IV. RADIASI MATAHARI

1
IV. RADIASI MATAHARI
1. Karakteristik Matahari Matahari adalah gas
zat asam yang sangat besar dan menyala. Naufal
(1983) garis tengah matahari gt3 juta km,
luas permukaannya 325 kali luas PB (luas PB
509.951 x 106 km2) beratnya diperkirakan 332
kali berat bumi. Suhu bagian dalam matahari
20 juta º C bagian terluarnya 6.000º K.
Matahari mrp gumpalan zat yang memancarkan
kilatan api setinggi 500.000 km Energi yang
dihasilkan 1.674.000 tenaga kuda per m2.
Energi yang dipancarkan 56 x 1021 cal/menit
atau 29 x 1032 cal/tahun yg sampai di PB
2 x 10-9 bagian.
2
RM merupakan gel. elektromagnetik yang
dibangkitkan dari proses fusi nuklir yang
merubah Hidrogen ? Helium. Energi yang
dipancarkan dalam bentuk gel. elektromagnetik
73,5 juta watt/ m2 permukaan matahari dan yang
sampai ke permukaan terluar atmosfer bumi
rata-rata sebesar 1.360 W/m2. Energi yang
sampai pada permukaan daratan dan lautan hanya
sekitar setengah dari jumlah energi yang sampai
di puncak atau permukaan terluar atmosfer bumi.
3

• Peranan Energi Matahari
• Matahari merupakan sumber energi bagi segala
  aktivitas organisme
• hidup di PB. Lebih dari 99 dari energi yang
  dipergunakan untuk berbagai
• aktivitas di PB berasal dari matahari dan
  sisanya berasal dari aktivitas
• vulkanik, proses penghancuran sisa-sisa
  organisme yang mati,
• proses fermentasi serta pembakaran fosil yang
  tersimpan dalam tanah,
• seperti minyak bumi, batu bara, mineral dll.
• Secara global, RM berperan sebagai
• Sumber energi utk pembakaran, pemanasan proses
  penguapan air
• 2. Sumber energi untuk berbagai aktivitas atau
  proses fisika yang terjadi
• di PB berperan sebagai energi aktifasi
  molekul-2 pada
• suatu benda, shg mampu membangkitkan panas
  maupun suhu.
• 3. Sumber energi untuk aktivitas kehidupan
  organisme dalam berbagai
• proses metabolisme fotosintesis.

4
4.3. Perilaku Radiasi Matahari di Permukaan
bumi Dalam perjalanannya ke PB, RM banyak
mendapat rintangan-rintangan, diantaranya oleh
ATM, PB vegetasi. S energi matahari yang
sampai di PB (Rs) secara umum ditentukan oleh
transparansi atmosfer (q) maupun besarnya
tetapan surya (solar constant Io), sehingga
apabila digambarkan dalam bentuk matematis sbb
Rs q x
Io, dimana Io jumlah energi matahari yang
sampai di PB, q trasnparansi
atmosfer dan Io solar constant,
yaitu jumlah energi matahari yang sampai
pada permukaan terluar
atmosfer secara tegak lurus. Dari persamaan tsb
? apabila transparansi atmosfer semakin tinggi,
berarti atmosfernya bersih, maka S energi yang
diterima oleh bumi semakin tinggi, mendekati
tetapan matahari.
5
Apabila di ATM banyak terkandung uap air (awan)
atau gas-gas polutan seperti CO, NO2, SO2, CH4
maupun partikulat seperti debu, asap dsb., maka
nilai q semakin rendah. Sebaliknya bila ATM
cerah, yaitu bila kandungan awan sangat sedikit,
gas-gas rumah kaca juga sedikit, berarti nilai q
nya tinggi, maka RM dapat dengan leluasa masuk
dan sampai ke PB.
Radiasi matahari sebelum mencapai PB mengalami
beberapa hambatan, diantaranya pertama kali oleh
atmosfer. Di ATM RM mengalami pengurangan
melalui absorbsi dan refleksi. Demikian juga
setelah sampai di permukaan bumi, kehilangan
energi juga masih terjadi, diantaranya melalui
refleksi, konveksi, konduksi maupun untuk
evaporasi
6
RM setelah sampai di PB sebagian dipantulkan ke
udara dan sisanya diserap oleh permukaan
(radiasi neto Rn) Rn merupakan radiasi bersih
yang diterima oleh PB utk evaporasi, energi
termal dan energi yang disimpan dalam tanah.
