Neraca Radiasi Atmosfer
Bagian 2
Neraca Energi di Permukaan Bumi
Matahari adalah sumber kekuatan penggerak (driving force) iklim kita, maka penelitian tentang neraca energi sangat penting untuk dapat memahami komplektivitas energi matahari dan keseimbangan termal di Bumi.
Neraca energi radiasi matahari tahunan menggambarkan perbandingan secara global insolasi matahari (penyerapan radiasi matahari) dan radiasi terestrial inframerah (emisi inframerah). Transfer energi terjadi melalui panas yang sensible dan panas laten. Panas laten dari evaporasi di lautan sangat dominan dibandingkan panas sensible yang hanya beberapa persen berkontribusi dalam fluks panas. Surplus di daerah ekuator ini diteruskan melalui transfer panas dari daerah ekuator menuju daerah lintang tinggi.
Neraca energi di permukaan berhubungan erat dengan kehidupan kita. Neraca energi permukaan dapat disampaikan dengan persamaan matematika sederhana :
Rn = Rs in + Rl in – Rs out – Rl out
Dimana Rn adalah radiasi neto untuk (Rs in) berupa gelombang pendek datang, (Rl in) berupa gelombang panjang datang dikurangi nilai radiasi gelombang pendek keluar dan gelombang panjang keluar (Rs out dan Rl out).
Baca juga: Soal OSN IPA SMP 2024 Bikin Penasaran? Yuk, Cari Tahu Jawabannya!
Radiasi matahari berdasarkan sifat alamiah dan elektromagnetiknya terbagi atas dua macam yaitu :
- Radiasi matahari yang datang (incoming short radiation) dalam bentuk gelombang
- Radiasi matahari yang keluar (outgoing long radiation) dalam bentuk gelombang panjang
Albedo adalah besaran yang menyatakan perbandingan antara intensitas radiasi matahari yang datang ke permukaan bumi dan yang dipantulkan kembali ke angkasa. Berikut gambaran skema radiasi gelombang pendek dan radiasi gelombang panjang di permukaan bumi :
Energi radiasi yang dipancarkan energi tidak semua sampai ke permukaan. Dari 100% radiasi (insolasi) yang dipancarkan oleh matahari, hanya 46 % yang sampai secara langsung ke permukaan sedangkan 23% diserap oleh atmosfer dan 29% direfleksikan. 6% dipantulkan kembali oleh permukaan, 18% diserap udara (uap, air, debu dan ozon), 4% diserap awan, 16% dipantulkan awan, dan 8% dipantulkan oleh udara. Pemetaan ini dinamakan neraca radiasi matahari. Neraca energi merupakan kesetimbangan dinamis antara masukan energi dari matahari dengan kehilangan energi oleh permukaan setelah melalui proses-proses yang kompleks.
Baca juga: Soal OSN Matematika SMA 2024: Pembahasan Lengkap
Penman (1948) menggambarkan neraca energi di permukaan bumi dengan persamaan
sederhana fluks energi yang datang dan keluar sebagai berikut :
Rn = LE + H + G
Dimana Rn adalah besarnya radiasi neto/ fluks energi radiasi neto yang datang (W/m2), LE adalah fluks panas laten yang sampai di udara (W/m2), H adalah fluks panas sensibel yang sampai di udara (W/m2) dan G adalah fluks panas yang sampai ke permukaan tanah (badan air) (W/m2).
Sensible heat adalah panas terasa yang dapat dirasakan tubuh manusia dan terukur oleh termometer. Latent heat (panas bahang) adalah panas yang tersembunyi, hingga terjadi perubahan fase air. Misalnya : peristiwa evaporasi, air berubah fase menjadi uap membutuhkan sejumlah energi, dan energi yang dipakai tersimpan sebagai panas laten. Pada saat terjadi kondensasi, uap menjadi embun disertai energi laten dilepas ke alam.
