KAJIAN DUA MODEL EMPIRIS LAPISAN E IONOSFER

Transkripsi

1 Majalah Sains dan Teknlgi Dirgantara Vl. N. Maret : -9 KAJIAN DUA MODEL EMPIRIS LAPISAN E IONOSFER Jiy Peneliti Bidang Insfer dan Telekmunikasi, LAPAN jiylpnbdg@yah.cm ABSTRACT Tw E layer empirical mdels, Hunsucker-Hargreaves and Edinburgh mdels, have been analyzed. The values f fe which are btained frm bth simulatins mdels have been cmpared t the bserved data frm Tanjungsari (6.9ºS, 7.8ºE) during t and 9. Frm the data analysis we get fur cnclusins. First, bth Hunsucker-Hargreaves and Edinburgh mdels are able t shw the daily, seasnal, slar cycle variatins f the E layer. Secnd, bth mdels are unable t shw the latitudinal variatin. Third, there are big deferences between results f these mdels fr 6: LST (UT+7) and 8: LST (UT+7). Fr this reasn, it need a fllwing research by using mre data. Finally, accrding t Hunsucker-Hargreaver frmulae, it is easier t be recnstructed again fr Indnesian reginal fe data. Keywrds: Empirical mdel, E layer, Slar cycle, Latitudinal variatins ABSTRAK Dalam penelitian ini dikaji dua mdel empiris lapisan E yaitu mdel Hunsucker- Hargreaves dan Edinburgh. Analisis dilakukan terhadap data fe hasil simulasi menggunakan dua mdel tersebut dan data hasilnya dibandingkan dengan data fe hasil pengamatan di Tanjungsari (6,9ºLS, 7,8ºBT) tahun - dan 9. Dari analisis yang telah dilakukan diperleh empat kesimpulan yaitu: Pertama, mdel Hunsucker-Hargreaves dan Edinburgh sama-sama mampu menunjukkan variasi harian, musiman, dan variasi skala siklus Matahari dari lapisan E; Kedua, dua mdel tersebut tidak mampu menunjukkan variasi lapisan E terhadap garis lintang; Ketiga, terdapat perbedaan cukup besar antara kedua mdel akan hasil perhitungan fe pada pukul 6: WIB dan 8: WIB; dan Keempat, jika dilihat dari segi perumusannya, maka mdel Hunsucker-Hargreaves lebih berpeluang untuk dibangun kembali menggunakan data fe reginal Indnesia. Kata kunci: Mdel empiris, Lapisan E, Variasi lintang PENDAHULUAN Lapisan E adalah lapisan insfer yang terbentuk dari in dan elektrn yang menempati ketinggian antara 8 km hingga km, merupakan bagian dari lapisan insfer yang mengisi ruang angkasa dari ketinggian 6 km hingga lebih dari 6 km dari permukaan Bumi (Gambar -). Lapisan E dapat berperan ganda yakni sebagai pemantul gelmbang radi dan juga menjadi penghalang gelmbang radi yang semestinya dipantulkan leh lapisan F di atasnya. Oleh karenanya, kndisi lapisan ini perlu diteliti, khususnya yang akan terjadi pada waktu mendatang. Untuk mengetahui kndisi lapisan E yang akan terjadi, perlu ditentukan mdel lapisan tersebut.

