Fluktuasi Suhu Tanah

Pengantar

Ketika membicarakan tentang pertukaran energi antara tanah dan atmosfer, maka yang harus dipahami adalah suhu tanah dan penyimpanan panas di dalam tanah bukan hanya fluks panas tersebut. 

Pada siang hari, radiasi matahari memanaskan permukaan, permukaan menjadi lebih hangat daripada tanah di bawahnya dan panas mengalir ke dalam tanah. Perpindahan panas dari permukaan ini mendinginkan permukaan. Pada malam hari, permukaan lebih dingin daripada tanah dan panas mengalir keluar dari tanah. Perolehan energi di permukaan ini menghangatkan permukaan. Akibatnya, suhu udara permukaan menunjukkan kisaran diurnal yang lebih kecil dibandingkan jika tidak ada panas yang tersimpan di dalam tanah.

Suhu tanah salah satu unsur iklim yang sangat penting karena secara langsung mempengaruhi dalam pertumbuhan tanaman dan ketersediaan nutrisi bagi tanaman. Fluktuasi suhu tanah dapat secara harian, bulanan ataupun musiman. Suhu tanah mempengaruhi berbagai sifat tanah seperti aktivitas biologis tanah, dekomposisi bahan organik, kapasitas pertukaran kation, pH tanah, struktur tanah, dan kadar air tanah. Suhu tanah juga mempengaruhi pertumbuhan tanaman dan berdampak pada laju nitrifikasi,  mempengaruhi kadar air tanah, aerasi serta ketersediaan nutrisi tanaman. Suhu tanah terutama dipengaruhi oleh radiasi matahari dan bervariasi secara musiman dan harian.

Suhu tanah faktor yang menentukan proses-proses fisika yang terjadi di dalam tanah. Pertukaran energi dan massa dengan atmosfer dan termasuk juga proses evaporasi dan aerasi. Parameter tanah yang mempengaruhi suhu tersebut antara lain: kapasitas panas spesifik, penghantaran panas, difusifitas tanah, serta sumber dan keluaran panas internal pada waktu tertentu. 

Suhu tanah biasanya diukur dengan menggunakan termometer, dan merupakan fungsi dari fluks panas di dalam tanah serta pertukaran panas antara tanah dan atmosfer. 


Faktor-faktor Mempengaruhi Suhu Tanah

Menurut Mavi dan Tupper (2003) beberapa faktor yang mempengaruhi suhu tanah adalah:

  1. Sisi dan kemiringan (slope). Faktor-faktor ini sangat mempengaruhi perbedaan suhu tanah di luar daerah tropis. Di Belahan Bumi Utara, slope yang mengarah ke bagian Selatan akan selalu lebih panas dibandingkan yang menghadap ke bagian Utara, hal ini sebaliknya di Belahan Bumi Selatan. Perbedaan suhu di permukaan tanah melebihi daripada suhu udara.
  2. Pengolahan tanah (tillage). Dengan melengaskan topsoil dan membuat mulsa, pengolahan tanah menurunkan suhu tanah.
  3. Tekstur tanah. Dikarenakan kapasitas panasnya lebih rendah, tanah berpasir lebih cepat panas maupun lebih cepat dingin daripada tanah liat. Maka mempunyai suhu panas lebih tinggi saat siang hari dan suhu lebih rendah lebih rendah.
  4. Bahan organik. Bahan organik dapat mengurangi kapasitas dan konduktivitas termal tanah, meningkatkan kapasitasnya menahan air dan warna tanah yang gelap meningkatkan penyerapan terhadap cahaya matahari.

Lapisan tanah bumi sangat penting dalam menjaga kehidupan tanaman, mendukung struktur tanah dan memasok air dan nutrisi. Tanah juga penyimpan panas, penyerap energi pada siang hari dan sumber panas di permukaan tanah pada malam hari. Sebagian besar organisme tanah berfungsi paling baik pada suhu tanah yang optimal.  Secara tahunan, tanah menyimpan energi selama musim panas dan melepaskannya ke udara selama musim dingin bagian dari tahun tersebut.

