MAKALAH
FISIKA ATMOSFER
Dosen Pembimbing :
Bpk.
Muhammad Fadli
Di Susun oleh :
Arrizal Rahman Fatoni ( 13.11.2464)
Ayu
Zulfiani (
13.11.2465)
Tulus
Gabe Cahyo Sianturi ( 13.11.2494)
Yudhit
Adiyatma ( 13.11.2495)
KELAS
METEOROLOGI 3E
AKADEMI
METEOROLOGI DAN GEOFISIKA
TAHUN
AKADEMIK 2011/2012
KATA
PENGANTAR
Puji syukur kami
ucapkan atas kehadirat Allah SWT, karena dengan rahmat dan karunia-Nya kami
masih diberi kesempatan untuk bekerja bersama untuk menyelesaikan makalah ini.
Dimana makalah ini merupakan salah satu dari tugas mata kuliah fisika atmosfer, yaitu mengenai radiasi matahari dan benda hitam.
Kami ucapkan
terimakasih kepada dosen pembimbing bapak Muhammad Fadli dan teman-teman yang telah memberikan
dukungan dalam menyelesaikan makalah ini.
Tentunya dalam
penulisan dan penyusunan makalah ini tidak luput dari kesalahan dan kekurangan,
untuk itu kritik dan saran sangat kami harapkan demi perbaikan atas segala
kekurangannya. Semoga makalah
ini dapat bermanfaat bagi penulis dan pembaca.
Tangerang,
Desember 2012
Penyusun
BAB
I
PENDAHULUAN
A. Latar
Belakang
Bila berbicara mengenai Radiasi
Matahari, terdapat satu bagian didalamnya yang disebut Cahaya Tampak. Berbicara
mengenai pengukuran,
pengukuran radiasi matahari dengan cahaya tampak (penerangan) satu dengan lain
saling membatasi diri (terpisah) meskipun bersumber sama. Ini disebabkan daerah panjang gelobang yang diamati berbeda.
Radiasi Matahari adalah pancaran
energi yang berasal dari proses thermonuklir yang terjadi di matahari. Energi
radiasi matahari berbentuk sinar dan gelombang elektromagnetik. Spektrum
radiasi matahari sendiri terdiri dari dua yaitu, sinar bergelombang pendek dan
sinar bergelombang panjang. Sinar yang termasuk gelombang pendek adalah sinar
x, sinar gamma, sinar ultra violet, sedangkan sinar gelombang panjang adalah
sinar infra merah.
Jumlah total radiasi yang diterima
di permukaan bumi tergantung 4 (empat) faktor. Jarak matahari, Intensitas radiasi matahari, yaitu besar kecilnya
sudut datang sinar matahari pada permukaan bumi. Jumlah yang diterima
berbanding lurus dengan sudut besarnya sudut datang. Sinar dengan sudut datang
yang miring kurang memberikan energi pada permukaan bumi disebabkan karena energinya
tersebar pada permukaan yang luas dan juga karena sinar tersebut harus menempuh
lapisan atmosphir yang lebih jauh ketimbang jika sinar dengan sudut datang yang
tegak lurus, Panjang hari (sun duration),
yaitu jarak dan lamanya antara matahari terbit dan matahari terbenam, Pengaruh atmosfer. Sinar yang melalui
atmosfer sebagian akan diadsorbsi oleh gas-gas, debu dan uap air, dipantulkan
kembali, dipancarkan dan sisanya diteruskan ke permukaan bumi.
Radiasi matahari merupakan salah
satu komponen iklim yang cukup berpengaruh dalam menentukan pertumbuhan tanaman
ataupun keseluruhan aktivitas mahluk
hidup yang ada diatas permukaan bumi. Radiasi matahari membantu tanaman untuk
melakukan fotosintesis. Adapun radiasi yang digunakan untuk proses fotosintesis
dikenal dengan sebutan PAR (Photosynthetic Acid Radiation).
Cahaya matahari membantu tanaman
untuk melakukan fotosintesis. Yang mana fotosintesis adalah suatu proses
pembentukan energi oleh tanaman tersebut. Besar kecilnya radiasi matahari
sangat berpengaruh pada pertumbuhan tanaman. Hal ini dikarenakan proses
fotosintesis merupakn proses pembentukan makanan yang dapat digunakan untuk
menunjang pertumbuhan dan juga perkembangan tanaman.
Sebagian
besar energi yang mencapai bumi berasal dari radiasi matahari sebagian spektrum
ultraviolet, tampak sampai inframerah. Radiasi mataharai merupakan sumber energi
yang mempengaruhi gerak atmosfer, berbagai proses di dalam atmosfer, dan
lapisan permukaan bumi. Distribusi radiasi elektron magnetik yang diemisikan
oleh matahari mendekati radiasi benda hitam untuk temperatur 6000 kelvin.
Sekitar 99,9% energi panas yang
diperlukan untuk proses – proses yang terjadi di dalam sistem bumi - atmosfer
berasal dari matahari. Setiap menit matahari meradiasikan energi sekitar 56x1026
kal.
Beberapa hukum radiasi didasarkan
pada konsep benda hitam, yaitu sebuah benda hipotesis atau sebuah massa
material dengan temperatur dan komposisi seragam. Konsep benda hitam dapat
berupa lapisan atmosfer atau lapisan permuakaan sebuah massa material padat
seperti permukaan bumi. Karakteristik lain dari benda hitam adalah bahwa semua
radiasi yang jatuh pada benda hitam diserap dan bahwa terjadi emisi semaksimum
mungkin dalam semua panjang gelombang dan segala arah.
BAB II
ISI
A.
RADIASI MATAHARI
Kamus Besar Bahasa Indonesia Edisi Kedua menyatakan
bahwa radiasi adalah pemancaran dan perambatan gelombang yang membawa tenaga
melalui ruang atau antara, misal pemancaran dan perambatan gelombang
elektromagnetik, gelombang bunyi; gelombang lenting; penyinaran.