2 Kajian Dua Mdel Empiris Lapisan E Insfer (Jiy) (a) (b) Gambar -:Prfil densitas elektrn lapisan insfer (a) dan gambaran umum ketinggian bagian-bagiannya Dua mdel empiris lapisan E yang telah dikembangkan adalah mdel empiris yang terdapat pada tulisan Hunsucker-Hargreaves () dan mdel Edinburgh (ITU-R P.9-, 997-7; Muggletn, 97; Prabtsari, 98). Dua mdel ini menghubungkan frekuensi kritis atau frekuensi maksimum dari lapisan E yang dinyatakan fe dengan bilangan bintik Matahari (sunspt) dan sudut pancar Matahari (zenith angle). Karena bintik Matahari telah diamati secara rutin dan sudut pancar Matahari dapat dihitung, maka kedua mdel tersebut dapat digunakan untuk menentukan prediksi nilai fe dan batas atas frekuensi kmunikasi radi (Maximum Usable Frequency, MUF) yang dapat dipantulkan lapisan E (MUF-E). Pada makalah ini dibahas perumusan dua mdel empiris dimaksud dan verifikasi keluarannya dengan variasi umum lapisan E di Indnesia. Kemudian dibahas pula secara sekilas tentang kecckannya dengan nilai fe Indnesia hasil pengamatan dengan menggunakan insnda. Dari perumusan mdel dapat diketahui tingkat kerumitannya sehingga diperleh infrmasi tentang kemungkinan untuk menyesuaikannya dengan kndisi lapisan E Indnesia. Sasaran yang akan dicapai dalam penelitian ini adalah diketahuinya mdel lapisan E yang mampu menunjukkan variasi, kecckan dengan data pengamatan, dan kemudahan untuk menyesuaikan dengan insfer Indnesia. LANDASAN TEORI Seperti pada Gambar -, lapisan insfer terdiri dari lapisan D, lapisan E, lapisan E Spradis, lapisan F, dan lapisan F. Kerapatan elektrn lapisan insfer ditentukan dari hasil inisasi, rekmbinasi elektrn dan in, dan transprtasi elektrn. Tingkat kerapatan elektrn menunjukkan besaran frekuensi lapisan insfer. Demikian pula kerapatan elektrn maksimum lapisan E sebanding nilai fe. Seperti halnya lapisan D dan F, inisasi lapisan E utamanya bergantung kepada intensitas energi Matahari yang masuk mencapai ketinggian lapisan E.

3 Majalah Sains dan Teknlgi Dirgantara Vl. N. Maret : -9 Sebagai akibatnya, kerapatan elektrn maksimum dan nilai fe bergantung kepada intensitas energi Matahari. Dengan demikian variasi lapisan E juga akan mengikuti variasi aktivitas Matahari dan intensitas energi Matahari yang masuk lapisan E. Variasi umum lapisan insfer adalah variasi harian, musiman, siklus Matahari, dan variasi terhadap garis lintang. Variasi harian berkaitan dengan rtasi Bumi terhadap sumbunya sehingga psisi Matahari terhadap lapisan E di suatu tempat berubah sepanjang hari (sangat variatif) sehingga menyebabkan nilai fe juga bervariasi sepanjang hari. Revlusi Bumi mengelilingi Matahari menyebabkan nilai fe bervariasi sepanjang tahun. Aktivitas Matahari yang mempunyai perida 9 tahun mengakibatkan adanya variasi fe sepanjang siklus tersebut. Perbedaan arah medan magnet Bumi di lintang rendah dan lintang tinggi mengakibatkan perbedaan nilai fe di kedua lkasi tersebut.. Mdel Empiris Hunsucker- Hargreaves Mdel pertama adalah mdel empiris yang disebut sebagai mdel Hunsucker-Hargreaves (Hunsucker dan Hargreaves, ). Persamaan matematis dari mdel ini menyatakan hubungan antara median fe dengan bilangan bintik Matahari (sunspt), dan sudut pancar Matahari (zenith angle): f E,,8 R Cs (-) Dengan R adalah bilangan bintik hasil perataan dan pemulusan selama bulan (R), dan χ adalah sudut pancar Matahari. Persamaan ini menggunakan asumsi bahwa lapisan E sebagai lapisan -Chapman sehingga laju prduksi in (laju inisasi, q) di lapisan ini berbanding lurus dengan (fe) /cs. Dengan demikian besarnya nilai fe bergantung kepada aktivitas Matahari (R) dan sudut zenit Matahari.. Mdel Edinburgh Mdel kedua adalah mdel empiris yang dibangun leh Edinburgh berdasarkan data pengamatan selama tahun (9-97) di stasiun pengamatan (Muggletn, 97). Persamaan matematis mdel ini adalah sebagai berikut : f E A BCD () dengan A adalah faktr aktivitas Matahari dengan persamaan sebagai berikut: A,9 66 ( ) dengan φ adalah rata-rata fluks radi Matahari pada panjang gelmbang,7 cm (F.7). Pendekatannya dapat digunakan rata-rata pemulusan - bulanan dari F.7 (φ ). Karena saat ini telah diperleh hubungan empiris antara F.7 dengan R maka dalam penerapannya digunakan R. Data R relatif lebih mudah diperleh daripada F.7 (Thmpsn dan Wulff, 99). Kemudian B adalah faktr musiman yang dinyatakan dalam persamaan berikut: m B cs N () dengan N = λ - δ untuk λ - δ <8º dan N=8 untuk λ - δ 8º, λ adalah derajat lintang gegrafis dan δ adalah sudut deklinasi Matahari, keduanya bernilai psitif untuk lkasi di belahan Bumi Utara dan negatif untuk lkasi di belahan Bumi Selatan. Sedangkan pangkat m dirumuskan sebagai :,9,9 cs... m,,9 cs... ( ) Selanjutnya, C adalah faktr lintang yang dirumuskan sebagai berikut: C cs ( 6) ( 6) Untuk λ <º nilai X= dan nilai Y=6. Kemudian untuk λ º nilai X=9 dan nilai Y=. Terakhir, D adalah jam dalam sehari yang dirumuskan seperti:

