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 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, 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. Fourier menjelaskan perpindahan panas melalui konduksi. Panas mengalir dari suhu tinggi ke suhu yang lebih rendah. 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. 

Konduktivitas termal menentukan aliran panas dalam satuan waktu dengan konduksi melalui satuan ketebalan dari satuan luas material melintasi satuan gradien suhu. Kapasitas panas adalah ukuran perubahan suhu yang timbul dari perubahan penyimpanan panas ini. Kapasitas panas adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk mengubah suhu satu unit volume material sebesar 1°C. 

Sehingga, suhu tanah merupakan fungsi dari fluks panas dalam tanah dan pertukaran panas antara tanah dan atmosfer.

Profil suhu tanah

Profil suhu tanah adalah gambaran detail tentang bagaimana suhu tanah berubah dengan kedalaman dan waktu. Sifat tanah (yaitu konduktivitas termal dan kapasitas panas) menentukan profil suhu untuk fluks panas yang disampaikan ke permukaan. 

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 rendah daripada suhu di atasnya. 

Profil suhu tanah dapat dijelaskan oleh model matematis sederhana. Penyajian model matematik paling sederhana 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). 

Profil suhu tanah dapat dibedakan atas di permukaan dan di kedalaman tertentu yaitu :

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

Di saat waktu awal t = 0, maka suhu di permukaan tanah dapat dinyatakan dengan persamaan di atas. 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 = 1/2 (Tmax - Tmin). ω adalah frekuensi radial, yang besarnya dua kali  frekuensi sesungguhnya. ω = 2π/365 adalah frekuensi sudut dari variasi tahunan (rad/hari).  

Fase osilasi pada kedalaman tertentu 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

Keseimbangan panas tanah

Keseimbangan panas di dalam tanah karena adanya pertukaran energi panas antara tanah dan lingkungannya. Proses ini melibatkan beberapa faktor, antara lain radiasi matahari, konduksi panas, konveksi, dan evaporasi. Digambarkan secara sederhana sebagai berikut :


Gambar 2. Gambaran sederhana proses yang terlibat dalam keseimbangan panas di dalam tanah

Keseimbangan panas tanah menjelaskan tentang neraca tanah yang diterima oleh permukaan tanah dan hilangnya energi panas tersebut di permukaan. Panas di dalam tanah dapat hilang karena proses berupa :

1. Evaporasi
2. Kembali ke atmosfer sebagai radiasi gelombang panjang
3. Pemanasan udara oleh tanah
4. Pemanasan di tanah


Tautochrones, keseimbangan panas di dalam tanah


Geiger menggambarkan dalam bukunya "The Climate Near The Ground" dengan istilah tautochrones, yaitu ilustrasi untuk menjelaskan garis/kurva yang tiap garisnya menyatakan waktu yang diperlukan agar suhu pada kedalaman tertentu dapat mencapai titik keseimbangan (isotermal) pada semua kedalaman tanah (contoh Gambar 3). Gambar 3 menunjukkan variasi diurnal suhu tanah harian musim panas yang cerah dalam bentuk tautochrones. Pengamatan oleh L. Herr dilakukan pada tanggal 10 dan 11 Juli 1934 untuk sepuluh kedalaman tanah berbeda, variasi suhu dengan kedalaman untuk jam-jam ganjil dalam sehari. Tautochrones bervariasi antara dua ekstrem, yang secara ringkas didefinisikan pada  15 [pukul 3:00 PM] dan 5 [pukul 5:00 AM].

Gambar 3. Tautochrones pada permukaan hingga pada kedalaman tertentu, digambarkan Geiger pada saat musim panas



Ilustrasi ini menunjukkan suhu permukaan tanah cepat bereaksi terhadap perubahan suhu harian (misalnya, pemanasan dan pendinginan sepanjang hari), sementara suhu pada kedalaman yang lebih dalam menunjukkan fluktuasi yang lebih lambat dan lebih stabil. Semakin dalam lapisan tanah, semakin lambat perubahannya, karena tanah memiliki sifat yang dapat menahan perubahan suhu. Informasi ini juga memberikan pemahaman bagaimana tanaman akarnya pada kedalaman tertentu akan merespons suhu tanah sepanjang waktu. Tanaman dengan akar dalam, kestabilan suhu lebih tinggi sehingga mereka lebih tahan terhadap fluktuasi suhu harian yang ekstrem. Sebaliknya, tanaman dengan akar dangkal akan lebih cepat merespons suhu tanah dan udara. Sehingga para ahli agroklimatologi dapat merencanakan jenis tanaman berdasarkan musim dan suhu tanah di kedalaman tertentu, serta memprediksi dampaknya  terhadap suhu tanah di berbagai kedalaman. 



Gambar 4. Variasi suhu tanah harian di Malaysia (Alam et al., 2015)

Sebagai perbandingan di daerah tropis, variasi suhu tanah cenderung lebih stabil dan lebih hangat dibandingkan dengan daerah yang memiliki iklim lebih dingin( Alam et al., 2015). Fluktuasi suhu tanah ini biasanya lebih rendah dibandingkan dengan suhu udara di atasnya/ di permukaan Variasi suhu tanah juga dipengaruhi oleh beberapa faktor, termasuk konduktivitas termal, kepadatan, dan kondisi meteorologis di daerahnya.

Sumber :

Buku 

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

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

Hillel, D. 2003. Introduction to Environmental Soil Physics. Academic Press.

Jurnal 

Alam MR , Zain MFM, Kaish A, Jamil M. 2015. Underground soil and thermal conductivity materials based heat reduction for energy-efficient building in tropical environment. Indoor and Built Environment 24 (2), 185-200.