STATIKA ATMOSFER – RADIASI (1)

PENDUHULUAN

Dalam ilmu fisika, ada tiga cara dalam mengangkut energi, yaitu dengan cara konduksi, cara konveksi dan cara radiasi. Cara konduksi bekerja pada material padat, melalui mekanisme “penularan” kalor, yang timbul akibat atom atau molekul pada material bersangkutan bergetar ketika menerima energi, kepada atom atau molekul tetangganya.

Cara konveksi bekerja pada material cair atau fluida, melalui mekanisme “antrian” atau “kontinual” kalor, yang terangkut dan mengalir bersama material bersangkutan. Sedangkan cara radiasi bekerja tidak melalui material apa pun, melainkan terpancar. Dengan kata lain, pengakutan energi melalui cara radiasi tidak memerlukan media, tetapi dengan cara terpancar. Bahkan, bila melalui media, intensitas energi berkurang dibandingkan intensitas asalnya.

Lumayan lama para ahli fisika memikirkan pengakutan energi melalui cara radiasi ini. Anggapan paling umum waktu itu adalah bahwa energi “didorong” atau “dilemparkan” dengan suatu gaya yang besar. Gaya seperti apa, baru dapat dijelaskan ketika para ahli fisika menemukan teori kinetik pada gas. Teori kinetik gas ini dapat menjelaskan hubungan antara pergerakan translasional (lurus) atom atau molekul gas dan suhu gas bersangkutan, melalui relasi:

,

dengan  adalah massa atom atau molekul,  adalah kelajuan lurus (translasional) atom atau molekul,  adalah konstanta Bolztmann yang besarnya  dan  adalah suhu gas dalam .

Persamaan ini menyatakan bahwa ada kesetaraan antara energi mekanik dan panas-dinginnya suatu material. Lebih khusus lagi, persamaan ini menyatakan bahwa “panas” (heat) adalah energi juga, yang ukuran kuantitatifnya adalah kalori.

Dari persamaan ini juga dapat disimpulkan bahwa (1) radiasi baru bisa terpancar atau teremisi jika ada beda suhu antara suhu suatu material dan suhu lingkungannya, (2) tiap material akan memancarkan energi sejauh material bersangkutan suhunya , dan sudah barang tentu material tidak akan memancarkan energi jika suhunya .

 

FOTON DAN SIFAT DUALISME PARTIKEL-GELOMBANG

Hasil pengukuran dan analisis spektroskopik mengenai radiasi energi yang dipancarkan oleh material panas atau sengaja di panaskan, seperti besi membara atau matahari, ditemukan fakta bahwa (1) “sesuatu” yang dipancarkan tersebut selain memiliki sifat sebagai partikel, ternyata juga memiliki sifat sebagai gelombang, dan (2) gelombang dimaksud ternyata memiliki ragam (spektrum) frekuensi atau panjang gelombang jamak, yang identik dengan struktur dan sifat gelombang elektromagnet.

Sifat dualisme gelombang elektromagnet ini kemudian dijelaskan dengan ilmu mekanika quatum yang waktu itu baru lahir, menyusul ilmu mekanika klasik (Mekanika Newton) yang tidak mampu menjelaskan fenomena mikrofisik, menjelaskan bahwa struktur radiasi gelombang elektromagnet bukanlah “sesuatu” yang kontinu, melainkan terkuantisasi atas paket-paket

Gambar 1. Struktur spektral energi gelombang elektromagnet hasil pengukuran di permukaan bumi, di puncak atmosfer dan perhitungan teoritik di permukaan matahari. Bagian-bagian yang gelap pada kurva hasil pengukuran di permukaan bumi menunjukkan efek penyerapan energi pada spektrum panjang gelombang tertentu oleh berbagai gas yang ada di atmosfer. Kurva garis putus pada suhu 6000o K merupakan asumsi tidak ada penyerapan oleh atmosfer. (Lacis and Hansen, 1973)

energi yang disebut foton (photon), yang arti aslinya adalah cahaya. Satu foton memiliki energi, yang besarnya bergantung kepada frekuensi  yang dibawanya, sebagai

,

dengan  adalah konstanta Planck yang besarnya  dan  adalah frekuensi gelombang foton dalam satuan , atau , atau .

Dalam teori gelombang, frekeuensi  memiliki relasi dengan kelajuan rambat gelombang  dan panjang gelombang  sebagai

.

Karena gelombang elektromagnet memiliki kelajuan rambat sama dengan kelajuan cahaya  , maka  ; sehingga energi satu foton menjadi

.

Gambar 2. Konsep mekanika klasik mengenai gelombang elektromagnet sebagai suatu aliran gelombang yang kontinu (kiri) dan konsep mekanika quatum sebagai suatu aliran energi yang memiliki sifat gelombang dan sekaligus sifat partikel, yang besarnya tertentu sesuai frekuensi gelombang yang dibawanya (kanan). Paket gelombang ini disebut foton.

Tugas pokok yang mesti dilakukan berdasarkan fakta empirik Gambar 1 adalah:

a)         Menurunkan rumusan fungsi matematik kurva pada Gambar 1, yang hakekatnya adalah banyaknya energi yang dipancarkan suatu material sumber untuk masing-masing frekuensi atau panjang gelombang (spectral radiant energy);

b)         Menurunkan rumus menghitung total banyaknya energi yang dipancarkan oleh suatu material sumber (total radiant energy);

c)          Menurunkan rumus menghitung pada frekuensi atau panjang gelombang berapa energi yang dipancarkan adalah maksimum (extreme spectral radiant energy).

 

REFERENSI

Lacis, Andrew A. and Hansen, James E., 1973: A Parameterization for the Absorption of Solar Radiation in the Earth’s Atmosphere, Journal of The Atmospheric Science, Volume 31.

Xiao, K., 2011: Dimensionless Constants and Blackbody Radiation Laws, Electronic Journal of Theoretical Physics, EJTP 8, No. 25, p379-388.