HIDROMETEOROLOGI TATAP MUKA KEEMPAT (RADIASI SURYA)

HIDROMETEOROLOGI TATAP MUKA KEEMPAT (RADIASI SURYA) Dosen : DR. ERY SUHARTANTO, ST. MT. JADFAN SIDQI FIDARI, ST., MT 1.PANCARAN RADIASI SURYA Meskipun hanya sebagian kecil dari radiasi yang dipancarkan matahari diterima permukaan bumi, namun radiasi surya (matahari) merupakan sumber energi utama untuk prosesproses fisika atmosfer. Proses-proses fisika atmosfer tersebut menentukan keadaan cuaca dan iklim di atmosfer bumi kita ini. Radiasi surya merupakan gelombang elektromagnetik dibangkitkan dari proses fusi nuklir yang mengubah hidrogen menjadi helium. Permukaan matahari bersuhu 6000 K meskipun bagian dalamnya bersuhu jutaan derajat Kelvin. 1

1.PANCARAN RADIASI SURYA Dengan suhu permukaan tersebut, radiasi yang dipancarkan berupa gelombang elektromagnetik sebesar 73,5 juta watt tiap m 2 permukaan matahari. Dengan jarak rata-rata matahari-bumi sejauh 150 juta km radiasi yang sampai di puncak atmosfer rata-rata sebesar 1360 Wm -2. Sedangkan radiasi surya yang sampai di permukaan bumi (daratan atau lautan) hanya sekitar setengah dari yang diterima di puncak atmosfer, karena sebagian diserap dan dipantulkan kembali ke angkasa luar oleh atmosfer khususnya oleh awan. Rata-rata 30% radiasi surya yang sampai di bumi dipantukan kembali ke angkasa luar. 2.KARAKTERISK RADIASI SURYA DAN BUMI Setiap benda di alam yang bersuhu permukaan lebih besar dari 0 K (atau -273 C) memancarkan radiasi yang berbanding lurus dengan pangkat empat suhu permukaannya (Hukum Stefan-Boltzman). Pancaran radiasi dapat dijabarkan sbb : F = ε.σ.t 4 s F = pancaran radiasi (Wm -2 ) ε = emisivitas permukaan, bernilai 1.0 untuk benda hitam, utk benda-benda alam berkisar 0.9 1.0. σ = tetapan Stefan-Boltzman (5,67. 10-8 Wm -2 ) Ts = suhu permukaan ( K) 2

2.KARAKTERISK RADIASI SURYA DAN BUMI Berdasarkan persamaan diatas, semakin tinggi suhu permukaan (Ts) maka pancaran radiasinya semakin besar. Sebaliknya, Hukum Wien menyatakan bahwa panjang gelombang pada energi maksimum (λ m ) makin pendek bila suhu permukaan lebih tinggi, yang dapat dirumuskan sebagai berikut : λ m = 2897/Ts λ m dalam μm dan Ts dalam K 2.KARAKTERISK RADIASI SURYA DAN BUMI Karena sebaran energi radiasi menurut panjang gelombang sekitar λ m, maka secara umum dapat dikatakan bahwa panjang gelombang semakin pendek bila suhu permukaan yang memancarkan radiasi tersebut lebih tinggi. Matahari dengan suhu permukaan sebesar 6000 K, radiasinya mempunyai kisaran panjang gelombang antara 0,3 0,4 μm. Sebagai perbandingan, bumi yang bersuhu 300 K (27 C) memancarkan radiasi dengan kisaran panjang gelombang 4-120 μm. 3

2.KARAKTERISK RADIASI SURYA DAN BUMI Karena panjang gelombang radiasi surya relatif pendek dibandingkan benda-benda alam lainnya, radiasi surya disebut dengan radiasi gelombang pendek. Sebaliknya radiasi bumi atau bendabenda yang ada di bumi disebut dengan radiasi gelombang panjang. 3. PENERIMAAN RADIASI SURYA DI PERMUKAAN BUMI Penerimaan radiasi surya di permukaan bumi sangat bervariasi menurut tempat dan waktu. Menurut tempat khususnya disebabkan oleh perbedaan letak lintang serta keadaan atmosfer terutama awan. Pada skala mikro arah lereng sangat menentukan jumlah radiasi yang diterima. Menurut waktu, perbedaan radiasi terjadi dalam sehari (dari pagi sampai sore hari) maupun secara musiman (dari hari ke hari). Faktor-faktor yang mempengaruhi penerimaan radiasi surya di permukaan bumi secara makro antara lain : 4

