3. Historis pengukuran ERB
Di TOA
(pengukuran + data
tambahan)
Dalam atmosfer
(harus dihitung
dengan hanya
tambahan data)
Di permukaan
(pengukuran +
tambahan data)
(Trenberth et al., BAMS, 2009)
4. Historis pengukuran ERB
Sebelum 1959
• Earthshine and solar
emission from ground
Studi numerik dengan data
iklim
Dines, 1907; Abbot &
Fowle,1908; Simpson 1929,
London 1956, …
-- 1800
• Planetary albedo:
35 to 45%
• Planetary emission:
220 to 280 Wm-2
• Solar constant:
1360 to 1380 Wm-2
Setelah launch Explorer VII 1959
• TIROS and Nimbus “families”: up to 1970
• ERBE (ERBS, ERB): 1972 to 1995
• CERES: 2000 to now
• European ScaRaB and GERB:
• Numerical studies: ISCCP, SRB, CERES, ….
-- 1959 2012
• Planetary albedo: 29 to 31%
• Planetary emission: 250 to 255 Wm-2
• … dengan wilayah yang detail
• Solar constant: from 1372 “down” to 1361
Wm-2
Hunt et al., 1986, Rev. Geoph. 24; G.L.Smith et al.,1987: JGR
5. Sebelum era satelit (1800 ke 1959)
• Investigasi sebelum era satelit didominasi oleh para astronom dan kemampuan
instrumen untuk mengukur radiasi matahari. Pengukuran insolation di TOA mulai
sekitar tahun 1800 (misalnya Foitzik dan Hinzpeter 1958); nilai berkisar antara
1200 dan 2000 Wm-2
W. H. Dines, 1917: J. R. Met. Soc. 43, 151-
158; with A = TSI/4, D = reflected solar, C,B =
absorption, E and F = IR emission, G = IR
emission from surface, where K transmitted to
space, H absorbed in atmosphere and M
“reflected“ back to ground. L = upward fluxes of
latent and sensible heat.
Julius London, 1957, untuk pertama
kalinya tersedia detail pada semua
level, zonal profiles and
Poleward energy fluxes.
6. Solar Radiation
Hunt et al., 1986, Rev.
Geophysics, nilai di compile
dari Abbot and Fowle, 1908
(Ann. Astro. Observ.Smiths.
Inst., Vol. 2)
Infrared
Radiation
7. Peta pertama net radiasi dari simpson 1929
So = 1.952,
OLR = 0.280 cal cm-2
min-1
Albedo: 0.455
2 cal cm-2 min-1 = 1396 Wm-2
12. Langkah-langkah utama dalam analisis dari
pengukuran Radiance yang dikembangkan
Kebanyakan langkah tergantung-adegan
dan memerlukan data tambahan:
a.) Menghitung insolation di TOA dari TSI
dan geometri Sun-Earth.
b.) Koreksi untuk spektral respon yang tidak
lengkap untuk sensor dalam wilayah
diperlukan broad-band( solar dan
inframerah)
c.) Koreksi untuk ketergantungan sudut
(angular dependence) yang dipantulkan
dari soalr radiasi dan radiasi inframerah
yang dipancarkan
d.) variasi diurnal dan siklus musiman fluks
radiasi keluar (sampling dalam waktu)
observed dan “corrected".