Bagian energi yang diserap oleh permukaan
tersebut selanjutnya akan dipancarkan kembali ke
ATM dlm. bentuk gelombang yang berbeda (yaitu
gelombang panjang), proses ini disebut reradiasi
atau radiasi balik atau radiasi permukaan bumi.
Sifat benda yang mmp kemampuan menyerap energi
secara maksimal dan memancarkan kembali energi
tsb dalam bentuk gelombang yang lebih tinggi
disebut Black body radiation. Energi yang
dipancarkan oleh suatu permukaan sumber cahaya
yang bersifat seperti black body dapat dihitung
dg rumus Stefan-Boltzman sbb IB ?
T4 Dimana IB intensitas pancaran cahaya
oleh benda yang bersifat black body
(W/m2) T
suhu (o K) ? konstanta
Stefan-Boltzman (5,67 x 10-8 W.m-2.ºK-4)
,
7
Bumi merupakan benda yang bersifat seperti black
body dan memancarkan energi pd suhu 288º K, ?
intensitas pancaran cahaya bumi 390 W.m-2.
Matahari ditaksir memancarkan energi cahaya
setara black body pada suhu 6.000 oK, sehingga
intensitas pancaranya adalah sebesar 73
MW.m-2 Untuk benda atau permukaan yang tidak
besifat seperti black body, maka energi yang
dipancarkan dihitung dengan rumus I e ? T4
dimana e emisivitas (daya pancar) dari
permukaan suatu benda. Untuk kebanyakan
permukaan benda bukan buatan manusia, daya
pancarnya untuk gelombang panjang berkisar 0,90
0,98, untuk black body, e 1.
8
KESEIMBANGAN ENERGI Bumi yang dihuni manusia
beserta isinya telah menerima energi radiasi
matahari terus-menerus. 3,67 x 1021 cal/hari,
sehingga apabila dihitung tentunya di permukaan
bumi telah terjadi akumulasi energi yang sangat
besar, namun dalam kenyataanya tidak demikian.
Hal ini disebabkan karena di dalam system
atmosfer bumi telah terjadi keseimbangan antara
energi yang diterima dan dilepaskan oleh bumi.
Energi matahari yang sampai di permukaan bumi
berkisar 43 yang berasal dari radiasi langsung
dan tidak langsung.
9
Bumi merupakan benda yang bersifat seperti black
body dan memancarkan energi pada suhu 288 ºK,
sehingga intensitas pancaran cahaya bumi adalah
390 W.m-2. Matahari ditaksir memancarkan energi
cahaya setara black body pada suhu 6.000 ºK,
intensitas pancaranya 73 MW.m-2. Untuk benda
atau permukaan yang tidak besifat seperti black
body, energi yang dipancarkan dihitung dengan
rumus I e ? T4 dimana e emisivitas
(daya pancar) dari permukaan suatu benda.
Untuk permukaan benda bukan buatan manusia,
daya pancarnya untuk gelombang panjang berkisar
0,90 0,98, untuk black
body, e 1.
10
RM yang sampai di PB secara tidak langsung
berasal dari radiasi diffuse dan radiasi
schatering. Radiasi matahari yang dipantulkan
oleh atmosfer (gas, uap air atau awan dan
partikulat) ke luar atmosfer berkisar 42 dan
yang diserap atmosfer sebanyak 15. Energi
matahari yang diserap oleh permukaan bumi
selanjutnya dipancarkan oleh permukaan bumi ke
atmosfer maupun langsung terbebas ke luar
atmosfer. Radiasi permukaan sebesar 23 ini ada
yang sebagian yang diserap oleh atmosfer
sebanyak 16 dan yang 7 dibebaskan langsung ke
luar atmosfer.
