Pokok Bahasan 2
NERACA RADIASI DAN
SISTEM ENERGI BUMI
Tujuan Umum:
Mahasiswa diharapkan mampu menjelaskan secara
komprehensip peranan radiasi sebagai sumber energi bagi proses pembentukan
iklim.
Tujuan Khusus:
1. Mahasiswa dapat
menggambar dan menjelaskan neraca radiasi datang dan pergi
2. Mahasiswa dapat
menjelaskan berbagai proses yang dialami radiasi matahari (refleksi, absorpsi,
emisi, bauran)
3. Mahasiswa dapat
menerangkan sebab-sebab terjadinya keragaman penerimaan radiasi di permukaan
bumi
4. Mahasiswa dapat menjelaskan tentang efek rumah kaca dan
gas-gas penyebabnya
Kata Kunci: Puncak atmosfir, neraca radiasi datang, neraca radiasi
balik, keragaman energi, neraca radiasi.
Sub-Pokok Bahasan:
1. Aliran energi dan keseimbangan energi di bumi
2. Radiasi
matahari dan faktor yang mempengaruhi intensitasnya di permukaan bumi
3. Interaksi
radiasi & atmosfir
4. Radiasi di
permukaan bumi
5. Radiasi
gelombang panjang
6. Efek rumah kaca
Pendahuluan
Semua
aspek dari sistem iklim di bumi dengan unsur-unsurnya seperti angin, hujan,
awan dan suhu adalah hasil dari
perpindahan dan perubahan energi antara permukaan bumi dan atmosfir.
Pertukaran energi
ini, yang membentuk dan mengendalikan iklim, adalah titik pusat pembahasan pada
bab ini. Seluruh proses dimulai waktu
energi dari matahari mencapai puncak atmosfir dalam bentuk energi radiasi. Energi ini
diteruskan ke bawah melalui atmosfir, berinteraksi dengan atmosfir dan sebagian
dari energi ini dipantulkan kembali ke ruang angkasa, beberapa diserap dan
diubah menjadi panas dan beberapa diteruskan menuju permukaan bumi.
Radiasi yang menembus atmosfir dan diserap permukaan bumi
dapat memanaskan permukaan bumi, lalu menguapkan air, mencairkan salju dan
memanaskan lapisan tanah di bawah permukaan bumi. Energi yang telah diubah ini pada akhirnya
kembali ke atmosfir dan kembali ke ruang angkasa lagi dalam bentuk radiasi
balik. Keragaman dalam jumlah energi
radiasi yang diterima dari matahari dan keragaman dalam jumlah yang
berinteraksi antara bumi dan atmosfir menciptakan perbedaan dalam pertukaran
energi secara waktu dan tempat dan hal ini yang merupakan penyebab dari iklim.
2.1 Aliran Energi
Seluruh proses dari pertukaran energi di dalam sistem
bumi - atmosfir dapat diringkas dalam sebuah aliran energi (Gambar 2.1). Gambar ini menunjukkan jumlah dan ragam yang
begitu banyak dari bentuk energi yang mungkin ada dan kemampuan sistem dalam
menyimpan energi. Pertukaran energi
berlangsung setiap saat dan dalam skala waktu yang beragam.
Beberapa proses pertukaran energi berlangsung cukup cepat
sehingga tidak terlihat. Contoh yang
umum adalah pembentukan tebaran-tebaran awan pada siang hari padahal cuaca pada
pagi harinya cerah tidak berawan. Kejadian
ini dapat diterangkan sebagai berikut : sepanjang hari energi dari matahari
digunakan untuk memanaskan air dari permukaan bumi dan bagian dari energi yang
digunakan untuk menguapkan merupakan salah satu bentuk perpindahan energi. Dengan pemanasan matahari udara ini akan
naik, kekuatan dari proses gerakan ini biasanya meningkat sepanjang pagi
sehingga menjelang tengah hari ketinggian dari udara yang naik sudah cukup
untuk memaksa uap air berkondensasi dan membentuk awan. Energi yang tersimpan dalam awan-awan ini
adalah energi potensial yang segera akan dilepas pada kondisi yang tepat untuk
membentuk hujan, jadi ini adalah proses penyimpanan energi dalam jangka waktu
yang pendek.
Gambar
2.1. Aliran energi global. Radiasi di puncak atmosfir sama dengan
radiasi surya pada jarak orbit bumi dikali luas wilayah di planet bumi yang
disinari ( r2). Diagram ini menunjukkan secara sistimatik
bagaimana energi matahari yang mencapai puncak atmosfir diserap permukaan dan
bagaimana kemudian di pancarkan kembali dan disebarkan diantara berbagai
penampakan dari aliran energi ini. Bagian bawah dari gambar ini menggambarkan beberapa
penampakan energi yang langsung
mempengaruhi kehidupan diatas permukaan bumi.
Proses penyimpanan energi dalam jangka waktu yang lebih
panjang adalah seperti pada saat kita menggunakan batubara atau minyak bumi.
Dalam hal ini kita menggunakan bentuk akhir dari proses pertukaran energi yang
mungkin memakan waktu jutaan tahun.
Energi radiasi matahari secara langsung digunakan untuk pertumbuhan
tanaman dan pembentukan jaringan-jaringan pada tubuh hewan yang pada waktu
tanaman dan hewan-hewan ini terkubur, energi tadi tersimpan dan diubah menjadi
batubara atau minyak bumi. Akhirnya,
kita sekarang ini menggunakan fosil energi radiasi untuk menciptakan panas.
Keseimbangan
Energi di Bumi
Nilai
rata-rata dari berbagai pertukaran energi secara global dan tahunan ditunjukkan
pada Gambar 2.2. Gambar tersebut
memperlihatkan bahwa permukaan bumi kehilangan energi sebanyak jumlah yang
diterimanya. Angka-angka pada
gambar tersebut mewakili gambaran umum dari pertukaran energi. Kehilangan dan kemasukan energi juga berlaku
untuk atmosfir dan untuk planet bumi secara keseluruhan, sehingga ada
keseimbangan radiasi yang dipertahankan secara global dan tahunan. Tanpa keseimbangan ini akan terjadi perubahan
iklim yang sangat cepat. Penjelasan
rinci dari pembagian pada Gambar 2.2 dapat dilihat pada bagian 2.4. (Interaksi
radiasi dan Atmosfir).
