30 3. TEORI PANTULAN DASAR PERAIRAN Lat merpakan sat lingkngan yang sangat kompleks baik ditinja dari segi biotik mapn abiotik. Tak terkecali dengan dasar perairan, dasar perairan merpakan sat medim yang dihni oleh berbagai biota baik yang berkran kecil hingga yang berkran besar. Demikian pla dari segi abiotik bahwa dasar perairan merpakan sat medim dengan berbagai tipe kran partikel yang menysnnya dari yang bersifat hals seperti lmpr hingga yang berkran besar seperti bat-batan. 3.1 Pantlan Gelombang Akstik dari Dasar Permkaan Metode hidroakstik mamp melakkan pengkran terhadap kat ata lemahnya pantlan dasar perairan dari berbagai tipe partikel. Secara ringkas, gelombang akstik yang terjadi pada antar mka (interface) air lat-dasar lat mencakp pantlan dan pembaran pada daerah it dan transmisi di medim keda. Proses ini ditentkan secara mm dengan beda impedansi akstik ( Ζ = ρ c ) antara keda media. Pada kass dataran yang paling sederhana, keadaan gelombang normal, koefisien refleksi tekanan akstik R ditentkan sebagai (Clay and Medwin, 1977): R = p p i r = Ζ Ζ l l Ζ + Ζ ρlcl = ρ c l l ρ c + ρ c. (1) dimana pi dan pr masing-masing mennjkkan tekanan gelombang datang Ζ adalah tahanan/impedansi akstik, (incident) dan terpantl (reflected), ρ adalah densitas media, c adalah kecepatan sara, sedangkan dan l mennjkkan media atas dan bawah. Meskipn rms ini didasarkan pada dan sesai ntk interface cair-cair, ini tetap dapat diterapkan pada interface cairpadat, dan ini adalah pendekatan yang paling sederhana ntk pendekatan antar mka (interface) air lat-dasar lat (Gambar 14).
31 ϕ i ϕ r = ϕ i ϕ i ϕ r = ϕ i p i i p r r ρ c ρ c ρ l c l ρ l c l p t t ϕ t ϕ t z a) Kondisi Pertama p + p = i r p t t z b) Kondisi Keda cos ϕ + cosϕ = cosϕ Gambar 14. Refleksi gelombang pada da media (Siwabessy, 2001) i r i t t Ada beberapa kendala yang mempengarhi sinyal pantl menjadi berbeda dari plsa Akstik yang datang/dikirimkan (Siwabessy, 2001): (1) ketidaksesaian impedansi akstik dari air lat-dasar lat menyebabkan pembaran permkaan dari plsa tama, (2) parameter akstik dari instrment, (3) penetrasi sinyal akstik pada dasar lat menyebabkan besarnya pembaran plsa tama, (4) arah pemantlan pada interface air lat - dasar lat akibat dari kekasaran dasar lat, (5) keterlambatan wakt kembali yang miring karena penyebaran yang blat dengan perbahan kedalaman, (6) respon pembaran dari permkaan lat, gelembng-gelembng permkaan, dan lambng kapal ntk gema dasar akstik keda, (7) kemiringan dasar lat, (8) penyerapan akstik air lat, (9) dera (noise).
32 Pada saat gelombang hidroakstik mengenai permkaan dasar perairan, sebagian energi akan menembs dasar perairan dan sebagian kembali ke transdcer. Pada frekensi rendah, pantlan dasar akstik ditentkan oleh sedimen dasar perairan yang berbedabeda. Dasar perairan yang sangat keras memiliki pantlan dasar yang lebih kat dari dasar perairan yang lnak. Dasar perairan yang keras memiliki pantlan lebih besar dari dasar perairan yang hals dan setersnya. Gambar 15 menggambarkan hbngan kekatan pantlan dan sdt datang pada variasi frekensi (1; 2; 3,5;7 dan 14 KHz) pada dasar abyssal plain. Gambar 15. Hbngan sdt datang dan nilai pantlan dasar pada berbagai frekensi (Siwabessy, 2001) Gambar 16 menggambarkan hbngan antara sdt datang dengan pantlan pada dasar perairan yang sangat kasar dengan menggnakan frekensi 1; 2; 3,5;7 dan 14 KHz. Di sini terlihat pada selrh frekensi mennjkkan penrnan.