4 Kajian Dua Mdel Empiris Lapisan E Insfer (Jiy) D cs p (6,7. cs...untuk untuk.7 9 p,,8,7 e...untuk. 9 p ( 7) dengan adalah sudut zenith Matahari dalam satuan derajat, nilai pangkat p adalah sebagai berikut:,...untuk. p,...untuk. ( 8) METODOLOGI DAN HASIL SIMULASI Untuk mendapatkan infrmasi tentang rumitnya perumusan dapat dilihat langsung pada persamaan (-) untuk mdel Hunsucker-Hargreaves dan rangkaian persamaan (-) sampai dengan (-6) untuk mdel Edinburgh. Kemudian untuk melihat variasi harian, musiman, dan siklus Matahari dari fe keluaran kedua mdel, maka dilakukan simulasi untuk bulan-bulan pada saat Matahari aktif dan tenang seperti pada tabel -. Lkasi yang akan digunakan dalam simulasi adalah Pntianak (,ºLS, 9,ºBT), Laut Jawa (,8ºLS, 8,ºBT), dan Tanjungsari (6,9ºLS, 7,8ºBT). Dengan menganalisis nilai fe untuk tiga lkasi ini dapat diketahui variasinya terhadap lintang. Selanjutnya, untuk melihat tingkat kecckan fe hasil perhitungan dengan kedua mdel, maka keluarannya dibandingkan dengan data pengamatan di Stasiun Pengamat Dirgantara (SPD) Tanjungsari bulan Agustus Juli dan pengamatan Januari Desember 9. Dengan mengetahui selisih antara nilai fe mdel dengan nilai fe hasil pengamatan maka dapat diketahui mdel yang lebih mendekati data pengamatan. Gambar - adalah grafik fe hasil simulasi mdel Hunsucker- Hargreaves untuk lkasi Pntianak (PTK), Laut Jawa (LJW), dan Tanjungsari (TJS). Panel (a), (b), dan (c) pada gambar ini menunjukkan grafik fe pada saat Matahari aktif (R>), dan panel (d), (e), dan (f) adalah grafik fe pada saat Matahari tenang (R<). Selanjutnya panel (a), (b), dan (c) pada gambar - menunjukkan grafik fe mdel Edinburgh pada saat Matahari aktif. Sedangkan panel (d), (e), dan (f) merupakan grafiknya pada saat Matahari tenang. Tabel -: BILANGAN BINTIK MATAHARI YANG DIGUNAKAN UNTUK SIMULASI MATAHARI AKTIF R> MATAHARI TENANG R< BULAN R BULAN R Agustus,9 Januari 9,8 September, Februari 9,9 Oktber, Maret 9, Nvember, April 9, Desember,6 Mei 9, Januari, Juni 9,7 Februari,6 Juli 9,6 Maret, Agustus 9,6 April, September 9 6, Mei 8,8 Oktber 9 7, Juni 6, Nvember 9 7, Juli,7 Desember 9 7,

5 Majalah Sains dan Teknlgi Dirgantara Vl. N. Maret : -9 PTK, R> LJW, R> TJS, R> (a) (b) (c) PTK, R< LJW, R< TJS, R< (d) (e) (f) Gambar -: Grafik fe selama setahun yang menunjukkan variasi harian, variasi suklus Matahari, dan variasi terhadap garis lintang dari fe berdasarkan mdel empiris Hunsucker-Hargreaves PTK, R>, EDN LJW, R>, EDN TJS, R>, EDN (a) (b) (c) PTK, R<, EDN LJW, R<, EDN TJS, R<, EDN (d) (e) (f) Gambar -: Grafik fe selama setahun yang menunjukkan variasi harian, variasi suklus Matahari, dan variasi terhadap garis lintang dari fe berdasarkan mdel empiris Edinburgh

