Kesetimbangan Energi di Bumi

Radiasi dan Kesetimbangan Energi

Osilasi medan listik dan medan magnet memiliki sifat saling tegak lurus di lapisan atmosfer. Pertukaran energi tersebut melalui radiasi gelombang elektromagnetik. Karena hal tersebut, nilai dari suhu sangat berpengaruh.

Kita ingat kembali teori tentang gelombang dan photon :

v  Energi photon tinggi    à Radiasi gelombang Pendek

v  Energi photon rendah à Radiasi gelombang Panjang

Hukum Plank

Dalam pernyataannya, Plank menjelaskan bahwa energi yang keluar dari blackbody merupakan fungsi dari panjang gelombang. Emisi tersebut sangat sensitif dengan fungsi gelombang.

Berikut ini merupakan ilustrasi dari penjelasan di atas 

Radiasi dari Matahari (Solar) dan Bumi (Planetary)

Bumi kita ini menerima energi dari matahari dalam banyak gelombang. Namun kebanyakan adalah pada panjang gelombang visible dan panjang gelombang pendek. Kemudian bumi mengemisikan radiasi yang diterimanya tadi dalam beberapa suhu (thermal). Karena suhu matahari dan bumi berbeda, matahari disebut Solar dan bumi disebut Planetary.

Berikut merupakan klasifikasi radiasi gelombang elektromagnetik

Berdasarkan Sumbernya

-          Solar Radiation        : Radiasi yang berasal dari Matahari

-          Terrestial Radiation  : Radasi yang berasal dari Bumi

Berdasarkan Namanya

-          Ultraviolet, visible, micro, infrared, dan sebagainya

Berdasarkan Panjang Gelombang

-          Gelombang Pendek       :  < 3 micrometer

-          Gelombang Panjang      :  > 3 micrometer

Menurut kalian, apa yang terjadi pada radiasi dari matahari yang mengenai atmosfer ??

Radiasi energi dari matahari yang melewati atmosfer akan mengalami 3 proses, yaitu

-          Absorbed             : Diserap oleh lapisan atmosfer

-          Reflected              : Dipantulkan oleh lapisan atmosfer

     Transmitted         : Menembus lapisan atmosfer

Gerak Semu Matahari

Matahari yang selama ini kita lihat ternyata tidak selalu berada di atas kita. terkadang matahari lebih cenderung ke arah utara, namun terkadang juga lebih cenderung ke arah selatan. Gerak tersebut disebut gerak semu matahari.

Berikut ini adalah posisi matahari terhadap bumi pada waktu-waktu tertentu :

Pada ilustrasi diatas ditunjukan ada 3 fase posisi matahari terhadap bumi. Pada gambar pertama, menunjukan posisi matahari sedang berada di bagian bumi utara (BBU). Kondisi tersebut terjadi setiap tanggal 21 Juni. Pada saat itu, di BBU (Northerm Hemisphere) mengalami musim panas/summer. Di daerah tersebut akan mengalami siang hari lebih lama daripada malam hari. Namun berlaku sebaliknya, untuk bagian bumi selatan (BBU), mengalami musim dingin dan siang hari yang lebih pendek.

Untuk gambar kedua, menunjukan pada kita bahwa saat itu matahari tepat berada di atas khatulistiwa. Keadaan seperti itu terjadi sebanyak 2 kali dalam satu tahun, yaitu setiap tanggal 21 Maret dan 21 September. Pada saat itu, seluruh permukaan bumi menerima radiasi yang sama, sehingga siang hari dan malam hari memiliki durasi yang sama di seluruh bagian bumi.

Untuk gambar terakhir, saat itu adalah kondisi dimana matahari berada di bagian bumi selatan (BBS). Kondsi tersebut terjadi setiap tanggal 21 Desember. Saat itu, di bagian bumi utara (Northerm Hemisphere) mengalami musim dingin, sehingga durasi siang hari lebih sedikit daripada malam harinya.

Sedikit Evaluasi

Gambar tersebut merupakan ilustrasi penerimaan energi matahari pada tiap lintang dan waktu. Mengapa pada intang 75ºN pada bulan July mendapatkan energi yang lebih besar daripada Equator?  