Dalam Gambar 2.2. radiasi dibagi dalam 2 kategori yaitu radiasi surya yang datang dalam bentuk gelombang
pendek dan radiasi bumi yang pergi
dalam bentuk gelombang panjang.
Pembagian yang mendasar antara radiasi surya dan bumi didasarkan pada
perbedaan sifat alamiah dan sifat radiasi elektromagnetik dari masing-masing
bentuk tersebut dan hal ini akan dijelaskan kemudian. Pembagian ini tidak hanya merupakan penerapan
yang penting untuk sistem iklim di bumi ini, tetapi juga penting secara praktis
untuk pengamatan bumi dan atmosfirnya melalui satelit.
2.2 Sifat-sifat alami radiasi
Radiasi adalah bentuk
energi yang dipancarkan oleh semua objek yang memiliki suhu diatas absolut. Radiasi adalah satu-satunya bentuk energi
yang dapat bergerak melalui ruang hampa udara di angkasa luar. Jadi energi yang diterima dan dilepas planet
bumi pastilah dalam bentuk radiasi.
Spektrum
Elektromagnetik
Karakteristik dasar dari radiasi adalah tersebar dalam
pita panjang gelombang. Semua benda
beradiasi pada berbagai nilai panjang gelombang (Gambar 2.3). Secara klimatologis radiasi yang penting
adalah dalam selang panjang gelombang 0.1 µm sampai 100 µm. Mata manusia memberikan reaksi pada sebagian
kecil dari rangkaian ini yang disebut dengan cahaya tampak.
Gambar 2.2.
Keseimbangan energi di planet bumi.
Radiasi surya yang jatuh digambarkan sebesar 100 unit. Dengan demikian radiasi yang dipantulkan,
diteruskan atau diserap baik dari radiasi yang datang maupun yang dipancarkan
kembali dinyatakan dalam persen terhadap radiasi yang jatuh.
Penangkapan kita akan warna sangat bergantung pada
panjang gelombang dari cahaya yang diterima mata kita. Panjang gelombang sekitar 0.4 µm memberi
cahaya violet, dengan bertambahnya panjang gelombang, kita melihat warna-warna
seperti pelangi, sampai pada panjang gelombang 0.7 µm kita melihat cahaya
merah. Daerah yang berbatasan dengan
bagian bagian yang sedikit lebih pendek dari 0.4 µm dinamakan ultra violet, sementara radiasi dengan
panjang gelombang lebih dari 1.0 µm (dan lebih pendek dari 1 µm) disebut
radiasi infra merah.
Ada tiga hukum yang memberikan gambaran dasar dari sifat
radiasi yaitu Hukum Plank, Hukum Wien dan Hukum Stefan-Boltzman.
Gambar 2.3
Spektrum elektromagnetik, dengan penekanan pada daerah panjang gelombang
yang penting untuk klimatologi yang berada pada selang 0.1 - 100 µm. Bagian bawah gambar menunjukkan penyerapan
atmosfir pada wilayah panjang gelombang ini.
Atmosfir nampak tembus pandang (menyerap sedikit) pada bagian cahaya
tampak tetapi menunjukkan penyerapan yang penting oleh O3 pada
ultra violet dan oleh H2O dan CO2 dan molekul-molekul lain
pada sinar infra merah.
Panjang gelombang dari masing-masing bagian dalam
spektrum tergantung pada suhu benda yang beradiasi. Ini adalah hukum dasar
dari pancaran radiasi yang disebut Hukum
Planck. Untuk benda yang beradiasi sempurna dan yang memiliki suhu
kira-kira setara dengan suhu matahari (5.800 oK) maka
panjang gelombangnya berkisar 0.1 – 3 µm dan untuk suhu bumi (255 oK) panjang gelombangnya berkisar 3 – 30 µm (Gambar 2.4).
Panjang
gelombang dari pancaran maximum suatu benda pada suhu tertentu berbanding
terbalik dengan suhunya, dan hukum
ini disebut Hukum Wien. Berdasarkan
hukum ini didapatkan bahwa panjang gelombang dari pancaran maksimum matahari
adalah sebesar 0.5 µm, sedang panjang gelombang pancaran maksimum bumi 11.4 µm.
Gambar 2.4. Kurva pancaran
radiasi berdasarkan panjang gelombang untuk matahari dan bumi. Puncak dari kurva matahari terdapat pada 0.5 µm sedang untuk bumi 11.4 µm.
Hanya ada sedikit tumpang tindih pada
3.5 µm. ini berarti hanya sedikit kemungkinan terjadi kekeliruan dalam
membedakan kedua jenis radiasi.
Total energi yang dipancarkan oleh sebuah benda meningkat
dengan meningkatnya suhu dan hukum ini disebut Hukum Stefan-Boltzman. Dengan hukum ini didapatkan bahwa matahari
memancar dengan energi sebesar 64,164,532.32 Wm-2.
Dari hukum-hukum dasar radiasi kita membagi dua perbedaan
daerah radiasi yaitu radiasi gelombang pendek adalah radiasi dari
matahari dan radiasi gelombang panjang dari bumi dan atmosfirnya.
2.3. Radiasi dari Matahari
Radiasi dari matahari disebut radiasi gelombang pendek
karena panjang gelombang pada puncak pancaran menunjukkan nilai 0.474 µm,
sehingga kemungkinan matahari memiliki warna biru-hijau. Dari matahari, radiasi akan menuju puncak
atmosfir yaitu bagian teratas dari atmosfir.
Radiasi yang jatuh di puncak atmosfir berkurang jika
dibandingkan dengan radiasi di matahari karena jarak bumi-atmosfir. Dari puncak
atmosfir radiasi melewati atmosfir dan menuju permukaan bumi. Jumlah radiasi
yang sampai di permukaan bumi kembali berkurang karena terjadi serapan radiasi
pada lapisan-lapisan atmosfir.
Gambar
2.5. Diagram Melintang Matahari. Energi
radiasi memancar dari pusat fotosfir dan akhirnya melewati ruang angkasa menuju
bumi.
