Hubungan Variasi Radiasi Ultraviolet Matahari Di Permukaan Bumi Dan Variasi Aktivitas Matahari Selama Fase Menurun Siklus Matahari Ke - 22

Transkripsi

1 Hubungan Variasi Radiasi Ultraviolet Matahari Di Permukaan Bumi Dan Variasi Aktivitas Matahari Selama Fase Menurun Siklus Matahari Ke - 22 Wilson Sinambela, Muhammad La Ode Musafar*) dan Sri Kaloka**) ') Penelili Bidang Matahari dan Lingkungan Antariksa, Puslitbang Pengetahuan ionosler ") Peneliti Bidang Potensi Energidan Polusi Atmosfer, Puslitbang Pengetahuan Atmoster ABSTRACT The research objective is to investigate the influences of solar activity variation to the solar ultraviolet (UV - A and UV - ba) irradiance variation on the earth surface which was observed from LAPAN - Bandung (6,9 S;l 07,6 E) from Mei 1992 and December By taking the moving average of 12 months of montly average solar ultraviolet irradiance, it were found that solar UV - B irradiance matched of 12 months moving average of 12 months of solar activity variation (F10,7 cm solar radio flux); the decreasing of solar activity level during the decreasing phase of 22,h solar cycle at an average rate of 16,41% per year, following by decreasing amounth of solar UV -B irradiance at an average rate 10,54% per year for the time period. In contrast, the decreasing of solar UV - A irradiace, following by increasing of solar UV - A irradiance at an average rate of 7,48% per year for the time period of observation. By using linier regression analysis, it was obtained a positive correlation between the solar flux UV-B irradiance and the F10,7 cm solar radio flux which is represented by: Solar flux UV -B irradiance [ Watt/m2 ] = F10,7 cm solar radio flux [SFU]+ 0,0778, with the correlation coefficient of 0,80. In contrast, by assumtion that solar activity also effects the solar UV - A irradiance, it was obtained a negative correlation between the solar UV -A irradiance and the F10.7 cm solar radio flux which is represented by: Solar flux UV - A irradiance [Watt/m2] = F10.7 cm solar radio flux [SFU] + 15, 008, with the negative correllation coefficient of - 0, 80. ABSTRAK Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menyelidiki pengaruh variasi aktivitas matahari terhadap variasi fluks radiasi ultraviolet (UV - A dan UV - B) matahari di permukaan bumi yang diamati dari LAPAN - Bandung (6,9 LS ; 107,6 BT) dalam selang waktu Mei Desember Dengan mengambil rata-rata bergerak-12 bulan dari rata-rata bulanan fluks radiasi ultraviolet matahari diperoleh bahwa variasi fluks radiasi UV - B ternyata sesuai dengan rata-rata bergerak -12 bulan dari variasi aktivitas matahari (fluks radio matahari F10,7 cm); berkurangnya tingkat aktivitas matahari selama fase menurun siklus matahari ke -22, dengan laju rata-rata 16,41% per tahun diikuti berkurangnya jumlah fluks radiasi UV - B dengan laju rata-rata 10,54% per tahun dalam kurun waktu tersebut. Sebaliknya, dengan berkurangnya fluks radiasi UV - B matahari, variasi fluks radiasi UV - A matahari bertambah dengan laju ratarata 7,48% per tahun dalam kurun tersebut. Dengan menggunakan analisis regresi linier diperoleh korelasi positip antara variasi fluks radio matahari dan variasi fluks radiasi UV - B matahari yang dinyatakan oleh persamaan: Fluks radiasi UV - B matahari [Watt/m2 ] = Fluks radio matahari F10,7cm[SFU] + 0,0778, dengan koefisien korelasi sebesar + 0,80. Sebaliknya, dengan anggapan bahwa aktivitas matahari juga mempengaruhi variasi UV - A matahari, diperoleh hubungan