Karakteristik Radiasi Matahari - Spektrum Elektromagnetik

Meskipun hanya sebagian kecil dari radiasi yang dipancarkan matahari diterima permukaan bumi, namun radiasi matahari (matahari=surya) merupakan sumber energy utama untuk proses-proses fisika atmosfer. Proses-proses fisika atmosfer tersebut menentukan keadaan cuaca dan iklim di atmosfer bumi kita ini. Radiasi matahari, yang merupakan gelombang elektromagnetik, dibangkitkan dari proses fusi nuklir yang mengubah hidrogen menjadi helium.

Permukaan matahari bersuhu 6000 K meskipun bagian dalamnya bersuhu jutaan derajat Kelvin. Dengan suhu permukaan tersebut, radiasi yang dipancarkan berupa gelombang elektromagnetik sebesar 73.5 juta watt tiap m2 permukaan matahari (dapat dihitung dengan persamaan Stefan-Boltzman). Dengan jarak rata-rata matahari-bumi sejauh 150 juta km (Trewartha & Horn 1980), radiasi yang sampai di puncak atmosfer rata-rata sebesar 1368 W m-2. Sedangkan radiasi matahari yang sampai di permukaan bumi (daratan atau lautan) hanya sekitar setengah dari yang diterima di puncak atmosfer, karena sebagian akan diserap dan dipantulkan kembali ke angkasa luar oleh atmosfer khususnya oleh awan. Rata-rata sebesar 30% radiasi matahari yang sampai di bumi dipantulkan kembali ke angkasa luar (Wallace & Hobbs 1977).

Karakteristik Radiasi Matahari

Spektrum elektromagnetik

Spektrum elektromagnetik terdiri dari semua rentang frekuensi dan panjang gelombang. Gelombang eletromagnetik dapat merambat pada kondisi vakum maupun tidak vakum. Dalam kondisi vakum, sifat gelombang lebih menonjol. Sedangkan pada saat gelombang tersebut berinteraksi dengan atom atau molekul, maka gelombang tersebut berperilaku seperti berkas korpuskul (partikel kecil) yang dinamai foton (photon) atau kuanta cahaya (quanta) (Jones 1986, Bueche 1989). Spektrum elektromagnetik mengatur tipe energi berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya. Puncak panjang gelombang (λm, dalam nm) dari radiasi yang dipancarkan suatu objek tergantung pada suhu objek tersebut sesuai dengan Hukum Pergeseran Wien:

λm = 2897000 / T

dengan T suhu permukaan dalam K. Matahari yang T ≈ 6000 K memancarkan energi yang maksimum pada panjang gelombang λm = 480 nm. Pancaran energi matahari mencakup keseluruhan spektrum elektromagnet, tetapi atmosfer bumi hanya transparan untuk sebagian cahaya inframerah dan ultraviolet dan keseluruhan cahaya tampak; sehingga spektrum yang sampai ke permukaan bumi terkonsentrasi pada gelombang dengan panjang antara 300 – 3000 nm (Hal & Rao 1977, Monteith 1973, Chang 1968). Sebagian besar energy radiasi matahari terletak pada selang panjang gelombang 300 – 3000 nm tersebut dan dikenal dengan istilah radiasi gelombang pendek (short-wave radiation). Ini membedakannya dengan energi radiasi yang dipancarkan oleh sebagian besar benda-benda di permukaan bumi (yang memiliki suhu permukaan sekitar 300 K) yang terletak pada selang panjang gelombang 3000 – 100000 nm yang dikenal dengan istilah radiasi gelombang panjang (long-wave radiation) atau kadang disebut radiasi terestrial atau termal (Unwin 1980, Jones 1983).

Spektrum radiasi matahari dibedakan menjadi beberapa pita spectrum (spectral bands) yang dinamai berdasarkan warna sebagaimana disajikan pada tabel diatas Secara garis besar, spektrum radiasi matahari dibagi menjadi ultra violet (100 – 380 nm), cahaya tampak (380 – 780 nm), dan infra merah (780 –2500 nm). Bagian spektrum infra merah dari radiasi gelombang pendek dengan panjang gelombang kurang dari 3000 nm dinamai “infra merah dekat (near infrared, NIR)”; untuk membedakan dengan spekrum infra merah yang berasal dari radiasi gelombang panjang yang dinamai “infra merah jauh (far infra red, FIR)”.

Pada spektrum cahaya tampak terdapat berbagai macam warna; misal violet (λ = 400 nm), biru (λ = 500 nm), hijau (λ = 550 nm ), kuning (λ = 600 nm), oranye–merah (λ = 650 nm), dan merah (λ = 700 nm). Spektrum dengan panjang gelombang antara 400 – 700 nm (secara garis besar sama dengan cahaya tampak) sering disebut dengan istilah photosynthetically active radiation (PAR) (Hall & Rao 1977, Hall 1980, Yates 1991).