Radiasi Surya yang Diterima
Puncak
dari atmosfir bumi menerima bagian sebesar kira-kira 4.5 x 10-10 dari energi yang dikeluarkan oleh
fitosfir. Energi inilah yang digunakan
untuk mengendalikan sistem iklim.
Besarnya energi ini biasanya disebut sebagai Konstanta Surya yaitu jumlah
dari energi yang lewat dalam satu unit waktu melalui satu unit permukaan yang
tegak lurus terhadap arah datang sinar matahari, dibatas luar atmosfir pada
jarak rata-rata antara bumi dan matahari.
Meskipun
banyak pengamatan telah dibuat untuk mengetahui nilai konstanta surya, belum
diketahui nilainya yang tepat. Pendugaan
terakhir yang terbaik adalah 1370 Wm-2.
Konstanta surya diketahui beragam pada beberapa skala waktu, yang
terpanjang dari variasi ini disebabkan oleh evolusi matahari itu sendiri. Sepanjang umur sistem surya, suhu dan energi
yang dipancarkan matahari meningkat antara 20 – 40%; hal ini tentu mempengaruhi
jumlah radiasi yang diterima permukaan bumi.
Hal
lain yang mempengaruhi keragaman energi yang diterima bumi adalah hubungan astronomis antara surya dan bumi.
Orbit Bumi mengelilingi Matahari
Posisi geometris dari orbit bumi ditunjukkan pada Gambar
2.6. Bumi berevolusi mengelilingi
matahari dalam orbit yang berbentuk ellips selama satu tahun. Keragaman jarak antara bumi-matahari
sedemikian rupa sehingga pada suatu saat bumi berada pada jarak terdekat dengan
matahari yang terjadi pada tanggal 5 Januari yang disebut Perihelion dan pada saat lain yaitu pada tanggal 4 Juli berada
pada jarak terjauh yang disebut Aphelion.
Gambar 2.6. Posisi
geometris Bumi-Matahari.
Penyimpangan dari orbit bumi sangat kecil yaitu 152 x 106 km pada saat aphelion dan 149 x 106 km pada saat perihelion, sehingga jalur orbitnya hampir sama dengan planet yang
ditunjukkan pada bagian bawah Gambar 2.6 (hampir merupakan lingkaran) sehingga penyimpangan
ini memberikan pengaruh yang relatif kecil terhadap keragaman penerimaan
radiasi di permukaan bumi.
Yang lebih berpengaruh terhadap keragaman musiman adalah kemiringan sumbu bumi, yaitu garis yang
melewati pusat bumi dan menghubungkan kedua kutub. Sumbu ini condong dengan sudut 23,5o terhadap garis yang tegak lurus garis ecliptic, yaitu garis dari orbit bumi
mengelilingi matahari. Karena sumbu ini
berada pada arah yang tetap sama terhadap matahari, pengaruhnya adalah
terjadinya keragaman secara musiman dalam jumlah dan intensitas radiasi yang
diterima oleh suatu titik di puncak atmosfer dan pada akhirnya terhadap jumlah
dan intensitas yang diterima permukaan bumi.
Dibawah ini akan didiskusikan keragaman musim yang terjadi di Belahan
Bumi Utara.
Keragaman Musiman dan harian Dalam Radiasi surya
Akibat dari miringnya sumbu dapat dilihat pada Gambar 2.7. Perhatikan bahwa pada tanggal 22 Juni,
bagian utara bumi mengarah langsung ke matahari. Pada siang hari tanggal ini, matahari berada
pada posisi tertinggi tepat diatas 23.5 LU, disebut sebagai Tropic of Cancer, dan tanggal itu
disebut Summer soltice yang secara
astronomi merupakan hari pertama musim panas di Belahan Bumi Utara (BBU).
Gambar 2.7. Situasi dan orientasi bumi terhadap matahari
Dari
Gambar 2.7 terlihat bahwa sejalan dengan bumi berputar pada porosnya, sisi yang
menghadap matahari mendapat cahaya, sedang sisi lain gelap, dengan demikian
separuh dari bumi yang selalu tersinari.
Jika sumbu bumi tidak miring, matahari siang selalu tepat berada diatas
equator dan semua lintang akan memiliki 12 jam siang dan 12 jam malam. Tetapi kenyataannya, sumbu bumi miring, dan
karena BBU menghadap matahari pada 22 Juni, setiap lintang di BBU akan menerima
lebih dari 12 jam siang. Makin jauh ke utara, makin panjang siang hari, sampai
akhirnya di lingkaran Artik (66.5o LU) siang
hari berlangsung selama 24 jam. Seperti
terlihat pada Gambar 2.7, daerah diatas 66.5o LU tidak pernah tertutupi "bayangan"
selama bumi berputar.
Pada 23 September, matahari tepat berada diatas
Ekuator. Kecuali pada kedua kutub, siang
dan malam di seluruh dunia akan memiliki panjang yang sama. Tanggal ini disebut Autumnal Equinox
dan secara astronomis menandai awal musim gugur di BBU.
Pada tanggal 22 Desember, BBU berada jauh dari matahari,
malam menjadi panjang dan siang menjadi pendek.
Pada tanggal ini BBU mengalami siang terpendek, disebut sebagai Winter Soltice (titik balik musim
dingin), yaitu hari pertama musim dingin secara astronomis. Pada saat ini matahari tepat berada di atas
23.5o LS, disebut sebagai Tropic of Capricorn.
Pada tanggal 21 Maret, menandai mulainya musim semi
secara astronomis di BBU disebut sebagai Vernal
Equinox, matahari kembali bersinar tepat diatas ekuator. Secara singkat, musim-musim diatur oleh
energi matahari yang mengenai planet bumi yang miring dan berputar. Kemiringan bumi menyebabkan keragaman musiman
dari panjang hari dan intensitas matahari yang mencapai permukaan.
Hal lain yang mempengaruhi jumlah radiasi yang diterima
permukaan adalah sudut datang surya. Radiasi yang mencapai bumi dengan tegak dan
langsung jauh lebih kuat daripada radiasi yang jatuh dengan sudut tertentu,
karena radiasi yang mengenai bumi dengan membentuk suatu sudut akan tersebar
dan harus menyinari daerah yang lebih luas daripada radiasi yang jatuh tegak
dan langsung (Gambar 2.8). Akibatnya,
waktu matahari tinggi di langit, ia akan menyinari tanah sampai suhu yang lebih
tinggi daripada jika matahari rendah di horizon. Dari puncak atmosfir sekarang radiasi menuju
ke permukaan bumi dengan melewati dan berinteraksi dengan atmosfir.
