Neraca Energi Radiasi

Buka gambar fitur

Perubahan Iklim: Sebuah Catatan Untuk Ahli Cuaca dan Iklim

Daftar Isi

1. Memahami Sistem Iklim

2. Variabilitas Temporal Alamiah dalam Sistem Iklim

3. Dampak Manusia Pada Sistem Iklim

4. Pemodelan Perubahan Iklim

5. Prediksi Iklim

6. Pengamatan Untuk Pemantauan Iklim Jangka Panjang

7. Pemodelan, Deteksi, dan Atribusi Perubahan Iklim Baru dan Masa Depan

8. Dampak Potensial Perubahan Iklim

Referensi:

Diterjemahkan dan dikembangkan dari: WMO, 2002: Introduction to Climate Change: Lecture Notes for Meteorologist

Chapter 1. Memahami Sistem Iklim

1.3 Proses Radiasi 

1.3.2 Neraca Energi Radiasi

1.3.2.1 Radiasi Matahari

Radiasi matahari yang terjadi pada sistem Bumi yang masuk ke atmosfer dari atas menyebabkan pemanasan karena penyerapan oleh gas, aerosol, dan awan di atmosfer, serta oleh laut, daratan, es, dan elemen biosfer di permukaan Bumi.

Penyerapan ini sebanding dengan intensitas radiasi matahari yang terjadi dan bergantung pada properti-substansi tersebut. Seperti yang dibahas di atas, intensitas yang relevan adalah komponen dalam arah vertikal. Seiring radiasi matahari diserap, radiasi yang tersedia untuk diserap di tingkat lebih rendah menjadi berkurang.

Meskipun radiasi awalnya berada dalam satu balok sempit yang bergerak dalam satu arah dari matahari, pantulan di permukaan dan penyebaran di dalam atmosfer mengirimkan radiasi matahari ke segala arah. 

Oleh karena itu, ketika seseorang melihat ke luar di siang hari, cahaya terlihat datang dari segala arah. Deskripsi lengkap dari efek penyerapan (pemanasan) harus mencakup efek kumulatif dari radiasi yang merambat dari segala arah.

Efek pemanasan secara keseluruhan akibat penyerapan radiasi matahari pada suatu permukaan horizontal dalam sistem iklim berkaitan dengan intensitas balok matahari yang masuk ke atmosfer dari ruang angkasa dan sudut balok matahari terhadap vertikal setempat.

Intensitas ini bergantung pada suhu matahari dan jarak dari matahari ke Bumi. Sudut balok matahari terhadap vertikal lokal bervariasi sesuai dengan sejumlah faktor astronomi: lintang di Bumi (jarak dari khatulistiwa), bujur di Bumi (waktu hari), dan orientasi sumbu Bumi terhadap matahari (sudut deklinasi matahari) yang bervariasi sesuai dengan waktu tahun.

Variasi dalam faktor-faktor ini menyebabkan variasi besar dalam pemanasan dari siang ke malam, dari daerah khatulistiwa ke kutub, dan dari musim panas ke musim dingin.

Gambar 1.2 Grafik kontur insolasi rata-rata harian di bagian atas atmosfer sebagai fungsi musim dan garis lintang. Interval kontur adalah 50 Wm –2 .

Garis putus-putus tebal menunjukkan garis lintang titik subsolar pada siang hari

Gambar: https://www.sciencedirect.com/ topics/earth-and-planetary-sciences/insolation

Gambar di atas menunjukkan variasi energi radiasi matahari harian total yang diterima di bagian atas atmosfer sebagai fungsi dari lintang dan waktu tahun. Variasi dalam orbit Bumi dan kondisi matahari menghasilkan variasi jangka waktu panjang tambahan yang akan dibahas nanti.

Detail penyerapan radiasi matahari (pemanasan) di dalam atmosfer dan di permukaan Bumi sangat bergantung pada properti-substansi yang menyerap.

Albedo (daya pantul) sinar matahari dari permukaan Bumi mengindikasikan (berbanding terbalik dengan) penyerapan radiasi oleh permukaan tersebut. Permukaan dengan albedo tinggi (kecerahan visual tinggi) dipanaskan jauh lebih sedikit daripada permukaan dengan albedo rendah (kecerahan visual rendah).

Di permukaan Bumi, albedo berkisar dari sekitar lima persen untuk permukaan laut (dengan matahari tinggi di langit) dan permukaan atas hutan konifer yang tebal dan gelap hingga 90 persen untuk salju segar.

Awan tebal di atmosfer juga dapat memiliki albedo hampir se tinggi salju segar. Karena sebagian besar radiasi matahari yang dipantulkan dan dipantulkan kembali melakukan perjalanan kembali ke luar angkasa, itu tidak pernah dikonversi menjadi panas dalam sistem iklim.