A. JARAK ANTARA MATAHARI DAN BUMI Bumi mengelilingi matahari (revolusi) dengan lintasan yang berbentuk elips. Jarak antara matahari dan bumi terdekat terjadi tanggal 5 Juli (aphelion) dan terjauh pada tanggal 3-5 Januari (perihelion). Satu revolusi bumi memerlukan waktu satu tahun atau 365 hari. Namun karena matahari juga bergerak mengelilingi bintang yang lebih besar, bumi tidak kembali ke titik awalnya setelah mengelilingi matahari selama setahun. A. JARAK ANTARA MATAHARI DAN BUMI Oleh sebab itu setiap empat tahun diadakan penyesuaian waktu/tanggal dari 28 hari menjadi 29 hari pada bulan Februari yang dikenal dengan tahun kabisat. Perbedaan jarak antara matahari dan bumi menyebabkan perbedaan kerapatan fluks (Wm -2, kadang-kadang disebut intensitas) radiasi surya yang sampai di permukaan bumi Pada jarak matahari-bumi yang berbeda (R 1 dan R 2 ) maka kerapatan fluks radiasi surya yg diterima bumi masing-masing sebesar Q 1 dan Q 2. 5

A. JARAK ANTARA MATAHARI DAN BUMI Persamaan berikut menjelaskan bahwa jumlah energi radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari yang dihitung dari berbagai jarak akan selalu sama, yaitu merupakan hasil kali antara kerapatan fluks dengan luas total yang menerimanya (4πR 2 = luas bola). 4πR 12. Q 1 = 4πR 22. Q 2 Maka, Q 2 = Q 1. (R 1 /R 2 ) 2 yang menunjukkan bahwa pengaruh perbedaan jarak matahari-bumi cukup mempengaruhi penerimaan radiasi surya di bumi A. JARAK ANTARA MATAHARI DAN BUMI Pada jarak rata-rata antara matahari dan bumi selama setahun, radiasi surya yg datang tegak lurus di permukaan bumi disebut dengan tetapan surya (solar constant). Nilai tetapan surya adalah 1360 Wm -2, dengan variasi antara 1-2% disebabkan oleh variasi pancaran radiasi di permukaan matahari. 6

B. PANJANG HARI DAN SUDUT DATANG Seandainya tidak ada atmosfer maka perbedaan radiasi surya di permukaan bumi pada suatu waktu tertentu disebabkan oleh sudut datang matahari. Perbedaan tempat menurut letak lintang (latitude) di samping menyebabkan perbedaan penerimaan kerapatan fluks radiasi surya, juga menyebabkan perbedaan periode penerimaannya yang disebut panjang hari. Kutub utara dan selatan akan mengalami panjang hari 24 jam (siang terus menerus) dan 0 jam (malam terus menerus) masing-masing selama enam bulan dalam setahun. B. PANJANG HARI DAN SUDUT DATANG Sudut datang radiasi surya dan panjang hari tersebut dapat dihitung dengan rumus berikut: cos z = sin Ф sin δ + cos Ф cos δ cos h z = sudut antara garis normal dengan sinar datang (zenith angle) Ф = letak lintang ( ) h = sudut waktu (24 jam = 360 ) δ = sudut deklinasi surya ( ) tergantung oleh waktu/tanggal (No) yang dapat dihitung dengan δ = -23,4 cos {2π (No + 10)/365} 7

B. PANJANG HARI DAN SUDUT DATANG No adalah nomor hari dalam setahun, misalnya No = 1 pada tanggal 1 Januari dan No = 32 pada tanggal 1 Pebruari. Pada saat matahari terbit atau terbenam, maka z = 90 dan sudut waktu h setara denga setengah panjang hari. Bila sudut waktu setengah panjang hari tersebut dilambangkan dengan H, maka : cos 90 = 0 = sin Ф sin δ + cos Ф cos δ cos H atau : cos H = - tg Ф tg δ H = - tg -1 Ф tg -1 δ B. PANJANG HARI DAN SUDUT DATANG Panjang hari (N) selajutnya dapat dihitung dengan mengkonversikan 2H dari satuan sudut ( ) ke satuan waktu (jam) sebagai berikut : N = 2H (24/360) jam Bila jarak matahari-bumi dianggap tetap sebesar nilai rata-ratanya, maka radiasi yang sampai di puncak atmosfer yang disebut radiasi Angot (Q A ) dapat diduga dari : Q A = Q s0 cos z Q s0 = tetapan surya sebesar 1360 Wm -2 8

