A. Pendahuluan

 

Semua proses kehidupan umumnya merupakan perubahan materi dan energi yang terjadi diantara atmosfer bumi dan permukaan laut serta daratan. Perubahan ini didukung oleh energi radiasi yang dipancarkan oleh matahari. Sistem sirkulasi planet dari atmosfer dan lautan dikendalikan oleh energi matahari. Perubahan dari uap air menjadi zat cair dari satu tempat ke tempat lain di bumi tergantung dari satu-satunya sumber energi tersebut. Benar, ada sebagian energi panas yang mengalir ke atas menembus litosfer ke permukaan bumi dari radioaktif internal dan gunung berapi. Namun, jumlahnya tidak sebanding dengan energi yang diterima oleh bumi dari sinar matahari.

Aliran energi dari matahari ke bumi dan kemudian keluar angkasa adalah sebuah sistem yang kompleks, karena tidak hanya melibatkan radiasi elektromagnetik namun juga energi tersimpan dan transportasi sebagai panas dalam zat gas, padat maupun cair di atmosfer, hidrosfer dan litosfer. Bagaimanapun juga kita bisa menyederhanakan studi sistem total ini dengan mempelajari bagian-bagiannya. Kita akan mulai dengan proses radiasi itu sendiri dan kemudian mengembangkan konsep keseimbangan radiasi, yang kemungkinan merupakan hal terpenting dari pengendalian lingkungan permukaan bumi.

Organisme langsung merespon terhadap pemanasan dan pendinginan udara, air maupun tanah di sekeliling mereka. Perubahan temperatur ini terjadi akibat perolehan atau hilangnya energi melalui absorbsi atau emisi dari energi radian. Apabila sebuah substansi menyerap energi radian, temperatur dari substansi tersebut akan meningkat. Proses ini mewakili tranformasi dari energi radian menjadi energi panas yang sensibel. Benda-benda fisik dapat diukur dengan termometer. Sedangkan panas sensibel yang ada di dalam gas mewakili energi kinetik dari gerakan molekul-molekul gas yang berkecepatan tinggi di udara dan tak berhenti bertabrakan antara satu sama lain. Peningkatan temperatur dalam zat gas mewakili peningkatan velositas rata-rata dari molekul dan frekuensi tabrakan yang terjadi.

Sebagian besar proses biokimia dilakukan di dalam tubuh organisme yang melibatkan berbagai reaksi kimia organik yang makin intensif akibat naiknya temperatur dari larutan dimana reaksi ini terjadi. Ketika dingin, maka terjadi sebagian kecil energi kinetik dalam materi yang makin lama makin menurun atau malah reaksi kimia maupun anorganik tersebut secara total terhenti. Inilah sebabnya mengapa bahan vital dari lingkungan adalah panas, baik panas di udara, air mupun tanah, harus benar-benar dipahami.

Kita semua familiar dengan siklus perubahan temperatur alam. Dimana terjadi peruahan harian naik dan turunnya temperatur mengikuti perubahan musim. Begitu pula dengan adanya perubahan sistematik rata-rata dari daerah ekuatorial hingga kutub hingga perubahan permukaan kontinen lautan. Menanggapi hal tersebut, lapisan atmosfer yang rendah dan permukaan daratan serta lautan harus saling memberi dan menerima energi panas dalam siklus harian maupun musim. Karena itu akan ada perbedaan kuantitas yang besar antara panas yang diterima permukaan yang rendah dan permukaan yang tinggi.

Meskipun adanya siklus termal dan perbedaan lintang yang mencolok dalam temperatur, sejarah manusia dalam bidang geologi mengindikasikan termal lingkungan global yang selalu seragam dari waktu ke waktu. Hal ini adalah sebuah kenyataan bahwa bumi sebagai sebuah planet memelihara batas-batas temperatur yang ada yang disebut dengan temperatur planet, yang selama ini tergantung dari penjagaan jarak yang selalu sama dari matahari dan sifat permukaan bumi yang kira-kira selalu sama. Apabila hal ini tidak dilakukan maka akan terjadi perubahan suhu gradual seperti peningkatan panas atau dingin yang mengakibatkan permukaan bumi menjadi terlalu dingin ataupun terlalu panas untuk menunjang kehidupan.

Energi matahari diterima oleh planet kita, dan hal ini mengakibatkan tingkat energi panas dari planet ini meningkat. Di waktu yang sama, planet bumi mengeluarkan radiasi panas ke luar angkasa, sebuah proses yang bisa mengurangi tingkat energi panas. Proses keluar masuknya radiasi ini berlangsung secara simultan. Dalam satu tempat dan waktu panas yang diterima lebih tinggi daripada panas yang dilepaskan, hal ini sebaliknya terjadi di tempat yang lain.

Hal ini merupakan bukti adanya keseimbangan radiasi global dengan keseimbangan panas global. Dan dua hal ini merupakan keseimbangan total energi bumi. Daerah khatulistiwa menerima lebih banyak energi matahari daripada melepaskannya ke luar angkasa sedangkan daerah kutub menerima radiasi panas lebih rendah daripada pelepasan energi radiasi ke angkasa. Jadi hal ini harus disertakan dalam sistem mekanisme perpindahan panas yang cukup untuk membawa panas dari daerah yang berlebih menuju ke daerah yang kekurangan energi panas. Dalam planet bumi, pergerakan atmosfer dan lautan berperan dalam mekanisme transfer panas. Sebuah studi tentang keseimbangan panas bumi tidak akan selesai hingga pola global dari sirkulasi udara dan air didiskripsikan dan dijelaskan di Bab 4.

Persediaan energi panas dalam bentuk laten (tersembunyi/ terpendam) adalah bagian penting dari keseimbangan panas bumi. Telah dibahas pada Bab 1 bahwa perubahan gas, cair maupun padat diikuti oleh masuknya energi panas atau dilepasnya energi panas. Air sebagai contoh berada pada tiga macam bentuk yaitu uap air di atmosfer, sebagai zat cair dan air padat di permukaan laut atau permukaan daratan. Air mengikat atau melepaskan panas dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Proses perubahan bentuk air ini dari atmosfer dan hidrosfer akan dibahas di Bab 3.

Dalam siklus anorganik atau energi fisik pasti terdapat fase-fase organik atau siklus energi biokimia, dimana energi matahari digunakan dan diberikan pada tumbuhan maupun hewan. Secara singkat siklus ini mengandung absorpsi (penyerapan) energi matahari oleh tumbuhan untuk pembentukan zat karbohidrat, yang juga menyediakan makanan bagi hewan. Akhirnya setelah terjadi banyak perputaran sebagian besar dari zat ini dioksidasi dalam proses yang dikenal sebagai respirasi dan energi dikembalikan ke atmosfer. Bagaimanapun juga beberapa fraksi dari zat karbohidrat bisa tersimpan di permukaan tanah, misalnya di lahan rawa gambut. Dalam ilmu geologi, total akumulasi hidrokarbon di masa lalu tersimpan dalam bentuk batubara dan minyak bumi dan merupakan wujud dari simpanan energi panas. Meskipun siklus energi biokimia hanya melibatkan sebagian kecil fraksi (sekitar 1/10 persen) dari total energi matahari yang diterima bumi, proses ini sangatlah penting bagi siklus energi dunia organik. Siklus energi biosfer ini akan dijelaskan dengan detail di Bab 18.

Sebagai refleksi berikutnya, tampak nyata bahwa pergerakan air di atmosfer, lautan dan bahkan daratan merupakan sebuah sistem transpor massa yang seimbang dengan pentingnya aliran energi. Dan dua aktivitas ini merupakan aktivitas tertutup dan berkaitan. Konsep dari keseimbangan air dapat dikembangkan dan menempati bagian di sisi keseimbangan panas (Bab 5). Kedua sistem energi ini membuat kita dapat menghubungkan fenomena alam semesta dari bumi dengan satu kerangka berpikir.

Pendekatan secara sistematik terhadap keseimbangan energi bumi diawali dengan analisa terhadap input atau sumber energi dari radiasi matahari.  Radiasi ini bisa dilacak dengan penetrasinya ke atmosfer bumi dan ketika diserap maupun ditransformasikan. Dilanjutkan kemudian dengan mekanisme dari output energi oleh bumi sebagai radiator kedua.