negatip antara variasi fluks radio matahari dan variasi fluks radiasi UV - A matahari yang dinyatakan oleh persamaan: Fluks radiasi UV - A matahari [ Watt/m2 ] = - 0,037 Fluks radio matahari F 10,7cm [SFU ] + 15,008 dengan koefisien korelasi negatip sebesar - 0,80. I. PENDAHULUAN 2) proses-proses pemanasan dan fotodissosiasi dari kandungan utama di stratosfer dan 3) mem- Pengetahuan tentang variasi fluks radiasi pengaruhi keseimbangan di stratosfer yang ultraviolet matahari diperlukan untuk penelitian selanjutnya dapat mempengaruhi proses dinamika dampak variabilitas aktivitas matahari terhadap di stratosfer dan troposfer. Dari pengamatan kehidupan di bumi, termasuk perubahan iklim berbasis satelit di atas puncak atmosfer menunglobal. Sebab fluks radiasi ultraviolet ini jukkan bahwa perubahan radiasi ultraviolet sesuai mempengaruhi; 1) input radiasi pada troposfer, dan mengikuti perubahan indeks aktivitas 195

2 matahari selama siklus matahari (Pap et al., 1990). Menurut Keating et al., 1994, aktivitas matahari dengan indeks ultraviolet matahari pada nisbah inti - sayap (core to wing ratio) dengan panjang gelombang 280 nm mempunyai hubungan yang erat dengan variasi konsentrasi ozon total. Radiasi ultraviolet didefinisikan sabagai radiasi elektromagnetik yang terletak pada kanal daerah panjang gelombang (X = 0,4-400 nm). Spektrum ultraviolet - ekstrim yang terletak pada panjang gelombang (X. = 0,4-200 nm) mengalami penyerapan yang kuat oleh lapisan termosfer sehingga radiasi ini tidak pernah sampai ke permukaan bumi. Spektrum ultraviolet - jauh pada panjang gelombang (X = nm) sangat kuat diserap oleh lapisan stratosfer dan troposfer, sehingga radiasi ini sangat berperan pada keberadaan ozon di stratosfer (Robinson, 1966). Fluks radiasi matahari pada panjang gelombang (X = nm) yang dikenal sebagai UV ~ B sebagian besar diserap kuat oleh lapisan ozon stratosfer dan sebagian kecil saja yang sampai ke permukaan bumi, tergantung pada ketebalan lapisan ozon. Sedangkan spektrum ultraviolet - dekat atau UV - A pada panjang gelombang (X = nm) dapat menembus lapisan ozon, dan diserap oleh lapisan troposfer (ketinggian 0-15 km). Berkurangnya konsentrasi ozon stratosfer akan menaikkan intensitas fluks radiasi ultraviolet berbahaya yang tiba di permukaan bumi. Oleh karena itu lapisan ozon stratosfer ini merupakan lapisan pelindung terhadap proses kehidupan di bumi dari pengaruh berbahaya oleh radiasi ultraviolet matahari ini. Tetapi, beberapa parameter atmosfer lain, seperti awan, aerosol, dan beberapa gas penyerap mempunyai peranan penting dalam menentukan jumlah radiasi ultraviolet yang mencapai permukaan bumi. Faktor-faktor lain yang mempengaruhinya adalah faktor geometris seperti variasi tahunan, jarak bumi-matahari, variasi sudut datang radiasi matahari, waktu, lintang tempat, dan ketinggian dari permukaan laut. Karena banyaknya parameter yang menyebabkan variasi radiasi ultraviolet matahari ini, sangat sulit menentukan secara absolut peranan dari setiap parameter yang mempengaruhi variasi radiasi ultraviolet matahari ini. Yang menjadi pertanyaan sekarang, bagaimana variasi radiasi ultraviolet yang tiba di permukaan bumi dipengaruhi oleh aktivitas matahari. Untuk itu, penelitian yang dikemukakan dalam makalah ini difokuskan pada pengaruh aktivitas matahari terhadap variasi fluks radiasi UV - B (X = nm), dan UV-A matahari (X = ). Sedangkan faktor-faktor lain yang mempengaruhinya tidak dibahas dalam makalah ini. Indeks aktivitas matahari yang