Radiasi matahari merupakan unsur iklim/cuaca utama yang akan
mempengaruhi keadaan unsur iklim/cuaca lainnya. Perbedaan penerimaan radiasi
surya antar tempat di permukaan bumi akan menciptakan pola angin yang
selanjutnya akan berpengaruh terhadap kondisi curah hujan, suhu udara,
kelembaban nisbi udara, dan lain-lain.
Pengendali iklim suatu wilayah
berbeda dari pengendali iklim di bumi secara menyeluruh. Pengendali iklim bumi
yang dikenal sebagai komponen iklim terdiri dari lingkungan atmosfer,
hidrosfer, litester, kriosfer, dan biosfer. Dalam hal ini akan terjadi hubungan
interaksi dua arah di antara ke lima jenis lingkungan tersebut dengan unsur
iklim/cuaca. Kondisi iklim/cuaca akan mempengaruhi proses-proses fisika, kimia,
biologi, ekofisiologi, dan kesesuaian ekologi dari komponen lingkungan yang
ada.
Intensitas radiasi matahari yaitu besar
kecilnya sudut datang sinar matahari pada permukaan bumi. Jumlah yang diterima
berbanding lurus dengan sudut besarnya sudut datang. Sinar dengan sudut datang
yang miring kurang memberikan energi pada permukaan bumi disebabkan karena
energinya tersebar pada permukaan yang luas dan juga karena sinar tersebut
harus menempuh lapisan atmosphir yang lebih jauh ketimbang jika sinar dengan
sudut datang yang tegak lurus.
a.
MEKANISME
DAN KLASIFIKASI RADIASI
Kita percaya
bahwa Matahari adalah sumber energi yang memanasi permukaan Bumi. Tetapi
bagaimana energi ini dikirim dari Matahari ke Bumi?
Energi
matahari melakukan jalannya ke Bumi dengan mekanisme pemindahan energi yang
dinamakan radiasi. Energi yang dipindahkan dengan radiasi berjalan keluar dari
sumbernya dalam segala arah. Matahari memancarkan cahaya dan panas maupun
cahaya UV yang menyebabkan warna kuning coklat karena terbakar panas sinar
matahari. Cahaya, panas dan cahaya UV adalah hanya bagian dari deretan besar
energi yang dinamakan radiasi elektromagnetik, atau radiasi.
Tidak
sepenuhnya, transmisi radiasi
elektromagnetik serupa dengan gelombang laut. Seperti gelombang laut, gelombang
elektromagnetik datang dalam berbagai ukuran. Spektrum elektromagnetik dibagi
berdasarkan panjang gelombang. Sinar Gamma
mempunyai panjang gelombang terpendek – kurang dari sepermilyar centimeter, dan
gelombang radio adalah yang terpanjang, dengan panjang gelombang dapat mencapai
kilometer. Cahaya tampak, seperti namanya, adalah hanya bagian dari spektrum
yang dapat kita lihat.
Cahaya tampak kenyataannya terdiri dari campuran
warna, masing-masing berhubungan dengan panjang gelombang yang berbeda. Hal ini
dapat didemonstrasikan dengan melewatkan cahaya matahari melalui prisma. Setiap
panjang gelombang cahaya dibelokan secara berbeda menghasilkan susunan warna
yang kita kenal dengan bianglala. Violet mempunai panjang gelombang terpendek
dan merah
mempunyai panjang gelombang terpanjang.
Cahaya yang mempunyai panjang gelombang yang lebih
panjang dari cahaya merah adalah
radiasi infrared. Radiasi infrared tidak tampak, tetapi kita merasakannya
sebagai panas. Panjang gelombang tak tampak yang paling dekat dengan violet
dinamakan ultraviolet,dimana cahaya ini dapat
menjadi penyebab luka
bakar di kulit karena panas sinar matahari.
Walaupun radiasi elektromagnetik dibagi menjadi beberapa klasifikasi, seluruh bentuk pada dasarnya
adalah sama. Ketika setiap bentuk radiasi diserap oleh suatu obyek, hasilnya
adalah kenaikan suhu. Seluruh panjang gelombang berpindah menembus angkasa pada
kecepatan 300,000 km (186,000 mil) per detik (kecepatan cahaya). Untuk memahami
bagaimana atmosfer dipanasi, perlu mempelajari beberapa hukum dasar yang
menguasai radiasi. Salah satu hukum dasar yang menguasai radiasi
menegaskan bahwa: semua obyek, pada suhu berapa saja, mengemisikan energi radiant.
Tidak saja obyek panas seperti Matahari, tetapi juga benda dingin seperti es,
mengemisikan energi. Hukum dasar ke dua menegaskan bahwa: makin panas benda yang
meradiasikan, makin pendek panjang gelombang dari emisi maksimum.
Hukum dasar yang lain yang berkaitan dengan radiasi
menegaskan bahwa: obyek yang merupakan absorber radiasi yang baik, seperti
permukaan Bumi, juga merupakan emiter yang baik. Permukaan Bumi dan Matahari
menyerap dan meradiasikan dengan efisiensi hampir 100% untuk masing-masing suhunya. Sedangkan, gas-gas adalah absorber dan radiator yang selektif. Dan Atmosfer
adalah campuran dari gas-gas. Dengan
demikian gas-gas yang
membentuk atmosfer adalah absorber dan emitter yang baik dari beberapa panjang
gelombang tetapi tidak menyerap atau mengemisikan panjang gelombang yang
lain. Beberapa gas adalah absorber dan emitter yang baik dari radiasi gelombang
panjang. Pengalaman menceritakan bahwa atmosfer adalah transparan terhadap cahaya tampak karena cahaya tersebut dengan segera mencapai permukaan Bumi.