Pada chapter report ini akan dibahas :

  1. Radiasi Matahari
  2. Insolasi terhadap bumi
  3. Zona Garis Lintang Dunia
  4. Insolasi yang Hilang Di Atmosfer
  5. Radiasi Gelombang Panjang
  6. Garis Lintang dan Keseimbangan Radiasi
  7. Siklus Tahunan dan Harian Radiasi
  8. Pengaruh Manusia Terhadap Keseimbangan Energi Bumi
  9. Partikel-partikel Kosmik dan Radiasi Ionisasi
  10. Magnetosfer
  11. Sabuk Radiasi

B. Pembahasan

 Radiasi Matahari

Matahari, sebuah bintang dengan temperatur permukaan sekitar 11.000 derajat Fahrenheit (6000 derajat Kelvin). Sebuah gas pijar yang sangat panas yang berada di sekitar permukaan matahari dan membawa energi disebut dengan radiasi elektromagnetik. Bentuk transfer energi ini dapat disebut dengan koleksi, spektrum atau gelombang dengan jarak yang sangat jauh, yang bergerak dengan kecepatan 186.000 mi atau 300.000 km per detik. Energi tersebut berjalan di garis lurus secara radial keluar dari matahari. Dan memerlukan waktu sekitar 9 1/3 menit untuk melalui jarak 93 juta mil, atau 150 juta kilometer dari matahari menuju bumi. Meskipun radiasi matahari bergerak tanpa kehilangan energi namun intensitas radiasi dalam sebuah penampang persegi yang diberikan (misalnya 1 inchi persegi) berbanding terbalik dengan luas penampang jarak matahari ke bumi. Bumi hanya menerima sekitar satu dari dua milyar total output energi matahari.

Spektrum radiasi matahari mengandung (a) sinar X ray, sinar gamma, dan sinar ultraviolet, yang membawa sekitar 9% dari total energi. (b) Cahaya tampak 41% dan (c) sinar infra merah yang tidak tampak 50%. Tabel 2.1. memberi penjelasan bermacam spektrum cahaya dengan panjang gelombang dalam mikron (satu mikron ekuivalen dengan 1/10.000 sentimeter). Selanjutnya kita akan membagi radiasi menjadi dua yaitu radiasi gelombang pendek termasuk sinar tampak dan ultraviolet (panjang gelombang kurang dari 0,7 mikron) dan radiasi gelombang panjang seperti sinar inframerah (panjang gelombang lebih dari 0,7 mikron). Total energi dari spektrum radiasi terbagi menjadi dua bagian yang ekuivalen yaitu gelombang pendek dan gelombang panjang. Umumnya meteorolog menggunakan radiasi gelombang pendek bersinonim dengan radiasi matahari, termasuk semua panjang gelombang di spektrum matahari.

TABEL 2.1. Spektrum Radiasi Elektromagnetik
Panjang gelombang (mikron) Energi total (%)
(Paling pendek)
Sinar X dan sinar gamma 1/2000 –  1/100 9
Sinar ultraviolet 0,2 – 0,4
Sinar cahaya tampak 0,4 – 0,7
Total energi gelombang pendek                                                           41/50
(Paling panjang)
Sinar inframerah 0,7 – 3000 50

 

Untuk memahami dan membandingkan radiasi baik dari bumi maupun matahari, kita kembali kepada beberapa prinsip dasar fisika. Untuk radiasi ideal disebut oleh para ahli fisika dengan black body. Total kuantitas energi yang dikeluarkan oleh radiasi elektromagnetik tergantung semata-mata dari temperatur permukaan. Untuk lebih spesifik, total energi ideal yang dikeluarkan oleh permukaan meningkat empat kali kekuatan temperatur absolut dalam derajat Kelvin. Adapula hubungan antara hukum radiasi yang menyebut bahwa pada saat temperatur dari permukaan meningkat, gelombang dari energi puncak yang keluar berubah menjadi panjang gelombang radiasi yang lebih pendek.

Mari mengaplikasikan prinsip-prinsip ini untuk emisi matahari terhadap energi elektromagnetik. Gambar 2.1. merupakan grafik dimana skala vertikal menunjukkan intensitas dari emisi energi, sedangkan skala horisontal menunjukkan panjang gelombang dalam mikron. Kedua skala ini adalah logaritmik berarti skala tiap unit tersebut merepresentasikan kekuatan dari sepersepuluhnya. Perlu dicatat bahwa sinar ultraviolet, cahaya tampak dan daerah infra merah dari spektrum berada di bagian paling atas dari grafik. Energi radiasi dari matahari diwakili dengan sebuah garis yang beriregularitas minor (bagian kiri dari grafik). Melengkung ke arah puncak sekitar 0,5 mikron di bagian cahaya tampak dari spektrum. Garis putus-putus yang berada di atas kurva dengan garis lengkung tersebut merupakan radiasi ideal dari black body dengan temperatur 6000°K. Kurva emisi matahari ideal dengan kurva di daerah infra merah, namun menunjukkan defisiensi di daerah cahaya tampak dan ultaviolet, karena atmosfer luar matahari mengabsorbsi bagian dari spektrum di gelombang yang lebih pendek.

Sumber dari energi matahari terdapat di interior matahari dimana terdapat tekanan besar yang membatasinya dan temperatur yang tinggi, hidrogen terkonversi menjadi helium. Dalam proses fusi inti ini, sejumlah besar panas diproses dan menamukan jalurnya melalui konveksi dan konduksi di permukaan matahari. Karena jumlah rata-rata produksi dari energi inti adalah konstan, output dari radiasi matahari juga tidak bervariasi. Sehingga dengan jarak matahari dan bumi jumlah energi matahari yang diterima di sebuah area permukaan juga tidak bervariasi. Ini merupakan asumsi. Tentu saja bahwa radiasi yang diukur jauh di bawah batas tampung atmosfer bumi, sehingga tak ada satupun energi yang hilang. Ini disebut dengan solar constant. Radiasi ini memiliki nilai sekitar 2 gram kalori tiap sentimeter persegi per menit . Satu gram kalori per sentimeter persegi merupakan sebuah unit ukur dari energi panas yang disebut the langley. Oleh karena itu bisa disebut bahwa energi matahari konstan identik dengan 2 langley per menit (dalam bahasa Inggris energi konstan matahari ekuivalen dengan 430 BTU tiap kaki persegi per jam). Mengorbitkan satelit ke luar angkasa membutuhkan instrumen yang sesuai untuk mengukur intensitas radiasi elektromagnetik, hal ini telah dibuktikan dengan keberadaan data dari energi surya yang konstan.

Insolasi Terhadap Bumi

Karena bumi berbentuk bulat, hanya satu titik dari bumi yang terkena sinar matahari tegak lurus dan menggambarkan permukaan yang benar-benar tegak dengan sinar matahari. Titik tersebut dapat dinamai dengan subsolar point (Gambar 2.2.). Di semua arah yang menjauhi subsolar point, permukaan bumi yang melengkung membuat penurunan sudut yang juga berpengaruh pada sinar yang datang hingga circle of illumination (lingkaran pencahayaan) terbentuk. Sepanjang lingkaran tersebut sinar-sinar yang datang sejajar (paralel) dengan permukaan

Gambar 2.3. Hubungan antara intensitas insolasi terhadap sudut sinar matahari

Marilah kita berasumsi bahwa permukaan bumi benar-benar bulat tanpa atmosfer. Hanya pada subsolar point saja sinar matahari akan diterima dengan intensitas 2 langleys per menit. Di tempat manapun pada permukaan bumi, kuantitas energi yang diterima dalam satu hari tergantung pada dua faktor, yaitu (1) sudut sinar matahari mengenai permukaan bumi dan (2) lama sinar matahari tersebut memapar bumi. Faktor-faktor ini bervariasi berdasar lintang dan perubahan musim di jalur yang dilalui oleh sinar matahari.

