Konsep Fisis Suhu Tanah Sebagai Bagian Pengamatan Klimatologi

Peta rezim suhu tanah global berdasarkan interpolasi lebih dari 20.000 stasiun iklim yang dimasukkan ke dalam model neraca air tanah untuk memperkirakan rezim suhu tanah

Gambar: https://open.library.okstate.edu

Climate4life.info - Konsep Fisis Suhu Tanah Dalam Bagian Pengamatan Klimatologi

Daftar Isi

• Pengantar
• Perpindahan Panas di Tanah
• Sifat Termal Tanah
  • Konduktivitas Termal
  • Kapasitas Panas
  • Difusivitas Termal
• Suhu Permukaan Tanah
• Suhu Tanah di Bawah Permukaan
  • Kedalaman Redaman
  • Dinamika Suhu Tanah
  • Jeda Waktu Perubahan Suhu
• Suhu Tanah Aktual vs Sinusiodal

Pengantar

Pengamatan suhu tanah merupakan salah satu tugas pokok sebuah stasiun klimatologi yang di atur dalam regulasi BMKG.

• Timbal balik kaitan Suhu Tanah dengan Iklim dan cara pengamatannya
• Menganalisis suhu tanah menggunakan aplikasi Surfer

Suhu tanah adalah elemen kunci dalam mengendalikan distribusi energi di permukaan tanah. Memahami suhu tanah sangat penting karena mempengaruhi berbagai proses biologis, kimia, dan fisik dalam tanah.

Dari suhu tinggi di daerah tropis hingga suhu ekstrem di kawasan dingin, suhu tanah memiliki dampak signifikan pada siklus karbon global dan pertumbuhan tanaman.

Tinggi Skala dan Persamaan Hipsometrik

Laju Susut Tekanan versus Ketinggian

Exercise 1 - Persamaan Gas

Gas Campuran dan Tekanan Parsialnya

Temperatur Virtual

Ketinggian Geopotensial

alert-success

Artikel ini membahas variasi suhu tanah, perpindahan panas, sifat termal, serta pengaruh suhu tanah terhadap lingkungan.

Perpindahan Panas di Tanah

Perpindahan panas dalam tanah umumnya terjadi melalui konduksi, meskipun dalam beberapa situasi konveksi panas juga berperan.

Konduksi panas mengikuti prinsip Hukum Fourier, yang menyatakan bahwa aliran panas sebanding dengan gradien suhu:

$q_{h}=-\lambda \frac{dT}{dz} \tag{1}$

di mana:

• $q_{h}$ = fluks panas (W.m-2) ;
• $\lambda$ = konduktivitas termal zat yang dilalui panas (W.m-1 °C-1);
• $\frac{dT}{dz}$ = gradien suhu

Hukum Fourier menjadi dasar bagi hukum-hukum penting lainnya seperti Hukum Ohm untuk konduksi listrik dan Hukum Fick untuk difusi kimia.

Sifat Termal Tanah

Sifat termal utama tanah, atau zat apa pun, adalah kapasitas panas dan konduktivitas termal. Kapasitas panas dapat didefinisikan berdasarkan satuan massa, yang disebut sebagai kalor jenis, atau berdasarkan satuan volume, yang disebut sebagai kapasitas panas volumetrik.

Rasio antara konduktivitas termal dan kapasitas panas volumetrik disebut juga sebagai difusivitas termal.  

Pemahaman tentang sifat termal tanah diperlukan untuk memprediksi bagaimana suhu tanah berubah seiring waktu dan lokasi. 

Sensor yang mengukur sifat termal tanah dapat digunakan untuk memantau kadar air tanah tanpa merusaknya. Selain itu, sifat termal tanah juga berperan dalam berbagai pendekatan berbasis penginderaan jauh untuk memperkirakan kadar air tanah dalam skala luas.

Konduktivitas Termal

Konduktivitas termal tanah (λ) adalah perbandingan antara aliran panas yang mengalir melalui tanah dengan perubahan suhu di dalam tanah (W m⁻¹ °C⁻¹).

Sederhananya, konduktivitas termal tanah menunjukkan seberapa baik tanah dapat menghantarkan panas.  Ini serupa dengan konduktivitas hidraulik yang menunjukkan kemampuan tanah untuk menghantarkan air.

