Radiasi
Mekanisme ketiga untuk transfer energi termis adalah radiasi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Laju energi radiasi termis sebanding dengan luas benda dan dengan pangkat empat temperatur absolutnya. Hasil ini ditemukan secara empiris oleh Josef Stefan pada 1879 dan diturunkan secara teoritis oleh Ludwig Boltzman kira-kira lima tahun kemudian sehingga dinamakan hukum Stefan Boltzman.
P = eσATE4 (1)
Dengan P adalah daya yang diradiasikan dalam watt, A adalah luas, e adalah emisivitas benda, dan σ adalah konstanta universal yang dinamakan konstanta Stefan yang nilainya
σ = 5,6703 x 10-8 W/m2.K4 (2)
emisivitas e adalah pecahan yang berkisar dari 0 sampai 1 dan tergantung pada komposisi permukaan benda.
Bila radiasi jatuh pada benda tak tembus cahaya, sebagian radiasi direfleksikan dan sebagian lagi diserap. Benda-benda berwarna terang memantulkan sebagian besar radiasi tampak, sedangkan benda-benda gelap , menyerap sebagian besar dari padanya. Laju penyerapan radiasi yang dilakukan seatu benda dinyatakan dalam:
Pa = eσAT04 (3)
Dengan T0 adalah temperatur sekitarnya.
Jika sebuah benda memancarkan radiasi yang lebih banyak daripada yang diserapnya, maka benda menjadi dingin sementara sekitarnya menyerap radiasi dari benda dan menjadi panas. Jika benda menyerap lebih banyak dari yang dipancarkannya, maka benda akan menjadi panas dan sekitarnya akan menjadi dingin. Bila sebuah benda dalam keadaan kesetimbangan termis dengan sekitarnya, T = T0, dan benda memancarkan serta menyerap radiasi pada laju yang sama. Daya neto yang diradiasi oleh sebuah benda pada temperatur T dalam lingkungan pada temperatur T0 adalah
Pneto = eσA(T4 – T04) (4)
Semua benda yang menyerap semua radiasi yang datang padanya dan mempunyai emisivitas 1 dinamakan benda hitam. Sebuah benda hitam juga merupakan radiator ideal. Konsep benda hitam ideal adalah penting karena ciri radiasi yang dipancarkan oleh benda semacam itu dapat dihitung secara teoritis. Bahan-bahan seperti beludru hitam mendekati sebagai benda hitam ideal. Pendekatan praktis benda hitam ideal yang paling baik adalah lubang hitam kecil yang menuju ke sebuah rongga, seperti lubang kunci pada pintu gudang (lihat gambar). Radiasi yang jatuh pada lubang mempunyai kemungkinan yang kecil untuk dipantulkan kembali keluar dari lubang sebelum ia diserap oleh dinding rongga. Jadi, radiasi yang dipancarkan lewat lubang adalah ciri temperatur benda tersebut.
Radiasi yang dipancarkakan oleh sebuah benda pada temperatur di bawah sekitar 600oC tidak tampak. Kebanyakan daripadanya dipusatkan pada panjang gelombang cahaya tampak. Bila sebuah benda dipanaskan, laju pemancaran energi naik dan energi yang diradiasi meluas kepanjang gelombang yang semakin pendek. Antara sekitar 600oC dan 700oC, cukup banyak energi yang diradiasikan berada dalam spectrum tampak yang menyebabkan benda hitam sebagai fungsi panjang gelombang untuk berbagai temperatur berbeda. Panjang gelombang pada saat daya maksimum berubah secara terbalik dengan temperatur, sebuah hasil yang dikenal dengan pergeseran wien:
λmax = (5)
Hukum ini digunakan untuk menentukan temperatur bintang dari analisis radiasinya. Hukum ini juga dapat juga digunakan untuk memetakan varaisi temperatur meliputi daerah-daerah yang berbeda dari permukaan sebuah benda. Peta semacam ini dinamakan termograf. Termograf dapat digunakan untuk mendeteksi kangker karena bahan yang mengandung kanker mempunyai temperatur yang sedikit lebih tinggi dibandingkan jaringan sekitarnya.