Sebaliknya, gas-gas yang
membentuk atmosfer kita mampu menyerap dan mengemisikan banyak radiasi yang
lebih panjang yang diemisikan oleh Bumi.
Efek
Atmosfer terhadap radiasi matahari
memiliki rincian sebagai berikut :
2% dipantulkan oleh permukaan bumi
6% dipantulkan oleh hamburan atmosfer
27% dipantulkan oleh awan
14%
radiasi matahari yang
diterima akan diserap oleh atmosfer ( uap air, awan, debu, gas – gas permanen )
51
%
sisanya diserap oleh permukaan bumi yang
digunakan untuk memanasi atmosfer.
Rinciannya
sebagai berikut
34 % radiasi langsung diserap oleh bumi
17
radiasi difusi
b.
RADIASI MATAHARI YANG DATANG
Radiasi matahari tidak semuanya
dapat sampai ke permukaan bumi (
43%) karena pada saat memasuki atmosfer bumi
terhalang oleh beberapa proses ayaitu
43%) karena pada saat memasuki atmosfer bumi
terhalang oleh beberapa proses ayaitu
1. Proses
penyerapan ( absorbtion)
2. Proses
pemantulan (reflection)
3. Proses
pemancaran (scattering)
1. Absorbsi
Sebagian
besar radiasi matahari diserap oleh awan dan aerosol.
2. Reflection
Sebagian energi matahari dipantulkan kembali ke ruang
angkasa. Dia meninggalkan dalam
panjang gelombang pendek yang sama ketika dia datang ke Bumi.
3.
Scattering
Scaterring adalah proses dimana gas-gas dan partikel yang sangat kecil di atmosfer
membelokkan eneergi matahari. Ketika berkas cahaya dibaurkan, dia menghasilkan
banyak cahaya yang lebih lemah. Beberapa energi dikembalikan ke ruang angkasa.
Scattering menjelaskan bagaimana cahaya mencapai daerah bayangan atau kamar
dimana cahaya matahari langsung tidak ada.
c.
ALBEDO
Pada rata-ratanya, sekitar 30% dari energi matahari yang dihalangi
Bumi dipantulkan dan dibaurkan kembali ke angkasa. Persentase total radiasi
yang dipantulkan oleh permukaan dinamakan ALBEDO.
Albedo permukaan daratan dan
permukaan laut umumnya rendah (satu pengecualian adalah permukaan yang tertutup es dan salju). Sebaliknya albedo awan
umumnya tinggi.
Dengan Mudah dapat membedakan awan
dari permukaan Bumi dalam citra tersebut. Permukaan daratan dan air nampak gelap (albedo rendah), akan tetapi awan
nampak putih (albedo tinggi).
Sebagian energi matahari diserap
secara langsung oleh atmosfer dan awan. Seperti yang anda lihat, persentasenya
relatif kecil. Presentase dari energi matahari datang yang benar2 paling besar
menembus atmosfer dan diserap pada permukaan Bumi. Dengan demikian atmosfer
tidak menerima jumlah yang besar dari energinya secara langsung dari Matahari.
Seperti yang akan kita lihat, dia dipanasi terutama oleh energi yang
pertama-tama diserap oleh permukaan Bumi dan kemudian diemisikan oleh permukaan
ke langit. Persentase yang ditunjukkan digambar adalah rata-rata global. Jumlah
aktual dapat bervariasi karena beberapa faktor yang dapat menyebabkan albedo
bervariasi.
Istilah
Tambahan :
Disrect
radiation
Radiasi mataharai yang
dapat langsung mencapai permukaan bumi.
Sky
radiation
Radiasi matahari yang
mencapai permukaan bumi secara tidak langsung
Global
radiation
Jumlah radiasi matahari
yang langsung ( direction radiation) dan radiasi tidak langsung (sky radiation)
yang sampai ke prmukaan bumi.
Refraction
Refraksi (pembiasan)
dalam optic geometris didefinisikan sebagai perubahan arah rambat partikel
cahaya akibat terjadinya percepatan
d.
PENYEBAB ALBEDO BERVARIASI
Sudut berkas cahaya Matahari mempengaruhi persentase
cahaya yang dipantulkan. Makin kecil sudut Matahari, makin panjang lintasan
menembus atmosfer. Lintasan yang lebih panjang menembus atmosfer meningkatkan
jumlah scaterring dan pemantulan.
Ketika albedo meningkat, ada sedikit energi matahari
tersedia untuk memanasi Bumi dan atmosfernya. Bila albedo mengecil, lebih energi yang tersedia.
Faktor yang Menyebabkan Variasi
dalam Albedo:
ü Tutupan awan
ü Sifat dasar
permukaan
ü
Sudut Matahari
e. PENGARUH
WARNA PADA ALBEDO
Tinjau kembali bahwa persentase total radiasi yang
dipantulkan oleh permukaan disebut albedo permukaan tersebut. Albedo dari satu
tempat ke tempat dan dari waktu ke waktu dapat sangat bervariasi. Permukaan
yang berbeda memantulkan dan menyerap cahaya dengan beda pula. Ingat bahwa
atmosfer dipanasi ketika radiasi gelombang panjang dari Bumi diserap oleh
atmosfer. Permukaan dengan albedo tinggi adalah bukan penyerap radiasi matahari
yang efisien. Melainkan, permukaan semacam itu memantulkan persentase yang
tinggi dari panjang gelombang pendek Matahari kembali ke angkasa.
Karena radiasi matahari gelombang pendek yang
dipantulkan oleh permukaan Bumi tidak diserap oleh atmosfer, suhu atmosfer di
atas permukaan dengan albedo tinggi lebih dingin daripada jika albedonya lebih
rendah.
