3. TEORI PANTULAN DASAR PERAIRAN
Laut merupakan suatu lingkungan yang sangat kompleks baik ditinjau dari segi biotik maupun abiotik. Tak terkecuali dengan dasar perairan, dasar perairan merupakan satu medium yang dihuni oleh berbagai biota baik yang berukuran kecil hingga yang berukuran besar. Demikian pula dari segi abiotik bahwa dasar perairan merupakan suatu medium dengan berbagai tipe ukuran partikel yang menyusunnya dari yang bersifat halus seperti lumpur hingga yang berukuran besar seperti batu-batuan.
3.1 Pantulan Gelombang Akustik dari Dasar Permukaan
Metode hidroakustik mampu melakukan pengukuran terhadap kuat atau lemahnya pantulan dasar perairan dari berbagai tipe partikel. Secara ringkas, gelombang akustik yang terjadi pada antar muka (interface) air laut-dasar laut mencakup pantulan dan pembauran pada daerah itu dan transmisi di medium kedua. Proses ini ditentukan secara umum dengan beda impedansi akustik (Ζ=
ρ
c) antara kedua media. Pada kasus dataran yang paling sederhana, keadaan gelombang normal, koefisien refleksi tekanan akustik ℜ ditentukan sebagai (Clay and Medwin, 1977):u u l l u u l l u l u l r i c c c c p p
ρ
ρ
ρ
ρ
+ − = Ζ + Ζ Ζ − Ζ = = ℜdimana pidan prmasing-masing menunjukkan tekanan gelombang datang (incident) dan terpantul (reflected), Ζadalah tahanan/impedansi akustik,
ρ
adalah densitas media, cadalah kecepatan suara, sedangkan u dan l menunjukkan media atas dan bawah. Meskipun rumus ini didasarkan pada dan sesuai untuk interface cair, ini tetap dapat diterapkan pada interface cair-padat, dan ini adalah pendekatan yang paling sederhana untuk pendekatan antar muka (interface) air laut-dasar laut (Gambar 14).i ϕ i r ϕ ϕ = i p r p u uc ρ l lc ρ t p t ϕ z i ϕ i r ϕ ϕ = u uc ρ l lc ρ t ϕ z i u r u t u a) Kondisi Pertama t r i
p
p
p
+
=
b) Kondisi Kedua t t i r i t
u
u
u
cos
ϕ
+
cos
ϕ
=
cos
ϕ
Gambar 14. Refleksi gelombang pada dua media (Siwabessy, 2001)
Ada beberapa kendala yang mempengaruhi sinyal pantul menjadi berbeda dari pulsa Akustik yang datang/dikirimkan (Siwabessy, 2001):
(1) ketidaksesuaian impedansi akustik dari air laut-dasar laut menyebabkan pembauran permukaan dari pulsa utama,
(2) parameter akustik dari instrument,
(3) penetrasi sinyal akustik pada dasar laut menyebabkan besarnya pembauran pulsa utama,
(4) arah pemantulan pada interface air laut - dasar laut akibat dari kekasaran dasar laut,
(5) keterlambatan waktu kembali yang miring karena penyebaran yang bulat dengan perubahan kedalaman,
(6) respon pembauran dari permukaan laut, gelembung-gelembung permukaan, dan lambung kapal untuk gema dasar akustik kedua,
(7) kemiringan dasar laut, (8) penyerapan akustik air laut, (9) derau (noise).
Pada saat gelombang hidroakustik mengenai permukaan dasar perairan, sebagian energi akan menembus dasar perairan dan sebagian kembali ke transducer. Pada frekuensi rendah, pantulan dasar akustik ditentukan oleh sedimen dasar perairan yang berbeda-beda. Dasar perairan yang sangat keras memiliki pantulan dasar yang lebih kuat dari dasar perairan yang lunak. Dasar perairan yang keras memiliki pantulan lebih besar dari dasar perairan yang halus dan seterusnya. Gambar 15 menggambarkan
hubungan kekuatan pantulan dan sudut datang pada variasi frekuensi (1; 2; 3,5;7 dan 14 KHz) pada dasar abyssal plain.
Gambar 15. Hubungan sudut datang dan nilai pantulan dasar pada berbagai frekuensi (Siwabessy, 2001)
Gambar 16 menggambarkan hubungan antara sudut datang dengan pantulan pada dasar perairan yang sangat kasar dengan menggunakan frekuensi 1; 2; 3,5;7 dan 14 KHz. Di sini terlihat pada seluruh frekuensi menunjukkan penurunan.
Gambar 16. Hubungan sudut datang dengan pantulan dasar yang sangat kasar pada variasi frekuensi (Siwabessy, 2001)
Adapun hubungan pantulan dasar terhadap tipe dasar perairan yang berbeda (batu, kerikil, pasir dan lumpur) ditunjukkan pada Gambar 17.