B. PANJANG HARI DAN SUDUT DATANG Namun karena jarak matahari-bumi tidak konstan, maka radiasi Angot adalah : Q A = Q s0 (R /R) 2 cos z = Q A (R /R) 2 R = jarak rata-rata antara matahari-bumi R = jarak matahari-bumi sebenarnya pada waktu tertentu Berdasarkan persamaan diatas, maka pada hari cerah radiasi surya yang sampai di permukaan bumi pada letak lintang dan waktu yang berbeda dapat didekati dengan : Qs = τ QA Qs = radiasi surya di permukaan bumi pada hari cerah (Wm-2) τ = transparansi atau keadaan optik atmosfer, berkisar 0,6-0,9 C. PENGARUH ATMOSFER BUMI Pada waktu radiasi surya memasuki sistem atmosfer menuju permukaan bumi (daratan dan lautan), radiasi tersebut akan dipengaruhi oleh gas-gas aerosol, serta awan yang ada di atmosfer. Sebagian radiasi akan dipantulkan kembali ke angkasa luar, sebagian akan diserap dan sisanya diteruskan ke permukaan bumi berupa radiasi langsung (direct) maupun radiasi baur (diffuse). Radiasi langsung adalah radiasi yg tidak mengalami proses pembauran oleh molekulmolekul udara, uap dan butir air serta debu di atmosfer seperti yang terjadi pada radiasi baur. 9

C. PENGARUH ATMOSFER BUMI Jumlah kedua bentuk radiasi ini dikenal dengan radiasi global. Alat pengukur radiasi surya yang terpasang pada stasiun-stasiun klimatologi (solarimeter atau radiometer) mengukur radiasi global. Jumlah radiasi yang dipantulkan kembali ke angkasa luar oleh permukaan bumi dan atmosfer sekitar 30%. Sebesar 20% diserap oleh gas-gas atmosfer dan awan. Sisanya sebesar 50% diteruskan ke permukaan bumi dan diserap oleh permukaan daratan dan lautan. C. PENGARUH ATMOSFER BUMI Energi yang diserap permukaan daratan dan lautan ini selanjutnya akan digunakan untuk pemanasan udara, laut dan tanah, untuk penguapan serta sebagian kecil untuk proses fotosintesis (kurang dari 5% radiasi datang) Awan merupakan komponen penting dalam mempengaruhi penerimaan radiasi surya oleh permukaan bumi. Lama matahari bersinar cerah (dalam jam) selama sehari disebut dengan lama penyinaran yang ditentukan oleh penutupan awan. 10

C. PENGARUH ATMOSFER BUMI Alat pengukur lama penyinaran yang umum digunakan adalah Campbell Stokes. Bila pada suatu stasiun klimatologi tidak terdapat alat pengukur radiasi surya (solarimeter), radiasi surya (Q s ) dapat diduga dari data lama penyinaran (n) sebagai berikut : Q s /Q A = a + b n/n n = lama penyinaran (jam) N = panjang hari (jam) a dan b = konstanta yang tergantung dari keadaan daerah C. PENGARUH ATMOSFER BUMI Rumus tersebut diatas hanya disarankan untuk menduga radiasi surya bulanan. Ketepatan pendugaan Qs dengan metode ini akan berkurang bila periode yang digunakan lebih pendek, misalnya mingguan atau harian. Perlu diperhatikan satuan radiasi surya sesaat (kerapatan fluks) adalah Wm -2, sedangkan dalam bentuk kumulatif (misalnya dalam sehari, seminggu atau sebulan) adalah MJ m -2. Radiasi kumulatif merupakan hasil penjumlahan (integral) dari radiasi sesaat. Sebagai contoh, pada tanggal 17 Agustus 1993 kerapatan fluks radiasi surya tertinggi di Bogor terjadi pada pukul 12.00 WIB sebesar 1000 Wm -2 sedangkan pada hari tersebut radiasinya adalah 12 MJ m -2 11