From Raschke, et al.,1973
13. Satelit eksperimental awal (1959-1980)
Explorer 6, 7; TIROS 2, 3, 4, 7, 9; Nimbus 2, 3; Cosmos-, NOAA-,
and the ERBE- family until 1987
Temuan besar awal secara
kualitatif
(1) Bumi adalah "gelap" (30%)
dan "hangat" (> 255K)
(2) gurun Utara di Afrika dan Asia
adalah wilayah defisit radiasi
permanen
(3) Awan meningkatkan Albedo
planet dan mengurangi OLR
(4) Adanya transportasi poleward
Tahunan
(Raschke, et al., 1973, JAS, 30
14. Status sekarang
• CERES radiometers
memungkinkan melakukan
scanning seperti pesawat
berotasi
From G.L. Smith et al., 1994
15. Earth’s energy budget
Mesin panas iklim (the climates heat engine) tidak hanya mendistribusikan panas
matahari dari khatulistiwa ke arah kutub, tetapi juga dari permukaan bumi dan
atmosfer yang lebih rendah kembali ke angkasa. Jika tidak, Bumi tanpa henti
akan memanas. Suhu Bumi tidak naik signifikan karena permukaan dan atmosfer
secara simultan memancarkan panas ke ruang angkasa. Aliran bersih antara
energi masuk dan keluar dari sistem Bumi disebut juga Earth’s energy
budget.
=
16. Radiasi Budget dilihat di angkasa
F = Net radiative fluks
r= Albedo
Fir = OLR/ emitted longwave fluks
Q = Solar insolation
17. Net radiative flux pola
mendekati simetris antara
Northern and Southern
Hemispheres, maks di eq
wilayah equator : penyerapan
yang besar, dan minimum OLR
karena banyak pertumbuhan
awan (ITCZ)
Wilayah kutub : albedo yang
besar,
Pola net radiative flux
berhubungan dengan sudurt
zenith rata2 dengan lintang dari
matahari
Di tropis = kelebihan/ melimpah energi radiasi (gains)
Di kutub = kekurangan / sedikit energi radiasi (losses)
18. Net Radiation
• Antara 40°N and 40°S,
incoming > outgoing
• energy surplus
• Poleward of 40°N & S,
outgoing > incoming
• energy deficit
• Deficit = Surplus, jadi net
radiation for Earth = 0
19. Poleward Heat Transport
• Surplus energy
bergerak menuju
kutub (wilayah deficit)
• membawa
• Warm, moist air
• Warm sea water
• Transport panas ke
kutub mengendalikan
pemicu (drivine force)
adanya
• Global atmospheric
circulation
• Weather systems
• Ocean currents
20. Cloud Radiative Forcing Derived from
ERB Data
• Awan teratur menempati setidaknya 50% dari langit pada skala global dan
regulator yang paling penting dari ERB.
• Awan meningkatkan persentase solar fluks yang dipantulkan kembali ke
angkasa. Efek ini, dikenal sebagai solar albedo effect mengurangi solar
fluks untuk sistem bumi-atmosfer dan menghasilkan pendinginan sistem.
• Di sisi lain, awan mengurangi radiasi termal yang dipancarkan ke angkasa
dengan menyerap fluks IR dari permukaan bumi dan atmosfer di bawah
lapisan awan, dan dengan memancarkan radiasi termal yang pada
umumnya suhu puncak awan lebih dingin. Efek ini, yang dikenal green
house effect IR meningkatkan radiasi budget, yang secara umum
menghasilkan pemanasan dari sistem bumi-atmosfer.
21. • Dalam referensi untuk Persamaan. (8.2.26) dan mempertimbangkan efek
spesifik dari cakupan awan (cloud cover) η,
Absorbed Solar
Emitted IR Flux
Saat albedo meningkat cakupan awan meningkat
𝜕𝑟
𝜕𝑛
𝑠𝑒𝑙𝑎𝑙𝑢 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑓
IR fluks menurun cakupan awan meningkat
𝜕𝐹𝑖𝑟
𝜕𝑛
𝑛𝑒𝑔𝑎𝑡𝑖𝑓
Sehingga
𝜕𝐹
𝜕𝑛
𝑛𝑒𝑔𝑎𝑡𝑖𝑓 IR green house effect lebih besar daripada
solar albedo effect, dan sebaliknya
22. • C = cloud radiative forcing
1 – η = clear-sky region
η = Overcast
𝐹 𝑐𝑙
= 𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 − 𝑠𝑘𝑦 𝑓𝑙𝑢𝑥
𝐹 𝑜𝑣
= 𝑐𝑙𝑜𝑢𝑑 𝑓𝑙𝑢𝑥
𝐶𝑖𝑟 = 𝐶𝑅𝐹 𝐼𝑅
𝐶𝑠 = 𝐶𝑅𝐹 𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟
Baik Cloud solar atau Cloud IR forcing
akan berbeda dalam keadaan clear-
sky atau cloudy-sky
Pengaruh seasonal terhadap cloud
radiative forcing relatif kecil
Pada skala global untuk semua
musim, albedo effect from clouds
lebih dominan dari pada greenhouse
effect.
