Matahari, salah satu dari milyaran bintang di semesta, meradiasikan energinya ke Bumi. Bumi menyerap setengah dari energi total matahari itu. Dari jumlah itu, 60% digunakan untuk penguapan air laut, sungai, danau dan air tanah dan 40% dilepaskan lagi ke atmosfer sebagai radiasi gelombang panjang. Sisanya dipantulkan dan diserap oleh atmosfer atau gas rumah kaca, GRK (greenhouse gas). Inilah natural greenhouse effect sebagai tanda bahwa ada korelasi antara konsentrasi GRK, khususnya CO2 di atmosfer dengan temperatur Bumi yang diperkirakan sudah terjadi sejak 160.000 tahun lalu. Distribusi GRK di atmosfer sbb: CO2 = 49%, CH4 = 18%, N2O = 6%, CFC = 14% dan gas lainnya = 13%.
Formulasi Stefan-Boltzmann
Diduga, sebelum ada manusia, atmosfer Bumi telah berisi karbondioksida, uap air dan sejumlah gas lain sehingga planet ini menjadi hangat. Industrialisasi telah melipatkan konsentrasi CO2 menjadi 22 milyar ton/tahun dengan waktu tinggal di atmosfer antara 50 - 200 tahun sehingga terjadi pemanasan mendunia yang mekanismenya sangat kompleks namun bisa didekati dengan persamaan Stefan-Boltzmann.
Intensitas (I) emisi dipengaruhi oleh temperatur seperti tampak pada persamaan Stefan-Boltzmann yaitu: I = ??T4. I adalah energi radiasi (Watt/m2) benda bertemperatur T (K, Kelvin), ? konstanta Stefan-Boltzmann (5,67x10-8 W/m2K4) dan ? adalah emisivitas (radiator sempurna ? =1 dan radiator lainnya ? < 1). Rerata energi matahari yang mencapai bumi per satuan luas disebut konstanta matahari S (1360 W/m2). Jika bumi terus menerima energi ini dan tidak dipantulkannya lagi, maka bumi akan memanas.
Konstanta matahari memberikan gambaran tentang daya radiasi yang jatuh pada setiap satuan luas permukaan. Radiasi matahari yang diterima permukaan Bumi adalah konstanta matahari dikalikan dengan luas proyeksi Bumi (?RB2). Memang tidak semua radiasi matahari mampu diserap Bumi. Tigapuluh persennya dipantulkan lagi ke angkasa yang disebut albedo (?) sehingga yang diserap bumi adalah (1- ?).
Daya yang diradiasikan Bumi berdasarkan hukum Stefan-Boltzman dikalikan dengan luas permukaan Bumi (4?RB2). Misalkan emisivitas Bumi = 1. Dengan prinsip kesetimbangan temperatur, daya yang diradiasikan matahari harus sama dengan daya yang diradiasikan Bumi yaitu ?RB2(1-?)S = 4?RB2?TB4 atau {(1- ?)S}/4? = TB4 sehingga didapat T B = 255 K atau -180 C. Perlu diingat, perhitungan di atas mengabaikan kehadiran GRK karena temperatur riil rerata muka Bumi adalah TB = 288 K (150 C), 330 C lebih panas daripada hasil perhitungan tersebut. Inilah dampak GRK dan partikel di atmosfer.
Temperatur kesetimbangan Bumi dapat dihitung dengan model sederhana. Model ini terdiri atas dua lapis, yakni lapisan muka bumi dan lapisan atmosfer. Asumsinya adalah bahwa selama perjalanannya ke Bumi, intensitas radiasi matahari S’ tidak dilemahkan oleh GRK tapi radiasi termal Bumi E terganggu oleh GRK (tanda panah A). Dari gambar terlihat bahwa efek radiasi total yang diterima muka bumi berasal dari radiasi matahari dan reradiasi dari atmosfer. Radiasi matahari, S’ yaitu radiasi yang tidak direfleksikan adalah (1- ?)S/4. Faktor 4 berdasarkan kenyataan bahwa radiasi yang diemisikan Bumi sebanding dengan luas total permukaan bumi dan radiasi yang diterima Bumi sebanding dengan luas proyeksi Bumi.
S’ = (1- ?)S/4 A = ?TB4
Atmosfer
E = ?Ts4
A = ?TB4
Permukaan bumi
Gambar 1. Fenomena energi radiasi matahari.
Menurut hukum kekekalan energi, aliran energi yang masuk dan keluar haruslah seimbang pada setiap lapis (lapis muka Bumi dan lapis atmosfer) sehingga pada lapis puncak atmosfer S’= A dan pada lapis muka Bumi, S’+A= E. Dari substitusi didapat E = 2S’ atau berdasarkan Stefan-Boltzmann TB4 = [2(1- ?)S ]/4? dan TB = 303 K (300 C).
Temperatur hasil perhitungan di atas ternyata lebih besar daripada temperatur hasil observasi (150 C). Penyebabnya adalah pengabaian aspek penting yaitu (1) GRK sebenarnya menyerap sebagian radiasi matahari dan mentransmisikan sebagian radiasi termal bumi (2) energi yang dibawa dari setiap permukaan mengalami penguapan; energi yang diuapkan sama dengan energi yang diradiasikan (3) atmosfer terdiri atas beberapa lapisan, temperaturnya turun jika lapisannya makin tinggi (4) faktor konveksi, udara panas dekat muka bumi bergerak ke atas sehingga ada transfer energi di atmosfer.*
Tidak ada komentar:
Posting Komentar