I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Pertumbuhan penduduk merupakan faktor utama yang mempengaruhi perkembangan pemukiman dan kebutuhan prasarana dan sarana. Peningkatan jumlah penduduk yang disertai dengan tingginya aktivitas manusia dan pesatnya pembangunan menyebabkan perubahan di segala bidang. Salah satunya adalah perubahan penutup dan penggunaan lahan. Perubahan penutup dan penggunaan lahan dapat merubah reflektansi radiasi surya permukaan bumi dan menyebabkan pendinginan atau pemanasan lokal. Perubahan tersebut dapat mengubah distribusi ekosistem lingkungan dan sifatsifat fisis permukaan seperti kapasitas panas, emisivitas, konduktivitas thermal dan kekasapan permukaan yang selanjutnya akan mengubah penerimaan komponen neraca energi di daerah tersebut. Kapasitas panas adalah jumlah panas yang terkandung oleh suatu benda. Setiap permukaan menerima energi radiasi matahari yang sama, tetapi kapasitas panas yang dimiliki berbeda-beda. Sehingga suhu yang dihasilkannya pun juga berbeda. Kapasitas panas suatu benda bergantung pada panas jenis dan massa jenis atau kerapatannya. Massa jenis pada penelitian ini dikaitkan dengan jenis penutup lahan dan diduga dengan pendekatan Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) yang diestimasi dari data satelit Landsat. Sehingga akan diperoleh kapasitas panas tiap penutup lahan. 1.2. Tujuan Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui nilai kapasitas panas (C) dan perubahannya untuk masing-masing penutup lahan menggunakan data citra satelit Landsat. II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Citra Satelit Landsat Penginderaan jauh (inderaja) secara umum didefinisikan sebagai suatu cara untuk memperoleh informasi dari objek tanpa mengadakan kontak fisik dengan objek tersebut, sedangkan secara khusus adalah usaha untuk mendeteksi gelombang elektromagnetik baik yang dipancarkan atau dipantulkan oleh objek. Menurut fungsinya satelit inderaja dibedakan menjadi satelit sumber dan satelit lingkungan-cuaca. Satelit
yang termasuk sumber alam diantaranya adalah SPOT dan LANDSAT, sedangkan satelit lingkungan dan cuaca diantaranya METEOR dan COSMOS (USSER), TIROS-N dan NOAA-N(USA). Satelit Landsat merupakan satelit yang digunakan untuk memantau sumber daya yang ada di bumi. Satelit ini merupakan hasil kerja sama antara National Aeronautics and Space Administration (NASA) dengan Department of Interior United State pada pertengahan tahun 1960an. Landsat sebelumnya bernama Earth Resources Technology Satellite (ERTS-1) yang diluncurkan pada tanggal 23 Juli 1972 dengan tujuan memberikan gambaran secara menyeluruh tentang permukaan bumi. Satelit Landsat melewati daerah yang sama setiap 16 hari sekali dengan waktu 103 menit untuk melakukan satu putaran mengelilingi bumi serta memiliki ketinggian orbit pada 705 km. Orbit Landsat melalui 9° Kutub Selatan dan Kutub Utara. Satelit Landsat 7 diluncurkan dari Vandenburg Air Force Base pada tanggal 15 April 1999 dengan wahana Delta II. Satelit mengorbit pada ketinggian 705 km, sun synchronous, dan memetakan bumi dengan siklus pengulangan 16 hari sekali. Sensornya merupakan instrumen “single nadirpointing”, disebut Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+). Komunikasi melalui S-Band digunakan untuk mengendalikan satelit dan X-Band digunakan untuk data downlink. Meskipun orbit satelit Landsat 7 melewati tempat yang sama setiap 16 hari pada waktu yang sama, perubahan elevasi matahari dapat menyebabkan variasi iluminasi sehingga mempengaruhi citra yang