Radiasi Matahari, Bumi, dan Atmosfer Oleh : Sonni Setiawan 12/11/2018

Tujuan Instruksional Khusus Mampu mengemukakan secara rinci konsep transfer energi dan berbagai jenisnya Mampu mengemukakan konsep dasar radiasi. Mampu mengemukakan karakteristik radiasi matahari, bumi, dan atmosfer Mampu menggambarkan variasi radiasi matahari baik terhadap waktu dan ruang yang diterima di permukaan bumi 12/11/2018

Pendahuluan Energi matahari masuk ke atmosfer, energi ini menghangatkan udara dan mengendalikan gerak atmosfer yang dikenal sebagai angin. Distribusi musiman dari energi ini bergantung pada karakteristik orbital bumi mengelilingi matahari 12/11/2018

Rotasi bumi pada porosnya menyebabkan adanya siklus harian dari radiasi matahari yang diterima di permukaan bumi. Banyak sekali energi matahari yang diserap di permukaan bumi dan memberikan energi bagi kehidupan di muka bumi Radiasi IR dari atmosfer ke permukaan bumi yang cukup kecil dibandingkan dengan emisi radiasi IR dari permukaan bumi menyebabkan adanya pendingingan di permukaan bumi baik siang hari maupun malam hari 12/11/2018

Dalam bab ini kita akan mempelajari : 1. Konsep Transfer Panas 1.1. Konduktif 1.2. Konvektif 1.3. Radiatif 2. Radiasi Matahari dan Bumi 3. Penerimaan Radiasi Matahari di Bumi 4. Kesetimbangan Radiatif 12/11/2018

Temperatur danTransfer Panas Temperatur adalah ukuran energi kinetik rata-rata partikel-partikel (atom atau molekul) dalam suatu objek Panas adalah transfer energi yang terjadi dari satu objek ke objek yang lain karena adanya perbedaan temperatur kedua objek tersebut Ingatlah baik-baik kedua konsep ini 12/11/2018

1. Konsep Transfer Panas 12/11/2018

1. Transfer Panas Panas ditransfer dari suatu objek ke objek lain dengan 3 cara: 1. konduksi, 2. konveksi 3. radiasi. 12/11/2018

1.1. Konduksi Adalah transfer panas dari satu molekul/atom ke molekul/atom lainnya di dalam sebuah objek [transfer panas molekuler atau atomik] Transfer panas secara konduksi ini selalu mengalir dari daerah bertemperatur tinggi ke daerah bertemperatur rendah 12/11/2018

Konduksi – Konduktor Ketika suatu objek dapat dengan mudah menghantarkan energi dari satu molekul/atom ke molekul/atom yang lainnya, maka objek tersebut disebut sebagai konduktor panas yang baik Tingkat konduktifitas panas suatu benda bergantung pada struktur ikatan molekul-molekul/atom-atom dalam objek tersebut. 12/11/2018

Jika k adalah tingkat kemampuan suatu objek untuk menghantarkan panas (tingkat konduktifitas objek), maka secara umum berlaku: mengapa??? 12/11/2018

Karena udara merupakan konduktor yang buruk, maka dalam cuaca yang tenang, tanah yang panas dapat menghangatkan udara secara konduksi hanya setebal beberapa cm diatasnya. Akan tetapi tanah dapat menghangatkan udara sampai beberapa km secara vertikal dan bahkan sampai beberapa ratusan km secara vertikal, bagaimanakah fenomena ini bisa terjadi??? -----------------konvektif 12/11/2018

1.2. Konvektif Adalah transfer panas oleh pergerakan massa fluida Tipe transfer panas seperti ini berlangsung dalam cairan dan gas, karena keduanya dapat bergerak secara bebas dan memungkinkan terjadinya arus di dalamnya. Arus inilah yang menyebabkan panas dapat ditransfer ke seluruh tempat 12/11/2018

Mekanisme Transfer secara Konveksi Siang hari yang hangat  permukaan bumi (secara lokal) menyerap panas dari matahari  udara di dekat permukaan dipanaskan  udara berekspansi sehingga menjadi lebih ringan dari pada udara disekitarnya  udara hangat ini naik  udara diatasnya menjadi hangat Udara dibawahnya diisi oleh udara dingin dari sekitarnya kemudian dihangatkan lagi, demikian terus prosesnya. Proses pertukaran panas secara vertikal ini disebut Konveksi. 12/11/2018

