HUBUNGAN BUMI DAN MATAHARI

Hampir seluruh energi yang mengendalikan variabel cuaca dan iklim Bumi berasal dari Matahari. Lebih dari 99.9% energi yang memanasi permukaan Bumi berasal dari Matahari.

Matahari merupakan satu dari sekitar 200 milyar bintang dalam Galaxy Milky Way. Dibandingkan dengan bintang2 yang lain, matahari dianggap rata2. Akan tetapi pada skala sistem matahari, dia benar2 besar sekali. Matahari mempunyai diameter sama dengan 109 diameter Bumi dan volume 1.2 juta kali lebih besar daripada Bumi.

 

Energi matahari tidak terdistribusikan serba sama pada permukaan Bumi. Jumlah energi yang diterima bervariasi dengan lintang, waktu dari hari, dan musim dari tahun. Pemanasan yang tidak sama dari bumi pada akhirnya menyebabkan angin dan mengendalikan sirkulasi permukaan dari lautan.

Angin adalah gaya pengendali utama dari arus laut permukaan. Di atas lautan, energi yang diteruskan dari udara yang bergerak pada air melalui gesekan. Tarikan yang dikerjakan oleh angin yang berhembus dengan tetap pada lautan menyebabkan lapisan permukaan air bergerak.

Gerakan atmosfer dan lautan yang memindahkan panas dari tropis ke kutub merupakan usaha tanpa akhir untuk mengimbangi energi yang tidak teratur. Hasil dari proses tersebut adalah fenomena yang kita namakan cuaca.

Hubungan Bumi dan Matahari

Untuk memahami bagaimana dinamika Bumi sebagai mesin cuaca bekerja, menjadi penting untuk memahami mengapa lintang yang berbeda menerima kuantitas yang berbeda dari energi matahari…dan, mengapa kita mempunyai musim?

Satu dari gerakan utama Bumi adalah rotasi, yaitu gerakan berputar dari Bumi pada sumbunya. Rotasi menghasilkan siklus harian dari siang dan malam. Satu rotasi memakan waktu 24 jam. Gerakan ke dua dari planet kita adalah revolusi, yaitu gerakan Bumi dalam orbitnya mengelilingi Matahari.

Variasi yang kecil dalam energi matahari yang diterima oleh Bumi karena orbit yang berbentuk ellips, mempunyai sedikit pengaruh pada suhu musiman.

Jika variasi jarak Bumi-Matahari bukan penyebab utama dari perubahan suhu musiman, apa yang bertanggung jawab?

1. Variasi Lamanya Siang dan Malam

Variasi dalam lamanya siang hari bertanggung jawab bagi perbedaan suhu musiman. Hari -hari pada summer yang panjang menempatkan kita untuk mendapatkan radiasi matahari yang lebih banyak dibandingkan pada hari-hari winter yang pendek.

2. Perubahan Musiman dalam Sudut Datang Matahari

Disamping variasi dalam panjang siang hari, perubahan musiman dalam sudut Matahari di tengah hari di atas horizon adalah penyebab penting dari perubahan suhu musiman.

Di summer, Matahari di tengah hari adalah tertinggi di atas horizon. Ketika summer berganti ke winter, Matahari tengah hari didapati lebih rendah di langit.

Perubahan sudut Matahari menyebabkan variasi jumlah energi mencapai permukaan Bumi . Makin dekat sudut Matahari ke 90 derajat, makin kuat cahaya matahari. Ketika sudut didapati lebih rendah, cahaya matahari menjadi lebih tersebar dan kurang kuat.

Faktor lain yang dipengaruhi oleh perubahan sudut Matahari adalah ketebalan atmosfer yang dapat ditembus oleh cahaya. Ketika Matahari berada tepat di atas kepala, cahaya matahari menembus ketebalan hanya satu atmosfer. Cahaya yang datang pada sudut 30 derajat harus menempuh ketebalan 2 atmosfer, sedangkan pada sudut 5 derajat menempuh sekitar 11 atmosfer. Cahaya Mengenai Bumi pada Sudut Rendah Berjalan Menembus Atmosfer Lebih Panjang dan Mengalami Deplesi Lebih Besar . Makin panjang lintasan menembus atmosfer, makin besar kesempatan cahaya matahari akan diserap, dipantulkan, atau dibaurkan oleh atmosfer, dan kesemuanya itu akan mengurangi intensitas matahari di permukaan bumi.

Penyebab Perubahan Panjang Siang Hari dan Sudut Datang Cahaya Matahari

Sekarang anda sudah mempelajari bahwa alasan yang paling penting bagi terjadinya variasi musiman dalam hal jumlah energi matahari mencapai lokasi tertentu adalah: (1) perubahan dalam panjang siang hari, dan (2) perubahan dalam sudut dimana cahaya Matahari mengenai permukaan.

Lalu, Apa yang menyebabkan variasi musiman dalam sudut Matahari dan panjang siang hari?

Bagian penting dari jawaban ini, harus mengarahkan sumbu Bumi pada bidang orbitnya mengelilingi Matahari. Permukaan imajiner ini dinamakan bidang ekliptik.