33 Gambar 16. Hbngan sdt datang dengan pantlan dasar yang sangat kasar pada variasi frekensi (Siwabessy, 2001) Adapn hbngan pantlan dasar terhadap tipe dasar perairan yang berbeda (bat, kerikil, pasir dan lmpr) ditnjkkan pada Gambar 17. 3.2 Atenasi Sara dalam Sedimen Atenasi sara dalam sedimen dapat dignakan ntk memperkirakan penampakan dari sistem profil dasar. Seringkali pengkran in sit ata laboratorim mengenai atenasi dilakkan pada selang frekensi yang lebih tinggi dari pada frekensi yang dignakan ntk profil dasar (sbbotom profiling) yait 25 sampai 3500 Hz.
34 Gambar 17. Hbngan sdt datang dan pantlan dasar pada berbagai tipe dasar perairan (Siwabessy, 2001). Teori mm Biot (mencakp kehilangan viscositas/kekentalan di dalam cairan) menghasilkan atenasi sebanding dengan 2 f pada frekensi rendah dan 1/ 2 f pada frekensi tinggi, mekanisme kehilangan yang lain mngkin lebih penting pada sedimen dasar lat dari pada pengarh viscositas tersebt. Sebagai contoh, bila gelombang sara melewati kelompok-kelompok partikel yang bersinggngan, partikel tersebt bergerak dan bergesekan sat sama lain,
35 dan kehilangan it disebabkan karena friksi dari partikel yang saling bergesekan. Di dalam mekanisme friksi, kehilangan it sebanding dengan pergerakan partikel dan bkan tergantng pada kekentalan (velocity) partikel. Banyak literatr mengemkakan atenasi (α) dalam db per nit jarak dengan frekensi ( f ) dalam kilohertz, dapat didefinisikan (Clay and Medwin, 1977) sebagai: m α = bf -------------------------- (2) dimana b adalah sat konstanta, dan m adalah konstanta yang menggambarkan kekatan yang bergantng pada atenasi frekensi. Nilai terbanyak dari m berkisar dari sedikit krang dari 1 sampai lebih dari 1. Kekerasan dari sedimen tergantng pada porositasnya. Karena kekerasan tergantng dari senthan antar partikel, maka kita perkirakan bahwa kehilangan friksi menjadi lebih besar pada saat kekerasan besar. Kehilangan karena attenasi pada sedimen mengrangi koefisien refleksi bagi sinyal yang dipantlkan pada interface air-sedimen secara relatif. Di lar sdt kritis, kehilangan tersebt menyebabkan pengrangan energi yang dipantlkan karena sara menembs sedimen dalam proses pemantlan total. Menrt Mljawan (1998) energi yang menembs dasar perairan jga mengalami pelemahan. Beberapa analisa tentang mekanisme penyerapan energi tersebt yang diantaranya spherical divergence, transmission losses, scattering dan absorption. 3.3 Kecepatan Sara Rata-rata di dalam Sedimen Data yang paling sering dignakan ntk mendapatkan kecepatan sara rata-rata adalah adalah data interpretasi profil seismik. Pantlan dari lapisan sb dasar mncl sebagai wakt pantl pada rekaman, dan peneliti menggnakan krva kecepatan sara ini ntk mengkonversi wakt temph menjadi ketebalan sedimen. Para ahli geofisika lat memilih ntk mempercepat ketergantngan kecepatan sara pada kedalaman sebagai fngsi dari wakt temph sat jalr T pada kedalaman tersebt, mengkr T dari interface air-sedimen. Mereka menyebt kecepatan sara c(t ) sebagai kecepatan sesaat (instantaneos velocity). Dalam notasi Hotz c (T ) adalah c ( T ) V + kt --------------------------------------(3) = 0
