pada awalnya energi dari matahari berjumlah 100%.  Kemudian beberapa diserap oleh atmosfer dan awan sebanyak 25%, namun 25% juga langsung dipantulkan. Selanjutnya ada juga energi yang langsung mengenai permukaan dan diserap oleh permukaan sebanyak 45% dan 5% energi dipantulkan oleh permukaan. Sehingga total energi yang dipantulkan oleh bumi kita ini adalah 30%.

Selain menyerap dan memantulkan energi, bumi kita ini juga mengemisikan energi ke atmosfer (outgoing infrared energi). Total energi yang dilepaskan kembali ke angkasa adalah 70%.

Radiasi matahari yang diterima di setiap tempat memiliki nilai yang berbeda-beda. Oleh karena itulah udara di sekitar kita dapat bergerak. Faktor-faktor yang mempengaruhi besar kecilnya radiasi di permukaan bumi adalah :

•  Sudut datang matahari (dari suatu titik tertentu di bumi)
• Panjang hari
• Keadaan atmosfer (kandungan debu dan uap air)

Atmosfer di Matahari

.   Photosphere

Ini adalah bagian yang terlihat dari matahari. Ketebalannya sekitar 500km. Lapisan ini merupakan lapisan yang mengemisikan radiasi matahari paling banyak. Suhu rata-rata sekitar 6000 K.

.   Chromosphere

Lapisan ini memiliki kerapatan yang rendah. Memiliki ketebalan ribuan kilometer.

.    Corona

Lapisan ini memiliki suhu yang sangat tinggi, yaitu sekitar 5.000.000 K. Above Corona is Magnetosfer

Apa yang akan terjadi pada Gelombang Pendek yang berada di puncak atmosfer. ?

Radiasi dari matahari pada puncak atmosfer, mulanya akan diserap oleh atmosfer itu sendiri. Selain itu, radiasi yang telah melewati atmosfer akan dipantulkan oleh awan serta partikel-partikel udara yang lain menuju angkasa.

Selain dipantulkan oleh awan, sebagian radiasi matahari sebagian akan sampai ke permukaan bumi. Kemudian diserap oleh permukaan bumi dan dipancarkan kembali ke atmosfer. Di atmosfer, sebagian radiasi dari permukaan akan diserap dan sebagian lagi akan langsung menuju ke angkasa.

Apa yang akan terjadi pada Radiasi Gelombang Panjang ??

Permukaan bumi kita ini memancarkan radiasi juga. Radiasi tersebut termasuk dalam radiasi gelombang panjang. Sebagian dari radiasi ini langsung menuju ke angkasa sehingga akan menyebabkan suhu di permukaan bumi menjadi dingin. Namun sebagian juga akan diserap oleh awan sehingga menjaga suhu di tempat tersebut tetap hangat.

Atmosfer dan awan pun juga demikian. Mereka juga memancarkan radiasi dalam bentk gelombang panjang di segala arah. Apabila radiasi tersebut menuju ke bawah (permukaan bumi), hal tersebut akan menjaga suhu bumi agar tetap hangat, namun apabila radiasi tersebut langsung menuju angkasa, maka akan menyebabkan suhu di bumi menjadi dingin.

   

Apabila bumi juga melepaskan energi , mengapa bumi tidak menjadi sangat dingin / membeku. ??

Jawaban untuk pertanyaan diatas adalah seperti gambar yang kita bahas tentang keseimbangan energi global. Dimana besarnya energi yang diterima adalah seimbang dengan energi yang dikeluarkan. 

Berapakah suhu yang dicapai bumi dalam keseimbangan energi global terseut ??

255 ºK / 18ºC

Berikut ini adalah keseimbangan rata-rata tahunan dalam radiasi energi Gelombang Pendek

Dari gambar diatas, kita tahu bahwa Gelombang Pendek adalah radiasi dari matahari. Jumlah awalnya adalah 100%. Kemudian 19% diserap oleh atmosfer dan awan. 51% diserap oleh permukaan bumi. Jadi total radiasi yang diserap oleh bumi adalah 70%.

Selain diserap, radiasi gelombang pendek tersebut juga dipantulkan langsung oleh atmosfer sebesar 6%, kemudian oleh awan sebesar 20%, dan oleh permukaan bumi sebesar 4%. Jadi total radiasi matahari yang lansung dipantulkan adalah 30%.

Citra Satelit

Pemanasan bumi dan atmosfer oleh insolansi

Jumlah energi yang diterima oleh bumi pada periode tertentu sebanding dengan jumlah energi yang hilang (radiasi gelombang panjang).

Variansi Insolansi

Jumlah insolansi ditentukan oleh beberapa faktor, yaitu :

§  Konstanta Matahari

Energi yang dipancarakan oleh matahari di batas luar atmosfer adalah sebesar 1.94 cal/cm²/menit. Jarak matahari dan bumi tergantung pada waktu nya. Saat Aphelion (1 Juli) adalah 94.5 juta mil, sedangkan saat Perihelion (4 Januari) adalah 91.5 juta mil.

§  Kejernihan Atmosfer

Banyaknya debu, aerosol, awan, uap air, dan gas-gas di atmosfer sangat berpengaruh dalam penerimaan energi dari matahari. Karena faktor-faktor tersebut sangat berpengaruh terhadap proses penyerapan dan pemantulan energi matahari.

§  Lamanya Penyinaran Matahari

Ternyata di setiap tempat di bumi ini memiliki panjang hari yang berbeda-beda. Tidak semuanya mendapatkan cahaya matahari selama 12 jam. Semua itu tergantung posisi matahari. Untuk materi yang lebih dalam akan dibahas pada bab selanjutnya. Untuk materi ini hanya akan dibahas tentang letak lintang serta lamanya penyinaran matahari terpanjang. Berikut ini adalah klasifikasinya :

§  Sudut Datang Matahari saat Siang Hari

Efek dari sudut datangnya matahari juga sangat berpengaruh. Karena matahari mengalami gerak semu, maka otomatis akan selalu berubah posisi cahaya datang dari matahari di tiap lokasi.

Prinsip utamanya adalah karena sudut matahari kecil maka insolansi juga akan kecil.