Dalam atmosfer berlaku aturan: 1. setiap udara yang naik akan selalu mengalami ekspansi dan mendingin 2. setiap udara yang turun akan selalu mengalami kompresi dan menghangat 12/11/2018

1.3. Radiatif Adalah transfer energi dari satu objek ke objek lain melalui perambatan gelombang elektromagnetik karenanya maka disebut Radiasi Gelombang EM 12/11/2018

1.3.1. Gelombang Elektromagnetik 12/11/2018

Hubungan antara , f dan c adalah c = f  Sumber gelombang EM adalah osilasi medan Listrik (E) dan medan magnetik (B) yang dihasilkan oleh partikel-partikel dalam objek Hubungan antara , f dan c adalah c = f  dengan f adalah frekuensi osilasi medan E dan B Hasil studi teoretik oleh Maxwell diperoleh bahwa gelombang EM merambat dalam vacum dengan laju 12/11/2018

1.3.2. Spektrum Gelombang EM Hasil pengukuran dengan menggunakan interferometer menunjukan bahwa radiasi gelombang EM mempunyai panjang gelombang yang bervariasi  spektrum gelombang elektromagnetik Spekturm ini merupakan spektrum kontinu 12/11/2018

12/11/2018

12/11/2018

1.3.3. Sifat Partikel Gelombang EM Ketika gelombang EM ini berinteraksi dengan medium maka gelombang ini berperilaku seperti partikel  karakter partikel dari radiasi gelombang EM disebut foton 12/11/2018

Menurut Planck, energi satu foton adalah dimana E : energi foton (Joule) c : cepat rambat gelombang EM (m/s) h : konstanta Planck = 6,63 x 10-34 Js  : panjang gelombang (meter) f : frekuensi getaran gelombang EM (Hz) 12/11/2018

1.3.4. Konsep Dasar Radiasi GEM Objek apapun yang memiliki temperatur diatas nol absolut (0 K), mengemisikan radiasi dalam bentuk gelombang elektromagnetik dengan spektrum yang lebar. Sebuah objek yang mengemisikan seluruh panjang gelombangnya disebut benda hitam (black body) 12/11/2018

Hasil percobaan menunjukan bahwa distribusi intensitas monokromatik emisi sebuah benda-hitam bersuhu T terhadap panjang gelombangnya ditunjukan pada gambar 12/11/2018

Planck menyatakan bahwa intensitas monokromatik radiasi yang diemisikan oleh benda hitam bersuhu T diberikan oleh dengan c1 = 3,74 x 108 Wm-2 m4 c2 = 1,44 x 104 m K E : intensitas monokromatik emisi benda hitam (W/m2) T : suhu benda hitam (K) 12/11/2018

2. Semakin tinggi temperatur objeknya, maka panjang gelombang yang diemisikan semakin pendek Hukum Perpindahan Wien:  = 2897 m.K T : temperatur (K) 12/11/2018

3. Benda bersuhu tinggi mengemisikan radiasi dengan intensitas yang lebih besar dari pada benda bersuhu rendah. Total intensitas monokromatik untuk semua panjang gelombang dari radiasi yang diemisikan oleh benda hitam adalah Hukum Stefan Boltzmann dimana F : Fluks Radiasi (W/m2),  : konstanta stefan boltzmann  = 5,67 x 10 W m-2 K-4 12/11/2018

1.3.5. Absorber dan Emiter Absorber adalah objek yang dapat mengabsorbsi (menyerap) energi radiasi yang jatuh padanya Emiter adalah objek yang mengemisikan radiasi pada temperatur benda tersebut. Objek yang sempurna absorbsi dan emisinya pada suhu objek tersebut disebut sebagai Benda Hitam (Blackbody) 12/11/2018

Tidak semua benda berperilaku seperti benda hitam, sehingga Hukum Stefan Boltzmann untuk benda seperti ini adalah Benda yang mengbsorbsi dan mengemisi radiasi secara selektif disebut sebagai pengabsorbsi selektif (selective absorbers) 12/11/2018

2. Karakter Radiasi Matahari dan Karakter Radiasi Bumi 12/11/2018

4. Radiasi Matahari Matahari mengemisikan radiasi pada semua panjang gelombang, akan tetapi karena suhu permukaan matahari adalah 6000 K (sangat panas), maka matahari meradiasikan energinya pada panjang gelombang yang relatif pendek, dengan  maks dekat 0,5 m (SWR) 12/11/2018

