Radiasi Matahari, Radiasi Bumi dan Neraca Radiasi Sistem Bumi-Atmosfer

Pada suatu sistem iklim, semua proses berawal dari energi radiasi yang datang dari matahari keatas permukaan atmosfer (udara). Selanjutnya energi ini diteruskan ke permukaan bumi dimana sepanjang perjalanannya sebagian darinya dipantulkan kembali ke ruang angkasa. Sebagian lagi terserap oleh udara dan sisanya ditransmisikan ke permukaan bumi. Radiasi yang dapat sampai ke permukaan bumi ini pada akhirnya dapat memanaskan permukaan bumi, menguapkan air, melelehkan salju dan memanaskan tanah. Energi yang sudah berubah tersebut juga terkirimkan kembali ke ruang angkasa dalam bentuk radiasi. 

Neraca Radiasi

Variasi dari jumlah radiasi yang diterima oleh permukaan bumi serta variasi dari interaksi antara bumi dan atmosfer tersebut dapat menyebabkan variasi keruangan dan waktu dari perubahan energi yang akhirnya menentukan iklim suatu tempat.

Radiasi Matahari

Radiasi adalah suatu bentuk energi yang dipancarkan oleh setiap benda yang mempunyai suhu di atas nol mutlak, dan merupakan satu-satunya bentuk energi yang dapat menjalar di dalam vakum angkasa luar.

Energi yang diperlukan untuk berbagai proses di dalam atmosfer berasal dari matahari. Matahari yang mempunyai suhu permukaan 6000 K memancarkan energi dalam bentuk radiasi ke semua arah dengan kecepatan rambat 300.000.000 m/s. Energi ini mencapai bumi dalam waktu 9,3 menit.

Matahari dapat dianggap sebagai benda hitam, yaitu benda penyerap dan pemancar sempurna. Menurut hukum Stefan-Boltzman fluks radiasi yang dipancarkan benda hitam berbanding lurus dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya.

                                       F = aT4

Menurut hukum pergeseran Wien, panjang gelombang dari pemancaran benda hitam dengan intensitas maksimum berbanding terbalik dengan suhu mutlak benda.

Jenis Gelombang Berdasarkan Panjang Gelombang

Banyaknya radiasi matahari yang jatuh pada puncak atmosfer bumi tergantung pada tiga faktor, yaitu waktu tahun, waktu hari, dan derajat lintang.

Radiasi matahari dalam perjalanannya melewati atmosfer menuju permukaan bumi mengalami penyerapan, pemantulan, hamburan, dan pemancaran kembali.

1. Absorpsi

Radiasi matahari yang jatuh diserap langsung oleh ozon dan uap air sebanyak 18%.

2. Pemantulan

Radiasi matahari yang sampai ke atmosfer dipantulkan oleh tutupan awan dan permukaan bumi. Albedo radiasi yang dipantulkan berbeda-beda sesuai dengan jenis tanah dan awan yang memantulkan radiasi tersebut.

3. Hamburan

Radiasi matahari terutama dihamburkan oleh molekul udara, uap air, dan partikel di atmosfer. Hamburan dapat terjadi ke atas atau ke bawah menuju permukaan bumi.

Ada dua macam hamburan radiasi matahari di dalam atmosfer yang bergantung pada besarnya ukuran partikel penghambur terhadap panjang gelombang radiasi yang datang. Jika ukuran partikel penghambur jauh lebih kecil dari panjang gelombang radiasi yang datang, maka hamburannya dinamakan hamburan Rayleigh. Jika ukuran partikel penghambur lebih besar daripada panjang gelombang radiasi maka hamburannya dinamakan hamburan Mie yang efektif untuk semua panjang gelombang. 

Radiasi Bumi

Seperti radiasi matahari, radiasi infra merah yang dipancarkan bumi akan mengalami proses penyerapan, reradiasi, dan penerusan.

1. Penyerapan

Sebagai penyerap utama di dalam atmosfer ialah ozon, karbon dioksida, dan awan.

2. Reradiasi

Pemancaran kembali ini berlangsung ke semua arah, sebagian ke atas menuju angkasa luar dan sebagian lagi ke bawah (radiasi balik).

3. Penerusan

Banyaknya radiasi bumi yang diserap atmosfer adalah 95%, sedangkan sisanya diteruskan tanpa dipengaruhi atmosfer meninggalkan bumi menuju angkasa luar.

Jenis Awan dan Albedo

Neraca Radiasi Sistem Bumi-Atmosfer

Berbagai proses yang dialami radiasi matahari dalam perjalanannya memasuki sistem bumi-atmosfer.

Berbagai proses yang dialami radiasi bumi dalam perjalanannya meninggalkan permukaan bumi.

Neraca Radiasi Permukaan

Neraca radiasi permukaan ialah selisih antara radiasi yang diserap dan yang dipancarkan oleh suatu benda atau permukaan. Mengingat bahwa suhu permukaan bumi tidak bertambah panas dan suhu atmosfer tidak makin dingin , berarti bahwa kelebihan energy dikembalikan ke atmosfer dalam bentuk bahang sensibel dan bahang laten. Pengembalian kelebihan energi dari permukaan bumi ke atmosfer dalam bentuk bahang sensibel dan bahang laten.

Neraca Bahang Permukaan

Parameter total radiasi, atau Q* sangat penting karena besar kecilnya Q* menentukan ketersediaan energi pada suatu sistem. Ketersediaan energi dapat digunakan untuk pertukaran energi yang dapat menentukan bagaimana keadaan iklim di suatu tempat. Pertukaran energi ini dapat berupasensible heat (QH), yaitu energi yang menentukan tinggi rendahnya suhu udara di suatu tempat; latent heat (QE), yaitu energi yang terlibat dalam proses evaporasi dan storage heat (QG) yang merupakan energi yang berasal dan atau tersimpan di bawah permukaan bumi/tanah. Keseimbangan energi di suatu tempat ditunjukkan dengan :

Q*           =  QH + QE + QG

Pembagian energi tersebut, bisa surplus maupun defisit. Hal ini tergantung dari sifat alamiah permukaan setempat seperti kemampuan tanah di dalam menyerap energi dan kemampuan udara setempat di dalam menstransport panas/energi. Pada siang hari, ketersediaan energi pada umumnya digunakan untuk proses evaporasi dari lengas tanah. Sehingga, QE mendominasi. Jika ketersediaan air sudah menipis, maka peran QE berkurang dan digantikan dengan QH yang besar. Dengan demikian, suhu di tempat tersebut akan meningkat. Pada malam hari, situasi diatas menjadi terbalik. Dalam hal ini Q* menjadi negatif, karena QH dan QE berkurang. Sementara itu energi yang tersimpan sebelumnya, QG, akan terbawa ke permukaan. Namun karena QG yang relatif kecil dibanding QH dan QE maka Q* menjadi negatif. Akibatnya, pada malam hari suhu udara menjadi turun.