diperoleh. Perubahan ini terutama disebabkan oleh perubahan musiman posisi utara-selatan matahari relatif terhadap bumi Sistem Landsat-7 dirancang untuk bekerja 7 band atau kanal energi pantulan (band 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8) dan satu band energi emisi (band 6). Sensor ETM+ bekerja pada 3 resolusi, yaitu 30 meter untuk band 1-5, dan 7; 60 meter untuk band 6; dan 15 meter untuk band 8. Data ETM+ yang dikalibrasi dengan baik dapat diolah untuk mengubah energi surya yang dikumpulkan oleh sensor menjadi nilai radiance. Radiance (radiansi) adalah flux energi (terutama dalam bentuk energi irradian atau energi datang) tiap sudut
1
Tabel 1. Informasi dan Status Satelit Landsat Satelite
Masa Operasi
Non Aktif
Nama satelit
Landsat 1
23 Juli 1972
6 Januari 1978
RBV, MSS
Landsat 2
22 Januari 1975
25 Februari 1982
RBV, MSS
Landsat 3
5 Maret 1978
31 Maret 1983
RBV, MSS
Landsat 4
16 Juli 1982
14 Desember 1993
MSS, TM
Landsat 5
1 Maret 1984
**
MSS, TM
Landsat 6
5 Oktober 1993
Hilang saat Peluncuran
ETM
**
ETM+
Landsat 7 15 April 1999 ** Beroperasi sampai saat ini
Tabel 2. Karakteristik dan Kegunaan Umum Masing - Masing Kanal dari Satelit Landsat Saluran (band)
Panjang Gelombang (µm)
Resolusi Spasial (meter)
1
0.45-0.52
30
2
0.53-0.6
30
3
0.63-0.69
30
Sifat dan Aplikasinya • Tanggap peningkatan penetrasi tubuh air • Mendukung analisis sifat khas lahan, tanah, vegetasi • Mengindera puncak pantulan vegetasi • Menekankan perbedaan vegetasi dan nilai kesuburan • Untuk memisahkan vegetasi • Saluran pada serapan klorofil dan memperkuat kontras vegetasi dan bukan vegetasi • Tanggap biomassa vegetasi • Identifikasi tipe vegetasi • Memperkuat kontras tanah - tanaman dan lahan - air
4
0.76-0.9
30
5
1.55-1.75
30
• Menentukan jenis tanaman dan kandungan air tanaman • Membantu menentukan kondisi kelembaban tanah
6
10.4-12.5
60
• Deteksi suhu objek • Analisa gangguan vegetasi • Perbedaan kelembaban tanah
7
2.08-2.35
30
• Pemisahan formasi batuan • Analisis bentuk lahan
Sumber : Kiefer 1990 energi yang meninggalkan satu unit luasan permukaan pada arah tertentu. Radiansi berhubungan dengan kecerahan (brightness) pada arah tertentu menuju sensor, dan sering dirancukan dengan reflektansi (reflectance), yang merupakan rasio energi yang dipantulkan dengan energi datang. Sementara radiansi merupakan energi yang diukur oleh sensor dan agak dipengaruhi oleh reflektansi. 2.2. Neraca Energi Neraca energi merupakan kesetimbangan antara masukan energi dari surya dengan kehilangan energi oleh permukaan setelah melalui proses-proses yang kompleks . Persamaan dari neraca
energi permukaaan dapat dituliskan sebagai berikut: Rn G H E .........................................1 Dimana Rn adalah radiasi netto (Wm), G adalah fluks pemanasan tanah (Wm-2), H adalah fluks pemanasan Udara (Wm-2) dan λE adalah fluks pemanasan uap air (Wm-2). Radiasi netto dihitung dari selisih antara gelombang pendek matahari yang datang ( RS ) dan gelombang panjang yang datang ke permukaan ( RL ) dengan 2
gelombang pendek yang keluar ( RS ) dan
2