relevan untuk dibandingkan dengan variasi radiasi ultraviolet matahari adalah fluks radio matahari F10,7 cm, karena indeks ini lebih erat kaitannya dengan variasi radiasi ultraviolet matahari dibandingkan dengan bilangan sunspot (Donnelly, at al., 1983). Intensitas fluks pada gelombang radio ini berasal dari matahari tenang dan matahari aktif yang dinyatakan dalam Solar Flux Unit (SFU) dengan 1 SFU = 10" 22 Watt m" 2 Hz" DATA DAN METODA ANALISIS 2.1 Data Data fluks radiasi ultraviolet matahari yang digunakan dalam penelitian ini adalah data hasil pengukuran variasi fluks radiasi UV- B dan UV-A matahari yang dilakukan di Bandung (6.9 LS ; 107,6 BT) dengan masing-masing menggunakan Pyranometer MS 210 W dan MS 140. Fluks radiasi global UV-B dan UV-A matahari diukur secara integral masing - masing pada kanal panjang gelombang (k = nm) dan (X = nm), yang beroperasi secara otomatis mengukur setiap jam dari pukul 06,00 sampai dengan pukul 18,00 WIB dalam setiap hari. Deretan data pengukuran radiasi UV- A dan UV-B setiap jam dalam setiap hari, untuk selang waktu Mei Desember 1997 dibuat rata -rata harian dan dari rata-rata harian diolah menjadi rata-rata bulanan. Kemudian rata-rata bulanan variasi fluks radiasi UV - B matahari dan fluks radiasi UV-A matahari dibandingkan dengan variasi aktivitas matahari dengan indikator fluks radio matahari F10.7 cm yang diambil dari Solar Geophysical Data (SGD) dalam selang waktu yang sama. Selang waktu data fluks radiasi ultraviolet tersebut, kebetulan bersamaan waktunya dengan selang waktu pada saat fase menurun siklus aktivitas matahari ke-22 dari tahun Metoda Analisis Metoda analisis yang digunakan dalam penelitian ini adalah metoda analisis grafik tiaptiap data rata-rata bulanan fluks radiasi UV - B dan UV- A matahari alam selang waktu Mei Desember 1997, analisis rata-rata bergerak-12 bulan, dan analisis korelasi antara aktivitas matahari dengan indeks F10.7 cm dan Fluks radiasi UV - B dan UV - A matahari. Gambar 2-1 menunjukkan grafik rata-rata bulanan variasi fluks radiasi UV - B (X = nm) dan UV - A matahari (X = nm) dibandingkan dengan variasi fluks radio matahari F10.7 cm untuk selang waktu Mei Desember Variasi fluks radiasi UV - B dan UV - A matahari didominasi oleh variasi bulanan dan musiman. Pada Gambar 2-la, diperlihatkan bahwa rata-rata bulanan fluks radiasi UV - B matahari dalam 196

3 selang tersebut adalah 0,572 Watt/m 2 dengan rentang antara minimum besarnya adalah 0,296 Watt/m 2 yang terjadi pada bulan Juni 1997 dan maksimum besarnya adalah 0,961 Watt/m 2 pada bulan Maret Sementara pada Gambar 2-lb, diperlihatkan bahwa rata-rata bulanan fluks radiasi UV - A matahari dalam selang waktu tersebut besarnya adalah 11,627 Watt/m 2 dengan rentang antara minimum besarnya adalah 8,638 Watt/m 2 yang terjadi pada bulan Nopember 1992 dan maksimum besarnya adalah 15,746 Watt/m 2 pada bulan Nopember HASIL DAN PEIMBAHASAN 3.1 Efek Aktivitas Matahari. Pola deret waktu yang ditampilkan pada Gambar 2-1 tampak bahwa variasi rata-rata bulanan fluks radiasi Ultraviolet matahari memperlihatkan indikasi adanya osilasi berperioda lebih panjang daripada variasi bulanan dan musiman dengan amplitudo maksimum sekitar 0, 38 Watt/m 2 untuk fluks radiasi UV - B matahari dan sekitar 5,14 W/m 2 untuk fluks radiasi UV -A matahari Pola variasi fluks radiasi UV - B matahari (X = nm ) pada gambar 2 - la), variasi fluks radiasi UV - B matahari cenderung mengikuti pola variasi aktivitas matahari dengan indikator fluks radio