Bumi
Manusia telah menghuni planet ini selama berjuta-juta tahun, tetapi hanya sekitar ratusan tahun yang lalu sebagai akibat dari pertumbuhan populasi dan industrialisasi kita mulai mempengaruhi iklim kita. Temperatur global telah naik dengan 0,5 K sejak 1900, permukaan lautan telah naik dan sungai es di pedalaman menyususut. Pembakaran bahan bakar dan penebangan hutan bergabung mengakibatkan pertambahan tingkat karbon dioksida (CO2) di atmosfer, bergabung dengan hasil gas lain dari industrialisasi (misalnya nitrous oxide, chlorofluorocarbon, dan ozon) ini mengacu pemanasan global disebabkan suatu proses yang biasanya disebut “efek rumah kaca”.
Masih diperdebatkan apakah model-model klimatologi yang sekarang membuktikan secara khusus bahwa kenaikan pemanasan global telah terjadi. Namun ada suatu konsesus dalam masyarakat ilmiah bahwa kelanjutan kehidupan manusia sekarang akan menghasilkan pemanasan bumi tambahan yang mencolok (1,5 sampai 5,5 K) pada 50-100 tahun yang akan datang. Pemanasan global sebesar ini akan mempunyai efek yang amat besar dan berkepanjangan terhadap pertanian, margasatwa, dan masyarakat manusia.
Temperatur Bumi
Bila bumi hanya menyerap radiasi matahari, temperaturnya akan terus-menerus naik. Namun, bumi selalu meradiasi energi keruang angkasa. Melalui proses penyerapan dan radiasi ini, kondisi keseimbangan dipertahankan yang biasanya dihubungkan dengan keseimbangan energi bumi. Laju datang dan perginya energi dari bumilah yang diimbangi sehingga ini sebenarnya adalah keseimbangan daya.
Untuk memahami proses pemanasan bumi, adalah penting untuk mengerti mekasisme mempertahankan temperatur bumi. Pada jarak rata-rata bumi dari matahari, energi radiasi dari matahari tiba dengan laju 1353 W/m2 (konstanta solar, S) karena temperatur permukaan matahari mendekati 6000 K, spectrum radiasinya terdiri dari panjang gelombang yang sangat pendek yang dipusatkan sekitar mendekati 0,5 µm. Hal ini diamati secara eksperimen dan juga diperoleh dari hukum pergeseran wien jika matahari dianggap sebagai benda hitam.
Radiasi matahari yang diserap oleh bumi tergantung pada luas penampang bumi seperti yang dilihat dari matahari πRE2 ( dengan RE adalah jari-jari bumi, 6,4 x 106m). Tidak semua radiasi matahari yang ditangkap oleh bumi diserap, sebagaian dipantulkan ( ini adalah cahaya bumi yang dilihat para astronot dari ruang angkasa). Oleh karena itu kita dapat menuliskan persamaan berikut ini
Daya yang disepar oleh bumi = (1 – r) πRE2SW (6)
Bumi meradiasi kembali sebagaian dari daya yang diserap ini ke angkasa. Walaupun temperatur permukaan rata-rata adalah sekitar 13oC (286 K), temperatur radiatif rata-rata atmosfer bumi hanya sekitar -22oC (251 K). Konstanta emisivitas relatif e digunakan untuk menjelaskan perbedaan pernyataan radiasi benda hitam (e = 0,6). Daya yang diradiasi oleh tiap meter persegi permukaan bumi digambarkan lewat persamaan berikut:
Kerapatan daya yang diradiasi = eσTE4 W/m2 (7)
Dengan σ adalah konstanta radiasi Stefan Boltzman dan TE adalah temperatur permukaan bumi. Permukaan bumi sebagian besar ditutupi dengan air dengan temperatur yang relatif stabil, ini berarti bahwa TE sedikit berubah dari siang ke malam. Karena hal ini dan karena kenyataan bahwa energi matahari diserap hanya oleh bagian permukaan bumi yang menghadap matahari tetapi diradiasi dari seluruh permukaan bola dunia, maka perilaku radiatif bumi dapat didekati oleh radiator bola dengan temperatur uniform:
Daya yang diradiasi oleh bumi = 4πRE2eσTE4 W (8)
Untuk kondisi setimbang, daya yang diserap dan diradiasi oleh bumi harus sama:
(1 – r)πRE2S = 4πRE2eσTE4 W (9)
Persamaan ini, untuk pendekatan yang diajukan, adalah kesetimbangan energi atau daya bumi, dibagi dengan luas permukaan bumi. 4πRE2, kita dapatkan
W/m2 (10)
Yang adalah laju rata-rata penyerapat energi dan selanjutnya diradiasi oleh tiap meter persegi permukaan bumi ( /m2 sekitar kekuatan empat bola lampu 60 watt untuk tiap meter permukaan bumi).