Gambar 2.3. menunjukkan intensitas dari insolasi akan semakin besar ketika sinar matahari memapar secara vertikal. Dimana keberadaannya di sekitar sabuk ekuatorial. Dengan sudut yang makin berkurang jumlah energi matahari yang sama tersebar di permukaan. Jadi pada akhirnya permukaan kutub menerima jumlah energi yang paling sedikit per unit area.

Berdasar hal tersebut, bila sumbu bumi tegak lurus terhadap orbit bumi mengelilingi matahari, kutub tidak akan menerima insolasi apapun tanpa memperhatikan waktu. Sebaliknya daerah ekuator akan menerima insolasi maksimum. Hanya saja perlu diketahui bahwa sumbu bumi tidak tegak lurus secara sempurna. Pada Gambar 2.4 di ketahui bahwa sumbu bumi miring dengan sudut sekitar 23,5°. Sumbu ini tetap bertahan dengan kemiringan tersebut di angkasa. Sumbu kutub bumi bagian utara akan selalu menunjukkan posisi yang sama dari bintang-bintang. Konsekuensinya, ketika bumi berada pada orbitnya mengelilingi matahari, respek terhadap sinar matahari juga sesuai dengan kemiringan tersebut.

Pada 21 atau 22 Juni, bumi berlokasi pada orbit dimana kutub utara miring secara penuh 23,5° ke arah matahari. Belahan bumi bagian utara menghadap matahari dan belahan bumi bagian selatan miring menjauhi matahari. Kondisi ini dinamakan titik balik musim panas (summer solstice). Enam bulan kemudian pada 21 atau 22 Desember, bumi berada di posisi orbit yang berlawanan dengan sebelumnya. Posisi ini dinamakan dengan titik balik musim dingin (winter solstice), dimana kutub utara miring secara sempurna 23,5° menjauhi matahari, dan sebaliknya kutub selatan tepat menghadap matahari.

Diantara dua waktu tersebut muncul ekuinoks. Dimana terjadi keseimbangan antara belahan bumi bagian utara maupun selatan terhadap jaraknya dengan matahari. Vernal equinoxe (ekuinoks musim semi) berlangsung antara 20 atau 21 Maret, sedangkan auntumn equinox (ekuinoks musim gugur) terjadi pada 22 atau 23 September. Kondisi antara dua ekuinoks ini seimbang antara insolasi dengan dua titik balik yang ada demikian pula dengan dua belahan bumi (hemisfer) yang saling belawanan.

Berdasar Gambar 2.4. dan pengamatan terhadap letak bola bumi ketika titik balik musim panas, kita akan mengetahui bahwa ada bagian besar dari kutub bumi yang berada di bawah sinar matahari selama 24 jam, selama bumi berputar pada porosnya. Daerah tersebut berada di sekitar lingkaran artik dengan kemiringan 66,5° lintang utara. Sebagai akibat dari hal ini daerah kutub selatan yang identik yaitu bagian selatan dari lingkaran antartika dengan 66,5° lintang selatan berada pada kegelapan hampir selama 24 jam.

Pada saat titik balik musim dingin, yang ditunjukkan oleh gambar 2.4 di bagian kanan kondisi insolasinya sama sekali berlawanan. Daerah kutub utara mengalami kegelapan. Namun saat dua ekuinoks terjadi, insolasi terdistribusi merata pada sumbu bumi yang tidak miring, sehingga sinar matahari mengenai dua kutub secara simultan.

Analisis ini juga menunjukkan subsolar point mewakili sinar matahari ketika tengah hari. Terjadi perubahan dengan total 47°  dari satu titik balik ke titik balik selanjutnya. Siklus ini tidak membuat total insolasi tahunan pada keseluruhan bumi berbeda dari situasi ideal ketika sumbu bumi tidak berada pada posisi miring, namun menyebabkan adanya perbedaan besar dari kuantitas sinar matahari yang diterima pada lintang yang berbeda.

Jumlah total insolasi dari ekuator ke kutub dalam ribuan langleys (kilolangleys) untuk satu tahun ditunjukkan pada Gambar 2.5 dengan garis solid. Garis putus-putus menunjukkan insolasi yang akan dihasilkan bila sumbu bumi tidak memiliki kemiringan. Perlu diketahui bahwa daerah kutub menerima insolasi lebih dari 40% nilai dari daerah ekuatorial.

Gambar 2.5. Insolasi total dari equator ke kutub (garis solid) dibandingkan dengan insolasi pada bumi dengan aksis tegak lurus terhadap garis datar ekliptik

Efek kedua dari kemiringan sumbu bumi adalah adanya perbedaan musim di tiap insolasi yang diterima oleh berbagai lintang. Dan perbedaan ini makin besar hingga ke kutub, dimana kondisi yang berlawanan terjadi (enam bulan dalam siang, enam bulan dalam kondisi malam). Sepanjang perbedaan sudut sinar matahari, hal ini menyebabkan terjadinya perbedaan durasi siang dan malam. Pada musim dimana jalur matahari lebih lama berada di langit, lama waktu siang hari juga berbanding lurus.

Jumlah total insolasi dari ekuator ke kutub dalam ribuan langleys (kilolangleys) untuk satu tahun ditunjukkan pada Gambar 2.5 dengan garis solid. Garis putus-putus menunjukkan insolasi yang akan dihasilkan bila sumbu bumi tidak memiliki kemiringan. Perlu diketahui bahwa daerah kutub menerima insolasi lebih dari 40% nilai dari daerah ekuatorial.

Efek kedua dari kemiringan sumbu bumi adalah adanya perbedaan musim di tiap insolasi yang diterima oleh berbagai lintang. Dan perbedaan ini makin besar hingga ke kutub, dimana kondisi yang berlawanan terjadi (enam bulan dalam siang, enam bulan dalam kondisi malam). Sepanjang perbedaan sudut sinar matahari, hal ini menyebabkan terjadinya perbedaan durasi siang dan malam. Pada musim dimana jalur matahari lebih lama berada di langit, lama waktu siang hari juga berbanding lurus.

Pada diagram tiga dimensi (Gambar 2.6.) memperlihatkan bagaimana insolasi berpengaruh terhadap lintang bumi dan musim sepanjang tahun. Gambar 2.7. menunjukkan grafik insolasi yang ditunjukkan oleh lintang-lintang terpilih dari ekuator hingga kutub utara. Diagram tersebut menunjukkan insolasi pada batas luar atmosfer dan akan menyentuh permukaan tanah bila diimajinasikan bumi tidak memiliki atmosfer untuk mengabsorbsi dan merefleksikan radiasi. Perlu diketahui bahwa ekuator menerima dua periode maksimum (sesuai dengan keadaan ekuinoks dimana matahari berada tepat di atas ekuator) dan dua periode minimum (sesuai dengan waktu titik balik dimana subsolar point berada pada jarak terjauh di utara atau selatan dari ekuator). Di lingkaran artik 66,5° lintang utara, insolasi berkurang hingga nol ketika siang hari ketika titik balik musim dingin terjadi dan dengan  meningkatnya kemiringan kutub periode tanpa insolasi ini akan makin lama. Semua daerah lintang diantara daerah tropis dari Cancer (23,5° lintang utara) dan daerah tropis dari Capricorn (23,5° lintang selatan) mempunyai dua maksima dan dua minima, namun hanya satu maksima yang akan menjadi dominan ketika daerah tropis telah terjangkau. Dari 23,5° hingga 66,5° terdapat satu siklus insolasi yang berlanjut dengan satu titik balik maksimum dan satu titik balik minimum dibanding yang lain.

Gambar 2.7. Insolasi pada garis lintang tertentu di hemisfer bagian utara (Dari A.N. Stahler, 1971, Sains Bumi, 2nd ed., Harper dan Row, New York)

ZONA GARIS LINTANG DUNIA

Sudut dari paparan sinar matahari menentukan aliran energi matahari yang sampai area tertentu dari permukaan bumi dan juga mengatur panas lingkungan dari biosfer menyediakan dasar untuk membagi bola bumi dalam beberapa zona lintang (Gambar 2.8). Kami tidak bermaksud bahwa batas zona khusus yang telah diambil adalah absolut dan selalu mengikat, namun lebih jauh sistem ini dibuat untuk memudahkan terminologi sebagai referensi terhadap sabuk dunia melalui teori tersebut.