Gambar 2.8. Pengaruh sudut datang terhadap jumlah radiasi
yang diterima permukaan bumi.
2.4. Interaksi radiasi dan Atmosfir
Pada saat energi surya jatuh pada puncak atmosfir bumi-dikuantifikasikan
sebagai 100 unit-, aliran energi secara global dimulai. Secara umum energi
radiasi ini jatuh diatas atmosfir (44 unit), awan (38 unit), molekul-molekul
gas dan partikel-pertikel debu dan polutan (18 unit), oleh ketiganya energi dapat
langsung dipantulkan ke angkasa luar, disimpan dalam sistem bumi-atmosfir,
diserap, lalu diubah bentuknya.
Pada saat energi surya mulai menembus ke bawah dari
puncak atmosfir, terjadilah penyerapan dan pembauran radiasi. Meskipun penyerapan menyebabkan pemanasan
yang pada akhirnya menyebabkan pancaran gelombang panjang, dan kemudian
diserap oleh gas-gas atmosfir, tetapi pada bagian berikut ini yang akan
dibicarakan hanyalah penyerapan, pembauran dan penerusan dari radiasi gelombang
pendek. Untuk penyerapan dan pancaran balik dari gelombang
panjang akan dibicarakan kemudian.
Pembauran Radiasi
Surya
Pembauran dari radiasi surya terjadi setiap kali
satu foton radiasi mengenai hambatan di atmosfir tanpa terjadi penyerapan, satu-satunya akibat dari pembauran adalah
merubah arah perjalanan foton dan menghasilkan berbagai warna di langit. Perubahan arah ini dapat terjadi ke berbagai
arah dan ke semua jurusan. Untuk
memudahkan, kita hanya mempelajari perubahan ke arah atas (6 unit) atau ke
bawah (12 unit) relatif terhadap bumi.
Pembauran radiasi ke atas, kalau tidak dibaurkan lagi ke bawah, akan
hilang ke angkasa luar dan tidak lagi ambil bagian dalam proses energi. Sebaliknya radiasi yang dibaurkan ke bawah,
tetap berada dalam sistem dan bertahan untuk interaksi berikutnya.
Jika radiasi mengenai hambatan-hambatan yang berukuran
kecil seperti molekul-molekul gas maka terjadi pembauran yang disebut pembauran Rayleigh. Pembauran tipe ini
adalah ciri dari atmosfir yang terutama tersusun oleh gas-gas atmosfir yang
normal, tanpa kontaminasi. Hasil utama
dan yang jelas dari pembauran rayleigh adalah warna biru pada langit di siang
hari, artinya kalau langit berwarna biru, dapat dikatakan atmosfir bersih dari
polutan.
Setiap kali awan, partikel-partikel polusi atau butiran
air muncul di atmosfir, terjadi pembauran
Mie. Pada pembauran ini ada
kecenderungan untuk membaurkan cahaya dari semua panjang gelombang, yang
efeknya terlihat jelas waktu atmosfir tampak buram (penuh dengan polutan) dan
menyebabkan langit berwarna biru abu-abu, karena tidak ada panjang gelombang
yang lebih dibaurkan dibanding dengan yang lain. Pengaruh pembauran menjadi tidak begitu nyata
pada kondisi langit berawan, karena sebagian besar butiran awan disamping
membaurkan radiasi, juga menyerap radiasi tersebut.
Waktu radiasi jatuh pada benda yang jauh lebih besar,
seperti permukaan bumi atau permukaan awan yang besar terjadi perubahan total
dari arah radiasi yang tidak diserap.
Secara konvensional hal yang khusus dari pembauran ini disebut sebagai pantulan. Awan memantulkan 20 unit
langsung ke angkasa luar sedangkan permukaan bumi memantulkan langsung sebanyak
4 unit. Pantulan dan pembauran secara tunggal atau ganda mengakibatkan
terdapatnya arus radiasi yang mengarah ke atas dan ke bawah. Perbandingan
antara radiasi yang meninggalkan permukaan bumi dan yang menuju permukaan bumi disebut Albedo.
Dengan menjumlahkan semua radiasi yang kembali keangkasa luar (6 unit karena
pembauran, 20 unit dari pantulan awan dan 4 unit dari pantulan permukaan bumi)
maka total nilai pantulan bumi adalah 30 unit atau nilai albedo bumi adalah 0.3.
Nilai ini sangat bergantung pada sifat alami dari permukaan dan keragaman dari
jenis permukaan mempunyai pengaruh yang nyata untuk tiap iklim lokal. terhadap iklim lokal. Selain pembauran, radiasi di atmosfir juga mengalami
penyerapan.
Penyerapan Radiasi
Surya
Penyerapan radiasi surya (gelombang pendek) oleh gas-gas
di atmosfir relatif kecil dan
diperkirakan tidak sepenting pembauran.
Radiasi ultra violet sangat kuat diserap oleh ozone pada lapisan bawah stratosfir. Penyerapan gas-gas di atmosfir
ini hanya mengurangi sekitar 18 unit dari energi yang sampai di puncak atmosfir
sementara penyerapan oleh awan mengurangi 2 unit lagi; sehingga total yang
diserap sebelum mencapai permukaan bumi adalah 20 unit. Jumlah ini jauh lebih sedikit dibanding
jumlah energi yang diserap permukaan (50 unit).
Meskipun pembauran dan penyerapan adalah proses yang
berbeda dan mempunyai akibat yang berbeda, mereka terjadi hampir bersamaan dan
untuk memudahkan sering lebih diperhitungkan sebagai satu unit tunggal yaitu pengurangan jumlah radiasi surya oleh
atmosfir.
Pengaruh neto dari interaksi antara radiasi gelombang
pendek dan atmosfir dirangkum dalam Gambar 2.2.
Dapat disimpulkan bahwa dari energi yang datang di puncak atmosfir, 26%
dibaurkan kembali oleh udara dan awan dan 20% diserap, sehingga 54% mencapai
permukaan bumi. Bagian berikut akan
mendiskusikan energi surya yang mencapai permukaan bumi.
