RADIASI TERMAL

HUKUM STEFAN BOLTZMANN Setiap benda di alam yang bertemperatur 0 K (-273o C) memancarkan radiasi berbanding lurus dengan pangkat empat suhu permukaannya (Hukum Stefan Boltzman)

R = T4

F = Pancaran RAdiasi (Wm2) = emisivitas permukaan, bernilai satu untuk benda hitam (black body radiation), sedangkan untuk benda-benda alam berkisar 0.9-1.0) = tetapan Stefan Boltzman (5.67 10-8 Wm2)T = Suhu permukaan (K)

PANCARAN RADIASI SURYARadiasi surya (matahari) sumber energi utama untuk proses-proses fisika atmosfer yang menentukan keadaan cuaca dan iklim di atmosfer bumi.

Permukaan matahari bersuhu 6000 K, dengan jarak dari bumi 150 juta km

Intensitas radiasi yang sampai di puncak atmosfer 1360 W/m2, yang sampai ke permukaan bumi setengah dari yang diterima di puncak atmosfer.

Rata-rata 30% radiasi yang sampai dipermukaan bumi dipantulkan kembali ke angkasa luar.

SPEKTRUM RADIASI MATAHARIMatahari memancarkan radiasi cahaya dengan berbagai panjang gelombang, mulai dari ultraviolet, cahaya tampak, sampai infrared dari spektrum elektromagnetik. Radiasi ini timbul sebagai akibat dari permukaan matahari yang mempunyai temperatur sekitar 5800 K (~5500 C) sehingga spektrum yang dipancarkan matahari sama dengan spektrum dariBLACKBODYpada temperatur yang sama.Blackbodyini didefinisikan sebagai objek yang menyerap secara sempurna semua radiasi elektromagnetik, dan juga mampu memancarkan radiasi dengan distribusi energi bergantung kepada temperaturnya.

SPEKTRUM RADIASI MATAHARIPerbandingan Spektra Energi radiasi sebagai fungsi panjang gelombang dari matahari untuk kondisi tepat diatas atmosfer bumi, blackbody, dan pada permukaan bumi.

SPEKTRUM RADIASI MATAHARIGambar diatas menunjukkan energi radiasi yang diterima dari matahari per satuan area per satuan waktu sebagai fungsi panjang gelombang. Pada permukaan matahari energi radiasi yang dipancarkan sebesar 62 MW/m2, namun di atas atmosfer bumi radiasinya berkurang menjadi total sebesar 1353 W/m2.

Untuk radiasi blackbody, semakin tinggi temperatur objek blackbody tersebut maka semakin besar juga energi radiasinya. Blackbody pada temperatur rata-rata bumi yaitu 300 K, paling kuat memancarkan pada gelombang infrared dan radiasinya tidak dapat terlihat oleh mata.

Untuk matahari, dengan temperatur skitar 5800 K, radiasinya paling kuat berada pada gelombang cahaya tampak (visible) dengan panjang gelombang sekitar 300 800 nm, seperti terlihat pada gambar diatas.

PENERIMAAN RADIASI SURYA DI PERMUKAAN BUMIBervariasi menurut tempat dan waktuSkala makro menurut tempat sesuai dengan letak lintang dan keadaan atmosfer terutama awanSkala mikro arah lereng sesuai dengan jumlah radiasi surya yang diterima

ENERGI YANG DITERIMA DAN DIPANCARKAN DARI BUMIEfek Awan dan Atmosfer bumi terhadap energi radiasi yang sampai ke permukaan bumi. Sekitar 50% dari energi radiasi matahari yang tiba di atmosfer bumi, sampai ke permukaan bumi

RADIASI YANG DITERUSKAN MELALUI ATMOSFER

ENERGI YANG DITERIMA DAN DIPANCARKAN DARI BUMIRadiasi cahaya matahari yang sampai dipermukaan atmosfer bumi tidak semuanya diterima oleh permukaan bumi akibat mengalami proses pengamburan pada awan atau juga pada partikel-partikel lain yang ada didalam atmosfer bumi.

Cahaya dengan panjang gelombang kurang dari 300 nm dan cahaya tampak difilter oleh atom dan molekul oksigen (O2), ozon (O3), dan nitrogen (N2).