11
Penerimaan Energi Kehilangan Energi
Di Permukaan Bumi Radiasi Langsung 27 Radiasi dari Permukaan Bumi 23 Radiasi Tak Langsung 16 Proses Konveksi dan Evaporasi 23 Transfer Turbulensi 3
Jumlah 46 Jumlah 46
Di Atmosfer Absorbsi Radiasi Matahari 15 Radiasi Atmosfer 51 Absorbsi Radiasi Bumi 16 Transfer Turbulensi 3 Konveksi dan Evaporasi 23
Jumlah 54 Jumlah 54
Di Luar Atmosfer Refleksi Atmosfer 40 Radiasi dari Matahari 100 Refleksi Radiasi Bumi 2 Radiasi Atmosfer 51 Radiasi Permukaan bumi 7
Jumlah 100 Jumlah 100
12
Rn yang si di PB digunakan untuk pemanasan
udara dalam bentuk panas terasa (sensible heat
H), sebagian lagi disimpan di dalam
tanah/permukaan sebagai energi untuk pemanasan
permukaan tersebut (S), untuk energi penguapan
air yang ada di permukaan (?E), untuk proses
metabolisme (m) dan untuk fotosintesis (p),
Rn H S ?E m p. Jumlah energi yang
digunakan untuk metabolisme fotosintesis
apabiola dibandingkan dengan energi untuk H, S
dan ?E, relative sangat kecil, ? m dan p
diabaikan, Rn H S ?E. Berdasarkan
persamaan di atas, terlihat bahwa radiasi yang
tertampung di PB berhubungan erat dengan RM yang
dipantulkan. Makin besar radiasi yang
dipantulkan, maka Rn semakin kecil. Apabila Rn
rendah maka energi yang akan digunakan untuk
pemanasan udara, permukaan ataupun untuk
evaporasi juga berkurang.
13
Monteith (1975) 70 RM yang diserap oleh
tanaman diubah menjadi panas yang digunakan
untuk transpirasi, respirasi dan pemanasan udara
sekitarnya, untuk fotosintesis disimpan dalam
bentuk senyawa organic (bahan kering)
diperkirakan tidak lebih 20 sisanya
berperan sebagai regulator dalam pertumbuhan dan
perkembangan tanaman. Hasil penelitian
efisiensi penggunaan radiasi di Bali untuk
beberapa tanaman pangan berkisar antara 1,39
1,87 (Sitompul dan Guritno, 1993) dan efisiensi
penggunaan radiasi paling tinggi yang pernah
dicapai 3,70. Ini sebagian disebabkan
penggunaan cahaya yang aktif dalam fotosintesis
tidak efisien. Secara teoritis, reduksi 1 mol
CO2 menjadi karbohidrat membutuhkan 3 photon
cahaya, tetapi kenyataanya hasil percobaan
menunjukkan bahwa kebutuhan kuanta sesungguhnya
berkisar antara 8-10 photon/mol CO2.
14
UNSUR-UNSUR RADIASI MATAHARI 1. Intensitas
Radiasi Matahari (IRM) adalah jumlah energi
matahari yang sampai pada suatu luasan tertentu
dari suatu permukaan pada waktu yang tertentu
pula, dg satuan Calori, Joule, Lux atau Watt/m2.
IRM mempunyai arti yang sangat penting dalam
menentukan besar atau kecilnya jumlah energi
yang tersedia di permukaan. 2. Lama Penyinaran/
Panjang Hari/ Periodisitas Adalah lamanya
matahari bersinar dalam kurun waktu 24 jam, atau
lamanya periode siang. 3. Kualitas
Cahaya. Cahaya didefinisikan sebagai radiasi
elektromagnetik yang dapat ditangkap mata
manusia, tetapi sesungguhnya cahaya mencakup
radiasi elektromagnetik pada kisaran a yang tidak
dapat ditangkap oleh mata manusia IR UV,
karena cahaya-cahaya pada a ini juga penting
pengaruhnya terhadap iklim suatu tempat dan juga
berpengaruh terhadap metabolisme makhluk hidup,
misalnya metabolisme tumbuhan tertentu.
15
A. INTENSITAS RM Besar kecilnya intensitas
radiasi matahari ditentukan oleh a. Sudut
Datang Cahaya (a) adalah sudut yang
dibentuk oleh sinar yang datang ke permukaan
dengan bidang datar permukaan. a yang besar
menunjukkan RM makin mendekati tegak lurus ?
intensitas yang sampai di PB semakin besar.
Hal tersebut digambarkan oleh hukum Lambert sbb
I Io q sin a I energi yang spi di PB dan
Io Solar Constant, q transparansi atmosfer
dan a adalah sudut datang. a yang besar
menunjukkan RM makin mendekati tegak lurus
? intensitas yang sampai di PB semakin
besar. Makin besar sudut a, ? sin a makin
mendekati 1, ? S energi yang spi di PB semakin
besar , IRM maksimum bila a
90º semakin kecil a, ? IRM semakin kecil b.
Jarak Bumi terhadap Matahari Pada posisi
Perihelion, IRM yg diterima PB gt posisi Aphelion.