Konduktivitas termal tanah dipengaruhi oleh berbagai faktor, seperti:

• Porositas terisi udara (ruang kosong dalam tanah yang berisi udara)
• Kandungan air tanah
• Kerapatan tanah (bulk density)
• Tekstur tanah (persentase pasir, debu, dan lempung)
• Mineralogi tanah (jenis mineral yang terkandung)
• Kandungan bahan organik
• Struktur tanah
• Suhu tanah

Dari semua bahan penyusun tanah, kuarsa memiliki konduktivitas termal tertinggi, sementara udara memiliki konduktivitas termal terendah.

Umumnya tanah berpasir mengandung kuarsa dalam jumlah besar sehingga memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi dibandingkan jenis tanah lainnya, dengan asumsi faktor lainnya tetap sama.

Karena udara memiliki konduktivitas termal yang sangat rendah, jumlah udara dalam tanah sangat berpengaruh terhadap konduktivitas termal tanah. Semakin banyak udara dalam tanah (porositas terisi udara tinggi), semakin rendah konduktivitas termalnya.

Konduktivitas termal tanah akan meningkat seiring dengan bertambahnya kandungan air, tetapi tidak selalu secara linier.

Pada tanah kering, sedikit tambahan air dapat secara signifikan meningkatkan kontak antara partikel mineral, karena air menempel pada partikel tersebut. Hal ini menyebabkan peningkatan konduktivitas termal yang cukup besar.

Berikut tabel konduktivitas termal, kepadatan, dan panas spesifik dari unsur-unsur tanah pada suhu 10 °C.

Komponen Tanah	Konduktivitas Termal (W m⁻¹ °C⁻¹)	Kepadatan (g cm⁻³)	Kalor Jenis (J g⁻¹ °C⁻¹)
Kuarsa	8.8	2.66	0.75
Mineral Lempung	3.0	2.65	0.76
Bahan Organik Tanah	0.3	1.3	1.9
Air	0.57	1.00	4.18
Es (0 °C)	2.2	0.92	2.0
Udara	0.025	0.00125	1.0

Kapasitas Panas

Kapasitas panas volumetrik tanah (C) adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu satuan volume tanah sebesar satu derajat (J m^-3 °C^-1).

Berbeda dengan konduktivitas termal, kapasitas panas volumetrik meningkat secara linier seiring dengan peningkatan kandungan air dalam tanah. Kapasitas panas volumetrik juga merupakan fungsi linier dari kerapatan massa tanah.

Kapasitas panas volumetrik dapat dihitung dengan persamaan berikut:

$C = \rho_b c_s + \rho_w c_w \theta \tag{2}$

di mana:

• ρ_b adalah kerapatan massa tanah (g cm^-3),
• c_s adalah kalor jenis partikel tanah (J g^-1 °C^-1),
• ρ_w adalah kerapatan air (g cm^-3),
• c_w adalah kalor jenis air (J g^-1 °C^-1),
• θ adalah kandungan air volumetrik tanah (cm³ cm^-3).

Untuk menaikkan suhu tanah yang lebih basah dan lebih padat akan membutuhkan lebih banyak energi dibandingkan dengan tanah yang lebih kering dan kurang padat, yang memiliki kapasitas panas volumetrik lebih rendah.

Hal ini menjadi salah satu faktor yang menyebabkan suhu tanah lebih rendah dan keterlambatan pertumbuhan tanaman pada tanah yang dikelola tanpa olah tanah.

Difusivitas Termal

Difusivitas termal tanah adalah perbandingan antara konduktivitas termal dengan kapasitas panas volumetrik (m²/s).

Nilai ini menunjukkan seberapa cepat perubahan suhu merambat melalui tanah akibat konduksi. Jika difusivitas termal tinggi, perubahan suhu akan menyebar dengan cepat ke seluruh tanah.

Secara logis, difusivitas termal tanah dipengaruhi oleh semua faktor yang mempengaruhi konduktivitas termal dan kapasitas panas. 

Namun, difusivitas termal cenderung kurang sensitif terhadap kandungan air tanah dibandingkan dengan konduktivitas termal dan kapasitas panas volumetrik. Parameter ini sangat berguna dalam memahami dan memodelkan suhu tanah.

Suhu Permukaan Tanah

Suhu tanah tertinggi dan terendah terjadi di permukaan tanah. Suhu tanah tertinggi yang pernah tercatat di Bumi mencapai sekitar 700°C akibat kebakaran hutan yang sangat intens.