Sedangkan air (H2O) dan karbon dioksida (CO2) umumnya menyerap cahaya pada area gelombang infrared yang merupakan alasan penurunan secara drastis pada spektra radiasi di panjang gelombang 900, 1100, 1400, 1800, 1900 dan 2600 nm.

FAKTOR MASSA UDARA (AIR MASS)Gambar di bawah ini menunjukkan berbagai kondisi air mass sesuai sudut elevasi matahari. Air Mass 0 (AM0) menggambarkan kondisi cahaya matahari tepat di luar atmosfer bumi, sehingga relevan untuk panel surya yang digunakan pada satelit bumi. Untuk AM1, jarak tempuh cahaya matahari sama dengan tebal atmosfer saat kondisi matahari tepat berada di atas. Namun jika tidak tepat berada diatas, jarak tempuhnya semakin bertambah sesuai fungsi inverse cos sudut elevasi matahari. Contoh, ketika sudut elevasinya60omaka jarak tempuhnya menjadi dua kali lipat (AM2). Umumnya AM1.5 dengan sudut elevasi 48odigunakan sebagai standar untuk pengukuran sistem panel surya. Besar energi untuk AM1.5 yaitu 1000 W/m2, sedangkan untuk AM0 yaitu 1360 W/m2 yang biasa disebutSOLAR CONSTANT.Efek atmosfer terhadap spektrum radiasi matahari direpresentasikan dengan faktor Air Mass (AM), yang didefinisikan sebagai jarak tempuh cahaya matahari dalam atmosfer bumi sebagai fungsi dari sudut elevasi matahari terhadap permukaan bumi.

FAKTOR MASSA UDARA (AIR MASS)Berbagai kondisi Air Mass yang tergantung terhadap sudut elevasi matahari. Umumnya Air Mass (AM 1.5) digunakan sebagai untuk standar pengukuran performansi sel dan panel surya.

RADIASI GELOMBANG PENDEKDAN GELOMBANG PANJANGPanjang gelombang semakin pendek bila suhu permukaan yang memancarkan radiasi tersebut lebih tinggiMatahari (suhu 6000 K) mempunyai kisaran panjang gelombang antara 0.3 4.0 mBumi suhu 300 K (27oC) memancarkan radiasi dengan panjang gelombang 4 120 m,Karena panjang gelombang radiasi surya relatif pendek dibandingkan benda-benda alam lainnya maka disebut radiasi gelombang pendek.Radiasi bumi dan benda-benda yang ada di bumi disebut radiasi gelombang panjang.

PETA KONTUR SEBARAN PANAS DI PERMUKAAN BUMIBesar aktual radiasi cahaya matahari yang diterima di permukaan bumi bervariasi tiap area, dan sangat tergantung terhadap musim dan variasi dari posisi matahari dan orientasi bumi. Gambar di bawah menunjukkan besar rata-rata energi radiasi cahaya dalam kWh persatuan area perhari diberbagai belahan bumi, untuk kondisi langit cerah dan radiasi tepat horizontal diatas permukaan bumi.

Berdasarkan gambar tersebut jelas terlihat potensi penggunaan energi surya dari negara-negara yang terletak dekat dengan ekuator termasuk Indonesia. Selain itu, radiasi cahaya matahari di Indonesia pun relatif konstan per tahunnya sebagai konsekuensi logis hanya terdapat dua musim, dibandingkan negara-negara dengan empat musim dimana pada musim-musim tertentu energi radiasi yang diterima akan berkurang.

PETA KONTUR SEBARAN PANAS DI PERMUKAAN BUMI

PENYUMBANG CO2 TERBESAR

KENAIKAN SUHU RATA-RATA BUMIDARI TAHUN 1860 2000 Pemanasan global merupakan proses peningkatan suhu rata-rata atmosfer dan permukaan bumi yang akibat tertahannya sebagian radiasi sinar matahari di lapisan atmosfer. Gas yang menahan radiasi tersebut terdiri atas CO2 dan gas methane lainnya, yang disebut sebagai gas rumah kaca.

KENAIKAN SUHU RATA-RATA BUMIDARI TAHUN 1860 2000

PERKIRAAN PARA AHLI TENTANG GLOBAL WARMING

KONSENTRASI BEBERAPA GAS RUMAHKACA SELAMA 2000 TAHUN TERAKHIR Gas CO2 menyumbang 50% dari pemanasan global, sedangkan gas CFCs, CH4, O3, dan NOx masing-masing menyumbang lebih kurang 20%, 15%, 8% dan 7% bagi pemanasan global.