16
Intensitas cahaya maksimum pada kondisi tidak
berawan, saat tengah hari 1,50 gkal.cm-2.min-1
(sekitar 108.000 lux) pada permukaan laut hingga
1,75 gkal.cm-2.min-1 (sekitar 130.000 lux) di
puncak gunung. Di atmosfer biasanya dijumpai
asap, debu dan berbagai jenis gas dan awan yang
dapat menurunkan S energi yang sebenarnya dapat
mencapai PB. Fotosintesis dapat terjadi pada
IRM yang sangat rendah, sekalipun hanya 5 lux,
fotosintesis tidak dapat diabaikan. Titik
kompensasi cahaya pada beberapa tanaman sekitar
1.000 lux. Titik kompensassi adalah RIM pada
saat laju fotosintesis laju respirasi.
Tanaman berada pada kondisi jenuh cahaya apabila
peningkatan cahaya lebih lanjut tidak
meningkatkan laju fotosintesis. Intensitas
cahaya pada saat jenuh dapat menjadi lebih
tinggi jika konsentrasi CO2 yang tersedia untuk
tanaman meningkat. Namun, titik jenuh tersebut
akan tercapai ketika peningkatan intensitas
cahaya atau CO2 tidak berakibat pada peningkatan
fotosintesis.
17
Berdasarkan kebutuhan dan adaptasi tanaman
terhadap IRM, pada dasarnya tanaman dapat dibagi
menjadi 2 kelompok, yaitu 1. Sciophytes/ shade
species/ shade loving Yaitu tanaman yang dapat
tumbuh baik pada temm pat yang ternaung dengan
IRM yang rendah. Tanaman kopi misalnya, dapat
tumbuh baik pada intensitas antara 30 50 dari
radiasi penuh. Tanaman Cacao tumbuh baik
pada intensitas sekitar 25 dari radiasi penuh,
? ke2 tanaman ini membutuhkan naungan untuk
pertumbuhan terbaiknya. 2. Heliophytes/ Sun
species/ Sun loving Yaitu kelompok tanaman yang
tumbuh baik pada IRM penuh, sehingga tidak tahan
dengan naungan. Contohnya padi, jagung, tebu,
ubi kayu dan sebagian besar tanaman lainnya.
18
2. LAMA PENYINARAN (LP) LP berpengaruh
terhadap aktivitas makhluk hidup, misalnya
manusia dan hewan, juga akan berpengaruh thd
metabolisme yang berlangsung di dalam tubuh
makhluk hidup misalnya pada tumbuhan.
Penyinaran yang lebih lama akan memberi
kesempatan gt bagi tumbuhan untuk memanfaatkannya
melalui fotosintesis. Selain itu LP akan
mempengaruhi aktivitas hormon pada tumbuhan,
terutama hormon tumbuhan yg berperan dalam
inisiasi bunga. Istilah fotoperiodisitas
digunakan untuk fenomena dimana fase
perkembangan tumbuhan dipengaruhi oleh LP yg
diterima oleh tumbuhan tsb. Beberapa jenis
tumbuhan perkembangannya sangat dipengaruhi oleh
LP, terutama sehubungan dengan kapan tumbuhan
tsb akan memasuki fase generatifnya.
19
Berdasarkan responnya terhadap variasi panjang
hari, maka dikenal 1. Tumbuhan Hari Panjang
(Long day plant) kelompok tumbuhan yg akan
memasuki fase generatifnya (membentuk organ
reproduktif) hanya jika tumbuhan tsb
menerima penyinaran yang panjang (gt 14 jam),
contohnya spinasi, beberapa jenis radis dan
sawi. 2. Tumbuhan Hari Pendek (Short day plant)
kelompok tumbuhan yg akan memasuki fase
generatif (membentuk organ reproduktif) hanya
jika tumbuhan tersebut menerima penyinaran
yang pendek (lt 10 jam) contohnya labu siam,
kecipir dan bayam. 3. Tumbuhan Hari Netral
(Neutral day plant) kelompok tumbuhan yg
fase perkembangannya tidak dipengaruhi oleh lama
penyinaran. Kelompok tumbuhan ini tetap akan
memasuki fase generatif baik jika menerima yg
panjang/ pendek contohnya tomat, blewah,
kacang-kacangan dll.
20
3. Kualitas Cahaya. Cahaya tidak hanya radiasi
elektromagnetik yang dapat ditangkap mata
manusia, tetapi Juga mencakup radiasi
Elektromagnetik pada kisaran a yang tidak dapat
ditangkap oleh mata manusia, yakni mencakup
cahaya IR dan UV, karena cahaya-cahaya pada a
ini juga penting pengaruhnya terhadap iklim
suatu tempat dan juga berpengaruh terhadap
metabolisme makhluk hidup. Cahaya putih dari
matahari memiliki spectrum yang tersusun oleh
berbagai warna dari ungu hingga merah gelap
dengan panjang gelombang 400 750 nm. Tanaman
tanggap terhadap kisaran yang lebih lebar, yaitu
dari 350 780 nm, yang meliputi cahaya UV hingga
IR.
