Radiasi matahari merupakan sumber energi utama untuk proses atmosfer dan iklim bumi. Radiasi matahari berasal dari fusi nuklir di matahari dan berbentuk gelombang elektromagnetik. Berbagai faktor seperti jarak bumi-matahari, sudut datang sinar matahari, dan keberadaan gas rumah kaca mempengaruhi penerimaan dan distribusi radiasi matahari di permukaan bumi.

1. Galaksi

2. Sistem Tata Surya
Radiasi matahari sumber energi utama
untuk proses-proses fisika atmosfer.
Radiasi matahari merupakan gelombang
elektromagnetik yang dibangkitkan dari fusi
nuklir dan mengubah hidrogen menjadi helium.

3. III. RADIASI MATAHARI
Tujuan Pembelajaran
1. Menjelaskan bahwa radiasi matahari yang merupakan gelombang
elektromagnetik, selain sebagai unsur iklim juga berperan sebagai faktor
pengendali iklim
2. Menjelaskan bahwa setiap benda yang mempunyai suhu > 0 K akan
memancarkan radiasi menurut pangkat empat suhu permukaannya
3. Menjelaskan bahwa jarak antara matahari dan bumi, panjang hari, sudut
datang matahari, dan atmosfer mempengaruhi penerimaan radiasi
matahari di permukaan bumi
4. Menjelaskan bahwa gas-gas rumah kaca (CO2, H2O, CH4) menentukan
fraksi radiasi yang datang dan ke luar atmosfer yang menentukan neraca
energy pada permukaan bumi.
Disajikan Pada:
PERKULIAHAN KLIMATOLOGI DASAR
PROGRAM SARJANA FAPERTA UNLAM

4. 3.1. Pancaran Sinaran Matahari
Jarak matahari dan bumi ≈ Suhu permukaan matahari
150 juta km. sekitar 6000K.
Radiasi elektromagnetik ≈
73,5 juta Wm-2.
Radiasi di puncak atmosfer
≈1360 Wm-2.
Sinaran matahari yang sampai
di permukaan hanya sekitar
½ dari 1360 Wm-2, akibat
serapan dan pantulan oleh
awan.

5. 3.2. Karakteristik Sinaran Matahari
dan Bumi
 Setiap benda di alam, Ts > 0 K (atau -273ºC), akan
memancarkan radiasi);
F = ε ζ Ts4 (Hukum Stefan-Boltzman
F : pancaran radiasi (W m-2)
ε : emisivitas permukaan ≈ 1 untuk benda hitam,
untuk benda alam lainnya antara 0,9 – 1,0.
ζ : tetapan Stefan-Boltzman ≈ 5,67 10-8 Wm-2)
Ts : suhu permukaan (K)

6.  Hukum Wien (λm) menyatakan
bahwa semakin tinggi suhu
permukaan, maka semakin pendek
panjang gelombangnya;
λm = 2897/Ts
λm : panjang gelombang (μm)
Ts : suhu permukaan (K)
Radiasi matahari ≈ panjang gelombang
antara 0,3 – 4,0 μm  radiasi
gelombang pendek.
Radiasi bumi (300 K) mempunyai kisaran
panjang gelombang antara 4 – 120 μm
 radiasi gelombang panjang.

7. 3.2.2. Spektrum matahari
Tabel 3.1. Penggolongan radiasi matahari menurut panjang gelombang
Panjang gelombang Jenis Radiasi
< 0,001 μm Sinar X dan γ
Ultraviolet
0,001 μm – 0,200 μm Ultra violet jauh
0,200 μm – 0,315 μm Ultra violet menengah
0,315 μm – 0,380 μm Ultra violet dekat
Terlihat
0,380 μm – 0,720 μm Cahaya tampak
0,720 μm – 1,500 μm Infra merah dekat
Inframerah
1,500 μm – 5,600 μm Infra merah menengah
5,600 μm – 1,000 μm Inframerah jauh
> 1,000 μm Gelombang mikro dan radio

8. 3.3. Penerimaan Sinaran Matahari
di Permukaan Bumi
 Penerimaan radiasi matahari di permukaan
bumi bervariasi menurut tempat dan waktu
1. Menurut tempat;
 secara makro disebabkan oleh perbedaan letak lintang
dan keadaan atmosfer (awan).
 secara mikro, jumlah radiasi yang diterima ditentukan
oleh arah lereng.
2. Menurut waktu, perbedaan radiasi yang diterima;
 terjadi dalam sehari (dari pagi hingga sore hari)
 Secara musiman (dari hari ke hari)

