Fisika Musim

Ilmu Fisika sangat berkaitan erat dengan bidang lainnya. Sebagai contoh: earth science (ilmu bumi), geofisika, dan fisika bangunan. Yang disebut terakhir tidak hanya mempelajari hubungan fisika dengan ilmu bangunan seperti material, luas, dan letak bangunan, tetapi juga mempelajari iklim dan cuaca. Dengan memahami iklim can cuaca pada suatu wilayah tertentu, maka akan dapat dirancang bangunan yang sesuai dengan tempat tersebut.

Orbit Bumi

Lintasan orbit Bumi [1]

Bumi mengelilingi matahari dengan periode yang disebut revolusi bumi. Jarak terdekat bumi (periapsis/perhelium) dengan matahari adalah 147 juta kilometer, sedangkan jarak terjauhnya (apoapsis/aphelium) adalah 152 juta tahun. Selama satu revolusi bumi menempuh jarak 940 juta kilometer dalam 364.25 hari.

Back to old school: revolusi bumi menyebabkan adanya perbedaan musim: dua musim di daerah tropis, dan empat musim di daerah sub-tropis. Rotasi bumi menyebabkan adanya siang dan malam. Pada gambar diatas, dengan jelas diilustrasikan perjalanan revolusi bumi beserta waktunya. Posisi periapsis terjadi pada bulan januari sedangkan apoapsis terjadi pada bulan Juli. Pada bumi bagian utara (perhatikan sumbu rotasi bumi), pada bulan Januari merupakan puncak musim dingin karena posisinya berkebalikan dengan matahari sedangkan pada bulan Juli merupakan musim panas karena posisinya berhadapan langsung dengan matahari meski berada pada jarak terjauh. Dari bulan Januari ke September adalah musim semi (Maret - Juni), sedangkan dari September ke Desember adalah musim gugur, peralihan dari panas ke dingin. Sedangkan pada bumi bagian selatan, musimnya adalah berlawanan dengan bumi belahan utara. Artinya, jika pada bumi bagian utara musim panas, pada bagian selatan musim dingin, jika pada bumi bagian utara musim semi, maka di bumi belahan selatan musim gugur. Begitu pula sebaliknya.

Lebih jauh tentang musim pada waktu tertentu dapat dilihat pada simulasi di bawah ini (klik gambar tersebut). Dengan simulator tersebut, posisi bumi pada tiap waktu dapat diketahui dan didapatkan musim apa pada belahan bumi mana.

Simulator musim [2]

Jadi, apa yang menyebabkan adanya perbedaan musim...? Revolusi bumi bukan faktor utama. Adalah kemiringan poros bumi sehingga menyebabkan adanya perbedaan musim pada masing-masing tempat di bumi.

Perbedaan musim pada masing-masing waktu [3]

Posisi matahari di beberapa tempat di bumi

Matahari seperti halnya bintang lainnya bergerak di langit dengan pola yang tetap. Terbit di suatu tempati di ujung timur dan tenggelam di suatu tempat di ujung barat. Ya, matahari tidak selalu terbit tepat di 0 derajat dan tenggelam di 180 derajat (Perhatikanlah!). Lintasan matahari ini bergantung pada posisi pengamat di Bumi dan waktu pengamatan. Misal lintasan matahari bagi pengamat yang tinggal di daerah khatulistitwa (seperti kita) berbeda dengan lintasan matahari bagi pengamat di daerah kutub atau sub-tropis.

Gambar di bawah merupakan lintasan matahari (solar path) pada hari ini, 11 April 2017. Pada gambar tersebut nampak posisi matahari maksimum pada sudut 75.32 derajat pada pukul 11.33 WIB. Bagaimana cara  menghitungnya? Ada banyak cara, banyak aplikasi solar path calculator tersedia, misalnya yang saya pakai untuk gambar di bawah.

Solar path Surabaya pada 11 April 2017

Jika anda ingin mengetahui solar path selama setahun, anda bisa mensimulasikannya dengan bantuan aplikasi ini. Beberapa cara dapat digunakan untuk menghitung noon sun, yakni posisi sudut maksimum matahari (waktu sholat dhuhur), yakni dengan menggunakan perhitungan sudut zenith atau melalui perhitungan analemma.

Jika sudut zenith diketahui maka,

$$A = 90 - Z$$

dimana Z adalah zenith. Sudut ini berubah tiap waktu/harinya.

Dengan menggunakan analemma, anda harus mencari subpoint polar pada diagram tersebut. Subsolar point merupakan fungsi lokasi (latitude) dan waktu (hari). Formulasinya adalah sbb,

$$A=90-(Latitude+Subsolar Point)$$

Ada beberapa formulasi lainnya, misal dengan menghitung arces tangen dari bayangan pada posisi siang, Solar Posisiton Algorithm (SPA),  atau dari perhitungan elevation/declination angle. Alih-aling menghitung secara manual anda dapat langsung mengetahui sun path pada suatu lokasi melalui aplikasi ini.


Referensi:

1. Wikipedia, earth's orbits
2.  Season simulator
3.  https://spaceplace.nasa.gov/seasons/en/
4. http://physics.weber.edu/schroeder/ua/default.html