IV. RADIASI MATAHARI

1. Karakteristik MatahariMatahari adalah gas zat asam yang sangat besar dan menyala.

Naufal (1983) : garis tengah matahari >3 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.

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 permukaanterluar 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.

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 :

1. 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.

4.3. Perilaku Radiasi Matahari di Permukaan bumi

Dalam perjalanannya ke PB, RM banyak mendapat rintangan-rintangan, diantaranya oleh ATM, PB & vegetasi.

Σ 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 Σ energi yang diterima oleh bumi semakin tinggi, mendekati tetapan matahari.

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

, 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 balikatau 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 = б T4Dimana : IB = intensitas pancaran cahaya oleh benda yang bersifat black body (W/m2) T = suhu (o K) Б = konstanta Stefan-Boltzman (5,67 x 10-8 W.m-2.ºK-4)

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 besifatseperti black body, maka energi yang dipancarkan dihitung dengan rumus : I = e б 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.

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.

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 б 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.

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.

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%

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 (λE),untuk proses metabolisme (m) dan untuk fotosintesis (p),

: Rn = H + S + λE + m + p.Jumlah energi yang digunakan untuk metabolisme + fotosintesis

apabiola dibandingkan dengan energi untuk H, S dan λE, relative sangat kecil, → m dan p diabaikan,

Rn = H + S + λE.

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 evaporasijuga berkurang.

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 kuantasesungguhnya berkisar antara 8-10 photon/mol CO2.

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/ PeriodisitasAdalah 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 α yang tidak dapat ditangkap oleh mata

manusia : IR & UV, karena cahaya-cahaya pada α ini juga penting pengaruhnya terhadap iklim suatu tempat dan juga berpengaruh terhadap

metabolisme makhluk hidup, misalnya metabolisme tumbuhan tertentu.

A. INTENSITAS RMBesar kecilnya intensitas radiasi matahari ditentukan oleh :a. Sudut Datang Cahaya (α) : adalah sudut yang dibentuk oleh sinar yang datang ke permukaan dengan bidang datar permukaan. α 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 α

I : energi yang spi di PB dan Io : Solar Constant, q : transparansi atmosfer dan α adalah sudut datang.

α yang besar menunjukkan RM makin mendekati tegak lurus → intensitas yang sampai di PB semakin besar.

Makin besar sudut α, → sin α makin mendekati 1, → Σ energi yang spi di PB semakin besar , IRM maksimum bila α = 90º

semakin kecil α, → IRM semakin kecil b. Jarak Bumi terhadap Matahari :

Pada posisi Perihelion, IRM yg diterima PB > posisi Aphelion.

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 Σ 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.

Berdasarkan kebutuhan dan adaptasi tanaman terhadap IRM, pada dasarnya tanaman dapat dibagi menjadi 2 kelompok, yaitu :

1. Sciophytes/ shade species/ shade lovingYaitu 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 padaintensitas sekitar 25% dari radiasi penuh, →

ke2 tanaman ini membutuhkan naungan untuk pertumbuhan terbaiknya.

2. Heliophytes/ Sun species/ Sun lovingYaitu kelompok tanaman yang tumbuh baik pada IRM penuh,

sehingga tidak tahan dengan naungan. Contohnya : padi, jagung, tebu, ubi kayu dan sebagian besar tanaman lainnya.

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 > 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.

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 (> 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 (< 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.

3. Kualitas Cahaya.Cahaya tidak hanya radiasi elektromagnetik yang dapat ditangkap mata manusia, tetapi

Juga mencakup radiasi Elektromagnetik pada kisaran α yang tidak dapat ditangkap

oleh mata manusia, yakni mencakup cahaya IR dan UV, karena cahaya-cahaya

pada α 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.

Kisaran panjang gelombang yang penting artinya secara biologis adalah 1. Ultra violet (< 400 nm),

2. Cahaya tampak (400-700 nm) : ungu, biru, hijau, kuning, jingga dan merah

3. Infra merah (> 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).

Karakteristik Cahaya Ultra Violet, Cahaya Tampak dan Infra Merah

JenisCahaya

Kisaran PanjangGelombang (nm)

Panjang GelombangRepresentatif (nm)

Frekuensi(1014 hertz)

Energi(kJ.mol-1)

Ultra violetVioletBiruHijau

KuningJinggaMerah

Inframerah

< 400400 – 425425 – 490490 – 560560 – 585585 – 640640 – 740

> 740

254410460520570620680

1400

11,807,316,525,775,264,844,412,14

47129226023021019317685

Tabel Respon Fisiologis Tanaman terhadap Cahaya

ResponPanjang

Gelombang (nm)

Pemanjangan batangTerhambatnya perkecambahan biji pada spesies tanaman tertentuPerangsangan pembentukan umbi bawang BombayPenghambatan pembentukan umbi bawang BombayPembentukan pigmen merah (likopen) pada TomatPerangsangan pembungaan tanaman hari panjangPenghambatan pembungaan tanaman hari pendekPeningkatan perkecambahan biji pada beberapa spesiesPeningkatan pembentukan antosianinFotosintesis Pembentukan klorofil Fototropisme

720 – 1000650 – 690

440 – 655445 – 660350 - 500

Sumber : Rubatzky dan Yamaguchi (1998)

Selain panjang gelombang, frekuensi juga dapat dijadikan penciri dari masing-masing jenis cahaya Hubungan antara panjang gelombang dengan frekuensi : λ = 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 mpykandungan 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 / λ, yang menunjukkan bahwa semakin pendek α,semakin tinggi energi yang dimilikinya.

Pada dasarnya radiasi di alam berdasarkan α nya dikelompokkan :

1. Radiasi Gelombang Panjang : α > 4,0 μm, : gelombang listrik, radio. Televisi dan radar.2. Radiasi Gelombang Pendek : α 4,0 μm : radiasi matahari, sinar laser, dll.

RM mpy α : 0,28 μm - 3,00 μm, yang meliputi :

1.Far infra red (FIR) : λ = > 1,0 → pemanasan dan EV. 2. Near infra red (NIR) : λ = 0,76 – 1,00 μm, → perkecambahan → pemanjangan tanaman3. Photosynthetic Active Radiation (PAR) : λ = 0,40 – 0,76 μm, → fotosintesis → pembentukan pigmen-

pigmen 4. Ultra Violet (UV) : λ = < 0,40 μm, → penghambatan pertumbuhan, → kerusakan pada sel.