Gambar 2.8. Sistem zona garis lintang

Zona ekuatorial berada di melingkupi ekuator dan melintang 10° di utara dan selatan. Diantara zona ini matahari dalam setahun memberikan insolasi dengan intensitasnya, baik siang maupun malam mempunyai durasi yang sama. Sekitar daerah tropis dari Cancer hingga Capricorn adalah zona daerah tropis utara dan zona daerah tropis selatan mencakup sabuk lintang 10° hingga 25° utara dan selatan. Dalam zona ini matahari memiliki jalur yang dekat puncak (zenit) dari satu titik balik dan lebih rendah dengan titik balik lainnya. Lintang tersebut menjadi tanda dimana siklus musim terjadi, namun hal ini juga harus dikombinasikan dengan total insolasi tahunan. Sebagai catatan beberapa penggunaan istilah ilmiah lebih melebar daripada penjelasan dalam buku ini, misalnya untuk kata “tropis” sebelumnya telah digunakan secara luas sebagai daerah sabuk diantara 47° daerah Cancer dan Capricorn. Ini adalah definisi “tropis” yang selama ini Anda bisa temukan dalam kamus. Apabila hal ini benar, maka definisi tersebut tidak sesuai dengan ilmu lingkungan, karena dalam ilmu tersebut menggabungkan sabuk lintang sangatlah berbeda sifat.

Ada pula daerah tropis yang lebih luas diterima sebagai wilayah transisi, daerah tersebut adalah zona subtropis. Dalam kesepakatan, zona subtropis berada di antara lintang 25° hingga 35° dari utara dan selatan, meski demikian dapat dipahami jika suatu saat wilayah subtropis akan bergeser beberapa derajat mendekat ke kutub atau mendekat ke ekuatorial secara paralel.

Zona lintang tengah berada diantara 35° hingga 55° utara dan selatan. Pada zona ini sudut paparan sinar matahari mempunyai rentang yang relatif sangat lebar, sehingga perubahan musim dalam insolasi sangatlah kuat. Perbedaan musim yang kuat ini berdampak pada lamanya waktu siang ataupun malam dibandingkan dengan zona tropis.

Berbatasan dengan zona lintang tengah menuju ke kutub adalah zona subartik yang berada diantara 55° hingga 60° lintang utara dan selatan. Zona ini merupakan transisi dari zona lintang tengah dan zona artik.

Melingkupi lingkaran artik dan antartika lintang 66,5° utara dan selatan, terdapat zona artik yang tampak berbeda dibanding zona sebelumnya. Zona ini dibagi dua yaitu zona artik dan antartika, dengan batas antara 60° hingga 75° utara dan selatan, meski demikian batas ini seharusnya tidak  diberlakukan begitu saja. Zona artik memiliki variasi perbedaan lama waktu siang dan malam yang sangat ekstrim, perbedaan yang sangat besar yang merupakan hasil satu titik balik dengan titik balik (solstice) yang lain. Sebagai catatan, di masa lalu pada kamus-kamus standar, pertimbangan kata “artik” atau “daerah artik” merupakan seluruh wilayah dari lingkaran artik menuju kutub utara, dan “antartika” adalah wilayah yang sama namun di belahan hemisfer bumi selatan. Seperti halnya kata “tropis” , “artik” dan “antartika” penggunaannya tidak seberapa sesuai dengan ilmu lingkungan.

Zona kutub, merupakan wilayah melingkar dengan lintang 75° hingga ke kutub. Disinilah terjadi enam bulan siang hari dan enam bulan malam hari mendominasi. Dan ini adalah puncak perbedaan musim akibat insolasi.

Insolasi yang hilang di atmosfer

Ketika radiasi matahari mempenetrasi atmosfer bumi, serangkaian penipisan dan penyebaran energi terjadi. Pada ketinggian 95 mi (150 km), spektrum radiasi memiliki hampir 100% dari energi aslinya, namun pada ketinggian 55 mi (88 km) absorbsi sinar X hampir sepenuhnya selesai dan beberapa radiasi ultraviolet juga telah diabsorbsi.

Absorbsi terhadap radiasi gelombang pendek ini menghasilkan lapisan lingkungan yang mempunyai nilai penting bagi kehidupan di bumi dan untuk teknologi manusia. Lapisan ini disebut dengan ionosfer, berada di ketinggian 50 hingga 250 mi (80 hingga 400 km). Perlu diingat bahwa posisi ini kebetulan berada di bawah heterosfer yang mengandung melokul nitrogen dan atom-atom oksigen (lihat Gambar 1.2). Lebih jauh, posisi ionosfer sangat identik dengan lapisan termosfer bagian bawah (lihat Gambar 1.3). Ionosfer mengandung sejumlah lapisan yang mampu melakukan proses ionisasi. Disinilah sinar gamma dan X ray yang berenergi tinggi dari spektrum radiasi sinar matahari diserap oleh molekul dan atom nitrogen maupun oksigen. Dalam proses absorbsi, setiap molekul atau atom melepaskan elektron dan menjadi ion bermuatan positif. Elektron yang dilepaskan menciptakan arus listrik yang mengalir bebas di lapisan ionosfer. Hal ini membuat lapisan ionosfer mampu memantulkan gelombang radio atau alat komunikasi yang terpancar kembali ke bumi.

Sebagian besar dari pemantulan gelombang panjang radio melibatkan lapisan paling bawah dari ionosfer, yang disebut dengan Kennelly-Heaviside layer. Tanpa adanya pemantulan, tidak mungkin bisa dilakukan komunikasi radio jarak jauh. Karena proses ionisasi memerlukan radiasi sinar matahari langsung, maka lapisan ionosfer yang berkembang adalah bagian yang terkena sinar matahari ke bumi (Gambar  2.9). Sedangkan pada bagian yang gelap, atau di malam hari, lapisan tersebut melemah dan cenderung menghilang.

Fenomena lain yang sangat vital bagi hidup manusia dan kehidupan lain di bumi adalah  lapisan ozon. Lapisan ini selain terkonsentrasi dalam jumlah besar di ketinggian 11 hingga 15 mi(18 hingga 25 km), juga memperluas daerahnya hingga ketinggian 9 mi (15 km) dan 35 mi (55 km) (Gambar 1.3). Lapisan ozon makin meluas dari bagian terbawah stratosfer hingga bagian bawah mesosfer.

Gambar 2.9. Lapisan-lapisan ionosferik pada bagian persilangan equator bumi

Lapisan ozon merupakan daerah dengan konsentrasi molekul oksigen yang disebut ozon (O3), dimana tiga atom oksigen bergabung, sedangkan pada umumnya terdiri atas dua atom oksigen (O2). Ozon dihasilkan akibat paparan sinar ultraviolet terhadap atom oksigen pada umumnya. Lapisan ozon berfungsi ibarat perisai yang melindungi troposfer dan permukaan bumi dari radiasi ultraviolet dan yang ada di dalam spektrum radiasi sinar matahari. Apabila sinar ultraviolet ini mencapai permukaan bumi dengan intensitas penuh, maka semua bakteri akan hancur dan lapisan kulit hewan akan terbakar. Karena itulah keberadaan elemen lapisan ozon sangat esensial untuk menjaga lingkungan dan biosfer. Sangatlah menarik untuk dicatat bahwa temperatur yang tinggi dari mesosfer diakibatkan oleh absorbsi dari sinar ultraviolet oleh lapisan ozon bagian atas. Konsentrasi lapisan ozon paling tebal terdapat di lintang terendah pada ketinggian 28 mi (48 km), namun berbanding terbalik dengan lintang artik yang memiliki lapisan tertipis dengan ketinggian (22 mi; 35 km). Pada lintang tengah, variasi ketinggian ozon juga terjadi akibat perbedaan musim.