2.5. Radiasi surya pada permukaan bumi
Interaksi terakhir dari radiasi surya yang datang
menembus atmosfir adalah dengan permukaan bumi itu sendiri. Radiasi yang jatuh pada permukaan yang tidak
tembus cahaya mungkin diserap atau dipantulkan.
Bagian dari radiasi yang jatuh dan dipantulkan, atau albedo permukaan,
tidak begitu bergantung pada panjang gelombang, dan tiap permukaan mempunyai
nilai sendiri (Tabel 2.1).
Kebanyakan permukaan alami memiliki albedo antara 0.1 dan
0.25. Albedo permukaan hutan memiliki
nilai yang sedikit lebih tinggi. Salju
adalah perkecualian karena memiliki
nilai albedo yang sangat tinggi, air juga perkecualian karena secara umum
albedonya rendah.
Tabel 2.1. Nilai
Albedo dan Emisivitas Beberapa Tipe Permukaan.
|
Tipe
Albedo Emisivitas
|
|
Hutan
Tropis 0.13 0.99
|
|
Hutan
Kayu 0.14 0.98
|
|
Daerah
Pertanian 0.20 0.95
|
|
|
|
Air 0.08 0.96
|
|
Lautan
Es 0.25-0.60 0.90
|
|
|
Albedo Permukaan
Albedo yang tinggi menunjukkan bahwa bagian terbesar dari
energi yang jatuh dipantulkan, bukan diserap.
Sebagai contoh, albedo yang tinggi dari salju berarti salju memantulkan
sebagian besar dari energi yang jatuh daripada menyerapnya dan mengubahnya
menjadi panas. Dengan demikian permukaan
salju yang mengkilap dapat bertahan pada hari yang panas. Salju yang kotor mengandung benda-benda
dengan albedo yang lebih rendah dan akan menyerap radiasi sehingga melebur
lebih cepat.
Demikian juga, perbedaan albedo antara vegetasi dan
permukaan buatan manusia yang berdekatan dengannya adalah salah satu sebab dari
adanya beda suhu antara kedua jenis permukaan tersebut. Meskipun masih banyak faktor lain selain
albedo yang harus dipertimbangkan dalam menganalisa perbedaan suhu, albedo
permukaan adalah pertimbangan utama dalam pembentukan iklim lokal.
Secara umum, albedo permukaan bumi bernilai sekitar 0.15,
hal ini terutama disebabkan oleh dominansi air sebagai jenis permukaan. Ini berarti bahwa bagian terbesar dari energi
yang mencapai permukaan diserap. Hal ini
terlihat jelas pada Gambar 2.2 bahwa sekitar 50% dari energi surya yang
mencapai planet bumi diserap permukaan dibandingkan dengan hanya 20% yang
diserap atmosfir.
Albedo planet bumi adalah 0.3, dengan kata lain 30% dari
radiasi datang dipantulkan. Dominansi
dari penyerapan dan pemanasan menunjukkan bahwa sumber utama pemanasan bagian
bawah atmosfir adalah permukaan bumi.
Meskipun dalam membicarakan energi dari sistem iklim
jarang diperlukan pemecahan radiasi gelombang pendek di permukaan kedalam
daerah spektrum yang lebih spesifik, untuk beberapa terapan tertentu hal ini
mungkin diperlukan. Contoh yang jelas adalah
keragaman dari respons tanaman terhadap panjang gelombang radiasi yang datang
(Gambar 2.9).
Pada sebagian besar daun, terjadi penyerapan yang kuat
pada panjang gelombang ultra violet, biru dan merah dimana energinya digunakan
untuk fotosintesis. Penyerapan yang
lemah terjadi pada dekat infra merah dan hampir semua energinya diteruskan atau
dipantulkan. Penyerapan yang lemah ini
terjadi pada daerah dimana energi surya tidak dibutuhkan, hal ini menghindarkan
jaringan tanaman dari pemanasan yang berlebihan. Dengan demikian keragaman dari komposisi
spektrum radiasi surya mempengaruhi pertumbuhan tanaman.
Pengaturan
Fotosintesis oleh Radiasi Surya
Jumlah dari fotosintesis yang berarti juga jumlah
pertumbuhan tanaman bergantung tidak hanya pada komposisi spektrum radiasi,
tetapi juga pada jumlah radiasi. Secara
umum, apabila faktor-faktor lain seperti ketersediaan air dan konsentrasi CO2 terdapat dalam jumlah yang tidak terbatas,
jumlah dari fotosintesis meningkat secara linear terhadap energi sampai pada
titik tertentu (Gambar 2.9.). Lewat dari
titik ini tanaman menjadi jenuh cahaya dan laju fotosintesis akan konstan
(tetap).
Nilai kejenuhan tergantung pada jenis tanaman. Tanaman yang menyukai naungan memiliki nilai
kejenuhan rendah sementara tanaman lain hampir tidak pernah menerima cukup
energi untuk mencapai tingkat kejenuhan.
Akan tetapi pada selang radiasi yang terlalu tinggi, mekanisme
pengaturan suhu pada tanaman mungkin akan hancur sehingga terjadi kekeringan
dan kematian.
2.6. Radiasi Gelombang Panjang
Seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.2 sebagian radiasi
surya langsung diserap di atmosfir, tetapi bagian terbesar menembus atmosfir
dan diserap permukaan bumi. Penyerapan
radiasi surya menyebabkan pemanasan dan pada akhirnya menimbulkan pancaran
radiasi gelombang panjang. Jumlah dari
energi yang dipancarkan dinyatakan oleh hukum Stefan-Boltzman (Persamaan 2.3). Modifikasinya untuk pengaruh emisivitas dirumuskan sebagai:
E* = ε σ T4 (2.1)
Karena keragaman dari emisivitas terhadap panjang
gelombang adalah kecil untuk benda padat dan cair tetapi besar untuk gas, perlu
dijelaskan secara terpisah antara pancaran panjang gelombang di permukaan bumi
dan di atmosfir.
Emisivitas Infra
Merah di Permukaan
Meskipun berbagai jenis permukaan bumi memiliki emisivitas
yang berbeda (Tabel 2.1) hampir semuanya bernilai sama dengan satu atau lebih
dari 0.9. Permukaan buatan cenderung
memiliki nilai sedikit dibawah nilai ini dan air memiliki emisivitas jauh
diatas 0.9.