3.2 Atenuasi Suara dalam Sedimen
Atenuasi suara dalam sedimen dapat digunakan untuk memperkirakan penampakan dari sistem profil dasar. Seringkali pengukuran in situ atau laboratorium mengenai atenuasi dilakukan pada selang frekuensi yang lebih tinggi dari pada frekuensi yang digunakan untuk profil dasar (subbotom profiling) yaitu 25 sampai 3500 Hz.
Gambar 17. Hubungan sudut datang dan pantulan dasar pada berbagai tipe dasar perairan (Siwabessy, 2001).
Teori umum Biot (mencakup kehilangan viscositas/kekentalan di dalam cairan) menghasilkan atenuasi sebanding dengan f2 pada frekuensi rendah dan
2 / 1
f pada frekuensi tinggi, mekanisme kehilangan yang lain mungkin lebih penting pada sedimen dasar laut dari pada pengaruh viscositas tersebut. Sebagai contoh, bila gelombang suara melewati kelompok-kelompok partikel yang bersinggungan, partikel tersebut bergerak dan bergesekan satu sama lain,
dan kehilangan itu disebabkan karena friksi dari partikel yang saling bergesekan. Di dalam mekanisme friksi, kehilangan itu sebanding dengan pergerakan partikel dan bukan tergantung pada kekentalan (velocity) partikel. Banyak literatur mengemukakan atenuasi (α) dalam dB per unit jarak dengan frekuensi
( f
)
dalam kilohertz, dapat didefinisikan (Clay and Medwin, 1977) sebagai: m
bf
=
α
--- (2) dimana b adalah suatu konstanta, dan m adalah konstanta yang menggambarkan kekuatan yang bergantung pada atenuasi frekuensi. Nilai terbanyak dari m berkisar dari sedikit kurang dari 1 sampai lebih dari 1. Kekerasan dari sedimen tergantung pada porositasnya. Karena kekerasan tergantung dari sentuhan antar partikel, maka kita perkirakan bahwa kehilangan friksi menjadi lebih besar pada saat kekerasan besar.Kehilangan karena attenuasi pada sedimen mengurangi koefisien refleksi bagi sinyal yang dipantulkan pada interface air-sedimen secara relatif. Di luar sudut kritis, kehilangan tersebut menyebabkan pengurangan energi yang dipantulkan karena suara menembus sedimen dalam proses pemantulan total.
Menurut Muljawan (1998) energi yang menembus dasar perairan juga mengalami pelemahan. Beberapa analisa tentang mekanisme penyerapan energi tersebut yang diantaranya spherical divergence, transmission losses, scattering dan absorption.
3.3 Kecepatan Suara Rata-rata di dalam Sedimen
Data yang paling sering digunakan untuk mendapatkan kecepatan suara rata-rata adalah adalah data interpretasi profil seismik. Pantulan dari lapisan sub dasar muncul sebagai waktu pantul pada rekaman, dan peneliti menggunakan kurva kecepatan suara ini untuk mengkonversi waktu tempuh menjadi ketebalan sedimen.
Para ahli geofisika laut memilih untuk mempercepat ketergantungan kecepatan suara pada kedalaman sebagai fungsi dari waktu tempuh satu jalur
T
pada kedalaman tersebut, mengukur Tdari interface air-sedimen. Mereka menyebut kecepatan suara c(T)sebagai kecepatan sesaat (instantaneous velocity). Dalam notasi Houtz c(T) adalah
kT V T
Nilai k berkisar antara 0,9 sampai 3,9 km/detik di berbagai bagian di dunia. V0 berkisar dari 1,2 sampai 1,8 km/s. Di jurang Atlantik Utara, c(T) adalah
T T
c( )=1,67+0,97 T< 0,8 s --- (4) dan simpangan baku untuk 33 pengukuran adalah 0,17 di Equator Pasifik
c(T)=1,46 + 3,9 T T< 0,35 s --- (5) dan simpangan baku adalah 0,17 untuk 29 pengukuran (Clay and Medwin, 1977). Data mereka menunjukkan bahwa konstanta-konstanta yang berbeda dibutuhkan untuk perairan yang berbeda dan daerah di dalam perairan.
Ketebalan lapisan sedimen huntuk waktu tempuh gelombang tunggal
T
diperoleh dengan integrasi dari persamaan persamaan berikut :
2 2 0 kT T V h = + --- (6)
Persamaan ini digunakan unutk mengkonversi profil seismik menjadi kedalaman. Persamaan untuk c(T)dan h adalah persamaan empiris dan merupakan hasil penyesuaian persamaan pada pengukuran percobaan. Kita mengharapkan koefisien-koefisien dan barangkali bentuk persamaannya akan berubah seiring dengan semakin banyaknya data yang terkumpul. Tabel 4 adalah beberapa parameter hasil penelitian Hamilton pada beberapa tipe sedimen di Pasifik Utara.