gelombang panjang yang keluar (hilang) ( RL ). Rn RS RS RL RL ...........................2 Pada siang hari atau musim panas, proses dominan adalah masukan energi dari radiasi surya ke permukaan. Energi radiasi ini diubah menjadi energi laten melalui proses penguapan dari permukaan dan sebagian lainnya dipindahkan ke dalam tanah maupun keluar untuk memanaskan udara diatasnya. 2.3. Albedo Albedo adalah perbandingan jumlah radiasi yang dipantulkan dengan jumlah energi radiasi surya yang diterima oleh suatu permukaan. Energi yang dipantulkan oleh suatu permukaan memiliki panjang gelombang yang pendek, sehingga sensor yang digunakan untuk menghitung albedo adalah sensor yang menerima panjang gelombang pendek. 2.4. Suhu Permukaan Suhu permukaan dapat diartikan sebagai suhu bagian terluar dari suatu objek. Untuk suatu tanah terbuka, suhu permukaan adalah suhu pada lapisan terluar permukaan tanah. Sedangkan untuk vegetasi dapat dipandang sebagai suhu permukaan kanopi tumbuhan, dan pada tubuh air merupakan suhu dari permukaan air tersebut. Suhu permukaan bumi merupakan tanggapan terhadap berbagai fluks energi yang melaluinya. Energi di permukaan menjadi sumber pembangkit gradien suhu, gradien kecepatan dan gradien konsentrasi. Gradien tersebut merupakan penggerak pada proses pemindahan massa, bahang dan momentum. Proses pemindahan bahang yang utama pada tanah terjadi secara konduksi. Fluks bahang yang mengalir dari dan ke luar permukaan tergantung sifat tanah yang mempunyai nilai konduktivitas bahang. Energi panas akan dipindahkan dari permukaan yang lebih panas ke udara diatasnya yang lebih dingin. Sebaliknya jika udara lebih panas dan permukaan lebih dingin, panas akan dipindahkan dari udara ke permukaan di bawahnya (Rosenberg, 1974). Pada saat permukaan suatu benda menyerap radiasi, suhu permukaannya belum tentu sama. Hal ini tergantung pada sifat fisik objek pada permukaan tersebut. Sifat fisis objek tersebut diantaranya : emisivitas, kapasitas panas jenis dan konduktivitas thermal. Suatu objek di
permukaan yang memiliki emisivitas dan kapasitas panas jenis rendah, sedangkan konduktivitas thermalnya tinggi akan menyebabkan suhu permukaannya meningkat. Hal sebaliknya terjadi pada suatu objek yang memiliki emisivitas dan kapasitas jenis yang tinggi sedangkan konduktivitas thermalnya rendah akan menyebabkan lebih rendahnya suhu permukaan. Suhu permukaan akan mempengaruhi jumlah energi untuk memindahkan panas dari permukaan ke udara (Adiningsih 2001). Suhu permukaan merupakan unsur pertama yang dapat diidentifikasi dari citra satelit Thermal. Dimana dalam remote sensing, suhu permukaan dapat didefinisikan sebagai suhu permukaan rata-rata dari suatu permukaan, yang digambarkan dalam cakupan suatu piksel dengan berbagai tipe permukaan yang berbeda. 2.4.1. Kapasitas Panas Kapasitas panas suatu benda bergantung pada panas jenis dan massa jenis atau kerapatannya. ΔQ = m C ΔT…………..…………...….3 C = ρ c……………………………….……….....4 Dimana, ΔQ adalah jumlah energi yang diterima atau dilepaskan (Joule), ΔT adalah selisih suhu (oC), m adalah massa (kg), C adalah kapasitas panas (J m-3 o C-1), c adalah panas jenis (Jkg-1oC-1), dan ρ adalah massa jenis (kgm-3). Dari persamaan diatas dapat dikatakan bahwa jika setiap permukaan menerima energi radiasi matahari yang sama tetapi dengan kapasitas panas yang berbeda, maka suhu yang dihasilkan juga berbeda. Jika suatu benda berkapasitas panas besar, maka perubahan suhu yang dihasilkan rendah. Sebaliknya jika suatu benda berkapasitas panas kecil, maka perubahan suhu yang dihasilkan tinggi. Kecepatan suatu benda hingga menjadi panas bergantung pada konduktivitas termalnya. Semakin besar konduktivitas termal suatu benda, maka semakin cepat perambatan panas dan semakin besar suhunya. Panas ditransfer melalui tanah, batu dan daerah dibawah permukaan tanah lainnya (kecuali untuk air yang bergerak). Dari Tabel 3 ditunjukkan bahwa kapasitas panas air paling besar dan suhu yang dihasilkan rendah karena konduktivitas termalnya rendah, berbanding terbalik
3