36 Nilai k berkisar antara 0,9 sampai 3,9 km/detik di berbagai bagian di dnia. V 0 berkisar dari 1,2 sampai 1,8 km/s. Di jrang Atlantik Utara, c (T ) adalah c( T ) = 1,67 + 0, 97T T< 0,8 s ---------------- (4) dan simpangan bak ntk 33 pengkran adalah 0,17 di Eqator Pasifik c(t)=1,46 + 3,9 T T< 0,35 s ---------------- (5) dan simpangan bak adalah 0,17 ntk 29 pengkran (Clay and Medwin, 1977). Data mereka mennjkkan bahwa konstanta-konstanta yang berbeda dibthkan ntk perairan yang berbeda dan daerah di dalam perairan. Ketebalan lapisan sedimen h ntk wakt temph gelombang tnggal T diperoleh dengan integrasi dari persamaan persamaan berikt : 2 kt h = V0T + ------------------ (6) 2 Persamaan ini dignakan ntk mengkonversi profil seismik menjadi kedalaman. Persamaan ntk c(t ) dan h adalah persamaan empiris dan merpakan hasil penyesaian persamaan pada pengkran percobaan. Kita mengharapkan koefisien-koefisien dan barangkali bentk persamaannya akan berbah seiring dengan semakin banyaknya data yang terkmpl. Tabel 4 adalah beberapa parameter hasil penelitian Hamilton pada beberapa tipe sedimen di Pasifik Utara. 3.4 Echo Sonding pada Dasar Lat Echosonder menghitng wakt dari sinyal sara dari kapal ke dasar lat dan kembali ke kapal, Kecepatan sara yang telah diketahi kemdian dignakan ntk mengkonversi wakt temph ke kedalaman. Echosonder kedalaman bervariasi dari sistim yang mempnyai transdcer tnggal dan pembacaan kedalaman visal sampai sistem yang dikontrol kompter yang memiliki ssnan transdcer, Di dalam banyak instalasi terdahl, transdcer ditempatkan pada lambng kapal dan memiliki setengah kekatan dan setengah lebar beam (beam width) sebesar 60 o. Echosonder dalam kapal oseanografi biasanya memiliki jam internal yang tepat dan kesalahan pengkran lebih kecil dari pada 10-3 detik,
37 Tabel 4. Rata-rata pengkran dan penghitngan konstanta elastis sedimen di Pasifik Utara Tipe Sedimen Pengkran Penghitngan Teras Bena (dasar lereng) Pasir kasar 38,6 hals 43,9 sangat hals 47,4 Pasir berlmpr 52,8 Lmpr berpasir 68,3 Pasir-lmpr-liat 67,5 Lmpr berlempng 75,0 Lempng berlmpr 76,0 Jrang datar (kerh) Lmpr berlempng Lempng berlmpr Lempng 78,6 85,8 85,8 Jrang berbkit (pelagik) Lmpr berlempng Lempng berlmpr Lempng 76,4 79,4 77,5 ν ρ χ Ε σ Γ χ σ 2,03 1,98 1,91 1,83 1,56 1,58 1,43 1,42 1,38 1,24 1,26 1,41 1,37 1,42 Smber :Hamilton (1971a) in Clay, (1982) 1936 1742 1711 1677 1552 1578 1535 1519 1535 1521 1505 1531 1507 1491 6,6859 5,6877 5,1182 4,6812 3,4152 3,5781 3,1720 3,1476 3,0561 2,7772 2,7805 3,1213 3,0316 3,0781 0,491 0,469 0,453 0,457 0,461 0,463 0,478 0,480 0,477 0,486 0,491 0,478 0,487 0,491 0,1289 0,3212 0,5035 0,3926 0,2809 0,2731 0,1427 0,1323 0,1435 0,0773 0,0483 0,1408 0,0795 0,0544 Keterangan Nilai Laboratoris: 23 o C, tekanan 1 atm, Definisikan sebagai berikt N = porositas (%) ρ = densitas (g/cm 3 ; kg/m3 X 10 3 ) c = kecepatan (m/dt) gelombang (sara) terkompresi E = blk modls (N/m 2 x 10-9 ) σ = Rasio Poison; dihitng dengan σ = (3E - ρc 2 )/(3E + ρc 2 ) G = modls rigidity (shear); dihitng dengan G = [(ρc 2 E)3]/4 (N/m 2 X 10-9 ) c s = kecepatan shear wave; dihitng dengan c s = (G/ρ) 1/2 (m/s) 250 382 503 457 379 409 364 287 312 240 196 312 232 195 a) Sistem Sonar