Atmosfer (gas, aerosol, dan awan) menyerap lebih sedikit dari radiasi yang jatuh dibandingkan dengan permukaan Bumi, sehingga efek pemanasan matahari lebih besar di permukaan Bumi daripada di atmosfer.

1.3.2.2 Radiasi Terestrial

Radiasi terestrial (radiasi gelombang panjang) akan dipancarkan dan juga diserap oleh zat materi dalam sistem iklim.

Penyerapan tergantung pada intensitas radiasi insiden dan properti fisik zat materi (kecuali suhu), sedangkan emisi tergantung pada suhu dan properti fisik lainnya dari zat materi tersebut. Permukaan Bumi dan awan memiliki properti radiatif yang cenderung menghasilkan jumlah radiasi terestrial maksimum yang diberikan oleh nilai 'benda hitam' dan menyerap radiasi terestrial insiden sepenuhnya. 

Di sisi lain, karakteristik emisi dan penyerapan radiasi oleh gas-gas atmosfer memiliki variabilitas besar tergantung pada panjang gelombang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.3 selanjutnya.

Efek yang paling kuat ditunjukkan oleh konstituen minor dalam atmosfer: uap air, karbon dioksida, ozon, nitrogen oksida, dan metana. Gas-gas ini terjadi secara alami dan dikenal sebagai 'gas rumah kaca.

1.3.2.3 Efek Rumah Kaca

Properti radiatif dari 'gas rumah kaca' jauh lebih mencolok untuk radiasi terestrial daripada radiasi matahari.

Gambar 1.3 (a-c)

Gambar 1.3 (b)  menunjukkan besarnya absorptivitas untuk seluruh kedalaman atmosfer. Terlihat bahwa efek absorptivitas jauh lebih besar untuk radiasi terestrial (rentang panjang gelombang 4 hingga 60 mikron) dibanding untuk radiasi matahari (rentang panjang gelombang 0,15 hingga 4 mikron).

Absorptivitas yang besar dari gas atmosfer untuk radiasi terestrial bersama dengan suhu atmosfer dalam kisaran 210-310 K yang optimal untuk emisi radiasi terestrial seperti ditunjukkan dalam Gambar 1.3 (a), menyebabkan emisi jumlah signifikan radiasi terestrial ke segala arah bahkan di tempat awan tidak hadir. Baiknya mengingat hukum radiasi Kirchhoff dan hukum pergeseran Wien.

Ini adalah komponen ke bawah yang menahan energi dalam sistem iklim dan menjaga keseimbangan suhu di permukaan bumi dan di atmosfer bagian bawah lebih tinggi daripada yang seharusnya. Peningkatan suhu ini dikatakan disebabkan oleh ‘efek rumah kaca’.

Gambar 1.3 (d) penyerapan radiasi matahari oleh berbagai gas di atmosfer

Gambar: https://www.researchgate.net/ publication/282393775_ The_climate_system

Berdasarkan rata-rata global, suhu permukaan yang diamati adalah sekitar 33 K di atas perkiraan 255 K tanpa adanya atmosfer sama sekali. Nilai peningkatan ini akan lebih besar lagi (lebih dari 80K) jika efek radiasi pada atmosfer jernih merupakan satu-satunya faktor yang memengaruhi.

Aliran panas sensible dan laten dari permukaan Bumi ke atmosfer bersama dengan konveksi atmosfer sebagian mengimbangi peningkatan suhu permukaan akibat transfer radiasi kembali dari atmosfer.

 

1.3.2.4 Peran Radiasi dalam Keseimbangan Energi Keseluruhan

Ketika hanya mempertimbangkan transfer energi vertikal, transfer energi radiasi mempunyai peran dominan dalam keseimbangan energi rata-rata global atmosfer dan permukaan bumi. 

Gambar 1.4 merangkum transfer energi ini. Bagian atas diagram mewakili bagian atas atmosfer, bagian bawah permukaan bumi, dan atmosfer berada di tengah. Komponen radiasi matahari berada di sisi kiri. Komponen radiasi terestrial berada di sisi kanan, dan perpindahan panas sensibel dan laten ditampilkan di tengah.

Gambar 1.4 Keseimbangan radiasi dan energi bumi. Rata-rata bersih radiasi matahari yang masuk sebesar 342 Wm-2 sebagian dipantulkan oleh awan dan atmosfer, atau di permukaan, namun 49 persen diserap oleh permukaan.

Sebagian dari panas tersebut dikembalikan ke atmosfer sebagai pemanasan sensibel dan sebagian besar sebagai evapotranspirasi yang diwujudkan sebagai panas laten dalam presipitasi.
Sisanya terpancar sebagai radiasi infra merah termal dan sebagian besarnya diserap oleh atmosfer yang pada gilirannya memancarkan radiasi ke atas dan ke bawah, menghasilkan efek rumah kaca, karena sebagian besar radiasi panas yang hilang ke ruang angkasa berasal dari puncak awan dan sebagian atmosfer jauh lebih dingin dibandingkan permukaannya.

