Radiasi Matahari, Bumi, dan Atmosfer - PowerPoint Presentation

Slide1

Radiasi Matahari, Bumi, dan Atmosfer

Oleh : Sonni Setiawan

28/09/2011

1

Slide2

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

28/09/2011

2

Slide3

PendahuluanEnergi 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

28/09/2011

3

Slide4

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 bumiRadiasi 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

28/09/2011

4

Slide5

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

28/09/2011

5

Slide6

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

28/09/2011

6

Slide7

1. Konsep Transfer Panas28/09/2011

7

Slide8

1. Transfer Panas

Panas ditransfer dari suatu objek ke objek lain dengan 3 cara: 1. konduksi, 2. konveksi

3. radiasi.

28/09/2011

8

Slide9

1.1. KonduksiAdalah

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

28/09/2011

9

Slide10

Konduksi – KonduktorKetika 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

.

28/09/2011

10

Slide11

Jika k adalah tingkat kemampuan suatu objek untuk menghantarkan panas (tingkat konduktifitas objek), maka secara umum berlaku:

mengapa???

28/09/2011

11

Slide12

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

28/09/2011

12

Slide13

1.2. Konvektif

Adalah transfer panas oleh pergerakan massa fluidaTipe 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

28/09/2011

13

Slide14

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.

28/09/2011

14

Slide15

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

28/09/2011

15

Slide16

1.3. Radiatif

Adalah transfer energi dari satu objek ke objek lain melalui perambatan gelombang elektromagnetik karenanya maka disebut

Radiasi Gelombang EM

28/09/2011

16

Slide17

1.3.1. Gelombang Elektromagnetik28/09/2011

17

Slide18

Sumber gelombang EM adalah osilasi medan Listrik (E) dan medan magnetik (B) yang dihasilkan oleh partikel-partikel dalam objekHubungan antara , f dan c adalah c = f 

dengan f adalah frekuensi osilasi medan E dan BHasil studi teoretik oleh Maxwell diperoleh bahwa gelombang EM merambat dalam vacum dengan laju

28/09/2011

18

Slide19

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

28/09/2011

19

Slide20

28/09/201120

Slide21

28/09/2011

21

Slide22

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

28/09/2011

22

Slide23

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)

28/09/2011

23

Slide24

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)

28/09/2011

24

Slide25

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

28/09/2011

25

Slide26

Planck menyatakan bahwa intensitas monokromatik radiasi yang diemisikan oleh benda hitam bersuhu T diberikan oleh dengan

c1 = 3,74 x 108 Wm

-2 m4

c

2

= 1,44 x 10

4 m K E



: intensitas monokromatik emisi benda hitam (W/m

2

)

T : suhu benda hitam (K)

28/09/2011

26

Slide27

2. Semakin tinggi temperatur objeknya, maka panjang gelombang yang diemisikan semakin pendek

Hukum Perpindahan Wien:

 = 2897 m.K

T : temperatur (K)

28/09/2011

27

Slide28

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

28/09/2011

28

Slide29

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)

28/09/2011

29

Slide30

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)

28/09/2011

30

Slide31

2. Karakter Radiasi Matahari dan Karakter Radiasi Bumi

28/09/2011

31

Slide32

4. Radiasi MatahariMatahari 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)

28/09/2011

32

Slide33

5. Radiasi BumiBumi 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

28/09/2011

33

Slide34

Tugas 21. 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

a. Permukaan matahari bersuhu 6000 K

b. Permukaan bumi bersuhu 255 K

Catatan : anggap matahari dan bumi adalah benda hitam sempurna

28/09/2011

34

Slide35

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 ?

28/09/2011

35

Slide36

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

28/09/2011

36

Slide37

Konstanta matahari : Definisi Konstanta Matahari (S

0) 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

28/09/2011

37

Slide38

Berdasarkan definisi konstanta matahari, maka variasi fluks matahari yang sampai pada permukaan luar atmosfer bumi adalahPada saat perihelion (3 Januari) : S = 1418 W/m2

Pada saat aphelion (25 April) : S = 1355 W/m2

28/09/2011

38

Slide39

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.

28/09/2011

39

Slide40

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

28/09/2011

40

Slide41

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.

28/09/2011

41

Slide42

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

.

28/09/2011

42

Slide43

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 (- 18

0C), Sedangkan hasil observasi, suhu rata-rata di permukaan bumi yaitu sekitar 288 K (150

C)

Mengapa ada perbedaan???

28/09/2011

43

Slide44

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

28/09/2011

44