Sebaliknya, suhu tanah terendah yang tercatat tidak se-ekstrem itu, dengan suhu mencapai -20°C selama musim dingin di wilayah Arktik.

Perubahan suhu di permukaan tanah terjadi secara teratur akibat siklus harian (rotasi Bumi pada porosnya) dan siklus tahunan (revolusi Bumi mengelilingi Matahari). 

Namun, ada juga variasi tidak teratur yang disebabkan oleh kondisi cuaca, seperti keberadaan awan, hujan, serta pergerakan massa udara dingin (cold front) dan massa udara hangat (warm front).

Jika kita memilih periode waktu di mana variasi cuaca ini dapat diabaikan, maka sebagai pendekatan pertama, suhu permukaan tanah T₀ dapat direpresentasikan dengan gelombang sinus sebagai berikut:

$T_0 = T_{\text{avg}} + A_0 \sin(\omega t + \phi) \tag{3}$

di mana:

• $T_{\text{avg}}$ adalah suhu rata-rata tanah di permukaan,
• $A_0$ adalah amplitudo osilasi suhu di permukaan,
• $\omega$ adalah frekuensi sudut dari siklus perubahan suhu,
• $\phi$ adalah konstanta pergeseran fase.

Frekuensi sudut ($\omega$) dihitung berdasarkan periode waktu yang digunakan, misalnya 24 jam untuk siklus harian atau 365 hari untuk siklus tahunan.

Pergeseran fase ($\phi$) diperlukan untuk memastikan bahwa suhu maksimum dan minimum terjadi pada waktu yang sesuai.

Gambar 1. Pendekatan sinusoidal untuk osilasi suhu tanah dengan suhu rata-rata 10 °C, amplitudo 7 °C, periode 24 jam, dan pergeseran fase 3,40 radian atau 13 jam.
Gambar: https://open.library.okstate.edu

Suhu Tanah di Bawah Permukaan

Kita dapat memperkirakan perubahan suhu tanah di bawah permukaan sebagai gelombang sinus jika memenuhi asumsi berikut:

• Suhu permukaan berosilasi secara sinusoidal.
• Suhu rata-rata tanah sama pada semua kedalaman.
• Jauh di dalam tanah, suhu tetap konstan.

Dalam kondisi ini, suhu tanah pada kedalaman z dan waktu t dapat dihitung dengan persamaan berikut:

$T(z,t) = T_{\text{avg}} + A_0 e^{-z/d} \sin(\omega t + \phi - z/d) \tag{4}$

di mana:

• e adalah basis logaritma natural, dan
• d disebut kedalaman redaman.

Kedalaman Redaman

Kedalaman redaman adalah kedalaman di mana amplitudo osilasi suhu tanah hanya 37% (1/e) dari amplitudo di permukaan tanah.

Kedalaman ini bergantung pada difusivitas termal tanah (α) dan frekuensi sudut (ω), atau periode osilasi suhu.

Persamaannya adalah:

$d = \sqrt{\frac{2\alpha}{\omega}} = \sqrt{\frac{\alpha \cdot \text{periode}}{\pi}} \tag{5}$

Dari persamaan ini, kita dapat melihat bahwa osilasi suhu tahunan (periode = 365 hari) menembus lebih dalam ke tanah dibandingkan osilasi harian (periode = 1 hari). 

Faktanya, osilasi tahunan menembus sekitar 19,1 kali lebih dalam dibandingkan osilasi harian. Kedalaman penetrasi juga meningkat seiring dengan bertambahnya difusivitas termal tanah.

Dinamika Suhu Tanah

Jika kita memplot Persamaan (4), kita dapat mengamati beberapa pola utama dalam perubahan suhu tanah:

1. Amplitudo osilasi berkurang dengan kedalaman
Contohnya, jika amplitudo suhu di permukaan tanah adalah 7°C, maka pada kedalaman 10 cm hanya sekitar 3°C.


2. Waktu puncak suhu bergeser dengan kedalaman

• Suhu maksimum dan minimum terjadi lebih lambat seiring bertambahnya kedalaman tanah.
  
  
• Pada kedalaman 30 cm dan 40 cm, suhu maksimum bisa terjadi pada malam hari atau dini hari, ketika suhu permukaan mencapai minimum.

3. Kedalaman tanah terhangat berubah sepanjang hari
Pada waktu tertentu, ada kedalaman tertentu yang menjadi titik terhangat atau terdingin dalam profil tanah.

Gambar 2 di bawah ini menunjukkan simulasi perambatan gelombang suhu harian dalam tanah.