Jawab

Dari gambar diatas, pada bulan Juli kita tahu bahwa nilai radiasi energi di wilayah lintang 75ºN adalah sekitar 500, sedangkan di equator adalah sekitar 400. Kita ingat kembali tentang gerak semu matahari. Pada saat Juli, posisi matahari sedang berada di bagian bumi utara (BBS), oleh karena itulah di wilayah utara akan mendapatkan energi radiasi yang lebih banyak

Kesetimbangan radiasi di tiap Lapisan

Untuk setiap lapisan atmosfer, terjadi kesetimbangan dalam penerimaan energi. Yaitu energi yang diterima dan yang dikembalikan memiliki besar yang sama

Ilustrasi di atas adalah radiasi di atmosfer hanya pada satu lapisan. Pada mulanya besar energi yang diberikan dapat dinyatakan dengan , kemudian oleh atmosfer diterima dan sebagian lagi mencapai permukaan bumi. Akibat dari radiasi tersebut, permukaan bumi memiliki suhu sebesar Ts, karena itu juga permukaan bumi akan memancarkan radiasi sebesar . Begitu pula pada lapisan atmosfer yang mempunya isuhu Ta, sehingga lapisan tersebut juga memancarkan radiasi sebesar  ke arah bumi dan ke arah lapisan atasnya.

Berlaku hal yang sama pada atmosfer dalam beberapa lapisan. Berikut ilustrasinya :

untuk penjelasan gambar diatas adalah seperti ini 

Keseimbangan energi secara global ditunjukan oleh gambar di bawah ini. Keseimbangan radiasi sistem atmosfer dan bumi menunjukan bahwa radiasi  bernilai surplus pada daerah equator hingga lintang 37º, setelah itu nilainya deficit.

Untuk menjaga keseimbangan distribusi energi di bumi, transport atau perpindahan energi di permukaan bumi berasal dari daerah tropis menuju lintang tinggi. Transport energi permukaan bumi ke atmosfer adalah dalam bentuk latent heat dan sensible heat.

Transport Energi pada Lautan dan Atmosfer

Pada gambar diatas ditunjukan besarnya perpindahan energi yang diterima pada lautan dan atmosfer dalam petawatts (10¹⁵ Watt). Dilihat dari gambar di atas, kita dapat mengetahui bahwa perpindahan energi di lautan akan dominan pada lintang rendah hingga menengah, pada daerah lintang tinggi, nilai dari energi tersebut akan semakin kecil. Keadaan sebaliknya terjadi pada perpindahan energi di atmosfer. Perpindahan energi akan lebih dominan di wilayah lintang menengah hingga lintang tinggi daripada di daerah tropis.

Distribusi Energi Matahari

Rata-rata tahunan dari enrgi yang diterima oleh bumi menunjukan bahwa di wilayah Equator menerima banyak sekali energi, namun bukan yang tertinggi. Wilayah yang mendapatkan energi terbesar adalah daerah ITCZ ( Inter Tropical Convergence Zone ), wilayah ini terletak diantara 10º-20º lintang utara dan selatan.

Sedangkan di daerah lintang tinggi menerima energi matahari yang sangat sedikit. Hal ini dikarenakan oleh gerak semu matahari sehingga menyebabkan wilayah lintang tinggi tidak mendapatkan radiasi dalam waktu yang cukup lama

Variasi dari rata-rata Energi tahunan

Pada seluruh lintang, radiasi yang diterima pasti di atas nilai 0. Artinya , di seluruh wilayah bumi ini mendapatkan energi radiasi dari matahari, meskipun dalam nilai yang berbeda-beda. Nilai dari radiasi matahari merupakan kombinasi dari radiasi matahari terhadap permukaan bumi dan terhadap atmosfer.

Energi radiasi sangatlah banyak ( Surplus ) di daerah lintang 0 - 40º. Sedangkan untuk daerah di atas lintang 40º, maka memiliki radiasi yang sangat sedikit ( Deficit )