Untuk memahami pengaruh warna pada albedo, mari kita
melakukan percobaan
Dari
percobaan diketahui bahwa obyek warna gelap menyerap persentase cahaya lebih
besar daripada warna cerah. Obyek warna cerah mempunyai albedo lebih besar dari
pada obyek warna gelap. Jika anda tinggal di wilayah dengan winter yang panjang
dan dingin, atap berwarna gelap akan menjadi pilihan terbaik. Dengan jumlah
radiasi yang sama mencapai permukaan, udara di atas permukaan yang tertutup
salju akan menjadi lebih dingin daripada udara di atas permukaan yang berwarna
gelap.
f.
PEMANFAATAN
RADIASI MATAHARI
Diantara sekian banyak manfaat
energi panas radiasi matahari diantaranya: pengeringan, penguapan dan
penghematan energi pada bangunan.
Pengeringan. Pengeringan hasil pertanian dan perikanan dengan
radiasi matahari telah dikenal sejak lama dalam kehidupan sehari-hari. Bila
diketahui ketersediaan energi radiasi (jumlah dan lama) maka dapat diperkirakan
lama pengeringan dan ketebalan optimal sesuatu bahan, bila tak mencukupi
digunakan energi kovensional, jangan terbalik. Penetapan penggunaan pengeringan
dari radiasi matahari, menghemat pemakaian energi konfensional (listrik atau
BBM), istilah sekarang disebut hemat (efisiensi). Bila pengeringan menggunakan
plat penadah energi matahari, maka untuk mendapatkan energi panas yang optimal
pada plat penadah tersebut, permukaannya dimiringkan.
Penguapan. Penguapan akibat dari radiasi matahari adalah pada
pembuatan garam. Bila diketahui ketersediaan radiasi (jumlah dan lama) dapat
ditentukan kedalaman air yang optimal pada kolam garam sehingga diperoleh
penguapan yang optimal. Pada kolam ikan, ketersediaan radiasi menghangatkan air
dan mengakibatkan penuapan. Aliran masukan air dan kehangatan air pada
kedalaman tertentu akan menghasilkan produksi kolam optimal. Pada pengairan
pertanian, bila diketahui ketersediaan radiasi matahari akan diperoleh laju
penguapan dan kebutuhan air untuk kedalaman tertentu. Perhitungan kedalaman
air, menghasilkan pembagian air merata, jangan terjadi air disuatu tempat
melebih kedalaman tertentu ditempat lain kekeringan. Hasil perhitungan ini akan
diperoleh sistem pengairan yang optimal. Pada bendungan, laju penguapan air
akibat radiasi matahari diperlukan dalam menentukan persediaan dan distribusi air
dimusim kemarau. Dan lain-lain.
Bahan. Penetapan jenis, luas bahan, ketebalan untuk
keperluan tertentu yang optimal berdasarkan ketersediaan radiasi matahari
(panas). Perhitungan ini akan terjadi efisiensi penggunaan bahan.
Bangunan. Ketersediaan radiasi matahari pada bidang tegak
lurus dan miring, untuk keperluan konservasi energi (tataudara (AC) dan
tatacahaya) dalam bangunan. Berikut terjadi penghematan energi listrik.
Energi Listrik. Energi matahari dapat pula diubah
menjadi energi listrik, menggunakan sel surya (solar cell). Ketersediaan radiasi matahari dapat digunakan untuk memperkirakan luas
dan kemiringan yang optimal panel cel surya untuk
mengasilkan energi listrik. Panel cel surya sangat bermanfaat untuk daerah
terpencil. berarti menghemat BBM. Persoalan sekarang, adakah sel surya buatan
para pakar Indonesia. Bila ada meskipun efisiensi panel sel surya rendah tidak
masalah, kerena dibuat sendiri. Bila dibuat sendiri, dapat dikembangkan
sehingga diperoleh efisiensi yang lebih baik setiap waktu.
Perkiraan radiasi matahari
dipermukaan bumi untuk diubah kebentuk energi lain, dapat digunakan model
matematis (sederhana).
B.
RADIASI BENDA HITAM
Dalam fisika, benda hitam (black body) adalah obyek yang menyerap seluruh radiasi yang
jatuh kepadanya. Tidak ada radiasi yang dapat
keluar atau di pantulkannya. Namun demikian, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam haruslah juga memancarkan seluruh panjang gelombang energy yang
mungkin, karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur.
Meskipun
namanya benda hitam, dia tidaklah harus benar-benar hitam karena dia juga memancarkan energi.
Jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya bergantung pada
suhu benda hitam tersebut. Benda hitam dengan suhu di bawah sekitar 700 kelvin hampir semua energinya dipancarkan dalam bentuk gelombang inframerah, sangat sedikit dalam panjang gelombang tampak. Semakin tinggi temperatur, semakin banyak
energi yang dipancarkan dalam panjang gelombang tampak dimulai dari merah, jingga, kuning dan putih.
Istilah
"Benda Hitam" pertama kali
diperkenalkan oleh Gustav
Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Cahaya yang
dipancarkan oleh benda hitam disebut radiasi
benda hitam.
Jika
kita memperhatikan besi saat disambung (dilas). Bagian besi yang akan disambung
harus dipanaskan terlebih dahulu. Saat dipanaskan, besi tampak kemerahan.
Kemudian jika terus dipanaskan akan tampak warna cahaya yang dipancarkan oleh
besi menjadi kebiruan. Mengapa demikian? besi yang dipanaskan memancarkan
energi atau gelombang elektromagnetik yang dapat berupa cahaya tampak. Pancaran
energi suatu benda karena pengaruh suhunya disebut radiasi termal. Radiasi
termal selalu ada pada setiap benda, akan tetapi tidak semua radiasi termal
tersebut dapat dilihat oleh mata.