ASRS
Automatic Solar Radiation Station (ASRS) instrumen yang digunakan BMKG untuk mengetahui intensitas radiasi yang jatuh pada permukaan bumi baik yang langsung maupun yang dibaurkan oleh atmosfer. ASRS difokuskan pada radiasi matahari gelpmbang pendek. Pengukuran radiasi matahari secara langsung dilakukan oleh sensor yang terdapat pada ASRS. Data yang tertampung terkumpul dalam logger akan langsung dikirimkan setiap 10 menit sekali.
Komponen hardware yang ada di dalam ASRS meliputi 3 unit pyranometer, 1 unit pyrheliometer dan 1 unit sun tracker. Komponen output yang bisa didapatkan adalah : radiasi difusi (W/m2), radiasi langsung (W/m2), radiasi global (W/m2), radiasi pantulan (W/m2), radiasi net (W/m2), lama penyinaran (menit) dan sudut datang radiasi (°).
Baca juga: Pengertian Piramida ekologi, Jenis dan Contoh yang unik
Radiasi matahari yang teramati atau terukur dengan alat dapat dibagi menjadi 3 yaitu :
- Radiasi Direct Beam (Ib)/ radiasi langsung, yaitu radiasi matahari yang masuk ke atmosfer bumi dan langsung jatuh teramati di permukaan
- Radiasi Diffuse (Id)/ radiasi baur, yaitu radiasi matahari yang masuk ke atmosfer bumi yang kemudian diserap, dihamburkan atau dipantulkan oleh uap air, partikel debu ataupun polutan di atmosfer yang kemudian terukur/ teramati di permukaan
- Radiasi global adalah radiasi matahari yang diterima permukaan bumi, baik berupa radiasi langsung maupun radiasi Sehingga radiasi global dapat dijelaskan sebagai berikut :
Radiasi Global = Ib + Id
Karakterisasi sumber energi matahari sangat penting dalam pengukuran aplikasi radiasi matahari. Radiasi di permukaan dijelaskan dengan tiga komponen yaitu : DNI, DHI dan GHI Pengukuran insitu radiasi matahari tersebut dapat dihitung dengan bagaimana radiasi matahari mencapai permukaan Bumi dengan berbagai jalan tersebut (Po et al., 2018).
- DNI (Direct Normal Irradiance) adalah jumlah radiasi matahari yang diterima per satuan luas oleh permukaan yang tegak lurus atau normal terhadap sinar datang dari arah
- DHI (Diffuse Horizontal Irradiance) adalah jumlah radiasi matahari yang diterima per satuan luas (yang tidak ternaungi atau terhalang bayangan) yang tidak sampai secara langsung tapi terhablurkan (scattered) oleh partikul dan molekul di
- GHI (Global Horizontal Irradiance) adalah jumlah radiasi gelombang pendek yang diterima di atas permukaan tanah yang Nilainya tergantung pada nilai DNI dan DHI dengan rumus sebagai berikut :
Global Horizontal (GHI) = Direct Normal (DNI) X cos(θ) + Diffuse Horizontal (DHI)
Alat pengukur ASRS akan dapat mengukur ketiga komponen radiasi matahari GHI, DHI dan DNI.
Sistem ini memerlukan peralatan berupa :
- Pyranometer untuk menghitung GHI
- Pyranometer yang dinaungi untuk menghitung DHI
- Pyrheliometer untuk menghitung DNI
Pengukuran GHI dilakukan dengan pyranometer sebagai sensor pengukur radiasi global. Alat ini digunakan sebagai alat acuan karena pengukurannya yang akurat. Penggunaan sensor ini sangat penting dalam pengukuran radiasi matahari. Dianjurkan hanya menggunakan alat yang telah diklasifikasi dan dikalibrasi untuk mendapatkan hasil yang paling akurat. Pyranometer ini ditempatkan di atas tiang tanpa ada penghalang