Dalam perhitungan neraca energi yang teliti dari jenis
permukaan tertentu, atau waktu membandingkan jenis-jenis permukaan yang sangat
berbeda, perbedaan nilai emisivitas ini harus disertakan, tetapi untuk banyak
perhitungan dapat diasumsikan emisivitas yang seragam untuk permukaan tanah dan
nilai yang seragam juga untuk air.
Bahkan untuk beberapa tujuan dimungkinkan untuk mengasumsikan permukaan
bumi berlaku sebagai benda hitam sempurna untuk radiasi gelombang panjang.
Asumsi yang sederhana ini tidak mungkin berlaku untuk
atmosfir. Nilai dari tingkat penyerapan
dan emisivitas sangat bervariasi tergantung pada panjang gelombang. Nilai tersebut juga bergantung pada jumlah
suhu dan tekanan dari gas yang memancar.
Gambar
2.9. Pengaruh radiasi jatuh terhadap
laju fotosintesis untuk 4 jenis tanaman hijau yang mewakili jenis-jenis tanaman
yang tertulis dalam tanda kurung.
Penyerapan dan Pemancaran Gas
Setiap
gas menyerap energi radiasi pada suatu rangkaian dari selang panjang gelombang
yang sempit yang disebut garis-garis
penyerapan spektrum. Umumnya
garis-garis ini digabungkan dalam satu group dan membentuk pita-pita
penyerapan. Lokasi dari pita-pita
tersebut dan kekuatan mereka menyerap bergantung pada susunan molekul gas. Jika jumlah gas, suhu dan tekanan atmosfir total meningkat, pita-pita ini
melebar dan jumlah yang diserap meningkat.
Gas yang paling menyerap di atmosfir bumi adalah uap air, karbon dioksida dan ozon dalam
konsentrasi yang sangat kecil. Sebagian
besar pita serapan yang lebih lebar muncul di daerah infra merah dari spektrum
(panjang gelombang » 3 µm) diwilayah ini sejumlah besar energi dipancarkan. Perkecualian terjadi terutama pada daerah antara 8 dan 14
µm yang dijuluki jendela atmosfir.
Sebagai akibat dari karakteristik serapan ini sebagian besar radiasi gelombang
panjang yang dipancarkan oleh permukaan
bumi diserap atmosfir. Hanya sebagian kecil yang diteruskan melewati jendela
atmosfir dan lepas ke angkasa. Dari semua gelombang panjang yang diserap
atmosfir (dikuantifikasikan menjadi 100 unit), sebagian besar (95 unit)
dipancarkan kembali ke permukaan bumi sehingga dikombinasikan dengan serapan
gelombang pendek (50 unit), permukaan bumi menerima energi sebanyak 145 unit. Bagian
yang diserap ini, kemudian dipancarkan
kembali, diserap dan memanaskan atmosfir (udara), sedangkan sebanyak 6 unit
dilepas ke angkasa luar melalui jendela atmosfir.
Sebagian kecil (30 unit) dari energi yang diterima
permukaan bumi dilepas di permukaan bumi melalui proses konduksi, konveksi dan
evaporasi. Sebanyak 23 unit diubah menjadi panas laten yaitu panas yang
digunakan untuk merubah fase air (dari cair menjadi uap) dan 7 unit sisanya
menjadi panas terasa yang menghangatkan permukaan bumi melalui proses konduksi
(melalui perambatan molekul) atau konveksi (lewat perpindahan udara).
Pengaruh awan
Pada kondisi atmosfir yang berawan pertukaran energi yang
mendasar itu terjadi juga tetapi kerumitan muncul karena kehadiran awan
mengubah ketergantungan panjang gelombang terhadap emisivitas. Pengaruh yang terpenting adalah bahwa awan cenderung menutup jendela atmosfir
karena kemampuan awan menyerap yang sangat besar pada daerah infra merah.
Pengaruh ini segera terasa bila kita membandingkan suhu
pada malam yang berawan dengan pada malam tanpa awan. Pada keadaan yang berawan, penutupan jendela
atmosfir mencegah dengan nyata jumlah radiasi gelombang panjang yang
hilang. Akibatnya, pada malam yang
berawan temperaturnya turun lebih sedikit dibandingkan dengan malam tanpa awan.
Pengaruh Rumah Kaca
Karena atmosfir hampir tembus pandang terhadap panjang
gelombang surya, tetapi sangat menyerap radiasi bumi, sebuah analogi digunakan
sejak lama antara atmosfir dan rumah kaca.
Istilah rumah kaca digunakan dalam literatur untuk menamakan
proses-proses di atmosfir pada saat energi surya lewat hampir tanpa hambatan ke
permukaan dan memanaskan permukaan, lalu memancarkan radiasi gelombang panjang
yang akhirnya diserap atmosfir untuk diradiasikan kembali ke bumi. Effek neto dari proses ini digunakan untuk
mempertahankan permukaan bumi pada suhu yang tinggi daripada keadaan yang
mungkin terjadi jika atmosfir tembus pandang terhadap radiasi gelombang
panjang, seperti halnya terhadap gelombang pendek. Telah kita ketahui bahwa rumah kaca sangat
mempertahankan suhu ruangan terutama karena naungannya memungkinkan
pengurangan pemindahan secara golakan (turbulensi) dari energi yang
meninggalkan permukaan.
Jadi sementara konsep dari efek rumah kaca tetap memiliki
dasar yang benar dan penting untuk atmosfir, prosesnya secara fisik lebih tepat
jika disebut sebagai analogi "ember yang bocor" seperti yang dilukiskan
pada Gambar 2.10.
Pada analogi ini setiap penambahan jumlah dari suatu gas
yang memiliki pita serapan dibagian infra nerah disamakan sebagai penyempitan
ukuran lobang pada dasar ember. Suhu
permukaan digambarkan sebagai kedalaman (tinggi) air di ember yang meningkat
dengan lebih banyaknya gas yang menyerap hadir di atmosfir. Salah satu kekuatiran terhadap meningkatnya
konsentrasi CO2 di atmosfir di seluruh dunia adalah
kemungkinan meningkatnya efek rumah kaca yang memungkinkan peningkatan suhu
permukaan.