Fluktuasi suhu tanah

Panas yang diterima di permukaan tanah ditransfer ke dalam lapisan tanah yang lebih dalam melalui proses konduksi. Model-model suhu tanah dapat menggambarkan besaran konduktifitas panas dan aliran/penyimpanan tanah sesuai dengan kedalamannya.

Menurut Geiger (2003) Ada 3 kuantitas penting yang dapat mewakili suhu tanah yaitu : Kedalaman tanah (z), Suhu (T) dan Waktu (t).

Fourier pada tahun 1822 telah melakukan pengamatan tentang peristiwa konduksi pada benda padat. Hukum Fourier menyebutkan bahwa  bahwa aliran panas pada benda homogen searah dan proporsional dengan perubahan suhu, digambarkan dalam persamaan sebagai berikut: 

G(z) = -k dT/dz

Dimana: G adalah laju aliran panas (W/m2) (jumlah konduksi panas melewati satuan luas penampang melintang per satuan waktu), k adalah konduktivitas panas tanah (W/K.m), T adalah suhu tanah dan z adalah kedalaman tanah. 

Suhu tanah merupakan fungsi dari fluks panas dalam tanah serta pertukaran panas antara tanah dan atmosfer.

Profil suhu tanah

Profil suhu tanah adalah gambaran detail tentang bagaimana suhu tanah berubah dengan kedalaman dan waktu. Panas yang diterima permukaan tanah ditransfer ke dalam lapisan tanah yang lebih dalam melalui proses konduksi. Permukaan tanah semakin lama menerima pemanasan matahari, maka semakin dalam panas yang dapat ditransfer. Sehingga suhu tanah di lapisan bawah akan lebih kecil daripada suhu di atasnya.

Profil suhu tanah dapat dijelaskan oleh model matematis sederhana. Penyajian model matematik paling sederhana yaitu menganggap semua kedalaman tanah, suhu naik dan turun merupakan fungsi harmonis murni (bentuk fungsi sinus) dari waktu di sekitar nilai rata-ratanya. 

Gambar 1. Contoh estimasi sinusodial suhu tanah di lintang tinggi (suhu rata-rata 10 °C, amplitudo 7 °C dan periode 24 jam). 

a. Suhu tanah di permukaan
T(0,t) = Ta + A0 * sinωt

Saat waktu awal t = 0, maka suhu di permukaan tanah dapat dinyatakan dengan persamaan di atas ini. Di mana: T(0,t) merupakan suhu tanah di permukaan fungsi waktu t. Ta adalah suhu tanah rata-rata (°C). A0 merupakan amplitudo dari fluktuasi suhu tanah (kisaran suhu maksimum atau minimum ke suhu rata-rata). A0 kisaran maksimum atau minimum ke suhu rata-rata, atau A0 = 1/2 (Tmax - Tmin).  ω adalah frekuensi radial, yang besamya dua kali frekuensi sesungguhnya. ω = 2π/365 adalah frekuensi sudut dari variasi tahunan (rad/hari). adalah fase osilasi pada kedalaman z yang nilainya bisa berbeda tergantung pada kedalamannya. 

b. Suhu tanah di kedalaman tertentu (z)

T(z,t) = Ta + Az * sin[ωt + ϕ(z)]

Di mana T(z, t) menunjukkan suhu tanah pada kedalaman z dan waktu t. Az amplitudo variasi suhu pada kedalaman z, yang dapat berubah pada kedalaman. ϕ(z) adalah fase osilasi pada kedalaman z.


Sumber :

Buku dan Jurnal 

Harpal S. Mavi and Graeme J. Tupper. 2004. Agrometeorology: Principles and Applications of Climate Studies in Agriculture, The Haworth Press, Binghamton, NY. 

Geiger, R., Aron, R.H. and Todhunter, P. 2003 The Climate near the Ground. 6th Edition, Rowman and Littlefield Publishers, Lanham.