Sumbu Bumi tidaklah tegak lurus ke bidang ekliptik, tetapi miring 23 ½ derajat. Kemiringan ini dinamakan inklinasi sumbu. Karena sumbu yang miring dan selalu mengarah pada arah yang sama ketika Bumi mengelilingi Matahari, orientasi sumbu Bumi ke berkas cahaya Matahari secara terus menerus berubah.

Sebagai contoh, setiap tahun, pada tgl 21-22 Juni, posisi Bumi sedemikian sehingga BBU condong 23 ½ derajat menuju Matahari. Enam bulan kemudian, pada 21-22 Desember, ketika Bumi bergerak ke posisi yang berlawanan dari orbitnya, BBU condong 23 ½ derajat menjauhi Matahari.

Pada hari2 antara posisi ekstrim tersebut, orientasi sumbu Bumi ke cahaya Matahari pada sudut kurang dari 23 ½ derajat. Perubahan orientasi ini menyebabkan titik dimana cahaya Matahari tegak membuat migrasi tahunan dari 23 ½ derajat Utara ke 23 ½ derajat Selatan. Menurut sejarah, empat hari setiap tahun telah diberikan makna khusus didasarkan pada migrasi tahunan dari cahaya Matahari. Pada 21-22 Juni, cahaya tegak Matahari (sudut 90 derajat) mengenai 23 ½ derajat lintang Utara, sebuah lingkaran pada bola bumi yang dikenal sebagai Tropic of Cancer. Untuk orang2 di BBU, 21-22 Juni dikenal sebagai summer solstice, hari resmi pertama summer. Di BBS tanggal ini menyatakan winter solstice. Enam bulan kemudian, pada 21-22 Desember, cahaya Matahari mengenai 23 ½ derajat lintang Selatan, sebuah lingkaran di bola bumi yang dikenal sebagai Tropic of Capricorn. Untuk orang2 di BBU, 21-22 Desember adalah winter solstice, yaitu hari pertama winter. Akan tetapi untuk orang2 di BBS, merupakan summer solstice. Equinoxes terjadi dalam bulan Maret dan September, pertengahan antara dua solstices. Dalam bulan Maret, BBU mengalami spring equinox, sedangkan posisi September dinamakan autumnal atau fall equinox. Di BBS, spring mulai bulan September dan fall mulai bulan Maret. Selama equinox, cahaya vertikal Matahari mengenai equator ( lintang 0 derajat).

Mari kita lihat pada Bumi dari perspektif yang berbeda sehingga kita dapat melihat lingkaran iluminasi. (Ingat bahwa lingkaran ini yang membagi siang dan malam). Selama equinox, cahaya vertikal Matahari mengenai equator karena Bumi berada pada posisi dalam orbitnya yang kemiringannya tidak mengarah menuju atau menjauh dari Matahari.

Mari kita tinjau dengan seksama dan lebih rinci dari solstices dan equinoxes. Kita akan mulai dengan solstice yang terjadi pada 21-22 Juni. Kita tahu bahwa cahaya vertikal Matahari mengenai Tropic of Cancer, 23 ½ derajat Utara dan bahwa itu merupakan summer solstice di BBU ( winter di BBS). Bergerak menjauhi Tropic of Cancer, sudut cahaya Matahari tengah hari menjadi semakin kecil. Tempat yang terletak 1 derajat lebih jauh,menerima sudut 89 derajat, tempat 2 derajat lebih jauh menerima sudut 88 derajat, dan seterusnya. Untuk menghitung sudut Matahari tengah hari, cari besarnya derajat lintang yang memisahkan tempat yang anda ingin ketahui dari lintang yang menerima cahaya vertikal (sudut 90 derajat). Kemudian kurangkan harga tersebut dari 90 derajat. Perhitungan sudut Matahari tengah hari:

Data: lokasi: 30 derajat Selatan, tanggal:21-22 Juni, lokasi matahari pada 90 derajat: 23 ½ derajat Utara

Perhitungan: langkah 1: jarak dalam derajat antara 23 ½ derajat Utara dan 30 derajat Selatan = 53 ½ derajat. Langkah 2: 90 dikurangi 53 ½ = 36 ½ = Matahari tengah hari pada 30 derajat Selatan pada 21-22 Juni.

Bagaimana jika anda ingin menghitung sudut Matahari tengah hari untuk tanggal selain dari solstice atau equinox? Bagaimana anda dapat menentukan dimana cahaya vertikal Matahari mengenai (fakta yang anda perlukan bila anda menyelesaikan soal seperti itu)?

Berapa sudut Matahari tengah hari di 40derajatUtara pada 14 Oktober?

Banyak bola dunia memiliki gambar menyerupai angka 8, dinamakan analemma, yang dengan pengujian yang seksama dapat membantu anda menyelesaikan soal tersebut.

Untuk menentukan lintang Matahari berada di atas kepala (tengah hari), cari data yang diinginkan pada analemma dan baca lintang yang berdampingan sepanjang sumbu kiri. Sebagai contoh, pada 14 Oktober, sudut Matahari tengah hari (sudut 90 derajat) adalah 8 derajat Selatan.