Cloud Radiative Forcing
23. Radiative Heating/Cooling Rates of the
Atmosphere
• Perbedaan pemanasan matahari dari daerah khatulistiwa dan
kutub menyediakan sumber energi utama untuk sirkulasi umum
atmosfer dan lautan dan juga bertanggung jawab untuk
menyebabkan iklim ekstrim antara garis lintang tropis dan kutub.
• Setiap bagian dari bumi di langit diterangi matahari menerima
energi dari matahari dan hangat untuk tingkat yang lebih besar
atau lebih kecil. Faktor utama yang menentukan tingkat
pemanasan matahari yang diterima oleh daerah tertentu rata-rata
adalah awan, uap air dan ozon isi dari atmosfer, albedo
permukaan, dan keberadaan aerosol dalam konsentrasi yang
lebih besar atau lebih kecil, serta lintang, yang terkait dengan
berbagai sudut zenith matahari yang dialami oleh daerah.
24. • Pemanasan matahari maksimum sekitar 0,5 K hari-1 diamati pada ketinggian sekitar 4 - 5
km di daerah tropis dan subtropis, menggunakan fluks matahari dari 342Wm-2 sebagai
input (solar konstan 1366 Wm-2)
• Nilai minimal terjadi di troposfer atas dan stratosfer bawah, diikuti dengan peningkatan
pemanasan matahari di stratosfer karena secara eksklusif adanya ozon
• Pemanasan matahari atmosfer terutama dihasilkan oleh penyerapan uap air di troposfer
dan ozon di stratosfer.
Solar Heating
Rate
25. IR Cooling
Rate
• Pendinginan maksimum terjadi di stratosfer, karena adanya karbon dioksida dan ozon.
• Pengaruh uap air untuk mendinginkan suasana yang jelas di mana karena ada peningkatan fluks dengan
tinggi sebagai penurunan konsentrasi uap air.
• Maksimal sekunder pendinginan terjadi di lintang tropis dalam troposfer, terkait dengan gradien vertikal
besar uap air dan suhu.
• Efek dari awan, yang cenderung meningkatkan pendinginan di atas puncak mereka dan mengurangi
pendinginan dibawah mereka, Dekat permukaan, besar kepadatan uap air dan suhu gradien
menyebabkan maksimum pendinginan di daerah tropis. Pendinginan ini diimbangi sedikit dengan
peningkatan pemanasan di bawah dasar awan.
26. Net Radiative
Budget
• Di stratosfer atas (di atas 25 km), pendinginan intens karena ozon dan karbon dioksida.
Tingginya tingkat pendinginan karena, sebagian akibat efek puncak awan yang dingin. Pada
tropopause tropis, dekat 18 km, ada pemanasan oleh gelombang panjang relatif kecil yang
terjadi di wilayah pemanasan matahari minimum untuk menghasilkan pemanasan bersih.
• Di bawah daerah ini adalah wilayah pendinginan maksimal terkait dengan gradien vertikal
besar uap air dan suhu. Pendinginan yang dihasilkan oleh radiasi gelombang panjang
melebihi pemanasan surya di setiap lintang, terutama karena uap air (maks di tropis)
• Kehadiran awan cenderung memoderat pendinginan di atmosfer yang lebih rendah, dengan
mengurangi pendinginan di bawah awan dan memproduksi pemanasan di puncak.
