HIDROMETEOROLOGIT ATAPM UKAK EEMPAT (RADIASI SURYA)

HIDROMETEOROLOGI

T

ATAP

M

UKA

K

EEMPAT

(RADIASI SURYA)

Dosen :

DR. ERY SUHARTANTO, ST. MT. JADFAN SIDQI FIDARI, ST., MT

1.P

ANCARAN

R

ADIASI

S

URYA

Meskipun hanya sebagian kecil dari radiasi yang dipancarkan matahari diterima permukaan bumi, namun radiasi surya (matahari)

merupakan sumber energi utama untuk proses-proses fisika atmosfer. Proses-proses-proses fisika atmosfer tersebut menentukan keadaan cuaca dan iklim di atmosfer bumi kita ini.

Radiasi surya merupakan gelombang

1.P

ANCARAN

R

ADIASI

S

URYA

Dengan suhu permukaan tersebut, radiasi yang dipancarkan berupa gelombang elektromagnetik sebesar 73,5 juta watt tiap m2_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.K

ARAKTERISK

R

ADIASI

S

URYA

DAN

B

UMI

 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_s4

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₎

2.K

ARAKTERISK

R

ADIASI

S

URYA

DAN

B

UMI

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 :

λm = 2897/Ts

λmdalamμm dan Ts dalam K

2.K

ARAKTERISK

R

ADIASI

S

URYA

DAN

B

UMI

Karena sebaran energi radiasi menurut panjang gelombang sekitarλ_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

2.K

ARAKTERISK

R

ADIASI

S

URYA

DAN

B

UMI

Karena panjang gelombang radiasi surya relatif pendek dibandingkan benda-benda alam lainnya, radiasi surya disebut dengan radiasi gelombang pendek. Sebaliknya radiasi bumi atau benda-benda yang ada di bumi disebut dengan radiasi gelombang panjang.

3. P

ENERIMAAN

R

ADIASI

S

URYA

D

I

P

ERMUKAAN

B

UMI

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).

A. J

ARAK 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. J

ARAK 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 perbedaankerapatan fluks(Wm-2_,

kadang-kadang disebutintensitas) radiasi surya yang sampai di permukaan bumi

Pada jarak matahari-bumi yang berbeda (R₁dan R₂) maka kerapatan fluks radiasi surya yg

A. J

ARAK 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 (4πR2_{= luas bola).}

4πR₁2_{. Q}

1= 4πR22. Q2

Maka, Q₂= Q₁. (R₁/R₂)2_{yang menunjukkan}

bahwa pengaruh perbedaan jarak matahari-bumi cukup mempengaruhi penerimaan radiasi surya di bumi

A. J

ARAK 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}

B. P

ANJANG 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. P

ANJANG HARI DAN SUDUT DATANG

Sudut datang radiasi surya dan panjang hari tersebut dapat dihitung dengan rumus berikut: cos z = sin Фsin δ+ cosФcosδcos h

z = sudut antara garis normal dengan sinar datang (zenith angle)

Ф = letak lintang (_˚)

h = sudut waktu (24 jam = 360_˚)

B. P

ANJANG 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 Фsin δ+ cosФcosδcos H atau :

cos H = - tgФtgδ H = - tg-1Ф_tg-1δ

B. P

ANJANG 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 :

QA= Qs0cos z

B. P

ANJANG 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’ = τQA

Qs’ = radiasi surya di permukaan bumi pada hari cerah (Wm-2)

τ= transparansi atau keadaan optik atmosfer, berkisar 0,6-0,9

C. P

ENGARUH 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).

C. P

ENGARUH 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. P

ENGARUH 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)

C. P

ENGARUH ATMOSFER BUMI

Alat pengukur lama penyinaran yang umum digunakan adalahCampbell 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. P

ENGARUH 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

4. N

ERACA

E

NERGI

P

ADA

P

ERMUKAAN

B

UMI

Secara umum neraca energi pada suatu permukaan bumi dapat dituliskan sebagai berikut :

Q_n = Q_s+ Q₁– Qs – Q1 Q_n = radiasi netto (Wm-2₎

Q_sdan Qs = radiasi surya yg datang dan keluar (Wm-2₎

Q₁dan Q1 = radiasi gelombang panjang yg datang dan keluar (Wm-2₎

4. N

ERACA

E

NERGI

P

ADA

P

ERMUKAAN

B

UMI

Nisbah antara radiasi gelombang pendek (radiasi surya) yang dipantulkan dengan yg datang

disebutalbedopermukaan 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 CO₂adalah penyerap radiasi gelombang panjang yang utama.

4. N

ERACA

E

NERGI

P

ADA

P

ERMUKAAN

B

UMI

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, CO2

danmethane) dapat dianalogikan dgn atap kaca.

4. N

ERACA

E

NERGI

P

ADA

P

ERMUKAAN

B

UMI

Seperti telah disinggung di awal, yang dikhawatirkan dewasa ini adalah terjadinya peningkatan gas-gas CO₂dan 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 (ea) dan

4. N

ERACA

E

NERGI

P

ADA

P

ERMUKAAN

B

UMI

Q1= σT4(0,56 – 0,079 ea0,5) (0,1 + 0,9 n/N)

Dengan :

Q₁ = radiasi gelombang panjang dari suatu permukaan bumi (Wm-2₎

T = suhu udara (K)

ea = tekanan uap air di udara (mb)

4. N

ERACA

E

NERGI

P

ADA

P

ERMUKAAN

B

UMI

Bila radiasi gelombang panjang yg datang jauh lebih kecil dibandingkan pancaran yg keluar (Q₁ = Q₁ – Q1), sedangkan albedo permukaan

sebesarα, maka persamaan neraca energi di atas dapat ditulis sebagai :

Qn = Qs(1 -α) – Q1

dengan :

Q_s = radiasi surya datang yg terukur dgn solarimeter (Wm-2₎

4. N

ERACA

E

NERGI

P

ADA

P

ERMUKAAN

B

UMI

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.

Qn = H + λE + G + P