3.4 Echo Sounding pada Dasar Laut
Echosounder menghitung waktu dari sinyal suara dari kapal ke dasar laut dan kembali ke kapal, Kecepatan suara yang telah diketahui kemudian digunakan untuk mengkonversi waktu tempuh ke kedalaman. Echosounder kedalaman bervariasi dari sistim yang mempunyai transducer tunggal dan pembacaan kedalaman visual sampai sistem yang dikontrol komputer yang memiliki susunan transducer, Di dalam banyak instalasi terdahulu, transducer ditempatkan pada lambung kapal dan memiliki setengah kekuatan dan setengah lebar beam (beam width) sebesar 60o. Echosounder dalam kapal oseanografi biasanya memiliki jam internal yang tepat dan kesalahan pengukuran lebih kecil dari pada 10-3 detik,
Tabel 4. Rata-rata pengukuran dan penghitungan konstanta elastis sedimen di Pasifik Utara
Pengukuran Penghitungan Tipe Sedimen
ν ρ χ Ε σ Γ χσ
Teras Benua (dasar lereng)
Pasir kasar halus sangat halus Pasir berlumpur Lumpur berpasir Pasir-lumpur-liat Lumpur berlempung Lempung berlumpur 38,6 43,9 47,4 52,8 68,3 67,5 75,0 76,0 2,03 1,98 1,91 1,83 1,56 1,58 1,43 1,42 1936 1742 1711 1677 1552 1578 1535 1519 6,6859 5,6877 5,1182 4,6812 3,4152 3,5781 3,1720 3,1476 0,491 0,469 0,453 0,457 0,461 0,463 0,478 0,480 0,1289 0,3212 0,5035 0,3926 0,2809 0,2731 0,1427 0,1323 250 382 503 457 379 409 364 287
Jurang datar (keruh)
Lumpur berlempung Lempung berlumpur Lempung 78,6 85,8 85,8 1,38 1,24 1,26 1535 1521 1505 3,0561 2,7772 2,7805 0,477 0,486 0,491 0,1435 0,0773 0,0483 312 240 196
Jurang berbukit (pelagik)
Lumpur berlempung Lempung berlumpur Lempung 76,4 79,4 77,5 1,41 1,37 1,42 1531 1507 1491 3,1213 3,0316 3,0781 0,478 0,487 0,491 0,1408 0,0795 0,0544 312 232 195
Sumber :Hamilton (1971a) in Clay, (1982) Keterangan
• Nilai Laboratoris: 23oC, tekanan 1 atm, Definisikan sebagai berikut N = porositas(%)
ρ = densitas(g/cm3; kg/m3 X 10–3)
c = kecepatan (m/dt) gelombang (suara) terkompresi E = bulk modulus (N/m2 x 10-9)
σ = Rasio Poison; dihitung denganσ = (3E - ρc2)/(3E + ρc2) G = modulus rigidity (shear); dihitung dengan G = [(ρc2 – E)3]/4 (N/m2 X 10-9)
cs = kecepatan shear wave; dihitung dengan cs= (G/ρ)1/2 (m/s)
a) Sistem Sonar Beam Tunggal (Single Beam System)
Sistem transducer tunggal yang lebih sederhana yang banyak digunakan echosounder memberikan rekaman tentang kedalaman terhadap waktu percobaan. Ada dua tahap dalam pengambilan data, selama survei, pencatat waktu menandai saat perekaman echosounder, mengamati kombinasi dari waktu dengan posisi kapal untuk memplot kedalaman sepanjang lintasan kapal. Pengkonversian pembacaan sounder kedalaman menjadi kedalaman nyata digunakan kecepatan suara aktual (sering kali di sebut sebagai “sounding velocity” / kecepatan suara). Beberapa instrumen dapat disetel, dan pemakai dapat menyetel kecepatan suara untuk mendapatkan kedalaman yang
sebenarnya dalam area dan selang kedalaman yang terbatas, Pada umumnya kecepatan suara disetel oleh perancang, Di Amerika Serikat misalnya, banyak echo sounder yang menggunakan 4800 ft/s atau 800 fm/s (1461 m/s), Beberapa peralatan menggunakan 1500 m/s, Pengukuran kedalaman yang diperoleh dengan kecepatan suara yang berubah-ubah dinamakan “kedalaman tak terkoreksi (uncorrected depths)”, Prosedur untuk mengkoreksi adalah dengan menggunakan kaliberasi echosounder untuk mengkonversi “uncorrectaed depth” terhadap waktu, kemudian menggunakan profil kecepatan suara untuk menghitung kedalaman sebenarnya,
Beberapa peta dasar telah terkoreksi, dan beberapa belum terkoreksi (uncorrected), Para navigator lebih suka menggunakan peta yang belum terkoreksi sebagai bantuan navigasi dengan membandingkan echosounding dengan kedalaman yang telah diberikan di peta, Banyak peta-peta hidrografik diterbitkan oleh Kantor/Dinas Oseanografi Laut yang menggunakan uncorrected depth dan menggunakan kecepatan suara 4800 kaki/detik, Kebanyakan pembuat peta juga memberi keterangan apakah kedalaman telah terkoreksi atau memberikan sounding velocity,
b) Sistem Sonar Beam Ganda
Konfigurasi dari sistem sonar beam ganda dikontrol oleh komputer, pasangan dari array disilangkan untuk memberikan satu gambar seperti beam. Array yang di pancarkan ada di sepanjang lunas dan memiliki bentuk kipas beam normal. Beam yang efektif dihasilkan dari beam yang dipancarkan dan beam yang diterima. Lebar beam yang efektif mungkin sebesar 1o.