Pada saat radiasi sinar matahari mempenetrasi ke lapisan atmosfer yang lebih dalam dan lebih tebal, molekul-molekul gas menyebabkan cahaya tampak berbelok ke semua arah yang memungkinkan. Proses ini disebut juga dengan Rayleigh scattering (hamburan Rayleigh). Ketika pastikel-partikel debu dan awan berada di troposfer, hamburan selanjutnya yang muncul disebut juga dengan diffuse reflection (refleksi difus) (Gambar 2.10). Warna langit yang biru merupakan akibat dari hamburan Rayleigh terhadap gelombang cahaya tampak yang pendek. Khususnya masuknya gelombang cahaya biru ke mata kita secara tidak langsung dari semua bagian angkasa. Gelombang cahaya merah dan inframerah merupakan cahaya yang sangat kurang dihamburkan dan sebagian besar meneruskan garis lurus penyinarannya hingga permukaan bumi. Sinar matahari tampak merah karena ada sejumlah sinar X yang lolos dari defleksi (pembelokan) garis penyinaran yang kita lihat.

Sebagai hasil dari penyebaran gelombang pendek, sekitar 5% dari total insolasi dikembalikan ke luar angkasa dan hilang untuk seterusnya. Pada waktu yang sama beberapa energi cahaya gelombang pendek yang menyebar mengarah ke bumi. Sehingga akhirnya gelombang pendek tersebut berupa radiasi angkasa yang menyebar atau berupa cahaya turun yang berpencar.

Bentuk lain dari energi yang hilang berupa absorbsi, yang terjadi ketika sinar matahari mempenetrasi atmosfer. Karbondioksida maupun uap air mampu menyerap secara langsung radiasi sinar inframerah. Hasil absorbsi berupa meningkatnya temperatur udara. Demikianlah yang terjadi ketika sejumlah pemanasan langsung di atmosfer bawah selama radiasi sinar matahari. Meskipun karbondioksida memiliki kuantitas yang konstan di udara (dengan volume 0,033%), kandungan uap air bervariasi dari satu tempat ke tempat yang lain.  Sekitar 0,02% di kondisi gurun hingga 1,8% kelembaban di daerah ekuatorial. Absorbsi bervariasi dari satu lingkungan global ke lingkungan yang lain.

Semua bentuk absorbsi energi langsung –berupa molekul, termasuk uap air dan karbondioksida serta debu- diperkirakan berjumlah paling sedikit 10% ketika kondisi cerah, dan udara kering, hingga sekitar 30% ketika awan menutupi. Rata-rata absorbsi secara global adalah 15% seperti ditunjukkan pada gambar 2.10. Ketika langit cerah, refleksi dan absorbsi yang berkombinasi mencapai total sekitar 20%, meninggalkan 80%-nya untuk mencapai permukaan bumi.

Sekalipun demikian, bentuk dari energi yang hilang harus dibawa dalam gambar. Permukaan atas dari awan mempunyai kemampuan yang sangat baik sebagai reflektor (pemantul) radiasi gelombang pendek. Penumpang udara menyadari bagaimana jelasnya sinar matahari terlihat dari permukaan awan terlihat dari atas. Refleksi dari awan bisa mengembalikan secara langsung total radiasi yang datang 30% hingga 60% (Gambar 2.10.). Sehingga kita melihat bahwa di bawah kondisi lapisan awan yang berat, kombinasi dari refleksi dan absorpsi sebuah awan bisa menyebabkan kerugian hilangnya radiasi yang datang 35% hingga 80%, dan membiarkan sisanya 45% hingga 0% radiasi mencapai bumi. Rata-rata nilai refleksi dari awan di dunia adalah 21% dari total insolasi, sedangkan absorpsi dari awan paling sedikit sekitar 3%.

Permukaan dari daratan dan lautan merefleksikan sejumlah gelombang pendek radiasi secara langsung kembali ke atmosfer. Kuantitas kecil ini mempunyai rata-rata sekitar 6% di bumi, kemungkinan bisa dikombinasikan dengan refleksi awan dalam total evaluasi hilangnya rediasi akibat refleksi. Tabel 2.2. menghadirkan persentase yang diberikan terhadap energi yang hilang dalam insolasi melalui refleksi dan absorpsi. Secara bersamaan hilangnya energi ke luar angkasa sekitar 32% dari total insolasi. Gambar 2.11. menunjukkan data yang sama dari Tabel 2.2. dalam bentuk grafik.

TABEL 2.2. Keseimbangan Radiasi Planet
Radiasi Matahari Yang Masuk Unit Persen
Total pada puncak atmosfer (263 kilolangleys per tahun)                                         100
Refleksi difusi ke angkasa oleh sebaran Rayleigh dan debu                         5
Refleksi dari awan ke angkasa               21
Refleksi langsung dari permukaan bumi hilang ke angkasa                         6
Total refleksi yang hilang ke angkasa dari bumi – sistem atmosfer (albedo bumi)        32
Absorpsi energi
          Oleh awan                 3
          Oleh molekul, termasuk uap air dan CO2 dan oleh debu                15
          Oleh permukaan daratan dan permukaan air                 50
Total yang diserap oleh sistem atmosfer bumi                                                                       68
JUMLAH REFLEKSI DAN ABSORBSI OLEH BUMI SECARA KESELURUHAN                         100
Radiasi pengeluaran (gelombang panjang)
Radiasi dari permukaan daratan dan permukaan air                        98
          Hilang ke angkasa secara langsung                           8
          Diabsorbsi oleh atmosfer                         90
Radiasi yang diemisikan oleh atmosfer                       137
           Hilang ke angkasa                         60
           Kembali ke permukaan bumi sebagai counter-radiasi                         77
Radiasi pengeluaran bersih dari permukaan bumi                               21
Radiasi pengeluaran bersih dari atmosfer                               47
Radiasi pengeluaran bersih dari bumi-sistem atmosfer                               68
SUMBER: W.D. Sellers (1965), Physical Climatology, University of Chicago Press, Tabel 6 dan 9

 

    Persentase energi radian yang dipantulkan kembali oleh permukaan dinamakan albedo. Ini adalah hal yang penting bagi permukaan bumi karena ini membedakan rerata relatif dari pemanasan permukaan ketika insolasi. Albedo dari permukaan air sangat rendah (sekitar 2%) untuk sinar vertikal yang dekat, namun sangat tinggi untuk sinar dengan sudut datang yang rendah. Albedo ini juga sangat tinggi untuk salju maupun es (45% hingga 85%). Untuk lahan terbuka, hutan dan lahan kosong, albedo berada di nilai yang sedang-sedang saja, berkisar antara nilai rendah 3% hingga nilai tinggi sekitar 25%.

Satelit yang mengorbit biasanya dilengkapi dengan instrumen untuk mengukur tingkat energi dari gelombang pendek atau radiasi sinar inframerah, keduanya berasal dari matahari kemudian meninggalkan atmosfer serta permukaan tanah di bawahnya. Instrumen tersebut memiliki data tentang perkiraan albedo bumi, yang bernilai antara 29% hingga 34%. Nilai di tabel 2.2 yaitu 32% berada diantara dua batas ini. Albedo bumi berada pada rentang tengah antara nilai rendah bulan serta inner planet (planet dalam) (merkuri 6%, Mars 16%, Bulan 7%) dan nilai tinggi dari Venus (76%) serta nilai yang lebih tinggi dari outer planet (73 hingga 94%). Disini kita temukan kembali keunikan dari lingkungan planet bumi dibandingkan dengan planet lain serta bulan.

 

Radiasi gelombang panjang

Semua benda yang memiliki panas memancarkan energi radiasi elektromagnetik dari permukaannya, jumlah energi yang diradiasikan secara langsung sebanding dengan pangkat empat dari temperatur absolut benda tersebut. Semakin rendah temperatur dari benda yang beradiasi , maka panjang panjang gelombang dari sinar  diemisikan semakin panjang.

Pada permukaan tanah atau laut, panas yang dimiliki berasal dari absorbsi sinar matahari, yang secara kontinyu meradiasikan kembali energi ini ke atmosfer, proses ini dikenal sebagai radiasi tanah atau radiasi bumi. Radiasi infrared ini terdiri atas panjang gelombang yang lebih panjang daripada 3 atau 4 mikron dan dikenal sebagai radiasi gelombang panjang. Atmosfer juga meradiasikan energi baik menuju tanah dan keluar angkasa, yang hilang. Radiasi gelombang panjang sama sekali berbeda dengan pemantulan, dimana sinar dikembalikan secara langsung tanpa diabsorbsi. Radiasi gelombang panjang baik dari tanah dan atmosfer terus berlanjut sepanjang malam, walaupun tidak ada radiasi matahari yang diterima.