matahari F10,7 cm. Hargaharga fluks radiasi UV - B matahari minimum relatif, misalnya, menunjukkan kecenderungan berkurang dari sekitar 0,62 Watt/m 2, ke tahun pertengahan 1997 sekitar 0,31 Watt/m 2, dan kemudian cenderung naik setelah pertengahan Sebaliknya, pola variasi fluks radiasi UV-A matahari (A = nm) pada Gambar 2-lb, menunjukkan kecenderungan terbalik/berlawanan dengan pola aktivitas matahari. Harga-harga fluks radiasi UV - A matahari maksimum relatif, misalnya, menunjukkan kecenderungan bertambah dengan berkurangnya aktivitas matahari dari sekitar 12, 13 W/m 2, ke 1996 sekitar 15,60 W/m 2 dan kemudian ada kecenderungan berkurang setelah itu. Secara perkiraan kuantitatif hal ini memberikan petunjuk pertama tentang kemungkinan adanya kaitan dengan variasi aktivitas matahari. Untuk keperluan analisis secara kuantitatif yang akurat mengenai pengaruh aktivitas matahari terhadap variasi fluks radiasi ultraviolet matahari yang tiba di permukaan bumi, maka kedua faktor utama yang mendominasi perilaku data fluks radiasi ultraviolet tersebut, yakni variasi bulanan dan musiman hams difilter terlebih dahulu. Prosedur pemfilteran yang digunakan rata-rata bergerak - 12 bulan dari variasi rata-rata fluks radiasi ultraviolet matahari dan kemudian dibandingkan dengan rata-rata bergerak -12 bulan Majaian LAPAN vol. i, No. 4 UKtober - Desember 2000 dari variasi rata-rata bulanan fluks radio matahari F10,7 cm. Gambar 3-1 menunjukkan rata-rata bergerak - 12 bulan dari masing-masing fluks radiasi UV - B dan UV - A matahari setelah efek variasi bulanan dan musiman dihilangkan dibandingkan dengan rata-rata bergerak - 12 bulan fluks radio matahari F10,7 cm. Prosedur pemfilteran ini sama dengan pemakaian filter lowpass numerik (Sasaki M. at al., 1994). Dari Gambar 2-1 tersebut memperlihatkan adanya hubungan aktivitas matahari jangka panjang dengan variasi radiasi ultraviolet matahari. Pada Gambar 3-la tampak jelas bahwa pola rata-rata tahunan variasi fluks radiasi UV - B matahari hampir sesuai dan mengikuti pola fluks radio matahari F10.7 cm. Variasi fluks radiasi UV - B matahari relatif berkurang dengan berkurangnya tingkat variasi aktivitas matahari. Berkurangnya tingkat aktivitas matahari dengan laju rata-rata 16, 41% per tahun, diikuti dengan berkurangnya fluks radiasi UV - B matahari 10,54% per tahun dalam periode waktu tersebut. Sebaliknya pada Gambar 3-lb tampak jelas pola rata-rata tahunan variasi fluks radiasi UV - A matahari cenderung bertambah dengan berkurangnya variasi fluks radiasi UV -B matahari dengan laju rata-rata 7,48% per tahun dalam periode waktu pengamatan tersebut. Gambar 3-2 menunjukkan plot data ratarata bergerak -12 bulan antara radiasi ultraviolet matahari dan aktivitas matahari dengan indikator fluks radio matahari F10,7 cm. Dengan menggunakan metoda regresi linier diperoleh korelasi positip antara variasi fluks radiasi matahari UV-B (A = nm) dan variasi fluks radio matahari F10,7 cm seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3-2a yang dinyatakan dengan persamaan: Fluks Radiasi UV-B matahari [ Watt/m 2 ] = 0,055 Fluks readio Matahari F10,7 cmfsfu ] + 0,0778 r = 0,80 (3-1) Dengan anggapan bahwa aktivitas matahari juga mempengaruhi fluks radiasi UV-A matahari, maka metoda yang sama diperoleh korelasi negatip antara variasi fluks radiasi matahari UV -A dan variasi fluks radio matahari F10,7 cm yang dinyatakan oleh persamaan: Fluks radiasi UV - A matahari [ Watt/m 2 ] = - 0,037 Fluks radio matahari F10.7 cm [SFU ] + 15,008 r = -0,80 (3-2) Fluks radiasi UV - B dan UV - A matahari masing-masing menyatakan fluks radiasi ultraviolet matahari pada kanal panjang gelombang (A = nm) dan (A = nm) dalam Watt/m 2, Fluks radio matahari F 10,7 cm adalah radiasi matahari pada panjang gelombang F10.7 cm dalam W" 22 m" 2 Hz' 1 ), dan r adalah koefisien korelasi. Persamaan (3-1) 197