Seperti diterangkan sebelumnya, Gambar 2.2 (b) merangkum diskusi diatas. Gambar tersebut menunjukkan dengan jelas
bahwa sejumlah kecil energi melewati jendela atmosfir langsung ke angkasa dan
jumlah yang lebih besar dari radiasi gelombang panjang bertukar antara bumi dan
atmosfir. Arus datang dan pergi dari
gelombang panjang memiliki cara yang sama dengan arus gelombang pendek yang
datang, tetapi radiasi gelombang panjang adalah hasil interaksi yang terus
menerus tanpa keragaman harian yang merupakan ciri khas energi matahari.
2.7. Neraca Radiasi Secara Global
Dalam skala waktu beberapa tahunan akan terjadi angka
yang kira-kira sama antara jumlah radiasi surya yang diterima dari matahari di
puncak atmosfir dengan jumlah radiasi gelombang panjang yang dilepas ke
angkasa. Karena itu terjadi keseimbangan
radiasi secara global (Gambar 2.2).
Keragaman kecil akan terjadi dari tahun ke tahun,
contohnya, sebagai akibat keragaman output matahari. Akan tetapi keseimbangan harus dipertahankan
jika iklim dalam skala panjang dikehendaki stabil. Dapat dipastikan bahwa kehadiran dari ketidak
seimbangan meskipun kecil tetapi berlangsung untuk waktu yang lama akan
menyebabkan variasi iklim dan mungkin akan menjadi salah satu sebab dari perubahan
iklim.
Perbedaan Arus
Energi Secara Lintang
Keseimbangan energi yang terjadi adalah suatu gejala
global. Tidak ada tempat atau wilayah
khusus yang secara individual berada dalam keseimbangan radiasi. Justru ketidak seimbangan secara lokal yang
menyebabkan terjadinya iklim seperti yang telah kita ketahui.
Ketidak seimbangan pada setiap lintang dengan mudah
digambarkan dengan membandingkan nilai rata-rata radiasi surya yang diserap dan radiasi infra merah yang
dipancarkan oleh sistem secara lintang (Gambar 2.10). Jumlah dari energi radiasi yang diserap
dipengaruhi oleh jumlah total yang datang dan oleh albedo sehingga pada lintang
tinggi kehadiran es dan salju banyak mengurangi radiasi surya yang jumlahnya
memang sudah sedikit. Demikian juga
meningkatnya albedo tepat di sebelah utara ekuator yang disebabkan oleh
banyaknya awan di daerah ini menyebabkan berkurangnya radiasi surya yang
diserap daerah ini.
Gambar
2.10. Penjelasan skematik dari rumah
kaca dan "ember bocor" yang dapat digunakan untuk menjelaskan
pengaruh penutupan atmosfir terdadap temperatur permukaan bumi.
Berlawanan
dengan perbedaan yang besar dari radiasi surya yang diserap antara di ekuator
dan di kutub, hanya ada sedikit perbedaan untuk radiasi gelombang panjang yang
dipancarkan. Dari hal ini dapat
dikatakan bahwa perbedaan suhu antara ekuator dan kutub jauh lebih kecil
dibandingkan jika radiasi surya merupakan satu-satunya penyebab perbedaan. Pada
kenyataannya rata-rata kondisi iklim tahunan pada setiap lintang jauh lebih
menyenangkan dibanding jika setiap jika setiap daerah berada dalam keadaan
seimbang secara radiatif. Atmosfir
bekerja sangat efisien untuk menyebarkan kembali energi.
Lintang-lintang
tropis didinginkan dengan cara mengirimkan energi ke daerah lintang tengah dan
tinggi yang menyebabkan daerah-daerah ini mendapat energi dan menjadi lebih
panas. Penyebaran kembali energi adalah
akibat langsung dari perbedaan suhu antara kutub dan ekuator, dan perbedaan itu
sendiri adalah sebab dari ketidakseimbangan radiasi di setiap lintang.
Pengangkutan
antar lintang dicapai dengan perpindahan energi secara horizontal dengan
menggunakan baik sirkulasi atmosfir maupun sirkulasi laut. Seluruh proses ini bekerja dalam cara yang
sedemikian rupa sehingga seluruh sistem yang dikontrol oleh ketidakseimbangan
radiasi mencoba untuk mencapai keseimbangan.
Gambar 2.10. Unsur-unsur neraca radiasi bumi secara
lintang seperti yang didapat dari radiometer satelit NOAA Juni 1974 sampai
February 1978.
2.8. Neraca Radiasi di Permukaan
Permukaan bumi adalah lokasi dari perubahan energi yang
terpenting dalam aliran energi secara global yaitu penyerapan radiasi surya dan
pemancaran radiasi infra merah. Permukaan bumi
juga mengalami keseimbangan energi seperti pada rata-rata tahunan secara
global, jumlah energi yang mencapai permukaan sama dengan yang meninggalkannya. Tetapi, di permukaan bumi tidak tepat untuk
hanya berfikir dari segi arus radiasi.
Seperti yang ditunjukkan Gambar 2.2 (b). di permukaan
bumi, arus dari panas laten dan panas terasa (yang tidak bersifat radiasi)
harus disertakan, dengan demikian berarti bukan keseimbangan radiasi di permukaan
dalam arti sebenarnya. Untuk neraca radiasi di permukaan bumi lebih bermanfaat
untuk mempertimbangkan jumlah total radiasi pada semua panjang gelombang yang
diserap permukaan.
Dengan demikian radiasi neto di permukaan digambarkan
sebagai:
Q* = K↓ - K↑ + L↓- L↑ = (1 -A)K↓+L↓ - εσ Ts4) (2.2)
dalam hal ini:
Q = radiasi neto
K = Arus gelombang pendek
L = Arus gelombang panjang
A = Albedo permukaan
ε = Emisivitas
Bentuk yang pertama dari persamaan menekankan bahwa
radiasi neto adalah jumlah dari semua arus, sementara bentuk yang kedua menekankan
pada peranan karakteristik permukaan (terutama albedo permukaan A dan
emisivitas ε) dalam menentukan jumlah radiasi yang diserap.