Mengacu pada Gambar 2.1., yang menunjukkan hubungan antara  pancaran energi dan panjang gelombang. Pada diagram sebelah kanan yang ditandai dengan tanda panah halus, garis putus-putus menggambarkan kurva benda hitam ideal dari radiasi untuk temperatur 300°K. Temperatur planet secara teoritis ini, kurang lebih sekitar 81°F (27°C) memberikan puncak energi gelombang panjang sekitar 10 mikron. Total emisi energi dari kurva ini adalah 0,67 langleys permenit. Garis tidak beraturan yang tidak putus-putus di bawah kurva putus-putus menunjukkan emisi gelombang panjang yang sesungguhnya ke ruang angkasa dari atmosfer mengambil tempat beberapa seri garis. Dua kekosongan yang terjadi dari 5 – 8 mikron dan dari 12 – 20 mikron, pada jarak panjang gelombang ini  pengeluaran energi gelombang panjang diabsorbsi oleh uap air dan karbondioksida. Sebagian besar energi gelombang panjang meninggalkan atmosfer melalui jendela di antara 8 dan 11 mikron, dengan jendela lebih kurang pada rentang panjang gelombang yang lebih rendah atau lebih tinggi. Karena absorbsi energi pada seluruh spektrum gelombang panjang, rata-rata radiasi pengeluaran gelombang panjang dari planet mempunyai harga estimasi 0,10 langleys per menit. Jika keseimbangan radiasi bumi harus dipertahankan, planet secara keseluruhan harus kehilangan ke angkasa setiap tahun sejumlah total energi yang setara dengan yang diterima oleh planet dari sinar matahari. Sebelumnya kita ihat pada Gambar 2.1. bahwa kurva radiasi gelombang pendek matahari mempunyai nilai energi yang jauh lebih besar daripada kurva gelombang panjang.  Anda harus menyadari bahwa sinar matahari hanya pada satu hemisfer pada suatu waktu dan sudut pancaran dari sinar matahari memiliki kemiringan yang sangat tinggi pada hemisfer. Sebaliknya, radiasi gelombang panjang secara konstan mengambil tempat secara langsung keluar dari seluruh permukaan sferis planet. Kita juga telah melihat bahwa 32% energi gelombang pendek yang datang direfleksikan secara langsung ke angkasa dan dapat disimpulkan pada permulaan. Setelah kesimpulan dibuat, rata-rata energi gelombang pendek yang diabsorbsi adalah 179.000 langleys per tahun dan diseimbangkan oleh emisi gelombang panjang yang setara ke angkasa dari planet secara keseluruhan.

Radiasi energi dari tanah siap diabsorbsi oleh uap air dan karbondioksida atmosfer pada panjang gelombang dari 4 – 8 mikron dan 12 – 20 mikron. Bagian radiasi bumi ini diradiasikan kembali ke permukaan bumi, proses ini disebut counter-radiation. Jadi atmosfer menerima panas sebagian besar melalui proses secara tidak langsung dimana pancaran energi  dalam bentuk gelombang pendek bisa melewati, tetapi pada bentuk gelombang panjang  tidak semuanya dapat melewati. Untuk alasan ini, atmosfer yang lebih rendah dengan uap air dan karbondioksidanya berfungsi sebagai selimut yang mengembalikan panas ke bumi dan membantu untuk menjaga temperatur permukaan dari penurunan secara berlebihan sepanjang malam atau pada pertengahan musim dingin dan garis lintang yang tinggi. Prinsip yang sama digunakan untuk greenhouse dan rumah-rumah yang menggunakan metode panas matahari. Pada rumah kaca energi gelombang pendek dapat masuk. Akumulasi panas tidak dapat keluar dengan percampuran udara yang lebih dingin dari luar. Ekspresi efek rumah kaca  telah digunakan oleh metereologis untuk menggambarkan prinsip pemanasan atmosfer. Lapisan awan terkadang lebih penting dalam menghasilkan efek melapisi untuk menahan panas pada atmosfer yang lebih rendah, karena atmosfer merupakan pengabsorbsi yang sangat efektif dan pengemisi radiasi gelombang panjang.

Total radiasi gelombang panjang yang meninggalkan permukaan bumi dan permukaan laut setara dengan jumlah 98 persentase unit. Untuk nilai ini, 8 unit hilang ke angkasa, sedangkan yang 90 unit diabsorbsi oleh atmosfer. Sebaliknya, atmosfer memancarkan radiasi gelombang panjang. Total radiasi ini setara dengan jumlah 137 unit persentase dari insolasi pada permukaan atmosfer. Gambar ini pertama kali mungkin terlihat absurd, tetapi dua garis selanjutnya menunjukkan bahwa radiasi ini terbagi dalam dua bagian, bagian yang satu keluar angkasa (60 unit) dan bagian yang lain diabsorbsi oleh permukaan bumi sebagai counter-radiation (77 unit). Tiga garis terakhir dari tabel menunjukkan gambar  hasil bersih sebagai berikut: permukaan bumi mempunyai radiasi pengeluaran gelombang panjang  total bersih 21 unit; sedangkan pada atmosfer mempunyai total bersih radiasi pengeluaran gelombang panjang  47 unit. Perpaduan dua gambar ini memberikan 68 unit untuk total bersih radiasi pengeluaran dari seluruh sistem permukaan atmosfer bumi, yang setara dengan energi total yang diabsorbsi oleh sistem yang sama (lihat total pada bagian atas).

Studi lebih lanjut dari Tabel 2.2. akan mengungkapkan sesuatu yang berbeda. Pada bagian atas dari tabel, absorbsi dari permukaan tanah dan air bumi adalah 50%, dimana pada bagian bawah dari tabel radiasi pengeluaran dari permukaan yang sama adalah 21% unit,  perbedaannya menjadi 29 unit. Sesungguhnya dua mekanisme yang lain memindahkan energi yang hilang kembali ke atmosfer. Yang satu adalah panas tersembunyi, melalui evaporasi permukaan air. Yang kedua adalah transfer mekanis panas dari permukaan ke air. Panas pertama kali dikonduksi sebagai panas yang terlihat dari air atau tanah ke permukaan lapisan air, kemudian diangkat ke atas dalam pusaran air. (Arus balik dari panas dapat juga terjadi dengan cara ini). Faktanya sekitar 60% energi yang datang dikembalikan ke atmosfer oleh proses kombinasi evaporasi dan transfer panas yang terlihat. Dari 60% ini, sekitar dua pertiga kembali sebagai panas tersembunyi, sepertiganya sebagai panas yang terlihat.

Garis lintang dan keseimbangan radiasi

Pada bagian awal bab ini, pada garis lintang yang berhubungan dengan insolasi, penulis telah menunjukkan bahwa kemiringan  aksis bumi menyebabkan redistribusi insolasi pada daerah kutub, apabila dibandingkan dengan kondisi garis aksis tegak lurus terhadap orbital datar (Gambar 2.5.). Kita tinjau sekarang lebih dalam pada jarak yang lebar pada rata-rata energi yang masuk dan keluar pada profil yang terentang sepanjang garis lintang 90°LU sampai 90°LS. Pada analisis ini rata-rata tahunan digunakan, efek musim tidak diperhatikan.