9. Faktor-faktor yang mempengaruhi penerimaan sinaran matahari di
permukaan bumi, secara makro
3.3.1. Jarak antara matahari dan
bumi;
 Jarak terdekat (Perihelion)
terjadi pada tanggal 3 – 5 94,5
M
91,5
B
Januari. Juta mil Juta mil
 Jarak terjauh (Aphelion)
terjadi pada tanggal 5 Juli
3.3.2. Jarak antara matahari dan bumi yang berbeda
menyebabkan perbedaan kerapatan fluks (Wm-2)
atau intensitas yang sampai di permukaan bumi;
4 π R12 Q1 = 4 π R22 Q2
Q1 = Q2 (R2/R1)

10. Lintasan Matahari

11. Konstanta Matahari
Tetapan matahari (solar constant) merupakan radiasi matahari
yang datang tegak lurus bumi, untuk jarak rata-rata matahari
dan bumi selama setahun.
 Nilai tetapan matahari: 1360
Wm-2 dengan variasi 1 – 2%
akibat variasi pancaran
radiasi di permukaan
matahari. D=1,42 X 10 6 km
(32º d=12.700 km
56 x 1026 kal menit -1
S = --------------------------
4 π (1,5 x 1013 cm)2 Jarak rerata matahari - bumi
= 2,0 kal cm-2 menit -1
(1,5 x 108 km ± 1,7%)
= 2 ly menit-1 (1 langley =
1 kal cm-2)
= 1360 Wm-2

12. 3.3.2. Panjang hari dan sudut datang
Panjang hari
merupakan
perbedaan
penerimaan
kerapatan fluks
radiasi matahari
dan periodenya
karena perbedaan
tempat menurut
lintang.

13.  Radiasi matahari yang sampai di permukaan
bumi pada lintang dan waktu tertentu adalah;
 Qs’ = η QA
Qs’: radiasi matahari di permukaan bumi
pada hari cerah (Wm-2)
η : transparansi atau kerapatan optik
atmosfer; 0,6-0,9
QA : radiasi Angot atau radiasi matahari
yang sampai di puncak atmosfer.
QA = QA’ (R’/R)2
R’ : jarak rata-rata matahari-bumi
R : jarak matahari-bumi sebenarnya
QA’= QSO cos z
QSO: tetapan matahari, 1360 Wm-2.
z : sudut antara garis normal dengan
sinar datang (zenith angle)
z = sin Ф sin δ + cosФ cos δ cos h
Ф : letak lintang (º) dan
δ : sudut waktu ataun deklinasi matahari
(24 jam = 360º)

14.  Sudut datang adalah perbedaan
penerimaan radiasi matahari di
permukaan bumi pada waktu
tertentu.
 Radiasi yang diterima permukaan
bumi per satuan luas dan satuan
Batas atas atmosfer waktu disebut insolasi atau radiasi
global.
ATMOSFER  Φ = Φ0 cos θ
Φ : kerapatan aliran energi yang
diterima suatu permukaan
Φ0 : kerapatan aliran energi jika
radiasi matahari jatuh pada posisi
tegak lurus.
θ : sudut antara radiasi matahri
sore hari tengah hari dengan sumbu tegak lurus pada
permukaan.
Permukaan Bumi

15. Teladan 3.1.
 Suatu berkas cahaya  Penyelesaian Teladan
dengan intensitas 1000 3.1.
Wm-2 jatuh pada suatu  Φ = Φ0 cos θ
permukaan. Sudut yang  Φ0 sebesar 1000 Wm-2
terbentuk antara berkas
radiasi matahari dengan  θ = 30º, cos 30º = 0,8660
permukaan penerima  Φ = 1000 Wm-2 x 0,8660
adalah 30º.  Φ = 866 Wm-2
 Hitunglah kerapatan
aliran energi radiasi
matahari yang menerpa
permukaan tersebut

16. 3.3.3. Pengaruh atmosfer bumi
 Radiasi matahari yang memasuki sistem atmosfer akan
dipantulkan ke angkasa luar (r = refleksi), diserap (a =
absorbsi) dan diteruskan (t = transmisi) berupa radiasi global,
oleh gas, aerosol serta awan.
 1=r+a+t;
 1 = 0,3 + 0,2 + 0,5
 Radiasi global (0,5) terdiri dari radiasi langsung (direct) dan
radiasi baur (diffuse).

17. Absorbsi, a
 Absorbsi atmosfer:
selektif atau
bergantung pada
partikel tententu (uap
air, O2, CO2, nitrogen,
ozon) dan panjang
gelombang yang
datang.
 Emisivity, e (daya
pancar): kemampuan
relatif suatu
permukaan untuk
memancarkan energi
cahaya.
 Nilai fraksi daya pancar
dari suatu permukaan
sama dengan daya
serapnya (Hukum
Kirchoff; a = e)