Dengan mengetahui bahwa cahaya sudut 90derajat mengenai pada 80 Selatan terjadi pada tgl 14 Oktober, anda dapat menghitung sudut Matahari tengah hari pada 40derajat Utara(atau untuk setiap lintang) dengan mengikuti prosedur dasar dua langkah tersebut.

Perhitungan:

langkah 1: jarak dalam derajat antara 8derajat Selatan dan 40derajat Utara = 480 .

Langkah 2: 90 – 48 = 42 derajat = sudut Matahari tengah hari di 40derajat  Utara pada 14 Oktober.

Selanjutnya, mari kita perhatikan variasi panjang siang hari di seluruh dunia pada 21-22 Juni. Perhatikan bahwa pada 21-22 Juni, daerah antara lingkaran Arctic tetap pada sisi bumi yang disinari 24 jam sehari. Pada saat yang sama, daerah sekitar Kutub Selatan mengalami 24 jam gelap.

Tahukah anda?

Ketika memperhatikan bola dunia atau peta dunia, anda bisa mengetahui lingkaran2 atau garis2 yang berlabel Arctic Circle dan Antarctic Circle dan mengapa mereka ada di sana. Sekarang anda tahu bahwa daerah di BBU yang mengalami 24 jam siang hari pada 21-22 Juni ditentukan oleh Arctic Circle, 66 ½ derajat Utara. Di BBS, Antarctic Circle, 66 ½ derajat Selatan, menunjukkan area yang mengalami 24 jam siang hari pada 21-22 Desember. Panjang siang hari di seluruh tempat di BBU pada 21-22 Juni selalu lebih besar daripada panjang malam hari. Fakta ini dapat ditentukan dengan membandingkan bagian garis lintang yang ada pada sisi bola dunia yang mendapat cahaya dengan bagian pada sisi gelap. Di BBU bagian dari setiap garis lintang yang ada pada sisi yang mendapat cahaya lebih besar daripada bagian sisi gelap.

Untuk BBU, perhatikan bahwa panjang siang hari adalah 12 jam di ekuator dan kemudian meningkat ketika anda bergerak ke arah utara hingga mencapai 24 jam di Arctic Circle (66 ½ derajat Utara).Di BBS, adalah kebalikannya. Bergerak ke selatan dari ekuator panjang siang hari lebih pendek dan lebih pendek hingga pada Antarctic Circle, 24 jam gelap.

Perhatikan bahwa ekuator (0 derajat lintang) selalu mendapatkan 12 jam siang hari dan 12 jam malam hari, baik Bumi mengalami solstice atau equinox. Kenyataannya, ekuator mengalami 12 jam siang hari dan 12 jam malam hari setiap hari sepanjang tahun. Mengapa ini terjadi?

Untuk memahami mengapa ekuator selalu mengalami 12 jam siang hari, perlu untuk memahami great circles. Great circle adalah lingkaran terbesar yang mungkin dapat digambar pada bola dunia. Seluruh great circle membagi bola dunia menjadi dua bagian yang sama. Seluruh great circle membagi dua semua great circles lainnya , yaitu mereka membagi Bumi menjadi dua bagian yang sama.

Karena ke dua lingkaran iluminasi dan ekuator adalah great circles, setengah ekuator selalu pada sisi Bumi yang mendapat cahaya dan setengahnya selalu pada sisi gelap. Maka ekuator mempunyai 12 jam siang hari setiap hari sepanjang tahun. Sekarang anda telah mengetahui karakteristik summer solstice di BBU, dapatkah anda menjawab pertanyaan ttg winter solstice di utara ekuator? Ingat, karakteristiknya akan tepat berlawanan. Sekarang marilah kita kembali ke equinoxes. Ingat bahwa equinoxes terjadi dalam bulan Maret dan September dan bahwa cahaya vertikal Matahari mengenai ekuator.

Hitung sudut Matahari tengah hari untuk 400 Utara selama equinox. Isi jawaban yang benar untuk langkah 1 dan 2.

Langkah 1: berapa derajat lintang memisahkan lintang 0 derajat dan 40 derajat Utara? ……..

Langkah 2: Kurangkan jawaban anda dalam langkah 1 dari 900 …… = sudut Matahari tengah hari di 400 Utara selama equinox.

Bagaimana seharusnya sudut Matahari tengah hari pada lintang 40 derajat Utara selama equinox?

Selama equinox, sudut Matahari tengah hari adalah sama pada lintang yang sepadan di setiap belahan bumi.

Mari kita uji panjang siang hari pada lintang yang berbeda selama equinox. Perhatikan bahwa lingkaran iluminasi melewati secara langsung hingga kutub2 membagi masing2 grs lintang menjadi dua bagian yang sama.

Karena setengah dari masing2 lintang ada pada sisi yang mendapat cahaya dan setengah lainnya pada sisi gelap, maka setiap lokasi di Bumi mengalami 12 jam siang hari dan 12 jam malam hari selama equinox.