Beam Tnggal (Single Beam System) Sistem transdcer tnggal yang lebih sederhana yang banyak dignakan echosonder memberikan rekaman tentang kedalaman terhadap wakt percobaan. Ada da tahap dalam pengambilan data, selama srvei, pencatat wakt menandai saat perekaman echosonder, mengamati kombinasi dari wakt dengan posisi kapal ntk memplot kedalaman sepanjang lintasan kapal. Pengkonversian pembacaan sonder kedalaman menjadi kedalaman nyata dignakan kecepatan sara aktal (sering kali di sebt sebagai sonding velocity / kecepatan sara). Beberapa instrmen dapat disetel, dan pemakai dapat menyetel kecepatan sara ntk mendapatkan kedalaman yang
38 sebenarnya dalam area dan selang kedalaman yang terbatas, Pada mmnya kecepatan sara disetel oleh perancang, Di Amerika Serikat misalnya, banyak echo sonder yang menggnakan 4800 ft/s ata 800 fm/s (1461 m/s), Beberapa peralatan menggnakan 1500 m/s, Pengkran kedalaman yang diperoleh dengan kecepatan sara yang berbah-bah dinamakan kedalaman tak terkoreksi (ncorrected depths), Prosedr ntk mengkoreksi adalah dengan menggnakan kaliberasi echosonder ntk mengkonversi ncorrectaed depth terhadap wakt, kemdian menggnakan profil kecepatan sara ntk menghitng kedalaman sebenarnya, Beberapa peta dasar telah terkoreksi, dan beberapa belm terkoreksi (ncorrected), Para navigator lebih ska menggnakan peta yang belm terkoreksi sebagai bantan navigasi dengan membandingkan echosonding dengan kedalaman yang telah diberikan di peta, Banyak peta-peta hidrografik diterbitkan oleh Kantor/Dinas Oseanografi Lat yang menggnakan ncorrected depth dan menggnakan kecepatan sara 4800 kaki/detik, Kebanyakan pembat peta jga memberi keterangan apakah kedalaman telah terkoreksi ata memberikan sonding velocity, b) Sistem Sonar Beam Ganda Konfigrasi dari sistem sonar beam ganda dikontrol oleh kompter, pasangan dari array disilangkan ntk memberikan sat gambar seperti beam. Array yang di pancarkan ada di sepanjang lnas dan memiliki bentk kipas beam normal. Beam yang efektif dihasilkan dari beam yang dipancarkan dan beam yang diterima. Lebar beam yang efektif mngkin sebesar 1 o. Posisi dan lintasan kapal dimaskkan ke dalam kompter, secara bersamaan dengan jejak (trace) ntk arah beam dan kecepatan sara, yang dignakan ntk mengkonversi wakt temph sepanjang beam ntk memetakan kedalaman dasar lat, c) Sistem Beam Terbagi (Split Beam) Sistem ini menggnakan transdcer dimana beam yang terbentk memiliki empat kadran, dimana ke empat beam memiliki frekensi yang sama, Pengiriman sinyal akstik menggnakan fll beam namn penerimaan sinyal akstik secara terpisah, Hasil deteksi berpa data echogram yang menggambarkan target-target di bawah air hingga dasar perairan. Ummnya
39 permkaan dasar perairan mempnyai pencitraan berwarna merah kecoklatan yang menggambarkan tipe sbstrat jga terlihat topografi permkaan dasar perairan, d) sbbotom profiler sbbotom profiler adalah peralatan yang sangat baik ntk mempelajari strktr dasar lat, Profiler ini sederhana karena merpakan dasar sat echosonder, Kedalaman tembs sinyal sara ke dalam dasar tergantng dari frekensi sinyal, koefisien penyerapan sedimen, dan rasio sinyal terhadap noise, Biasanya dignakan