27. Radiasi Budget di Permukaan
• Fluks radiasi bersih di permukaan berdasarkan
kesetimbangan radiasi
𝐹↓
𝑠
= solar flux yang mencapai permukaan
𝑟𝑠 = 𝑎𝑙𝑏𝑒𝑑𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑢𝑘𝑎𝑎𝑛
𝜀 𝑠 = emisivitas permukaan (absorptivitas)
𝑇4
𝑠
= solar flux yang mencapai permukaan
𝐹↓
𝑖𝑟
= Fluks Inframerah thermal dari atmosfer ke permukaan
Net solar (short wave) flux Longwave (infrared) flux
• Studi tentang (SRB) penting yang berkaitan dengan pemodelan iklim dan
parameterisasi
• Nilai SRB diperlukan untuk mengevaluasi fluks panas yang masuk akal dan
laten dari permukaan ke atmosfer, yang merupakan bagian penting dari siklus
hidrologi dan energi global.
• akurasi SRB tergantung pada input data, khususnya yang menyangkut awan,
dan pada kode radiasi yang digunakan dalam perhitungan. (Pinker et al.1995).
28. • Nilai kecil tinggi albedo, kecilnya nilai cloudiness dan kelembaban, tingginya
suhu permukaan
• Lebih tinggi dilautan, tropis downward lebih melimpah/gains, kutub loss
• Musim dingin di kutub, nilai downward sangat kecil atau mendekati nol
30. • keseimbangan energi di TOA dan permukaan
Sehingga suhu di permukaan
dan atmosfer adalah
kesetimbangan energi
31. Vertikal model
• Untuk mendapatkan profil suhu vertikal dimana saat kesetimbangan,
kita dapat melaksanakan prosedur iterasi dan waktu-berbaris
sebagai berikut:
32. HEAT BUDGET OF THE EARTH–ATMOSPHERE SYSTEM
• Sumber energi yang mendorong iklim bumi berasal dari radiasi elektromagnetik yang
dipancarkan dari matahari. Solar constant, yaitu, radiasi matahari (atau fluks) sesuai
dengan jarak rata-rata antara bumi dan matahari yang tersedia di area satu meter
persegi menghadap matahari, di TOA sekitar 1366 W m -2(Bersandar dan Rind,
1998)
Rata-rata solar fluks
ke permukaan datar di
TOA = ¼ solar
constant
34. Presipitasi tambahan ini ditopang oleh lebih banyak energi meninggalkan permukaan oleh
penguapan - yaitu, dalam bentuk laten fluks panas - dan karena diimbangi peningkatan gelombang
panjang fluks ke permukaan.
35.
36. Trenberth, K. E., and J. T. Fasullo (2009), Global
warming due to increasing absorbed solar
radiation, Geophys. Res. Lett., 36, L07706,
doi:10.1029/2009GL037527.
Perubahan net
radiation (atas), -OLR
(tengah), dan ASR
(bawah) dari 1960 to
2100 menggunakan 13
CMIP3 models.
Kanan – periode rata-
rata 1950 to 2100.
37.
38. Flux
• How energy (or any material) passes through a unit
surface area per unit time
• Can think of energy as a particle
• Units: some mass per unit area per unit time
• mg/m2/hr (= mg m-2 h-1)
• mmol quanta/ m2/hr
40. Think about how that affects energy
flux with latitude on earth.
41. Back to energy
• Energy is expressed as Joules (J) –
measures heat, electricity and mechanical
work
• 1 J = 0.239 calories
• 1 J = 2.7778 ×10−7 kilowatt hour
• Power (the rate at which work is done or
energy is moved) is expressed in Watts (W)
• 1 W = 1 J/second
• W/m2 then is a unit of energy flux
• =J/m2/s
• Energy flux is important for global climate
• Polar regions cooler due to lower energy flux
(mass per unit area per unit time)
42. • Earth Radiation Budget Experiment (ERBE)
• Colud and earths radiant energy sistem