Pembagian neraca energi rata-rata global tahunan dan keakuratan nilainya diberikan dalam Kiehl dan Trenberth (1997)

Gambar: https://scied.ucar.edu/ image/radiation-budget- diagram-earth-atmosphere

Perhatikan bahwa sekitar 30 persen radiasi matahari yang masuk dikembalikan ke ruang angkasa tanpa diubah menjadi panas (albedo sekitar 30 persen untuk sistem bumi-atmosfer); sekitar setengahnya diserap di permukaan bumi, dan hanya sekitar 20 persen diserap di atmosfer.

Untuk radiasi terestrial yang dipancarkan dari Bumi hanya sekitar 10 persen yang disalurkan langsung ke luar angkasa; sisanya diserap di atmosfer. Komponen energi yang diberi label ‘radiasi balik’ merupakan indikator utama efek rumah kaca.

Perhatikan juga bahwa besarnya radiasi terestrial yang dipancarkan ke bawah dari atmosfer ke bumi dan diserap di permukaan bumi hampir sama dengan total radiasi matahari yang terjadi di bagian atas atmosfer dan kira-kira dua kali lipat jumlah radiasi matahari yang diserap di permukaan bumi. .

Secara umum, besaran perpindahan energi radiasi jauh lebih besar dibandingkan dengan perpindahan panas sensibel dan laten (lihat Gambar 1.4). Aspek dasar dari pemaksaan radiasi adalah variasi sistematis dengan garis lintang.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.2, secara umum terdapat pengurangan keseluruhan seiring dengan jarak dari ekuator dalam total radiasi matahari harian yang masuk ke sistem bumi-atmosfer, menjadi lebih ekstrim pada musim dingin dan hampir tidak ada pada saat titik balik matahari musim panas. .

Rata-rata radiasi matahari musiman dan tahunan yang diserap dalam sistem atmosfer bumi menunjukkan penurunan ke kutub di belahan bumi musim panas dan musim dingin (lihat Gambar 1.5).

Tentu saja, gaya radiasi bersih bergantung pada masukan dari radiasi matahari dan kerugian akibat emisi radiasi terestrial ke ruang angkasa. Variasi garis lintang emisi radiasi terestrial jauh lebih sedikit dibandingkan radiasi matahari (Gambar 1.5).

Emisi terestrial ini bergantung pada suhu (dalam skala Kelvin absolut) baik di permukaan bumi, maupun di atmosfer yang mempunyai persentase variasi yang lebih kecil dibandingkan dengan perubahan faktor sudut zenit terhadap garis lintang yang mempengaruhi jumlah serapan radiasi matahari.

Radiasi bersih yang dihasilkan sistem bumi-atmosfer (Gambar 1.5) mempunyai kelebihan bersih di garis lintang tropis dan defisit di garis lintang kutub.

Gambar 1.5 — Profil meridian di bagian atas atmosfer, untuk kondisi rata-rata tahunan, DJF dan JJA:

(a) albedo rata-rata zonal;

(b) radiasi matahari diserap;

c) radiasi terestrial yang dipancarkan;

(d) radiasi bersih

Jika perpindahan radiasi adalah satu-satunya proses yang terjadi, wilayah khatulistiwa akan lebih panas dari yang teramati dan wilayah kutub lebih dingin dari yang teramati.

Namun, perpindahan panas dari daerah khatulistiwa ke daerah kutub melalui sirkulasi atmosfer dan samudera mengimbangi ketidakseimbangan radiasi ini dan memberikan keseimbangan energi secara keseluruhan di setiap garis lintang.

Kesimpulannya dan seperti yang dinyatakan sebelumnya, hubungan utama antara aktivitas manusia dan perubahan iklim adalah perubahan karakteristik perpindahan radiasi di atmosfer.

Perubahan konsentrasi gas rumah kaca dan penambahan gas lain yang mempunyai karakteristik serupa akan mengubah perpindahan radiasi terestrial.

Selain itu, perubahan konsentrasi aerosol dan mungkin perubahan tutupan awan akan mengubah perpindahan radiasi matahari. Kecuali dalam skala lokal, energi yang ditransfer melalui radiasi jauh lebih besar dibandingkan tingkat produksi energi akibat aktivitas manusia.

Dukung Kami

Climate4life.info mendapat sedikit keuntungan dari penayangan iklan yang ada dan digunakan untuk operasional blog ini.
Jika menurut anda artikel pada blog ini bermanfaat, maukah mentraktir kami secangkir kopi melalu "trakteer id"?