Benda
ada yang mudah menyerap radiasi, ada
pula yang mudah memancarkan radiasi dan sebaliknya. Benda yang dapat menyerap
seluruh radiasi yang diterimanya dan memancarkan seluruh radiasi yang
dikeluarkannya disebut sebagai benda hitam. Benda hitam dimodelkan sebagai
suatu rongga dengan celah bukaan yang sangat kecil. Jika ada radiasi yang masuk
ke dalam rongga melalui lubang, radiasi tersebut akan dipantulkan
berulang-ulang oleh dinding dalam rongga sehingga terserap habis energinya. Tidak ada radiasi
yang terpantul memancarkan keluar lubang karena lubang sangat kecil-kecil. Jadi,
rongga berlubang kecil ini berkelakuan sebagai benda hitam karena dapat
menyerap seluruh radiasi yang diterimanya. Demikian pula jika rongga ini
memancarkan radiasi, tak ada radiasi yang kembali ke rongga. Dengan demikian, rongga juga
akan memancarkan seluruh energi yang dikeluarkannya.
a.
Hukum Stefan-Boltzmann
Energi
radiasi setiap detik per satuan luas disebut sebagai intensitas radiasi yang
diberi lambang I. Kemampuan sebuah benda untuk
menyerap radiasi kalor berkaitan dengan kemampuannya untuk memancarkan radiasi.
Benda hitam merupakan penyerap dan pemancar radiasi terbaik. Energi persatuan
luas dan persatuan waktu atau intensitas radiasi total yang dipancarkan oleh
benda hitam dari seluruh spektrum energi yang dipancarkan dapat dinyatakan
dengan hukum Stefan-Boltzmann, yang dituliskan sebagai berikut.
Besarnya fluks radiasi yang dipancarkan
suatu benda setara dengan pangkat empat suhu mutlak tersebut
R = 
T4
T4
Keterangan
:
R
= Fluks radiasi ( 
)
)
=
Emisifitas ( 0 – 1) 
=
Ketetapan Boltzman ( 5,67x10-8k4)
T = Suhu mutlak
Tetapan Stefan-Boltzmann besarnya 5,67 x 10-8 Wm-2K-4
dan T adalah suhu mutlak benda dalam satuan kelvin
(K). Dari persamaan diatas dapat
ditentukan satuan intensitas radiasi (I) adalah watt meter-2(Wm-2). e adalah koefisien emisivitas yang memiliki nilai antara 0 dan 1. Untuk
benda hitam sempurna, e = 1. Adapun Nilai emisivitas (e) berbeda-beda untuk
tiap jenis dan keadaan permukaan bahan..
b.
Pergeseran Wien
Dengan
meninjau kembali sebuah lubang pada kotak berongga yang diasumsikan sebagai
benda hitam. Jika kotak dipanaskan, atom-atom pada dinding kotak akan menyerap
energi panas dan bergetar. Atom-atom yang bergetar ini akan berlaku sebagai
osilator harmonik yang menimbulkan gelombang elektromagnetik. Setiap gelombang
yang ditimbulkan oleh osilator akan dipantulkan bolak-balik oleh dinding kotak
dan membentuk gelombang berdiri. Kejadian ini hampir sama dengan proses
terbentuknya gelombang berdiri pada tali yang digetarkan.Suatu gelombang
elektromagnetik terdiri atas spektrum gelombang-gelombang dengan panjang
gelombang yang berbeda-beda. Para fisikawan meneliti intensitas radiasi untuk
panjang gelombang tertentu. Alat yang digunakan dalam percobaan tersebut
didasarkan pada prinsip penguraian cahaya (dispersi) oleh prisma menjadi
spektrumnya.
Radiasi
yang dipancarkan benda hitam dilewatkan melalui celah agar diperoleh berkas
gelombang yang sempit. Gelombang tersebut kemudian terdispersi menurut panjang
gelombang masing-masing. Untuk mengukur intensitas dan panjang gelombang setiap spektrum, digunakan
detektor yang dapat digeser menurut sudut deviasi berkas gelombang terdispersi.
Percobaan tersebut dilakukan berulang pada suhu benda hitam yang berbeda. Dari percobaan
yang dilakukan pada beberapa suhu yang berbeda tersebut maka didapat bahwa
intensitas radiasi yang dipancarkan benda hitam pada suhu tertentu ditunjukkan
oleh grafik yang selalu berbentuk garis lengkung. Intensitas radiasi maksimun
terjadi pada panjang gelombang tertentu. Dan luas daerah yang dibatasi oleh
garis lengkung dan sumbu panjang gelombang menunjukkan intensitas radiasi total I maks dan suhu
mutlak merupakan suatu bilangan konstan. lmaks pada radiasi benda hitam disebut
Pergeseran Wien. Wien juga menemukan bahwa hasil kali antara intensitas pada lmaks semakin bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek.
Gejala pergeseran intensitas cahaya lmaks akan
mengalami pergeseran. Semakin tinggi suhu, intensitas lmaks. Terlihat pula pada grafik bahwa jika suhu berubah, lDari grafik hasil percobaan menunjukkan bahwa jika suhu dinaikkan,
intensitas radiasi akan meningkat dan dalam setiap nilai suhu ada panjang
gelombang yang memiliki nilai maksimum, yakni
Maks . T =
CMaks = 
Dimana
Maks = Panjang gelombang emisi maksimum
T
= Temperatur mutlak ( K )
C = Konstanta Wien
c.
Perumusan Rayleigh dan
Jeans
Kurva
yang didapatkan dari percobaan sebelumnya merupakan hasil yang empiris, yakni
diperoleh dan disimpulkan sebagai hasil pengamatan atau percobaan. Pada masa
itu para ilmuwan mencoba mencari penjelasan atas kenyataan empiris tersebut.