18. Teladan 3.2.
 Intensitas penerimaan  Kerapatan aliran energi
radiasi matahari pada yang dipantulkan (r) oleh
permukaan sebesar 100 permukaan tersebut adalah
Wm-2. Sifat permukaan sebesar 0,32 x 100 Wm-2 =
adalah opaque dengan 32 Wm-2.
daya pantul sebesar 0,32.  Permukaan bersifat opaque
(tak tembus cahaya),
• Berapa kerapatan aliran jadi t = 0 Wm-2.
energi radiasi yang  Kerapatan aliran energi
diserap, dipantulkan yang diserap (a) adalah 1
dan diteruskan oleh = 0,32 + a + 0,0, maka a =
permukaan tersebut ? 1 – 0,32 – 0,0 = 0,68.
Jadi a = 0,68 x 100 Wm-2.
• Berapa intensitas  Intensitas pancaran radiasi
pancaran radiasi oleh oleh permukaan adalah,
permukaan tersebut ? hukum Kirchoff; a = e.
Jadi e adalah 68 Wm-2.

19. 3.4. Neraca Energi pada Permukaan Bumi
 Neraca energi pada suatu permukaan bumi ;
Qn = Qs + Ql - Qs’ – Ql’
Qn : radiasi neto (Wm-2)
Qs dan Qs; : radiasi matahari yang datang dan ke luar (Wm-2)
Ql dan Ql’ : radiasi gelombang panjang yang datang dan ke
luar (Wm-2).
 Albedo merupakan nisbah antara radiasi gelombang pendek
(radiasi matahari) yang dipantulkan dengan yang datang pada
suatu permukaan.

20. 3.4.1. Radiasi Gelombang Panjang
 Jumlah radiasi gelombang panjang dari suatu permukaan
(rumus Brunt, 1932);
Ql = ζ T4 (0,56 – 0,079 ea0,5) (0,1 + 0,9 n/N)
Ql : radiasi gelombang panjang dari suatu permukaan bumi
(Wm-2).
T : suhu udara
ea : tekanan uap air di udara (mb)
 Untuk radiasi gelombang panjang yang datang < yang ke
luar, maka;
Qn = Qs (1 – α) – Ql
Qs : radiasi matahari yang terukur dengan solarimeter (Wm-2)
Ql : pancaran radiasi gelombang panjang (rumus Brunt, Wm- 2)

21. 3.4.2. Neraca Energi
 Qn = H + λ E + G + P
 Malam hari; Radiasi matahari (Qs) = 0,
Radiasi neto (Qn) < 0.
 Qn < 0 maka akan terjadi pendinginan (- H dan
– G)
 Siang hari; Qs > Ql dan Qn > 0
 Qn > 0 digunakan untuk (1) memanaskan udara
(+H), (2) penguapan (λ E ), pemanasan
lautan/tanah (+G) dan < 5% untuk fotosintesis.

22. 3.4.3. Pengaruh Rumah Kaca
 Di atmosfer, uap air, CO2 dan methane (CH4) adalah
penyerap radiasi gelombang panjang sempurna.
Energi radiasi yang diserap oleh kedua gas tersebut
akan dipancarkan kembali ke permukaan bumi
diiringi oleh peningkatan suhu udara.

23. 3.5. Pengukuran dan Pengolahan Data Radiasi dan Lama
Penyinaran Matahari
 Alat pengukur radiasi matahari
disebut solarimeter atau
radiometer atau piranometer atau
pirheliometer.
 Permukaan penerima sekurang-
kurangnya mempunyai dua
elemen indera (hitam dan putih).
 Waktu pengukuran; 06.00 –
18.00.
 Intensitas radiasi matahari
dinyatakan sebagai jumlah energi
yang jatuh pada satuan luas
permukaan tertentu dalam satuan
waktu.
 Cal cm-2 menit-1; Wm-2

24. 3.5. Pengukuran dan Pengolahan Data Radiasi dan Lama
Penyinaran Matahari
 Alat pengukur lama penyinaran
matahari adalah jenis Campbell-
Stokes dan Jordan.
 Bola gelas pejal berdiameter 10
cm dan bertindak sebagai lensa
untuk memusatkan radiasi
matahari yang datang
 Jam (06.00-18.00).
 Penduga radiasi matahari, Qs.
 Qs/QA = a + b n/N
 n ; lama penyinaran aktual
(jam)
 N; panjang hari (jam)
 Konstanta yang tergantung
dari keadaan wilayah

25. Tugas Rumah Radiasi
1. Suatu benda transparan menerima cahaya dengan
intensitas terpaan sebesar 100 Wm-2. Daya tembus
cahaya pada benda tersebut adalah sebesar 0,70
dengan daya pantul sebesar 0,15.
 Hitunglah berapa besar energi cahaya yang diserap oleh
benda tersebut!
 Hitung pula berapa besar energi yang dipancarkannya untuk
dapat kembali pada status awalnya, sebelum menerima
terpaan cahaya !
2. Mengapa albedo radiasi bumi sukar untuk ditentukan ?
3. Sebutkanlah sumber-sumber yang dapat merusak la-
pisan atmosfer (Ozon) yang terdapat di rumah anda !