Penurunan pada reflektifitas bumi (r) atau emisifitas relatif (e) akan menghasilkan kenaikan pada temperatur rata-rata. Inilah pada dasarnya sifat gas yang membuat atmosfer bumi mempengaruhi besaran-besaran ini.
Beberapa Gas Atmosfer Menyerap Radiasi Termis
Atmosfer cukup transparan bagi radiasi matahari yang masuk dari matahari. Walaupun gas-gas utama yang masuk dari atmosfer oksigen (O2) dan nitrogen (N2), adalah transparan bagi radiasi termis tidaklah demikian untuk semua gas dalam atmosfer bumi, namun sebagian terjebak ketika diradiasikan kembali sebagai radiasi termis panjang gelombang yang lebih tinggi dengan menghasilkan pemanasan bumi.
Kita sudah sangat karab dengan istilah “efek rumah kaca" untuk menggambarkan pemanasan global dan “gas rumah kaca” untuk memberi ciri gas yang berkontribusi pada pemanasan global dengan menyerap radiasi termis.
Gas paling lazim yang menyerap radiasi termis adalah uap air dan korbondioksida. Tanpa keuntungan termis dari uap air dan karbondioksida, temperatur bumi sebenarnya akan tak cukup untuk kebanyakan bentuk kehidupan yang ada. Hubungan antara “gas rumah kaca” adalah rumit. Ketika tingkatan total mereka naik dan temperatur global naik maka laju penguapan air laut akan diperkuat/diperbesar. Sementara ini akan menimbulkan lingkaran umpan balik positif dengan memborong konsentrasi atmosferik uap air, juga sangat mungkin mempengaruhi penutup awan bumi. Awan memiliki peran yang sampai sekarang sangat kurang dimengerti dalam persamaan secara keseluruhan. Awan menaikkan reflektifitas bumi, dengan demikian mengurangi pemanasan global, pada saat yang sama awan mereduksi laju energi termis yang dapat diradiasi ke dalam ruang angkasa dan dengan demikian menguatkan pemanasan global. Efek awan dapat lebih rumit dengan perubahan kondisi musim.
Tabel konstribusi permukaan rata-rata pada kesetimbangan energi bumi dari berbagai sumber kecil energi termis
| Sumber | Konstribusi |
| Peluruhan radioisotop Konsumsi bahan bakar Gesekan pasang surut | 0,06 0,018 0,005 |
Karbon Dioksida
Tingkatan atmosfer CO2 kontemporer sedang dipengaruhi oleh pembakaran fosil bahan bakar dan oleh hasil neto akumulasi atau perusakan biomassa global. Sejak tahun 1957, pengukuran-pengukuran CO2 atmosferik yang teliti dilakukan di Mauna Loa Observatory, Hawai. Dengan mengalihkan fluktuasi musim yang terutama menyebabkan variasi musim dalam tingkatan total kegiatan fotosintetik tanaman, dapat dilihat disana suatu pertambahan yang mantap dan berkesinambungan dalam konsentrasi CO2 atmosferik. Ini sekarang berada pada 350 bagian perjuataan pervolume (ppmv). Didasarkan pada analisis udara yang terjebak bertahun-tahun yang lalu dalam es dari sungai, konsentrasi CO2 atmosferik pada 1750 adalah sekitar 280 ppmv, oleh karena itu ada 25 persen kenaikan sejalan dengan dimulainya industrialisasi modern.
Emisi karbondioksida adalah akibat langsung dari proses konversi energi karbon dioksida bahan bakar. Perhatikan kasus batu bara yang bahan utamanya adalah karbon
C + O2 CO2
Pembakaran bahan bakar hidrokarbon, minyak bumi dan gas alam menghasilkan efek yang serupa, juga menimbulkan uap air lewat oksidasi hydrogen dari bahan bakar.