Pada masa tersebut pula dua ilmuwan, yakni Lord Rayleigh (1842-1919) dan Sir
James Hopward Jeans (1877-1946) mencoba menggunakan teori kinetik gas dalam
fisika klasik untuk mengolah hasil empiris tersebut.Menurut fisika klasik
mengenai ekuipartisi energi, energi rata-rata setiap derajat kebebasan pada
suhu T adalah ½ kT. Maka energi total untuk setiap getaran gelombang menjadi
kT, dengan k adalah tetapan Stefan-Boltzmann.Meskipun mustahil untuk dapat
menghitung besarnya kecepatan setiap partikel gas dalam suatu ruang, teori
maxwell dapat mengaitkan kecepatan setiap partikel tersebut terhadap banyaknya
partikel di dalam suatu kotak dan dijabarkan melalui kurva distribusi Maxwell.
Disini Rayleigh-Jeans melihat bahwa kurva yang dijabarkan oleh maxwell serupa
dengan hasil yang diperoleh pada intensitas spektrum radiasi kalor, karena sebaran
energi kinetik diwakili oleh sebaran kecepatan karena energi kinetik dapat
dinyatakan dalam kecepatan. Oleh karena itu mereka beranggapan bahwa ada
kemiripan antara sifat panas benda dan radiasi kalor. yang besar. Akan tetapi
hasil matematis yang didapatkan mereka untuk l mendekati
tak hingga maka intensitas akan mendekati nol. Hal ini sesuai dengan hasil
empiris untuk l yang membesar, intensitas akan semakin
kecil dan jika lBerdasarkan prinsip ekuipartisi energi,
persaman matematis yang didapatkan oleh Rayleigh dan Jeans menunjukkan bahwa
untuk yang kecil berada dalam wilayah
panjang gelombang ultraviolet. l mengecil.
Penyimpangan persamaan Rayleigh-Jeans yang sangat jauh ini selanjutnya diberi
istilah katastropi ultraviolet karena l mendekati
nol. Hal ini sangat menyimpang dari hasil empiris yang menunjukkan bahwa
intensitas akan mendekati nol jika l yang
mengecil, intensitas akan membesar. Bahkan intensitas akan menuju tak hingga
jika lHal tersebut disebabkan mereka beranggapan bahwa energi yang dimiliki
oleh setiap spektrum gelombang bersifat kotinu. Artinya, energi gelombang dapat
memiliki sembarang nilai dalam batas yang ditentukan. Sehingga didapatkan nilai
energi yang mungkin dengan jumlah yang tak terhingga. Dan anggapan tersebut
menghasilkan suatu fungsi yang mengakibatkan ketidaksesuaian dengan hasil
eksperimen pada panjang gelombang pendek.
d.
Teori Max Planck
Kegagalan
teori Rayleigh-Jeans mendorong seorang fisikawan jerman Max Planck (1858-1947)
untuk mencoba melakukan pendekatan lain.Planck menyadari pentingnya untuk
memasukkan konsep energi maksimum dalam perhitungan teoritis radiasi benda
hitam. Menurut Planck, energi yang diserap atau yang dipancarkan oleh
getaran-getaran yang timbul di dalam rongga benda hitam merupakan paket-paket
atau kuanta. Besarnya energi setiap paket merupakan kelipatan bilangan asli
dari hf dengan h adalah tetapan Planck yang besarnya 6,63 x 10-34 Js
dan f adalah frekuensi paket energi. Secara matematis, perumusan Planck dapat
dituliskan menjadi :
E =
nhf (dengan n adalah
kelipatan bilangan asli).
Dimana f dapat dijabarkan lagi sebagai : c/λ (c :
kecepatan cahaya, λ : panjang gelombang). Sehingga dapat di dapat
rumus :
E = hc/λ
Planck
membuat aturan bahwa energi setiap modus getar tidak boleh lebih dari energi
rata-rata yang dimiliki radiasi (kT). Akan tetapi, karena energi yang mungkin
dimilki oleh modus getar nhf, berarti semakin tinggi frekuensi, semakin kecil
kemungkinan untuk tidak melebihi kT.
Hubungan
kuantum Planck menunjukkan bahwa ekuipartisi energi dan setiap jenis getaran
memiliki energi total yang berbeda-beda. Menurut Planck, teori klasik gagal
menjelaskan radiasi benda hitam pada panjang gelombang pendek karena pada
daerah itu kuanta energinya
sangat besar sehingga hanya sedikit jenis getaran yang tereksitasi.
Berkurangnya jenis getaran yang tereksitasi mengakibatkan getaran tertekan dan
radiasi akan menurun menuju nol pada frekuensi yang tinggi. Oleh karena itu
rumus Planck dapat terhindar dari catastropi ultraviolet.
Persamaan
yang menujukkan besarnya energi per satuan luas yang dipancarkan oleh suatu
benda hitam yang terdistribusi diantara berbagai panjangnya telah diturunkan
oleh Max Planck pada 1900 dengan menggunakan teori kuantum, yaitu sebagai
berikut,
E=(2πc2 h)/λ2 [1/(e^(hc/λkT)1)
adalah panjang gelombang cahaya dan T adalah suhu mutlak permukaan benda
hitam. Konstanta k dan h dihitung berdasarkan data eksperimen, yakni klPada persamaan tersebut, c adalah kecepatan rambat cahaya, k = 1,38
x 10-23 JK-1¬ (disebut konstanta Boltzmann) h = 6,63 x 10-34 Js (disebut
konstanta Planck)maks T = 2,898 x 10-3¬¬ mK.lmaks) dan suhu mutlak (T) suatu benda hitam telah diturunkan oleh Wien
yang disebut sebagai hukum pergeseran wien, yakni lHubungan antara panjang gelombang energi maksimum (Menurut Planck,
atom-atom pada dinding rongga benda hitam memiliki sifat seperti osilator
harmonik. Energi yang dimiliki oleh osilator-osilator harmonik tersebut hanya
pada nilai-nilai f tertentu. Nilai-nilai tersebut merupakan kelipatan bilangan
asli dari hf, yakni hf, 2hf, 3hf, dan seterusnya. Osilator harmonik tersebut
tidak boleh memiliki energi selain harga-harga tersebut. Oleh Planck energi
osilator itu dikatakan terkuantisasi.
e.