4 memperlihatkan suatu hubungan antara variasi aktivitas matahari dan variasi fluks radiasi UV - B matahari dengan korelasi positip yang cukup baik (r = 0,80). Sebaliknya dari persamaan (3-2) memperlihatkan suatu hubungan yang terbalik/ berlawanan antara variasi aktivitas matahari dan variasi fluks radiasi UV - A matahari dengan koefisien korelasi negatip yang cukup tinggi ( r = - 0,80). 3.2 Pembahasan Dari Gambar 3-2a diperlihatkan bahwa fluks radiasi UV - B matahari mempunyai variasi yang sesuai dengan variasi fluks radio matahari F10,7 cm. Pada saat aktivitas matahari berkurang, variasi UV - B matahari cenderung berkurang mengikuti berkurangnya variasi fluks radio matahari F10,7 cm dari tahun 1992 sampai dengan 1997, kemudian naik setelah itu. Pada saat aktivitas matahari mencapai harga minimum pada awal 1997, fluks radiasi UV - B matahari juga mencapai harga minimum, kemudian naik setelah itu. Sebaliknya dari Gambar 3-2b diperlihatkan bahwa fluks radiasi UV - A matahari bertambah dengan berkurangnya variasi fluks radiasi UV - B matahari mengikuti berkurangnya tingkat aktivitas matahari. Hasil ini sesuai dengan dengan yang diperoleh Sri Kaloka, Saipul Hamdi, dan Nurlaeni (1995) dengan menganalisis data pengamatan dari Mei September 1995 tampak pengurangan fluks radiasi UV - B matahari yang diikuti pertambahan dalam fluks radiasi UV - A matahari dalam selang waktu yang sama. Penjelasan tentang fenomena ini masih diteliti sampai sekarang. Jika diasumsikan bahwa jumlah energi dari spektrum fluks radiasi UV - B matahari (X = nm) dan UV - A matahari (k = nm), maka jika salah satu dari paket energi berkurang, yang lain akan bertambah. Dengan asumsi ini dapat dikatakan bahwa aktivitas matahari mempengaruhi UV - B matahari, maka secara tidak langsung aktivitas matahari juga mempengaruhi fluks radiasi UV - A matahari yang tiba di permukaan bumi. Dengan memperhatikan hasil koefisien korelasi antara variasi aktivitas matahari dan fluks radiasi UV - B dan UV - A matahari yang diperoleh masing-masing besarnya adalah 0,80, tetapi berlawanan tanda kemungkinan dapat menjelaskan asumsi tadi. Sementara hasil penelitian Sasaki et al., (1994) menyimpulkan bahwa dengan berkurangnya konsentrasi ozon akan menimbulkan bertambahnya variasi fluks radiasi UV - B matahari. Seperti diketahui bahwa variasi ozon mempengaruhi langsung fluks radiasi ultraviolet matahari yang tiba dipermukaan bumi. Sayangnya dalam penelitian ini tidak ada data konsentrasi ozon stratosfer dalam selang waktu pengamatan tersebut, sehingga tidak dapat dilakukan analisis keterkaitannya dengan variasi konsentrasi ozon stratosfer. Namun dari hasil penelitian ini dapat diperoleh bahwa dengan mengetahui tingkat aktivitas matahari, maka dapat ditaksir fluks radiasi ultraviolet yang tiba di permukaan bumi, terutama fluks radiasi UV- B (A. = nm) untuk tahun berikutnya. Perkiraan fluks radiasi UV- B yang sampai ke permukaan bumi sangat penting diketahui, sehingga dapat diperkirakan dampaknya terhadap kehidupan di bumi. Disamping itu, dengan memperhatikan kecenderungan variasi fluks radiasi UV - B dan UV - A matahari seperti pada