Gambar 2. Simulasi perambatan gelombang suhu tanah harian ke kedalaman 0, 10, 20, 30, dan 40 cm dalam tanah dengan difusivitas termal 0,50 × 10⁻⁶ m²/s (18 cm²/jam) dan kedalaman redaman 11,7 cm.
Gambar: https://open.library.okstate.edu

Jeda Waktu Perubahan Suhu

Jeda waktu antara perubahan suhu di dua kedalaman berbeda dapat dihitung dengan persamaan berikut:

$t_2 - t_1 = \frac{z_2 - z_1}{\sqrt{\frac{4\pi \alpha}{\text{periode}}}} \tag{6}$

Di mana $t_2 - t_1$ adalah selisih waktu perambatan gelombang suhu antara kedalaman $z_2$ dan $z_1$. Saat difusivitas termal meningkat, selisih waktu antara kedalaman yang berurutan menjadi lebih kecil. 

Sebenarnya, persamaan ini bisa digunakan untuk memperkirakan difusivitas termal. Dengan mencatat waktu terjadinya suhu maksimum atau minimum harian pada dua kedalaman tanah yang berbeda, kita dapat memperkirakan difusivitas termal tanah di antara kedalaman tersebut.

Gambar 3. Profil simulasi suhu tanah pada berbagai waktu dalam setahun untuk tanah dengan suhu rata-rata 10 °C di semua kedalaman dan amplitudo 10 °C untuk osilasi tahunan di permukaan tanah.
Gambar: https://open.library.okstate.edu

Kita juga bisa menggunakan Persamaan (4) untuk melihat hubungan antara suhu tanah dan kedalaman pada waktu tertentu.

Saat musim dingin, suhu paling dingin berada di permukaan tanah, dan aliran panas bergerak ke atas menuju permukaan (yaitu bernilai negatif, seperti pada Gambar 3).

Saat tanah mulai menghangat di musim semi, suhu paling dingin tidak berada di permukaan atau dasar tanah, tetapi di tengah, dalam hal ini sekitar kedalaman 175 cm. Pola suhu di musim panas dan musim gugur merupakan bayangan cermin dari pola di musim dingin dan musim semi.

Nilai difusivitas termal yang digunakan untuk Gambar 3 sama dengan yang digunakan pada Gambar 2. Namun, karena Gambar 3 menggambarkan osilasi suhu tahunan, kedalaman redaman meningkat menjadi 224 cm.

Perlu diingat bahwa profil suhu ini didasarkan pada beberapa asumsi yang disederhanakan, sehingga tidak memperhitungkan pengaruh variasi sifat tanah, perpindahan panas melalui konveksi, atau pembekuan/pencairan tanah.

Suhu Tanah Aktual vs Sinusiodal

Osilasi suhu tanah tidak selalu mengikuti pola gelombang sinus yang teratur. Pada kedalaman dangkal, seperti 6 cm di bawah vegetasi, suhu tanah dapat menunjukkan variasi signifikan akibat perubahan cuaca.

Setelah beberapa hari dengan pola yang hampir sinusoidal, osilasi suhu dapat mengalami gangguan, seperti yang terjadi saat hujan di tengah musim tanam.

Gambar 5. Siklus tahunan suhu tanah yang diukur pada kedalaman 1 m di tanah lempung lanau di Minnesota, AS, di bawah vegetasi tahunan

Seiring bertambahnya kedalaman, pengaruh perubahan cuaca jangka pendek semakin berkurang, dan pola osilasi suhu lebih stabil serta mendekati bentuk sinusoidal.

Pengukuran suhu tanah pada kedalaman 1 meter selama satu tahun menunjukkan bahwa pola sinusoidal cukup dominan, meskipun terdapat penyimpangan terutama di musim dingin.

Penyimpangan ini kemungkinan dipengaruhi oleh isolasi akibat lapisan salju serta proses pembekuan dan pencairan tanah pada kedalaman yang lebih dangkal.

Referensi:

Disadur secara bebas dari https://open.library.okstate.edu/rainorshine/part/soil-temperature/, semua hak cipta gambar melekat padanya

Climate4life.info mendapat sedikit keuntungan dari penayangan iklan dan digunakan untuk operasional blog ini.

Jika menurut anda artikel ini bermanfaat, maukah mentraktir kami secangkir kopi melalu "trakteer id"?

Dukung Saya di Trakteer