SEKTOR-SEKTOR KEGIATAN MANUSIA PENYUMBANG GAS RUMAH KACAMenurut WMO, antara 1990 dan 2011, terjadi peningkatan efek radiasi efek pemanasan di iklim Bumi sebesar 30% sebagai akibat peningkatan konsentrasi karbon dioksida (CO2) dan gas penyerap panas yang lain.

SEKTOR-SEKTOR KEGIATAN MANUSIA PENYUMBANG GAS RUMAH KACA

NERACA ENERGIPADA PERMUKAAN BUMINeraca energi pada permukaan bumi

Qn = Qs + Ql Qs QlQn = Radiasi Netto (W/m2)

Qs dan Qs = radiasi surya yang datang dan keluar (Wm2)Ql dan Ql = radiasi gelombang panjang yang datang dan keluar (W/m2)

NERACA ENERGIPADA PERMUKAAN BUMI

Qn = Qs + Ql Qs QlQn = Radiasi Netto (W/m2)

Radiasi surya (Qs) bernilai 0 pada malam hari, radiasi netto (Qn) bernilai negatif.

Siang hari Qs jauh lebih besar sehingga Qn positif.

Qn yang positif akan digunakan untuk memanaskan udara (H), penguapan (E), pemanasan tanah/lautan (G) dan kurang dari 5% untuk fotosintesis (berlakiu bila tidak ada adveksi panas/pemindahan panas secara horisontal)

SISTEM KESETIMBANGAN RADIASI TERMAL DI BUMI Gas-gas rumah kaca (CO2 dan lain-lain) berperan menyerap energi panas yang dipantulkan dari Bumi sehingga Bumi tetap hangat meskipun pada malam hari. Jika jumlah GRK melampaui ambang batas maka tingkat penyerapan energi panas oleh gas-gas tersebut di permukaan bumi semakin tinggi. Dengan demikian terjadilah....GLOBAL WARMING

EFEK RUMAH KACA (GREEN HOUSE EFFECT)Seperti rumah kaca, radiasi surya mampu menembus atap kaca sesuai dengan energinya yang besar, sedangkan radiasi gelombang panjang dari dalam rumah kaca tidak mampu menembus atap kaca sehingga terjadi penimbunan energi yang berlebihan dalam rumah kaca tersebut yang meningkatkan suhu udara.Di Atmosfer, uap air dan CO2 adalah penyerap radiasi gelombang panjang utama. Energi radiasi yang diserap oleh kedua gas tersebut dipancarkan kembali ke permukaan bumi diiringi dengan peningkatan suhu udara (efek rumah kaca, GREEN HOUSE EFFECT).

EFEK RUMAH KACA (GREEN HOUSE EFFECT)Menurut simulasi, efek dari rumah kaca telah meningkatkan suhu rata-rata bumi 1 5 C. Bila kecenderungan peningkatan gas rumah kaca (GRK) tetap seperti sekarang, maka insya Allah akan berakibat peningkatan pemanasan global antara 1,5 4,5 C sekitar tahun 2030. Dengan meningkatnya konsentrasi gas CO2 di atmosfer, maka akan semakin banyak gelombang panas yang dipantulkan dari permukaan bumi diserap atmosfer. Hal ini akan mengakibatkan suhu permukaan bumi menjadi meningkat.Gas-gas rumah kaca (Green House Gases) adalah beberapa jenis gas yang terperangkap di atmosfer dan berfungsi seperti atap rumah kaca yaitu meneruskan radiasi gelombang panjang sinar matahari, namun menahan radiasi inframerah yang diemisikan oleh permukaan bumi.

Selubung gas rumah kaca tepatnya terdapat di lapisan troposfer pada ketinggian 7-16 km diatas permukaan bumiBumi telah menjadi lebih hangat sekitar 1F (0.5C) dari 100 tahun yang lalu. EFEK RUMAH KACA (GREEN HOUSE EFFECT)

EFEK RUMAH KACA (GREEN HOUSE EFFECT)Tyndall, 1850: Tipe-tipe gas yang menjebak/menyerap panas tersebut terutama adalah CO2 dan uap air gas rumah kaca. Arrhenius: Jika konsentrasi CO2 dilipatgandakan, maka peningkatan temperatur permukaan menjadi sangat signifikan, meningkat sampai 1C (teori)Kenyataannya peningkatan temperatur bisa lebih dari 1C karena faktor-faktor seperti perubahan jumlah awan, pemantulan panas yang berbeda antara daratan dan lautan, perubahan kandungan uap air di udara, perubahan permukaan Bumi, atau sebab-sebab lain, alami maupun karena perbuatan manusia. Jika memang terjadi pemanasan, yang kemudian dikenal sebagai pemanasan global (Global Warming): Apakah merupakan fenomena alam yang tidak terhindarkan? Atau ada suatu sebab yang signifikan, sehingga menjadi populer seperti sekarang ini?