Gambar 2-1 dan Gambar 3-1 selama tahun 1992 tampak bahwa intensitasnya lebih rendah dari harga sebenarnya. Rendahnya intensitas dari fluks radiasi ultraviolet yang diukur pada saat itu, kemungkinan disebabkan pertambahan aerosol yang terjadi di atmosfer sebagai akibat meletusnya gunung Pinatubo di Philippina sekitar bulan Juni Awan aerosol ini tidak hanya terbentuk di atas Philippina saja tetapi sampai ke atas Selandia Baru (diamati dengan Lidar), termasuk di atas Indonesia cukup lama (Asano at al., 1993). Awan aerosol ini secara signifikan akan mengahalangi intensitas radiasi matahari (termasuk fluks radiasi UV - B dan UV - A matahari) yang sampai ke permukaan bumi sehingga menyebabkan intensitas variasi radiasi ultraviolet yang diterima di permukaan berkurang. 4. KESIMPULAN Data fluks radiasi UV - B dan UV - A matahari yang tiba di permukaan bumi, yang diperoleh dari hasil pengukuran yang dilakukan di LAPAN - Bandung masing-masing dengan menggunakan Pyranometer MS 210 Wdan MS 140 dalam selang waktu Mei Desember 1997 mengindikasikan bahwa perilaku deret waktunya dipengaruhi oleh variasi bulanan dan musiman dengan amplitudo sekitar o,4-4watt/ m2. Setelah efek variasi bulanan dan musiman dihilangkan dengan menggunakan metoda analisis rata-rata bergerak - 12 bulan, diperoleh hubungan antara variasi fluks radiasi UV - B matahari dengan variasi fluks radio matahari F10.7 cm dengan koefisien korelasi tinggi (= 0,80). Artinya variasi fluks radiasi UV - B matahari berkurang dengan laju rata-rata 10,54% per tahun dengan berkurangnya tingkat aktivitas matahari dengan laju rata-rata 16,41% per tahun dalam kurun waktu tersebut. Sebaliknya, variasi fluks radiasi UV - A matahari bertambah dengan laju rata-rata 7,48% per tahun dengan berkurangnya fluks radiasi UV - B matahari yang tiba di permukaan bumi, dalam selang waktu pengamatan yang sama. I 198

5 DAFTAR RUJUKAN Donnelly, R..F., D. F. Heath, J.L. Lean and G. J. Rottman, 1983, Differences in the Temporal Variations of Solar UV Flux, 10.7-cm Solar Radio Flux, Sunspot Number, and Ca-K Plage Data Caused By Solar Rotation and Active Region Evolution. J. Geophys. Res., 88, Pap, J., Tobiska, W. K., and Bower, S. D., 1990, Periodicities of Solar Irradiance and Solar Activity Indices I., Solar Phys., 129, 165. Robinson, N., 1966, Solar radiation, El Servier Publishing Co., pp S. Asano, A. Uchiyama, M. Shiobasa, 1993, Spectral Optical Thicness and Size Distribution of The Pinatubo Volcanic Aerosol as Estimated by ground based Sun Photometry. Journal of the Meteorological Society of Japan, Vol. 71,No.l,pp Sasaki, M., S. Takashita, M. Sugiura, and T. Sakata, 1994, J. Geomag. Geoelectr., 46, pp Sri Kaloka, Saipul Hamdi, and Nurlaeni, 1995, International Workshop on Atmospheric Observation Over the Equatorial Region, Bandung Indonesia November 2 nd, 1995, 199

6 200 Gambar 2-1. Grafik rata - rata bulanan: a) fluks radiasi UV - B dan b) UV-A matahari (W/m2 ) dibandingkan dengan fluks radio matahari F10.7 cm dari Mei Desember Belum tampak dengan jelas pengaruh aktivitas terhadap fluks radiasi ultraviolet matahari.

7 Gambar 3-1. Grafik rata-rata bergerak -12 bulan: a) fluks radiasi UV - B dan UV - A matahari ( W/m2 ) dibandingkan dengan rata-rata bergerak -12 bulan fluks radio matahari F10.7 cm dari Mei Desember Tampak jelas bahwa pola fluks radiasi UV - B matahari mengikuti pola fluks radio matahari F10,7cm.Sedangkan fluks radiasi UV - A matahari pola berlawanan dengan fluks radio matahari f10,7 cm. 201

8