Siklus harian
Neraca Radiasi di Permukaan
Dalam skala harian, unsur gelombang pendek K adalah
komponen dari radiasi neto Q* yang
paling bervariasi dalam jumlah. Komponen ini beragam sesuai (tergantung)
ketinggian lintang, musim dan waktu
dalam hari. Contoh yang khas dari keragaman harian untuk daerah lintang tengah
ditunjukkan pada Gambar 2.11, Gambar 2.11a
mewakili kondisi tanpa awan dan Gambar 2.16b adalah kondisi berawan. Komponen radiasi surya neto hanya mengikuti
bentuk komponen radiasi datang, besarnya keragaman diperlemah oleh pengaruh
albedo permukaan.
Radiasi gelombang panjang yang datang lebih seragam. Jumlahnya yang tergantung pada suhu dan
kelembaban udara dibawahnya, akan berubah melalui pengaruh tertentu seperti
gerakan horizontal yang berkaitan dengan angin.
Radiasi neto keseluruhan Q* nampaknya mengikuti komponen neto gelombang
pendek dengan agak erat, meskipun
hubungannya lebih erat pada hari yang tidak berawan (Gambar 2.11a), sehingga
tidak ada pola harian yang dapat diduga secara lengkap dari pertimbangan
komponen yang bersifat radiatif saja.
Kalau pergerakan udara relatif kecil peningkatan radiasi
gelombang panjang yang datang (L ↓) diharapkan terjadi pada siang hari bersamaan
dengan pemanasan atmosfir oleh serapan langsung energi surya dan oleh
pemindahan panas dari lapisan yang dibawahnya.
Permukaan itu sendiri akan dipanaskan oleh penyerapan radiasi dan jumlah
gelombang panjang yang pergi (L↑ ).
Nilai maksimum dari L↑ (yang bernilai negatif karena itu
terdapat lekukan pada Gambar 2.11a) akan tercapai lebih lambat daripada waktu
pencapaian maksimum (K↓-K↑) karena pemanasan akan terus terjadi sepanjang nilai
radiasi neto positip.
Sepanjang malam, Q* cenderung bernilai negatip. Hanya komponen gelombang panjang yang bekerja
aktif karena itu nilai Q* akan bergantung pada
perbedaan suhu radiatif antara atmosfir dan suhu permukaan. Dengan demikian ada kecenderungan kehilangan
gelombang panjang lebih besar pada malam yang tidak berawan dibandingkan waktu
awan menutup jendela atmosfir.
Meskipun temperatur permukaan menggambarkan pengaruh
radiasi neto, masih ada aliran energi lain yang mempengaruhi permukaan dan
akhirnya merubah temperaturnya. Dengan
demikian untuk memahami bagaimana temperatur permukaan bumi terbentuk dan
bagaimana keragamannya secara tempat dan waktu, harus dipertimbangkan hubungan
antara energi dan temperatur dan neraca energi di permukaan. Hal ini
akan dibahas dalam bab berikutnya.
Gambar
2.11. Keragaman harian dari komponen
nerace radiasi di permukaan; a) pada keadaan cerah dan b) pada keadaan sebagian
berawan
Latihan dan Diskusi
1. Apa keuntungan dan kerugian dari negara Indonesia
2. Perhatikan Gambar 2.2a. jawablah dan isilah
titik-titik dibawah ini untuk neraca radiasi datang/radiasi gelombang pendek:
Jika radiasi yang datang dihitung sebagai 100 unit, maka pembagian radiasi
datang adalah sebagai berikut:
Yang jatuh diatas awan adalah sebanyak = ……………..unit dan yang jatuh di
atmosfir bebas adalah sebanyak =
………….. unit.
Dari yang jatuh diatas awan radiasi matahari mengalami : penyerapan oleh
awan : ……. unit;
diteruskan ke permukaan bumi sebagai …………. sebanyak …………..unit dan
dipantulkan oleh awan sebanyak …………unit.
Dari yang jatuh diatas atmosfir bebas, radiasi matahari mengalami
penyerapan oleh atmosfir sebanyak ………..unit, langsung menuju permukaan bumi
sebanyak …….unit, yang kemudian dipantulkan oleh permukaan bumi sebanyak
…….unit, sehingga permukaan bumi hanya menerima …………..unit.
Yang jatuh di atmosfir bebas ada yang jatuh diatas partikel-partikel
polutan sebanyak ………unit, lalu mengalami ……………; yang dibaurkan menuju ke atas
ada ………unit, sedangkan yang menuju ke bawah ada …………unit.
Dengan demikian, radiasi yang datang ke bumi total ………unit ; dipantulkan kembali ke angkasa
luar, ……………..unit; diserap atmosfir dan awan dan ………….unit; dan diserap
permukaan bumi……..unit
3. Perhatikan Gambar 2.2b. Isilah titik-titik berikut ini untuk neraca
radiasi pergi/radiasi gelombang panjang.
Dari neraca radiasi gelombang pendek didapat jumlah
radiasi gelombang pendek yang sampai di permukaan bumi adalah ……….unit, sedang
dari radiasi gelombang pendek yang diserap atmosfir, ……..unit dipancarkan balik menuju permukaan
bumi, dengan demikian permukaan bumi total menerima energi radiasi gelombang
pendek sebesar …………unit.
Dari jumlah radiasi yang diterima permukaan bumi
tersebut, dipancarkan sebagai gelombang panjang ke luar angkasa = ………unit ,
dipancarkan sebagai gelombang panjang ke atmosfir = ……..unit
dan diubah menjadi panas sebesar ……….unit, terbagi sebagai panas terasa
=……………unit dan sebagai panas laten = ……….. unit
Atmosfir memancarkan gelombang panjang ke luar angkasa
sebesar ………unit sedangkan awan memancarkan ………….unit. Dengan demikian total
jumlah radiasi gelombang panjang yang lepas ke luar angkasa adalah :……..unit
Atmosfir dan awan kehilangan 20 unit, dengan perincian :
Radiasi yang didapat =
…………… + ……………. = ………….unit
Radiasi yang dilepas =
…………. + ……… ..+ ………. ….= ………….unit
Dan permukaan bumi kehilangan 50 unit, dengan perincian:
Radiasi
yang didapat = …………..unit
Radiasi
yang hilang = …………..+ ………….+…………. =
…………….unit