Tabel 3. Sifat Fisik Benda
Benda Lahan Basah Lahan Kering Tanah Liat Basah
Massa Jenis (g m-3) 8x10-71x10-6 3x10-76x10-7 1.7x10-62.2x10-6
Tanah Liat Kering
-
Pasir Basah
-
Panas Jenis (Joule g1o -1 C )
0.44
Kapasitas Panas (Joule m-3 oC-1 ) 2.51x10-63.35 x10-6 0.42 x10-60.84 x10-6 1.25 x10-61.67 x10-6 0.42 x10-61.67 x10-6 0.84 x10-62.51 x10-6 0.42 x10-61.67 x10-6 1.79 x10-62.42 x10-6 3.42 x10-6
Konduktivitas Bahang (W m-1 oC-1) 2.93x10-24.18 x10-2 0.42 x10-21.26 x10-2 8.37 x10-220.93 x10-2 0.84 x10-26.28 x10-2 8.37 x10-225.12 x10-2 0.075 x10-22.93 x10-2 16.75 x10-241.87 x10-2 879.27 x10-2
Difusivitas Bahang (cm2sec-1) 0.9x10-4 1.6 x10-4 0.5 x10-43 x10-4 5 x10-417 x10-4 0.5 x10-415 x10-4 3 x10-412 x10-4 1 x10-47 x10-4 7 x10-423 x10-4 256 x10-4
0.88
2.17 x10-6
46.057 x10-2
22 x10-4
5.44 x10-26.28 x10-2 0.21 x10-20.25 x10-2
1.3 x10-41.5 x10-4 147 x10-4250 x10-4
0.71-0.84 0.71-0.84 0.84
-6
Pasir Kering Batu Besi Beton
1.4x10 1.7x10-6 2.5x10-62.9x10-6 7.9x10-6 2.2x10-62.5x10-6
0.84 0.71-0.84
Air Tenang
1x10-6
4.18
4.18 x10-6
Udara Tenang
1x10-91,4x10-9
1.0046
0.001 x10-60.0014 x10-6
Sumber : Geiger et al, 1961 dengan beton yang mempunyai kapasitas panas kecil, sehingga cepat menjadi panas. Bahan beton dapat mewakili jenis penutup lahan pemukiman dan industri. 2.3.2. Proses Perpindahan Panas di Permukaan Bumi Perubahan suhu tidak terjadi apabila tidak terjadi penambahan/ pengurangan panas. Perpindahan panas terjadi dari benda yang mempunyai tingkat energi lebih tinggi ke tingkat yang lebih rendah. Perpindahan panas ini dibedakan menjadi tiga, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Konduksi merupakan proses perpindahan panas pada benda-benda padat (tanah) dimana sebagian energi kinetik molekul benda/medium yang bersuhu lebih tinggi dipindahkan ke molekul benda lebih rendah melalui tumbukan molekul-molekul tersebut. Berikut ini persamaan yang menunjukkan proses konduksi, dengan tanda negatif menunjukkan arah perpindahan panas dari suhu tinggi ketempat yang bersuhu lebih rendah. (Sellers, 1965) : G
dT ……………...…………………..5 dz
Dimana, G adalah fluks pemanasan tanah (Wm-2), κ adalah konduktivitas panas (Wm-2K-1), dan dT adalah gradien suhu dz
(Km-1). Konveksi merupakan proses perpindahan panas yang terjadi pada fluida (cairan dan gas), dimana panas dipindahkan bersama-sama dengan fluida yang bergerak. Proses ini terjadi melalui konveksi paksa (forced convection), dimana udara bergerak melalui lapisan perbatas (boundary layer) pada permukaan kasar sehingga timbul gerak edi yang acak. Dan konveksi bebas (free convection), dimana udara dipanaskan oleh permukaan bumi akibat penerimaan radiasi matahari, sehingga udara akan mengembang dan naik ke tekanan yang lebih rendah. Persamaan 6 menunjukkan perhitungan pemindahan panas secara konveksi dan tanda negatif menunjukkan arah perpindahan panas dari suhu tinggi ke suhu rendah. H cp
(Ts Ta ) …………...………...6 Ra
Dimana, H adalah fluks panas dari permukaan ke atmosfer atau sebaliknya (Wm-2), ρ adalah kerapatan udara kering (kg m-3), cp adalah panas jenis udara pada
4
tekanan tetap (J kg K-1), Ts adalah suhu permukaan (oC), Ta adalah suhu udara (oC) dan Ra adalah tahanan aerodinamik. Semakin besar perbedaan antara suhu permukaan dan suhu udara diatasnya dengan tahanan aerodinamik yang kecil, maka jumlah energinya akan semakin besar. Proses pemanasan udara melalui konveksi lebih efektif dibandingkan dengan konduksi dan radiasi. Oleh sebab itu, proses pemanasan udara dalam neraca energi hanya diwakili oleh proses konveksi yang ditunjukkan oleh persamaan 7.