PENGUKURAN PANAS DI LINGKUNGANIklim kerja adalah kombinasi dari suhu udara, kelembaban udara, kecepatan gerakan dan suhu radiasi. Kombinasi keempat faktor tersebut bila dihubungkan dengan produksi panas oleh tubuh dapat disebut dengan tekanan panas. Indeks tekanan panas di suatu lingkungan kerja adalah perpaduan antara suhu udara, kelembaban udara, kecepatan gerakan udara, dan panas metabolisme sebagai hasil aktivitas seseorang.Suhu Kering (dry bulb temperature) adalah suhu yang ditunjukkan oleh termometer suhu kering. Suhu basah alami (natural wet bulb temperature) adalah suhu yang ditunjukkan termomoter suhu basah. Suhu bola (Globe Temperature) adalah suhu yang ditunjukkan oleh temperatur bolaSuhu tubuh manusia dapat dipertahankan secara menetap melalui suatu sistem pengatur suhu (thermoregulatory system). Suhu menetap ini adalah akibat keseimbangan di antara panas yang dihasilkan didalam tubuh sebagai akibat metabolisme dan pertukaran panas diantara tubuh dengan lingkungan sekitar.

PENGUKURAN PANAS DI LINGKUNGANDi Indonesia, parameter yang digunakan untuk menilai tingkat iklim kerja adalah Indeks Suhu Basah dan Bola (ISBB). Hal ini telah ditentukan dengan Keputusan Menteri Tenaga Kerja Nomor: Kep-51/MEN/1999, Tentang Nilai Ambang Batas Faktor Fisika Di Tempat Kerja, pasal 1 ayat 9 berbunyi: Indeks suhu Basah dan Bola (Wet Bulb Globe Temperature Index) disingkat ISBB adalah parameter untuk menilai tingkat iklim kerja yang merupakan hasil perhitungan antara suhu udara kering, suhu basah alami dan suhu bola.

PENGUKURAN PANAS DI LINGKUNGANSuhu Basah Alami (Natural Wet Bulb Temperature):Suhu penguapan air yang pada suhu yang sama menyebabkan terjadinya keseimbangan uap air di udara, suhu ini diukur dengan termometer basah alami dan suhu tersebut lebih rendah dari suhu keringSuhu Kering (Dry Bulb Temperature) Suhu udara yang diukur dengan termometer suhu keringSuhu Bola (Globe Temperature) Suhu yang diukur dengan menggunakan termometer suhu bola yang sensornya dimasukkan dalam bola tembaga yang dicat hitam, sebagai indikator tingkat radiasiIndeks Suhu Basah dan Bola (Wet Bulb Globe Temperature Index) Parameter untuk menilai tingkat iklim kerja yang merupakan hasil perhitungan antara suhu kering, suhu basah alami dan suhu bola

PENGUKURAN PANAS DI LINGKUNGANUntuk mengetahui IKLIM KERJAdi suatu tempat kerja, maka dilakukan pengukuran besarnya tekanan panas (heat strees). Salah satu caranya mengukur indeks suhu basah dan Bola (ISBB). Pengukuran dilakukan pada tempat tenaga kerja melakukan pekerjaan kurang lebih satu meter dari lokasi pekerja.Untuk pekerjaan diluar gedung/terbuka:ISBB = 0, 7 x suhu basah + 0, 2 x suhu radiasi + 0, 1 suhu kering

Untuk pekerjaan di dalam gedung:ISBB = 0, 7 x suhu basah + 0, 3 x suhu radiasiHasil pengujian kemudian dibandingkan dengan standar. Standar iklim kerja di Indonesia ditetapkan berdasarkan SuratKeputusan Menteri Tenaga Kerjanomor: Kep-51/MEN/1999

SELESAI