IV. RADIASI MATAHARI

1. IV. RADIASI MATAHARI 1. Karakteristik Matahari Matahari 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.

2. 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 permukaan terluar 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.

3. 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 : • 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. 4.3. Perilaku Radiasi Matahari di Permukaan bumi Dalam perjalanannya ke PB, RM banyak mendapat rintangan-rintangan, diantaranya oleh ATM, PB & vegetasi. Σenergi 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.

5. 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

6. 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 balik atau 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 T4 Dimana : 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) ,

7. 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 besifat seperti 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

12. 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 evaporasi juga berkurang.

13. 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 kuanta sesungguhnya berkisar antara 8-10 photon/mol CO2.

14. 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/ Periodisitas Adalah 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.

15. A. INTENSITAS RM Besar 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, → Σenergi 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.

16. 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 Σenergi 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.

17. Berdasarkan kebutuhan dan adaptasi tanaman terhadap IRM, pada dasarnya tanaman dapat dibagi menjadi 2 kelompok, yaitu : 1. Sciophytes/ shade species/ shade loving Yaitu 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 pada intensitas sekitar 25% dari radiasi penuh, → ke2 tanaman ini membutuhkan naungan untuk pertumbuhan terbaiknya. 2. Heliophytes/ Sun species/ Sun loving Yaitu kelompok tanaman yang tumbuh baik pada IRM penuh, sehingga tidak tahan dengan naungan. Contohnya : padi, jagung, tebu, ubi kayu dan sebagian besar tanaman lainnya.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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).

22. Karakteristik Cahaya Ultra Violet, Cahaya Tampak dan Infra Merah Tabel Respon Fisiologis Tanaman terhadap Cahaya Sumber : Rubatzky dan Yamaguchi (1998)

23. 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 mpy kandungan 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.

24. Pada dasarnya radiasi di alam berdasarkan αnya 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 : • Far infra red (FIR) : λ = > 1,0 → pemanasan dan EV. • 2. Near infra red (NIR) : λ = 0,76 – 1,00 μm, → perkecambahan • → pemanjangan tanaman • 3. Photosynthetic Active Radiation (PAR) : • λ = 0,40 – 0,76 μm, → fotosintesis • → pembentukan pigmen- pigmen • 4. Ultra Violet (UV) : λ = < 0,40 μm, → penghambatanpertumbuhan, • → kerusakan pada sel.