Aplikasi Radiasi Benda
Hitam Pada Gejala Pemanasan Global Efek Rumah Kaca
Salah
satu penyebab dari pemanasan global adalah peningkatan gas rumah kaca
(greenhouse effect). Efek rumah kaca telah meningkatkan suhu bumi rata-rata 1
hingga 5 derajat Celcius.Analogi sederhana untuk menggambarkan efek rumah kaca adalah
ketika kita memarkir mobil di tempat parkir terbuka pada siang hari. Ketika kita
kembali ke mobil di sore hari, biasanya suhu di dalam mobil lebih panas di bandingkan suhu
di luar. Karena sebagian energi panas dari matahari telah di serap oleh kursi,
dashboard dan karpet mobil. Ketika benda-benda tersebut melepaskan energi panas
tersebut, tidak semuanya dapat keluar melalui jendela tetapi sebagian di
pantulkan kembali.Penyebabnya adalah perbedaan panjang gelombang sinar matahari
yang memasuki mobil dan energi panas yang dilepaskan kembali oleh
kursi.Sehingga jumlah energi yang masuk lebih banyak dibandingkan energi yang
dapat keluar. Akibatnya kenaikan bertahap pada suhu di dalam mobil.Seandainya
tidak ada atmosfer, energi sinar matahari yang sampai ke bumi akan mampu
memanaskan bumi hingga mencapai suhu 800C di daerah khatulistiwa. Untungnya,
lapisan atmosfer bumi mampu memantulkan sekitar 34% energi matahari yang menuju
ke bumi sehingga kembali ke angkasa luar. Sekitar 19% diserap oleh awan dan
debu-debu yang terdapat pada lapisan atmosfer dan sekitar 47% energinya
mencapai permukaan bumi. Bumi tidak mendapatkan pemanasan secara merata. Di
dekat khatulistiwa, bumi menyerap radiasi kalor yang lebih besar dibandingkan
di dekat daerah kutub. Berkat pola aliran energi kalor yang diserap. Bumi tidak
menjadi terlampau panas.
Dari
47% energi radiasi matahari yang diserap permukaan bumi, sekitar 23% digunakan
untuk menguapkan air yang terdapat dipermukaan bumi. Sekitar 10% kembali
dialirkan keangkasa dalam bentuk konduksi dan konveksi serta sekitar 14%
dipancarkan dalam bentuk gelombang elektromgnetik ke angkasa.Sinar matahari
yang memasuki permukaan bumi memiliki berbagai macam panjang gelombang. Sinar
tampak berada pada panjang gelombang antara 400-700 nm, sinar inframerah pada
panjang gelombang diatas 700 nm dan sinar ultraviolet pada panjang gelombang
dibawah 400 nm.
Sinar
matahari dengan panjang gelombang pendek, seperti sinar ultraviolet dan sinar
tampak, dengan mudah dapat menembus lapisan atmosfer bumi. Ketika energi
matahari ini memanaskan bumi, sebagian besar energi dipancarkan kembali oleh
bumi ke angkasa sebagai gelombang panjang. Energi yang diserap dipantulkan
kembali dalam bentuk radiasi infra merah oleh awan dan permukaan bumi. Namun
sebagian besar infra merah yang dipancarkan bumi tertahan oleh awan dan gas CO2
dan gas lainnya, untuk dikembalikan ke permukaan bumi. Sebenarnya dalam keadaan
normal, efek rumah kaca diperlukan, untuk mempertahankan panas di bumi. Tanpa
adanya efek rumah kaca sama sekali, mungkin kondisi Bumi akan seperti Mars,
dimana kondisi di sana sangat dingin dan tidak memungkinkan adanya kehidupan.
Akibat
dari ulah manusia menyebabkan naiknya konsentrasi gas karbondioksida (CO2) dan
gas-gas lainnya di atmosfer. Kenaikan konsentrasi gas CO2 ini disebabkan oleh
kenaikan pembakaran bahan bakar minyak (BBM), batu bara dan bahan bakar organik
lainnya yang melampaui kemampuan tumbuhan-tumbuhan dan laut untuk
mengabsorbsinya.
f. Mengukur Suhu Matahari
Pada temperatur yang cukup tinggi, secara alamiah di dalam bintang-bintang
akan terjadi reaksi fusi, yakni inti-inti ringan akan bergabung membentuk inti
yang lebih berat. Melalui serangkaian tahapan reaksi fusi, inti-inti atom
hidrogen bergabung membentuk inti helium. Proses penggabungan itu digunakan
untuk membangkitkan energi di dalam bintang-bintang tersebut.
Energi
yang dihasilkan oleh matahari atau bintang tersebut terdiri atas berbagai
bentuk radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat diketahui melalui frekuensi
atau panjang gelombangnya. Semua gelombang elektromagnetik yang dpancarkan akan
merambat dalam ruang angkasa dengan kecepatan sama, yakni dengan kecepatan
spektrum cahaya Dengan meneliti spektrum sebuah bintang, seorang astronom
akan dapat mengetahui suhu bintang. Tidak mendekat ke matahari atau bintang
dengan berpedoman pada spektrum radiasi benda hitam. Pada siang hari, kita
akan merasa lebih nyaman memakai baju berwarna putih daripada baju berwarna
hitam. Namun, pada malam hari yang dingin kita akan merasa lebih hangat apabila
mengenakan baju berwarna hitam daripada baju berwarna putih. Hal itu
menunjukkan bahwa permukaan yang gelap merupakan penyerap dan pemancar kalor
yang baik dan permukaan yang berwarna putih atau mengkilap merupakan penyerap
dan pemancar kalor yang buruk.
Secara
teoritis, Benda hitam merupakan suatu objek yang memiliki
kemampuan untuk menyerap semua cahaya (berbagai macam panjang gelombang) yang
mengenainya pada berbagai variasi temperatur (lebih besar dari 0o).