6 Kajian Dua Mdel Empiris Lapisan E Insfer (Jiy) Berikutnya, Gambar - adalah variasi musiman yang ditunjukkan leh fe hasil perhitungan dengan mdel Hunsucker-Hargreaves dan Edinburgh untuk tiga titik yaitu Pntianak, Laut Jawa, dan Tanjungsari, pada saat Matahari tenang. Pada panel (a), (b), dan (c) menunjukkan variasi musiman fe hasil perhitungan dengan mdel Hunsucker-Hargreaves, sedangkan panel (d), (e), dan (f) menunjukkan variasi fe menurut mdel Edinburgh. Terakhir, Gambar - adalah selisih antara fe mdel Hunsucker- Hargreaves dengan fe hasil pengamatan di atas Tanjungsari (panel (a)) dan antara fe mdel Edinburgh dengan pengamatan di tempat yang sama (panel (b)). Nilai pada grafik adalah rata-rata selama setahun untuk setiap jam antara pukul 6: WIB hingga 8: WIB..6 PTK, R<,,WIB LJW,R<.6,,WIB.6 TJS, R<,,WIB (a) (b) (c) PTK, R<,,WIB LJW, R<,,WIB TJS, R<,,WIB (d) (e) (f) Gambar -: Variasi musiman dari fe di atas Pntianak (, LS), Laut Jawa (,8 LS), dan Tanjungsari (6,9 LS) hasil perhitungan dengan mdel Hunsucker- Hargreaves (panel (a), (b), (c)) dan Edinburgh (panel (d), (e), (f)).. Rataan Galat fe R. Rataan Galat fe R< d-hun WIB (UT+7) d-edn (a) (b) Gambar -: Rata-rata galat fe mdel Hunsucker-Hargreaves (d-hun) dan mdel Edinburgh (d-edn) pada saat Matahari aktif (a) dan tenang (b), dihitung berdasarkan data pengamatan di atas SPD Tanjungsari tahun - dan d-hun WIB (UT+7) d-edn 7

7 Majalah Sains dan Teknlgi Dirgantara Vl. N. Maret : -9 PEMBAHASAN Dengan menganalisis Gambar - dan Gambar - dapat diperleh infrmasi bahwa baik mdel Hunsucker- Hargreaves maupun Edinburgh mampu menunjukkan variasi harian dari lapisan E melalui nilai fe-nya. Namun demikian terdapat perbedaan cukup menylk dari nilai fe pada pukul 6: WIB dan 8:WIB. Terdapat beberapa bulan dimana mdel Hunsucker-Hargreaves menghasilkan nilai fe sama dengan nl pada kedua penghujung siang. Sementara mdel Edinburgh tetap memberikan nilai fe yang tidak nl. Hal ini disebabkan leh perbedaan pendekatan dari kedua mdel. Mdel pertama menghubungkan nilai fe dengan R dan sudut zenit Matahari saja, sedangkan mdel kedua menggunakan lebih banyak faktr yang mempengaruhi fe yakni faktr aktivitas Matahari (A), faktr musim (B), faktr lintang (C), dan durasi siang hari (D). Kemudian, variasi fe terhadap siklus Matahari sangat jelas ditunjukkan leh kedua mdel seperti terlihat pada Gambar - dan -. Untuk satu lkasi nilai fe saat Matahari aktif sebagaimana ditunjukkan pada panel (a), (b), (c) Gambar - dan - lebih tinggi dibanding nilainya saat Matahari tenang (panel (d), (e), dan (f)). Namun demikian variasi terhadap lintang tidak nampak jelas. Di Pntinak yang lintangnya paling rendah (panel (a) dan (d) Gambar - dan -) nilai fe tidak berbeda dengan di Laut Jawa (panel (b) dan (e)) dan Tanjungsari (panel (c), dan (f)) yang terletak pada garis lintang yang lebih tinggi. Ini berbeda dengan variasi lintang dari lapisan F (Jiy, 6) yang mana nilai frekuensi kritis lapisan F (ff) di Pntianak relatif lebih rendah dibandingkan nilainya di Tanjungsari. Variasi lapisan E terhadap musim cukup jelas ditunjukkan leh kedua mdel seperti pada Gambar -. Pada bulan Januari dan Juni nilai fe di atas Pntianak, Laut Jawa, dan Tanjungsari relatif lebih rendah nilainya dibandingkan pada bulan-bulan lainnya. Sedangkan pada bulan Maret dan September, nilai fe lebih tinggi nilainya dibandingkan pada bulan-bulan lainnya. Untuk melihat perbedaan lainnya, dilakukan analisis berdasarkan Gambar -, yang menghasilkan bahwa saat Matahari aktif, galat dari kedua mdel terhadap data pengamatan tidak jauh berbeda. Pada pagi hari hingga tengah hari fe mdel lebih rendah dari data pengamatan dengan rata-rata selisihnya antara, hingga,6. Sedangkan pada selang waktu pukul : hingga 7: WIB nilai fe mdel cukup dekat dengan data pengamatan dengan rata-rata selisihnya kurang dari,. Pada pukul 8: WIB nilai fe mdel lebih tinggi dengan rata-rata selisih antara, hingga,8. Pada saat Matahari tenang (selang waktu pukul 8: WIB hingga pukul 6: WIB selisih antara fe kedua mdel dengan data pengamatan nilainya kurang dari,. Sedangkan pada selang waktu lainnya, selisihnya antara, hingga,8. Jadi, berdasarkan analisis terhadap variasi musiman, variasi siklus Matahari, variasi lintang dari fe yang ditunjukkan dan selisihnya terhadap data pengamatan, maka diperleh kesimpulan bahwa mdel Hunsucker- Hargreaves dan Edinburgh mempunyai kemampuan sama. Namun, jika dilihat dari variasi harian yang ditunjukkan leh kedua mdel maka terdapat perbedaan nilai fe pada pukul 6: WIB dan pukul 8: WIB. Untuk itu diperlukan penelitian lebih lanjut tentang kedua mdel untuk menentukan nilai fe pada kedua waktu di penghujung hari tersebut dengan menggunakan data pengamatan yang lebih banyak. Jika dilihat dari perumusannya, maka mdel empiris Hunsucker-Hargreaves yang lebih mudah untuk dibangun kembali dengan data fe reginal Indnesia. Sedangkan 8