Kurva atas menunjukkan insolasi memasuki bagian atas atmosfer, informasi yang sama ditunjukkan pada Gambar 2.5. Kurva bagian bawah menunjukkan energi yang masuk yang diabsorbsi pada permukaan bumi. Daerah antara yang terletak diantara dua kurva menggambarkan energi yang hilang ketika insolasi yang memasuki atmosfer, dikombinasikan dengan refleksi gelombang pendek dari permukaan. Skala horisontal di-atur  sehingga seimbang terhadap area permukaan bumi antara 10-derajat paralel dari garis lintang (ini adalah tipe yang sama dari skala garis lintang yang digunakan pada bagian sebelah kanan Gambar 2.8.). Pada wilayah yang mendekati equator, sekitar 50% dari insolasi yang masuk diabsorbsi oleh tanah, sedangkan pada daerah yang mendekati kutub kurang dari 20% diabsorbsi. Perbedaan ini dapat dimengerti sudut pancaran yang rendah dari sinar matahari pada garis lintang yang tinggi, menyebabkan sinar-sinar yang dapat melewati ketebalan atmosfer lebih besar daripada daerah kutub; dan berdasarkan hal tersebut, keseimbangan lebih besar hilang disebabkan oleh refleksi dan absorbsi. Pada permukaan albedo juga lebih besar pada garis lintang yang tinggi, sehingga keseimbangan yang lebih besar dari energi gelombang pendek direfleksikan dari salju yang menutupi permukaan daerah arktik dan daerah kutub dibandingkan pada daerah-daerah pada  garis lintang yang rendah.

Pengaruh manusia terhadap keseimbangan energi bumi

Keseimbangan adalah hal yang sensitif, melibatkan sejumlah faktor-faktor variabel yang menentukan bagaimana energi ditransmisi dan diabsorbsi. Apakah aktivitas industrial manusia telah mengubah komponen-komponen keseimbangan energi planet? Peningkatan karbondioksida mungkin meningkatkan absorbsi radiasi gelombang panjang oleh atmosfer. Apakah perubahan ini menyebabkan peningkatan temperatur atmosfer? Apakah perubahan seperti itu telah terjadi? Jika dilanjutkan, akan berlanjut ke arah mana? Peningkatan uap air stratosferik mungkin menyebabkan lapisan tersebut menjadi lebih hangat. Peningkatan pada debu-debu atmosfer akan meningkatkan penyebaran dari radiasi gelombang pendek yang masuk  dan mungkin mengurangi suhu atmosfer, tetapi pada sisi lain meningkatkan debu yang akan mengabsorbsi lebih banyak radiasi gelombang panjang dan oleh karena itu meningkatkan suhu atmosferik. Apakah perubahan yang lain telah terjadi? Manusia telah mendalami bahwa perubahan pada permukaan daratan bumi dipengaruhi oleh pertanian dan urbanisasi. Apakah perubahan-perubahan pada permukaan albedo dan kapasitas tanah untuk mengabsorbsi dan untuk mengemisikan radiasi gelombang panjang menghasilkan perubahan keseimbangan energi? Menjawab pertanyaan seperti ini memerlukan studi lebih lanjut mengenai proses pemanasan dan pendinginan atmosfer bumi, daratan, danau dan laut; ini akan menjadi pokok bahasan bab selanjutnya.

Partikel-partikel kosmik dan radiasi ionisasi

Perbedaan dalam ciri-ciri fisik dan sumber dari radiasi elektromagnetis matahari adalah yang datang ke bumi dari ruang angkasa sebagai radiasi kosmik (umumnya disebut sinar kosmik). Bentuk radiasi ini penting untuk lingkungan hidup di bumi, meskipun efeknya lebih pada perubahan biologis, daripada suplai energi untuk proses kehidupan.

Radiasi kosmik tersusun oleh partikel-partikel kosmik, yang merupakan partikel dasar yang berpindah tempat dengan kecepatan mendekati cahaya dan membawa energi yang sangat besar. Partikel kosmik adalah proton – bagian dari inti atom. Terutama adalah inti dari atom-atom hidrogen, partikel kosmik yang lain adalah helium dan dalam jumlah yang sangat kecil inti atom yang lebih berat. Penetrasi energi mereka sangat besar dan partikel kosmis tersebut dapat mencapai permukaan bumi.

Partikel kosmik berasal dari seluruh titik ruang antar bintang angkasa, dan diyakini dipercepat terhadap kecepatan yang tinggi dan tingkatan energi dalam bumi kita dan galaksi yang lain. Beberapa partikel berenergi tinggi berasal dari matahari. Partikel kosmis tunggal, memasuki atmosfer bumi,mempengaruhi inti atom dari gas, memberikan peningkatan kepada pemecahan rantai reaksi dan disipasi energi, secara umum disebut hujan kosmik. Gambar 2.18. menunjukkan beberapa produk hujan kosmik. Hasil hujan kosmis adalah neutron, proton dan sinar gamma. Istilah radiasi ionisasi digunakan untuk radiasi yang dapat menghasilkan elektron dari atom yang menerima radiasi. Pada Gambar 2.18. radiasi ionisasi yang terjadi ditunjukkan karena pengaruh sinar gamma. Sebagai tambahan terhadap sumber sinar kosmik dari luar bumi dari radiasi ionisasi termasuk lidah matahari, didiskusikan pada bagian yang lebih lanjut pada bab ini. Sinar X dari spektrum elektromagnetis matahari juga merupakan bentuk radiasi ionisasi, bertanggung jawab untuk perkembangan ionosfer.

Sejak partikel-partikel kosmik memasuki atmosfer dengan energi yang lebih besar daripada sinar X, efek radiasi kosmik penting bagi permukaan bumi dan membuat keadaan stabil, atau latar belakang, radiasi ionisasi terhadap bentuk kehidupan dijelaskan. Sumber-sumber radiasi terionisasi dari bumi termasuk unsur-unsur radioaktivitas alami pada batu-batuan krustal (didiskusikan pada Bab 9) dan radioaktivitas dari hasil tes peledakan nuklir. Akhirnya terdapat sumber penting dari sinar X pada bidang kedokteran dan tabung televisi (tabung sinar katoda).

Pengukuran absolut energi dari radiasi ionisasi adalah rad, menggambarkan absorpsi energi pada 100 ergs oleh 1 gram materi yang terekspos radiasi. Mikrorad adalah seperseribu rad. Di lautan tingakat radiasi kosmik (juga disebut radiasi galaktik  oleh para ilmuwan lingkungan) sekitar 4 mikrorad.

Efek biologis dari radiasi ionisasi adalah menghasilkan perubahan pada material genetik dalam sel-sel organisme. Manusia juga merupakan penghasil radiasi ionisasi pada intensitas yang lebih tinggi daripada alam, total produksi radiasi ionisasi dimana bentuk kehidupan diekspos adalah pokok bahasan penting pada ilmu lingkungan. Dengan tujuan untuk evaluasi efek-efek biologis ini, unit radiasi ionisasi adalah rem, yang mengukur efek biologis radiasi pada jaringan hidup. Untuk jumlah yang sangat kecil dari radiasi alami digunakan ukuran milirem (mrem);  ini setara dengan seperseribu rem (0,001 rem).

Intensitas radiasi, pada milirem per jam (mrem/jam), ditunjukkan oleh garis kurva pada bidang gambar. Poin pertama untuk dicatat adalah bahwa radiasi meningkat paling besar dengan meningkatnya garis bujur, karena berkurangnya absorbsi sinar-sinar kosmis yang disebabkan oleh benturan dengan atom-atom atmosfer. Di lautan, latar belakang radiasi kosmik amat sangat kecil, sekitar 0,004 sampai 0,008 mrem/jam (gambar ini tidak ditampilkan pada grafik) atau sekitar 32 sampai 73 mrem per tahun. Meskipun Pada 20.000 atau 30.000 kaki (6 sampai 9 km), tingkat intensitas 30 kali lebih besar dibandingkan di tanah. Poin kedua untuk dicatat adalah garis lintang yang tinggi mempunyai tingkat intensitas radiasi kosmik yang lebih kuat dibandingkan garis bujur yang rendah, kurang lebih lima kalinya. Efek garis lintang ini diterangkan olehpengaruh medan magnet bumi dan didiskusikan pada bagian berikutnya dari bab ini. Dari pengertian ilmu lingkungan, efek biologis dari radiasi kosmik pada orang yang terbang pada garis lintang yang tinggi dengan pesawat jet adalah permasalahan yang memerlukan perhatian lebih , terutama sejak dikembangkan dan dioperasikan transport pesawat supersonik (SST) pada garis lintang yang lebih tinggi daripada pesawat jet subsonik konvensional.