Radiasi yang terjadi pada benda hitam tersebut dikenal sebagi radiasi thermal.
g.
Radiasi thermal
adalah
radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda sebagai akibat dari suhunya. Benda
baru bisa terlihat sebagai akibat dari radiasi thermal jika memiliki suhu 1000
K, dimana pada suhu ini benda mulai berpijar merah ( contoh: kumparan pemanas
kompor listrik) ; pada suhu lebih dari 2000 K benda akan berpijar kuning atau
keputih-putihan (contoh: filamen lampu pijar). Demikian seterusnya, jika suhu
ditingkatkan lebih lanjut maka akan menimbulkan pijar warna yang berbeda
pula.Pada akhir 1800an para ahli fisika melakukan pengukuran berbagai
frekuensi intensitas cahaya yang dihasilkan oleh radiasi benda hitam pada
kondisi temperatur tetap (5000 K). Dan dari percobaan tersebut diperoleh data
yang jauh berbeda dari benda hitam yang seharusnya (ideal).
Pada kurva “ideal” ditunjukkan bahwa, ketika temperatur
dinaikkan rapatan energi semakin bertambah pada daerah VIS (cahaya tampak) dan
puncak semakin bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih kecil, hal ini
berarti bahwa radiasi benda hitam bersifat kontinyu. Sedangkan pada hasil
percobaan terlihat, kurva radiasi yang ada tidak menunjukkan adanya pergeseran
panjang gelombang ke arah daerah VIS.
Benda
hitam merupakan benda yang sangat ideal. Emisivitas (daya pancar) yang dimiliki
benda hitam sebesar (e) = 1,0. Untuk tingkatan laboratorium (percobaan), benda
hitam digambarkan sebagai suatu rongga (lubang ) kecil hitam. Dimana prinsip
kerjannya yaitu ketika suatu berkas cahaya memsuki rongga tersebut, berkas
cahaya akan dipantulkun berkali-kali tanpa pernah keluar dari rongga tersebut.
Untuk setiap pemantulan yang terjadi, berkas cahaya tersebut akan diserap oleh
dinding-dinding berwarna hitam jika suhunya lebih lebih rendah dari sekitarnya,
sebaliknya berkas cahaya akan dipancarkan jika suhunya lebih tinggi
dibandingkan sekitarnya. Emisivitas yang dimiliki ± 0,99 karena jika
emisivitasnya lebih rendah dari nilai tersebut, tidak lagi dapat disebut
sebagai benda hitam, melainkan benda
abu-abu.
“Super
black” merupakan contoh benda hitam yang hampir mendekati ideal. Benda ini
dibuat dari campuran nikel dan fosfor. Pada tahun 2009, tim ilmuwan Jepang
berhasil membuat benda hitam yang lebih sempurna lagi dibandingkan dengan Super
black. Benda ini dibuat berdasarkan dinding tunggal dari carbon nanotube (kolom nano karbon).
Pada
tahun 1900an. Max Plank mencetuskan suatu hipotesa yang mampu menjelaskan
mengenai “gejala“ kurva benda hitam hasil percobaan. Hipotesa ini dibuat
berdasarkan 2 hukum yang telah dipublikasikan sebelumnya (usaha teoritis untuk
menjelaskan radiasi benda hitam). Yang pertama, yaitu hukum Pergeseran Wien
yang menyebutkan bahwa data percobaan bernilai tepat hanya pada saat panjang
gelombang rendah (frekuensi tinggi), tetapi tidak pada panjang gelombang besar
(frekuensi rendah). Untuk hukum yang kedua yaitu hukum Rayleig-Jeans, dimana
juga menyebutkan bahwa nilai data percobaan tepat pada kondisipanjang gelombang
besar dan frekuensi rendah.
Menurutnya,
benda hitam hanya mampu memancar atau menyerap radiasi elektromagnetik dalam
ukuran atau paket-paket kecil sebesar , dimana merupakan frekuensi
radiasi dan h merupakan suatu konstanta yang dikenal dengan konstanta Plank
yang bernilai 6,6 x 10-34 J.
s-1 . Besarnya ukuran
atau paket radiasi yang dihasilkan ini dikenal sebagai KUANTUM. Sehingga Plank
menyimpulkan bahwa radiasi benda hitam bersifat diskontinyu. Tentu saja
kesimpulan beliau ini bertentangan dengan semua teori fisika klasik.
Energi
yang dimiliki suatu benda berhubungan dengan amplitudo yang dimilikinya.
Menurut Hukum II Newton mengenai GERAK, energi yang
dimiliki oleh suatu benda sangat bervariasi. Berdasarkan hal tersebut, jika
energi radiasi elektromagnetik yang dimiliki atom dan gelombang elektromagnetik
memiliki nilai yang bervariasi, maka hanya hipotesis Plank lah yang mampu
menjelaskan keberadaan dari kurva radiasi benda hitam.
Hipotesis
Plank ini didukung oleh fenomena efek foto listrik. Efek fotolistrik terjadi
sebagai akibat dari emisi elektron (foto elektron) suatu benda yang sudah
menyerap energi dari radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang rendah
(UV-VIS).
BAB III
KESIMPULAN
Oleh karena radiasi matahari dan
cahaya tampak bersumber sama. Sangat beralasan bahwa bila radiasi matahari
diketahui maka penerangan alami siang hari dapat pula diketahui. Disadari atau
tidak, pemanfatan Radiasi
Matahari sangat luas dalam kebidupan sehari-hari. Bila ditinjau dari
pengelompokan energi, energi radiasi matahari termasuk kepada energi terbarukan
(renewable energy).
2 comments:
Mantap gan, ini lagiii nyari informasi radiasi benda hitam
shanas, ini ngambil dari mana ya sumbernya?
Catat Ulasan