8 Kajian Dua Mdel Empiris Lapisan E Insfer (Jiy) mdel empiris Edinburgh relatif lebih rumit karena selain faktr aktivitas Matahari dan musim, mdel ini juga memasukan faktr lintang dan durasi waktu siang hari. KESIMPULAN Dari hasil dan pembahasan di atas dapat disimpulkan sebagai berikut: () baik mdel Hunsucker-Hargreaves maupun Edinburgh mampu menunjukkan variasi harian, musiman, dan variasi skala siklus Matahari dari lapisan E; () kedua mdel tidak mampu menunjukkan variasi lapisan E terhadap garis lintang; () terdapat perbedaan cukup besar antara kedua mdel akan hasil perhitungan fe pada pukul 6: WIB dan 8: WIB. Untuk itu perlu penelitian lebih lanjut dengan menggunakan data pengamatan yang lebih banyak dan khusus untuk kedua waktu di penghujung hari tersebut; dan () jika dilihat dari segi perumusannya, maka mdel Hunsucker-Hargreaves lebih berpeluang untuk dibangun kembali menggunakan data fe reginal Indnesia. DAFTAR RUJUKAN Hunsucker, R. D., dan Hargreaves, J. K.,. The High-Latitude Insphere and Its Effects n Radi Prpagatin, Cambridge University Press, New Yrk, halaman -. ITU-R P.9-, ITU-R Reference Inspheric Characteristic, halaman -6. Jiy, 6. Variasi Lapisan F Insfer Indnesia, Publikasi Ilmiah LAPAN : Sains Atmsfer & Iklim, Sains Antariksa serta Pemanfaatannya, halaman 7. McNamara, L. F., 99. The Insphere: Cmmunicatins, Surveillance, and Directin Finding, Kreiger Publishing Cmpany, Flrida, halaman 7-8. Muggletn, L. M., 97. A Methd f Predicting fe at Any Time and Place, Telecmmunicatin Jurnal, Vl. VII. Prabtsari, S. K., 98. Prediksi fe Dengan Metde Edinburgh, Prsiding Penelitian Dirgantara LAPAN, halaman -. Thmpsn, R., dan Wulff, S., 99. Regressins Between Slar Indices and The IPS Inspheric T Index, A Cllectin f IPS Papers Presented at The Ottawa Slar-Terrestrial Predictin Wrkshp, halaman