4. NERACA ENERGI PADA PERMUKAAN BUMI Secara umum neraca energi pada suatu permukaan bumi dapat dituliskan sebagai berikut : Q n = Q s + Q 1 Qs Q1 Q n = radiasi netto (Wm -2 ) Q s dan Qs = radiasi surya yg datang dan keluar (Wm -2 ) Q 1 dan Q1 = radiasi gelombang panjang yg datang dan keluar (Wm -2 ) 4. NERACA ENERGI PADA PERMUKAAN BUMI Nisbah antara radiasi gelombang pendek (radiasi surya) yang dipantulkan dengan yg datang disebut albedo permukaan tsb. Untuk gelombang panjang, karena permukaan juga memancarkan radiasi gelombang panjang maka sulit untuk membedakan antara radiasi pantulan dgn yg dipancarkan oleh permukaan tsb. Di atmosfer, uap air dan CO 2 adalah penyerap radiasi gelombang panjang yang utama. Energi radiasi yang diserap oleh kedua gas tsb akan dipancarkan kembali ke permukaan bumi diiringi oleh peningkatan suhu udara 12

4. NERACA ENERGI PADA PERMUKAAN BUMI Fenomena ini dikenal dengan pengaruh rumah kaca (green house effect), seperti naiknya suhu udara yg terjadi dalam rumah kaca. Dalam rumah kaca, radiasi surya mampu menembus atap kaca karena energinya yg besar, sedangkan radiasi gelombang panjang dari dalam rumah kaca tidak mampu menembus atap kaca sehingga terjadi penimbunan energi yang berlebihan di dalam rumah kaca tsb yg mengakibatkan kenaikan suhu udara. Di atmosfer, gar-gas rumah kaca (uap air, CO 2 dan methane) dapat dianalogikan dgn atap kaca. 4. NERACA ENERGI PADA PERMUKAAN BUMI Seperti telah disinggung di awal, yang dikhawatirkan dewasa ini adalah terjadinya peningkatan gas-gas CO 2 dan methane secara terus menerus akibat ulah manusia yg dapat menyebabkan pemanasan global di bumi. Jumlah radiasi gelombang panjang yang keluar dari suatu permukaan dapat diduga dengan rumus Brunt (1932) yg diturunkan dari Hukum Stefan-Boltzman, kelembaban udara (e a ) dan tingkat perawanan yg didekati dari data lama penyinaran dan panjang hari (n/n) adalah : 13

4. NERACA ENERGI PADA PERMUKAAN BUMI Q 1 = σ T 4 (0,56 0,079 e 0,5 a ) (0,1 + 0,9 n/n) Dengan : Q 1 = radiasi gelombang panjang dari suatu permukaan bumi (Wm -2 ) T = suhu udara (K) e a = tekanan uap air di udara (mb) 4. NERACA ENERGI PADA PERMUKAAN BUMI Bila radiasi gelombang panjang yg datang jauh lebih kecil dibandingkan pancaran yg keluar (Q 1 = Q 1 Q1), sedangkan albedo permukaan sebesar α, maka persamaan neraca energi di atas dapat ditulis sebagai : Q n = Q s (1 - α) Q 1 dengan : Q s = radiasi surya datang yg terukur dgn solarimeter (Wm -2 ) Q 1 = pancaran radiasi gelombang panjang (rumus Brunt, Wm -2 ) 14

4. NERACA ENERGI PADA PERMUKAAN BUMI Radiasi surya (Q s ) bernilai nol pada malam hari, sehingga radiasi netto (Q n ) bernilai positif. Radiasi netto yg positif ini akan digunakan untuk memanaskan udara (H), penguapan (λe), pemanasan tanah/lautan (G) dan kurang dari 5% untuk fotosintesis. Q n = H + λe + G + P Pada malam hari Q n bernilai negatif, sehingga bukan pemanasan udara dan tanah yg terjadi (+H dan +G) melainkan proses pendinginan (-H dan G). Perlu diperhatikan bahwa persamaan tsb berlaku bila tidak ada pemindahan panas secara horizontal (adveksi panas). 15