Sabuk radiasi

Pada tahun 1958, satelit-satelit angkasa mengangkut penghitung Geiger untuk mendapatkan informasi bumi yang berkaitan dengan keberadaan daerah dari intensitas radiasi ionisasi dalam magnetosfer. Segera ditemukan bahwa dua bentuk sabuk cincin dari radiasi yang ada, yang satu terletak di dalam yang lain. (Gambar 2.21.). Cincin ini dinamakan sabuk radiasi Van Allen, setelah dua ahli fisika mendeskripsikannya. Sabuk bagian dalam ditemukan terletak antara 2300 mi (2600km) dari permukaan bumi; bagian paling luar dan lebih intensif terletak pada jarak sekitar 8000 sampai 12.000 mi (13.000 sampai 19.000).

Gambar 2.21. magnetosfer dan magnetopause. Sabuk radiasi Van Allen ditunjukkan sebagai daerah hitam pada bagian lain bumi

Sabuk radiasi Van Allen menggambarkan konsentrasi muatan partikel-partikel – proton dan elektron – terperangkap dalam garis –garis gaya dari medan magnet bumi eksternal. Partikel-pertikel berenergi tinggi ini berasal dari angin matahari dan terperangkap pada saat memasuki magnetopause. Gambar 2.22. menunjukkan bagaimana proton dan elektron terletak antara garis-garis gaya dari medan magnet, datang dan pergi mengikuti jalur sinus.

Hasil hujan kosmik juga terperangkap pada jalur ini. Dari diagram, adalah bukti bahwa partikel-partikel yang terperangkap terletak jauh dari bumi melebihi equator magnetik, tetapi dapat turun mencapai permukaan bumi pada daerah kutub magnetis dimana garis-garis gaya memasuki bumi pada sudut yang curam. Bentuk geometri ini menerangkan variasi garis lintang pada latar belakang radiasi kosmis yang ditunjukkan pada Gambar 2.19.

Intensitas radiasi yang terperangkap berfluktuasi pada rentang yang luas. Lidah matahari dari permukaan matahari, terjadi pada interval yang tidak beraturan, mengirimkan semburan awan ion menuju bumi. Pada saat-saat seperti itu, intensitas radiasi partikel-partikel yang terperangkap meningkat pesat. Perwujudan dari peristiwa ini adalah aurora, yang sering terjadi pada arktik dan garis lintang antartika. Pada bumi, gangguan yang hebat terhadap medan magnet, dikenal sebagai badai magnetis, yang datang bersama dengan awan ion dari lidah api dan mengganggu komunikasi radio secara serius.

Peran penting dari partikel-partikel energi yang terperangkap dalam magnetosfer bagi lingkungan adalah membantu melindungi permukaan bumi dari penetrasi sinar-sinar kosmis. Observasi telah menunjukkan bahwa ketika partikel-partikel yang terperangkap tinggi, diikuti oleh lidah api, partikel-partikel kosmik yang diukur pada observasi menurun secara signifikan. Pada saat  medan magnet bumi melemah atau menghilang, mungkin dimiliki hanya dalam waktu singkat, pada masa geologis yang lampau, intensitas radiasi kosmik mencapai permukaan bumi akan meningkat, dengan efek penting yang mungkin berpengaruh pada material genetik dari organisme.

Pada sisi lain, lidah api menyebabkan peningkatan yang sangat besar pada intensitas radiasi terionisasi pada tingkat atmosfer dimana pesawat jet sekarang beroperasi, dan pada tingkat yang lebih tinggi dirasakan pada jalur lalu lintas dari pesawat SST. Radiasi ini berasal dari proton-proton matahari yang dikirimkan dari lidah-lidah api dan terkonsentrasi pada garis-garis gaya pada medan magnet. Satu lidah api yang besar, terjadi pada 23 Februari 1956, pada jam pertama kedatangannya di bumi, diperkirakan memproduksi intensitas radiasi kurang lebih 100mrem/jam pada elevasi 35.000 kaki (10,7km). Gambar ini 300 kali tingkat latar belakang dari radiasi kosmis pada garis lintang yang tinggi. Untungnya, dosis yang amat besar dari radiasi yang berlangsung ini umumnya kurang dari satu jam dan kejadian dari magnitud ini rata-rata kurang dari satu tiap tahunnya. Deteksi lidah api dapat dibuat berjam-jam setelah kedatangan mereka di bumi dan manfaatnya terutama adalah  untuk memperingatkan kedatangan lidah api. Pada saat-saat seperti itu, pesawat terbang tidak dioperasikan untuk menghindarkan penumpang dan kru dari paparan radiasi.

C. Kesimpulan

 

Semua proses di bumi umumnya merupakan perubahan materi dan energi yang terjadi di antara atmosfer bumi dan permukaan laut serta daratan. Perubahan ini didukung oleh energi radiasi yang dipancarkan oleh matahari. Sistem sirkulasi planet dari atmosfer dan lautan dikendalikan oleh energi matahari.

Pendekatan secara sistematik terhadap keseimbangan energi bumi diawali dengan analisa terhadap input atau sumber energi dari radiasi matahari. Sumber energi matahari adalah hidrogen yang diubah melalui reaksi fusi nuklir atau helium dan dipancarkan melalui konveksi dan konduksi permukaan matahari. Angka radiasi memiliki nilai 2 langleys/ menit. Insolasi adalah radiasi matahari yang diterima oleh bumi. Kuantitas energi matahari yang diterima tergantung pada sudut dimana sinar matahari datang dan lama waktu penyinaran. Insolasi yang hilang di atmosfer dipengaruhi oleh refleksi dan absorpsi energi serta radiasi pengeluaran (gelombang panjang). Radiasi gelombang panjang adalah radiasi infrared yang terdiri atas panjang gelombang yang lebih dari 3 atau 4 mikron. Siklus harian dan tahunan dari radiasi dan panas pada permukaan bumi merupakan faktor penyebab terbentuknya zona kehidupan di seluruh dunia.

Zona garis lintang dunia ditentukan berdasarkan sudut dari paparan sinar matahari yang menentukan aliran energi matahari sampai area tertentu dari permukaan bumi dan mengatur panas lingkungan dari biosfer. Ada 5 zona lintang dunia yaitu: zona equatorial, zona tropis, zona lintang tengah, zona arktik dan zona kutub. Garis lintang berpengaruh terhadap keseimbangan radiasi, keseimbangan energi bumi hanya dapat dipertahankan terjadi pemindahan panas dari yang kelebihan pada garis lintang rendah ke daerah yang kekurangan pada garis lintang tinggi. Pengaruh manusia terhadap keseimbangan energi bumi banyak dipengaruhi oleh pertanian dan urbanisasi

Partikel-partikel kosmik merupakan penyusun radiasi kosmik dan menghasilkan radiasi ionisasi. Bentuk radiasi ini mempunyai peran penting untuk lingkungan hidup terutama menghasilkan perubahan biologis pada material genetik dalam sel-sel organisme. Pengaruh partikel-partikel terionisasi perlu dipelajari karena luasnya garis-garis gaya atmosfer yang membentuk magnetosfer. Magnetosfer adalah daerah fluks dari benda dan energi pada atmosfer (magnet atmosfer), daerah di luar magnetosfer disebut magnetopause.

Daerah intensitas  radiasi ionisasi pada magnetosfer disebut Sabuk Radiasi Van Allen. Sabuk radiasi Van Allen menggambarkan konsentrasi muatan partikel-partikel – proton dan elektron – terperangkap dalam garis –garis gaya dari medan magnet bumi eksternal. Partikel-pertikel berenergi tinggi ini berasal dari angin matahari dan terperangkap pada saat memasuki magnetopause. Peran penting dari partikel-partikel energi yang terperangkap dalam magnetosfer bagi lingkungan adalah membantu melindungi permukaan bumi dari penetrasi sinar-sinar kosmis.

DAFTAR PUSTAKA

Strahler, Arthur N., Strahler Alan H. 1973. Environmental Geoscience: Interaction Between Natural System and Man. Hamilton Publishing Company: Santa Barbara, California.