Tiap tahun hamper 5 x 1012 kg karbon dalam bentuk CO2 dilepaskan ke atmosfer sebagai hasil konsumsi bahan bakar fosil global. Pada 1988, secara rata-rata masing-masing individu di Amerika serikat mengkonsumsi sekitar 3,6 ton batubara, 73.000 feet kubik gas alam, dan 1070 galon minyak bumi. Dengan kurang dari 5 % jumlah populasi dunia. Amerika serikat bertanggungjawab untuk hampir 33 % konsumsi bahan bakar fosil di dunia. Mayoritas penduduk dunia memiliki tingkat kegiatan ekonomi rendah dan sejalan dengan itu laju pemakaian yang rendah tapi memiliki aspirasi untuk standar hidup yang lebih tinggi. Kenaikan pemakaian bahan bakar fosil global dianggap tidak dapat dihindarkan. Walaupun kenaikan efisiensi energi dan penggunaan sumber energi alternatif dapat mengatur pertumbuhan penggunaan bahan bakar fosil, konsentrasi atmosferik CO2 sebesar 440 sampai 550 ppmv diantisipasi pada tahun 2100. Karena tingakat CO2 yang larut di air laut bertambah, penebangan hutan dan hujan asam mengambil karbon mereka, kapasitas bumi untuk menyerap tingkat CO2 atmosferik yang bertambah akhirnya hilang.
Gas rumah kaca lain
Walaupun ada dalam jumlah yang kecil saja, gas-gas lain ( methane, ozone, nitrous oxide dan chlorofluorocarbon) juga menyerap radiasi termis panjang gelombang yang panjang. Konsentrasi methane (CH4) dalam atmosfer adalah kurang dari 1% konsentrasi CO2, namun tiap molekul CH4 sama dengan sekitar dua puluh kali seefektif CO2 dalam menyerap radiasi. Lagipula, konsentrasinya telah naik dengan laju 1 % per tahun dan telah menjadi dua kali lipat selama 250 tahun yang lalu. Lingakran umpan balik positif dapat berkembang karena kenaikan dalam temperatur global menguatkan laju peluruhan organik neto ( misalnya dalam rawa-rawa), dengan demikian mempecepat keseluruhan kenaikan konsentrasi atmosferik dari CH4).
Ozon (O3) dibentuk sebagai hasil proses fotokimia yang terutama melibatkan cahaya matahari, methane, karbon monoksida, dan nitrogen oksida. Konsentrasi O3 di troposfer telah naik 10% (belum memperhitungkan pengurangan konsentrasinya di strotosfer di atas kutub-kutub). Kenaikan serupa telah terjadi pada nitrous axide , ini muncul terutama karena penggunaan pupuk berbasis nitrogen, penebangan hutan dan pembakaran biomassa.
Pemanasan Global
Temperatur global rata-rata telah naik sekitar 0,5 K sejak 1900. Pada hal ini, enam tahun terpanas yang tercatat sampat saat ini terjadi sejak 1980. Lebih banyak data diperlukan sebelum mungkin menyatakan tanpa dalih bahwa perubahan iklim sedang terjadi dan bahwa kenaikan konsentrasi “gas rumah kaca” memang merupakan penyebab perubahan itu. Namun memang tidak ada keraguan bahwa kenaikan terus menerus pada suatu saat akan menuju efek ini. Menunda tanggapan kita mengenai hal ini sampai analisis disimpulkan akan berarti kerusakan akan lebih jelas dan lebih sulit dikontol atau musnah.
Efek neto yang diakibatkan pemanasan global pada daerah tertentu adalah tidak pasti. Pola hujan global diharapkan berubah secara dramatis, dengan gangguan yang konsekuen terhadap pertanian, perdagangan dan ekonomi dunia. Ekspansi termis lautan karena pemanasan global keseluruhan dan pencairan sebagian daratan es diduga menaikkan permukaan laut. Pantai rendah dan daerah pedalaman, dimana bagian yang besar dari populasi dunia akan terancam oleh akibat-akibat social ekonomi dan lingkungan yang dahsyat.
Pergeseran cuaca terdahulu dan perubahan-perubahan yang terjadi merupakan akibat langsung dari kegiatan kita sendiri., bukan efek kejadian-kejadian alamiah dimasa kita tak mempunyai kendali. Dengan mengubah kegiatan kita maka akan dapat melunakkan dan mungkin dapat mencegah perubahan cuaca yang diantisipasi. Dengan mengetahui biaya ekonomi, kita harus memutuskan apa yang harus dilakukan dengan ikut mempertimbangkan tingkat kepastiannya saat ini dan skala akibat-akibat yang mungkin dari pilihan-pilihan kita.