Qn H .....................................................7 Dimana, Qn adalah radiasi netto (Wm) yang dipancarkan oleh suatu permukaan yang berbanding lurus dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan tersebut (Hukum Stefan-Boltzman). Energi radiasi gelombang panjang yang dipancarkan permukaan bumi sebagian diserap atmosfer dan sisanya akan keluar dari sistem atmosfer bumi. 2
Qn Ts 4 ...................................8 Dimana, ε adalah emivisitas permukaan, σ adalah tetapan StefanBoltzman (5,67x10-8). 2.4. NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) Indeks vegetasi atau NDVI adalah indeks yang menggambarkan tingkat kehijauan suatu tanaman. Indeks vegetasi merupakan kombinasi matematis antara band merah dan band NIR yang telah lama digunakan sebagai indikator keberadaan dan kondisi vegetasi (Kiefer, 1990). Perhitungan NDVI didasarkan pada perbandingan antara nilai reflektansi gelombang inframerah dekat dengan gelombang cahaya tampak yang diperoleh dari citra satelit. Nilai NDVI berkisar antara -1 sampai 1. Nilai ini menggambarkan bahwa semakin tinggi nilainya berarti kondisi tanaman yang dipantau dari citra satelit lebih memperlihatkan kenampakan tanaman yang subur dan rapat seperti tanaman hutan, sedangkan semakin rendah nilainya berarti kondisi tanaman kurang subur atau telah terjadi pembukaan kawasan hutan maupun persawahan. Oleh sebab itu, NDVI sering digunakan sebagai parameter untuk pemantauan kehijauan tanaman. Nilai NDVI positif (+) terjadi apabila vegetasi
lebih banyak memantulkan radiasi pada panjang gelombang inframerah dekat dibandingkan cahaya tampak. Nilai NDVI nol (0) terjadi apabila pemantulan energi yang direkam oleh panjang gelombang cahaya tampak sama dengan gelombang inframerah dekat. Hal ini sering terjadi pada daerah pemukiman, tanah bera, darat non vegetasi, awan dan permukaan air. NDVI negatif (-) terjadi apabila permukaan awan, air dan salju lebih banyak memantulkan energi pada gelombang cahaya tampak dibandingkan pada inframerah dekat. Menurut (Chemin, 2003 dan Allen et. al., 2001 dalam Khomaruddin, 2005) nilai Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), nilai radiasi netto, suhu permukaan dan albedo merupakan fungsi dari soil heat flux (G) : G = f (Rn, Ts, , NDVI) ............................9 G Ts .……10 0.0038 0.0074 2 1 0.98 NDVI 4 Rn
Dimana, G =Perpindahan bahang tanah (soil heat flux)(W m-2) =Albedo permukaan (diturunkan dari data satelit) Ts =Suhu permukaan (°C) (diturunkan dari data satelit) NDVI =Normalized Difference Vegetation Index (satelit)
III. METODOLOGI 3.1. Waktu dan Tempat Penelitian berlangsung dari bulan Maret 2007 sampai dengan bulan September 2007 di Laboratorium Hidrometeorologi, Departemen GFM dan di Bidang Aplikasi Klimatologi dan Lingkungan. Pusat Pemanfaatan Sains Atmosfer dan Iklim, LAPAN, Bandung. 3.2. Alat dan Bahan Alat yang digunakan dalam analisis dan pengolahan data diantaranya: 1. Perangkat lunak Er Mapper 7. 2.
Perangkat lunak Arc View GIS 3.3 with Full extention.
3.
Perangkat lunak Ms. Office 2007.
4.
Seperangkat komputer dan printer.
5
