Radiasi matahari

Radiasi matahari yang diterima oleh permukaan bumi disebut insolasi (incoming solar radiation). Kira-kira 99,9% semua energi yang ada di atmosfer bumi berasal dari radiasi matahari. Hanya sangat sedikit energi atmosfer disuplai oleh bumi sendiri baik oleh aktivitas vulkanik atau peluruhan material radioaktif dan pembakaran material organik yang secara klimatologi hanya bersifat lokal. Semua pergerakan dan perubahan di dalam atmosfer disebabkan oleh variasi jumlah insolasi yang diterima. Variasi ini kemudian merupakan penyebab utama perbedaan iklim (baca postingan sebelumnya).

Durasi insolasi tentu saja adalah panjang hari. Ini dikontrol oleh rotasi bumi pada sumbunya tetapi karena sumbu tersebut membuat sudut 67,5o dengan bidang orbit bumi mengelilingi matahari maka tempat-tempat di belahan bumi musim panas menikmati hari lebih panjang daripada yang mengalami musim dingin. Waktu eksposur tahunan total terhadap matahari adalah sama di semua tempat di bumi ini tetapi perbedaan di antara hari-hari musim panas dan dingin meningkat dengan lintang. Waktu ekstrimnya dicapai dekat kutub dimana terdapat siang hari sepanjang 6 bulan kontinyu dilanjutkan dengan malam hari selama 6 bulan kontinyu. Hanya saat ekuinoks pada tanggal 23 Maret dan 22 September, panjang siang dan malam di mana-mana sama.

Di ekuator, semua hari dalam satu tahun mempunyai panjang 12 jam 7 menit. Secara astronomis, durasi 12 jam tersebut sudah pasti sedangkan 3,5 menit tercapai saat separuh bagian atas matahari tidak nampak di bawah horizon saat matahari terbenam dan 3,5 menit saat matahari terbit sebelum pusat cakram matahari berada di horizon.

Di lintang rendah perbedaan hari terpendek dan terpanjang meningkat kira-kira 7 menit per derajat lintang; kira-kira 71 menit di lintang 10 derajat dan 146 menit di lintang 20 derajat (List, 1958). Di lintang rendah variasi musiman panjang hari sangat kecil. Di lintang tengah temperatur tinggi berhubungan dengan hari-hari musim panas yang panjang, sedangkan di tropis hari-hari selalu pendek dan matahari jarang terbenam lebih dari jam 7 pm waktu lokal.

Intensitas insolasi
Orbit bumi mengelilingi matahari adalah eliptik (tidak lingkaran) sehingga ada saat bumi berjarak sangat dekat dengan matahari dan ada saat dimana bumi berada pada jarak terjauhnya. Pada sekitar 3 Januari matahari berada pada jarak minimum (perihelion) yakni 147 juta km dan pada 4 Juli pada jarak maksimumnya (aphelion) yakni 152 juta km. Sebagai akibatnya radiasi matahari di puncak atmosfer pada bulan Januari kira-kira 7% lebih intensif daripada pada Juli, dan perbedaan ini sama untuk semua lintang. Secara teoritis, hal ini menyebabkan musim panas di belahan bumi selatan lebih panas dan musim dinginnya lebih dingin daripada di belahan bumi utara. Namun demikian efek ini diimbangi oleh efek kontinentalitas yang lebih kuat di belahan bumi utara. Secara klimatologi, perbedaan intensitas insolasi ini jauh lebih besar dipengaruhi oleh variasi elevasi matahari, yakni posisi matahari di langit di atas horizon. Ini biasanya ditunjukkan oleh waktu lokal siang hari dimana matahari mencapai elevasi maksimum hariannya.

Ada tiga alasan mengapa posisi tinggi dari matahari menyebabkan insolasi lebih intensif daripada pada elevasi rendah. Pertama adalah bahwa sinar yang datang pada matahari tinggi disebar pada permukaan yang lebih kecil dibanding pada matahari rendah. Intensitas insolasi bervariasi sebanding dengan sinus sudut datang radiasi. Alasan kedua adalah bahwa posisi tinggi matahari berarti lebih pendeknya melewati atmosfer sehingga radiasi matahari lebih sedikit dipencarkan (proses scattering)yang disebabkan oleh partikel debu atmosferik. Efek ini dengan jelas ditunjukkan oleh efek yang kurang merusak pada mata manusia telanjang pada saat matahari rendah daripada saat matahari pada posisi tinggi. Alasan ketiga adalah berhubungan dengan albedo yakni perbandingan antara radiasi matahari yang dipantulkan dengan radiasi yang datang. Albedo dipengaruhi oleh sifat permukaan khususnya warna dan dia menurun dengan elevasi matahari yang lebih tinggi. Efek ini sangat terlihat di atas air sehingga secara klimatologi sangat penting di daerah tropis dimana tiga per empat permukaan bumi didominasi oleh laut dan lautan.