echosonder 12 dan 3,5 khz yang dipasang pada lambng. Penetrasi echosonder 3,5 khz lebih dari 100 m di area dimana sedimen memiliki koefisien penyerapan yang kecil, Penetrasi yang lebih dalam memerlkan sistem frekensi yang lebih rendah (< 100 Hz), yang dinamakan sistem profiling seismik, Smber frekensi yang rendah memiliki otpt yang besar, seringkali sebah ledakan, hydrophone penerima dipasang terikat di belakang kapal karena kapal mempnyai tingkat gangan yang tinggi pada selang frekensi dari sinyal. Contoh dari smber implsive adalah ledakan, letsan, dan pistol dara/senapan angin. Pistol dara secara rtin dignakan ntk membat riban kilometer profil seismik. Pistol dara ini memiliki amplitdo/intensitas sinyal yang besar pada frekensi yang rendah, memiliki transmisi sinyal yang dapat di reprodksi dan dapat dipancarkan pada beberapa interval wakt. Secara mekanis pistol dara sangat sederhana, sat rang diisi dengan dara pada tekanan tertent (misalnya 100 atm), kemdian dibka dengan sangat cepat, dan membiarkan dara mengembang ke dalam air. Pengembangan dara ini menyebabkan ledakan, sinyal-sinyal yang bergerak, termask pantlan permkaan, dari 5 liter (300 in, 3 ). Wakt antara gelembng plsa bertambah dengan bertambahnya volme dara dan berkrang dengan bila semakin dalam. Seringkali kombinasi pistol dara dengan beberapa kran yang berbeda dignakan ntk menambah sinyal inisial dan mengrangi pengarh gelembng plsa. Penggnaan yang las dari seismik profiling oleh laboratorim oseanografi di dnia menghasilkan informasi tentang distribsi sedimen diatas dasar lat dan hbngannya dengan proses-proses dasar, misalnya profil sepanjang perbkitan Atlantik Tengah mennjkkan bahwa sedimen tipis pada
40 pncak bkit dan menebal saat menjahi pncak. Sketsa di bawah profil seismik berpa garis yang digambarkan pada bagian-bagian profil seismik dan dibawahnya penampang lintang yang disederhanakan strktrnya. Hipotesa yang dignakan pada sebaran dasar lat, yait diharapkan sedimen menipis pada bagian tengah sebaran dan menebal dengan semakin jah dari tengah, karena mr dari dasar lat bertambah dengan jarak dari bagian tengah. 3.5 Program Pengklasifikasi Permkaan Dasar Perairan Klasifikasi permkaan dasar yang pernah dilakkan menggnakan Program RoxAnn dan QTC View (Freeman et al, 2002; NOAA, 2004), dimana keda program ini dapat menganalisa echo dari kekasaran dan kekerasan partikel yang berbeda, antara lain bat, pasir, lmpr dan kombinasi dari tipe sbtrat yang ada, Selain RoxAnn dan QTC View, dikenal jga program EP-500, Program ini adalah program yang melengkapi peralatan Simrad EY-500 mapn EK-500, Program EP-500 versi 5,3 merpakan perbahan terbar dari EP-500 sebelmnya dimana sdah mengalami pengembangan dalam analisis dasar perairan, Kelebihan dari penambahan ini maka dapat memberikan definisi dasar saat melakkan ekspansi dasar dan memiliki resolsi vertikal yang lebih bags ntk menggambarkan garis dasar dengan tepat (Simrad, 1996). Program ini jga dapat memberikan informasi mengenai target strength ikan, densitas ikan, arah renang dan kecepatan ikan jga nilai pantlan dari permkaan dasar perairan. Tampilan dari program EP-500 versi 5,3 dan Echoview 3,5 di Lampiran 1.