5. Radiasi Bumi Bumi mengemisikan seluruh energinya secara radiatif pada semua panjang gelombang, akan tetapi karena suhu permukaan bumi jauh lebih rendah dari matahari (sekitar 288 K), maka bumi mengemisikan seluruh energinya pada daerah inframerah (IR) dengan  diantara 5 m – 25 m  Radiasi Gelombang Panjang (LWR) atau Radiasi Terrestrial 12/11/2018

Tugas 2 1. Berapakah Fluks radiasi yang diemisikan oleh a. Permukaan matahari bersuhu 6000 K b. Permukaan bumi bersuhu 255 K Berapakah panjang gelombang maksimum yang diemisikan oleh Catatan : anggap matahari dan bumi adalah benda hitam sempurna 12/11/2018

6. Penerimaan Radiasi Matahari di Bumi Walaupun matahari mengemisi radiasi ke segala arah dengan energi yang sama, akan tetapi fluks radiasi yang diterima di batas atas atmosfer planet dalam tata surya akan berbeda mengapa ? 12/11/2018

Faktor Orbital Bumi Kepler (abad ke-17 M) : “Orbit semua planet terhadap matahari dalam sistem tata surya berbentuk elips dengan matahari berada pada salah satu titik fokusnya.” Akibat orbit bumi terhadap matahari ini, maka fluks radiasi matahari yang sampai diorbit planet akan bervariasi mengikuti 12/11/2018

Konstanta matahari : Definisi Konstanta Matahari (S0) adalah besar fluks radiasi matahari yang sampai di puncak atmosfer bumi pada jarak rata-rata matahari – bumi. Jika jarak rata-rata matahari – bumi adalah , maka konstanta matahari diberikan oleh 12/11/2018

Pada saat perihelion (3 Januari) : S = 1418 W/m2 Berdasarkan definisi konstanta matahari, maka variasi fluks matahari yang sampai pada permukaan luar atmosfer bumi adalah Pada saat perihelion (3 Januari) : S = 1418 W/m2 Pada saat aphelion (25 April) : S = 1355 W/m2 12/11/2018

Sedangkan fluks radiasi matahari yang diterima oleh atmosfer terluar bumi adalah fluks yang tegak lurus permukaan, sehingga dengan  adalah sudut yang dibentuk oleh sinar matahari dengan permukaan terluar dari atmosfer bumi. 12/11/2018

Faktor Harian : rotasi bumi Faktor Musiman : Sumbu rotasi bumi tidak tegak lurus bidang ekliptika tetapi membentuk sudut 63,50 terhadap bidang ekliptika. Faktor Harian : rotasi bumi 12/11/2018

7. Kesimbangan Energi Radiatif Jika bumi dan benda-benda lainnya mengemisikan radiasinya secara kontinu, mengapa semua benda itu tidak mendingin???  Karena semua benda tidak hanya mengemisikan energi akan tetapi mereka mengabsorbsi energi juga. 12/11/2018

Keseimbangan Energi Radiatif Ingat-ingat: Jika benda lebih banyak meradiasikan energi dari pada menyerapnya, maka benda akan mendingin Jika benda lebih benyak menyerap energi dari pada meradiasikannya, maka benda akan menghangat. 12/11/2018

Keseimbangan Energi Radiatif Jika laju absorbsi radiasi sama dengan laju emisi radiasinya, maka dikatakan bahwa kesetimbangan radiatif tercapai. Berdasarkan konsep ini, maka suhu rata-rata di permukaan bumi adalah sekitar 255 K (- 180C), Sedangkan hasil observasi, suhu rata-rata di permukaan bumi yaitu sekitar 288 K (150C) Mengapa ada perbedaan??? 12/11/2018

Mengapa demikian??? Jawabannya terletak pada fakta bahwa atmosfer bumi mengabsorbsi dan mengemisikan radiasi inframerah. Atmosfer bumi tidak berperilaku seperti benda hitam, ia menyerap radiasi pada panjang gelombang tertentu dan transparan terhadap radiasi pada panjang gelombang yang lain Jadi atmosfer itu bersifat selektif terhadap radiasi yang diserap maupun yang diemisikannya, sehingga atmosfer merupakan pengabsorbsi selektif 12/11/2018