21
Kisaran panjang gelombang yang penting artinya
secara biologis adalah 1. Ultra violet (lt 400
nm), 2. Cahaya tampak (400-700 nm) ungu,
biru, hijau, kuning, jingga dan merah 3. Infra
merah (gt 700 nm). Dari kisaran cahaya tampak,
ternyata yang sangat berperan (diserap secara
kuat oleh klorofil) untuk fotosintesis adalah
cahaya biru (425 490 nm) dan merah (640 740
nm).
22
Karakteristik Cahaya Ultra Violet, Cahaya
Tampak dan Infra Merah
Jenis Cahaya Kisaran Panjang Gelombang (nm) Panjang Gelombang Representatif (nm) Panjang Gelombang Representatif (nm) Frekuensi (1014 hertz) Frekuensi (1014 hertz) Energi (kJ.mol-1)
Ultra violet Violet Biru Hijau Kuning Jingga Merah Inframerah lt 400 400 425 425 490 490 560 560 585 585 640 640 740 gt 740 254 410 460 520 570 620 680 1400 11,80 7,31 6,52 5,77 5,26 4,84 4,41 2,14 11,80 7,31 6,52 5,77 5,26 4,84 4,41 2,14 471 292 260 230 210 193 176 85 471 292 260 230 210 193 176 85

Tabel Respon Fisiologis Tanaman terhadap Cahaya
Respon Panjang Gelombang (nm)
Pemanjangan batang Terhambatnya perkecambahan biji pada spesies tanaman tertentu Perangsangan pembentukan umbi bawang Bombay Penghambatan pembentukan umbi bawang Bombay Pembentukan pigmen merah (likopen) pada Tomat Perangsangan pembungaan tanaman hari panjang Penghambatan pembungaan tanaman hari pendek Peningkatan perkecambahan biji pada beberapa spesies Peningkatan pembentukan antosianin Fotosintesis Pembentukan klorofil Fototropisme 720 1000 650 690 440 655 445 660 350 - 500
Sumber Rubatzky dan Yamaguchi (1998)
23
Selain panjang gelombang, frekuensi juga dapat
dijadikan penciri dari masing-masing jenis
cahaya Hubungan antara panjang gelombang dengan
frekuensi ? c / v, dimana c kecepatan
cahaya (3 x 108 m/detik) dan v frekuensi
putaran per detik ? semakin cepat frekuensi
putaran cahaya, maka spektrum cahaya makin pendek
gelombangnya .Gelombang cahaya yang pendek
menurut hukum Planck dalam konsep partikel,
yaitu radiasi gelombang elektromagnetis terdiri
dari aliran partikel-partikel yang disebut
quanta dan setiap quanta mpy kandungan energi
sebesar E, yg mpy kekuatan yang semakin tinggi
dengan bertambah cepatnya frekuensi putaran,
hubungan tersebut adalah E h.v, dimana h
konstanta Planck 6,625 x 10-27 erg.detik. Jika
dilihat hubungan antara panjang gelombang dengan
energinya, maka E c.h / ?, yang menunjukkan
bahwa semakin pendek a, semakin tinggi energi
yang dimilikinya.
24

• Pada dasarnya radiasi di alam berdasarkan a nya
  dikelompokkan
• 1. Radiasi Gelombang Panjang a gt 4,0 µm,
  gelombang listrik, radio.
• 
  Televisi dan radar.
• 2. Radiasi Gelombang Pendek a 4,0 µm
  radiasi matahari, sinar
• 
  laser, dll.
• RM mpy a 0,28 µm - 3,00 µm, yang meliputi
• Far infra red (FIR) ? gt 1,0
  ? pemanasan dan EV.
• 2. Near infra red (NIR) ? 0,76 1,00 µm,
  ? perkecambahan
• 
  ? pemanjangan tanaman
• 3. Photosynthetic Active Radiation (PAR)
• ?
  0,40 0,76 µm, ? fotosintesis
• 
  ? pembentukan pigmen-
  pigmen
• 4. Ultra Violet (UV) ? lt 0,40 µm, ?
  penghambatan pertumbuhan,
• 
  ? kerusakan pada sel.

25
(No Transcript)