Posisi dan lintasan kapal dimasukkan ke dalam komputer, secara bersamaan dengan jejak (trace) untuk arah beam dan kecepatan suara, yang digunakan untuk mengkonversi waktu tempuh sepanjang beam untuk memetakan kedalaman dasar laut,
c) Sistem Beam Terbagi (Split Beam)
Sistem ini menggunakan transducer dimana beam yang terbentuk memiliki empat kuadran, dimana ke empat beam memiliki frekuensi yang sama, Pengiriman sinyal akustik menggunakan full beam namun penerimaan sinyal akustik secara terpisah, Hasil deteksi berupa data echogram yang menggambarkan target-target di bawah air hingga dasar perairan. Umumnya
permukaan dasar perairan mempunyai pencitraan berwarna merah kecoklatan yang menggambarkan tipe substrat juga terlihat topografi permukaan dasar perairan,
d) subbotom profiler
subbotom profiler adalah peralatan yang sangat baik untuk mempelajari struktur dasar laut, Profiler ini sederhana karena merupakan dasar suatu echosounder, Kedalaman tembus sinyal suara ke dalam dasar tergantung dari frekuensi sinyal, koefisien penyerapan sedimen, dan rasio sinyal terhadap noise, Biasanya digunakan echosounder 12 dan 3,5 kHz yang dipasang pada lambung. Penetrasi echosounder 3,5 kHz lebih dari 100 m di area dimana sedimen memiliki koefisien penyerapan yang kecil, Penetrasi yang lebih dalam memerlukan sistem frekuensi yang lebih rendah (< 100 Hz), yang dinamakan sistem profiling seismik,
Sumber frekuensi yang rendah memiliki output yang besar, seringkali sebuah ledakan, hydrophone penerima dipasang terikat di belakang kapal karena kapal mempunyai tingkat ganguan yang tinggi pada selang frekuensi dari sinyal.
Contoh dari sumber impulsive adalah ledakan, letusan, dan pistol udara/senapan angin. Pistol udara secara rutin digunakan untuk membuat ribuan kilometer profil seismik. Pistol udara ini memiliki amplitudo/intensitas sinyal yang besar pada frekuensi yang rendah, memiliki transmisi sinyal yang dapat di reproduksi dan dapat dipancarkan pada beberapa interval waktu. Secara mekanis pistol udara sangat sederhana, suatu ruang diisi dengan udara pada tekanan tertentu (misalnya 100 atm), kemudian dibuka dengan sangat cepat, dan membiarkan udara mengembang ke dalam air. Pengembangan udara ini menyebabkan ledakan, sinyal-sinyal yang bergerak, termasuk pantulan permukaan, dari 5 liter (300 in,3). Waktu antara gelembung pulsa bertambah dengan bertambahnya volume udara dan berkurang dengan bila semakin dalam. Seringkali kombinasi pistol udara dengan beberapa ukuran yang berbeda digunakan untuk menambah sinyal inisial dan mengurangi pengaruh gelembung pulsa.
Penggunaan yang luas dari seismik profiling oleh laboratorium oseanografi di dunia menghasilkan informasi tentang distribusi sedimen diatas dasar laut dan hubungannya dengan proses-proses dasar, misalnya profil sepanjang perbukitan Atlantik Tengah menunjukkan bahwa sedimen tipis pada
puncak bukit dan menebal saat menjauhi puncak. Sketsa di bawah profil seismik berupa garis yang digambarkan pada bagian-bagian profil seismik dan dibawahnya penampang lintang yang disederhanakan strukturnya. Hipotesa yang digunakan pada sebaran dasar laut, yaitu diharapkan sedimen menipis pada bagian tengah sebaran dan menebal dengan semakin jauh dari tengah, karena umur dari dasar laut bertambah dengan jarak dari bagian tengah.
3.5 Program Pengklasifikasi Permukaan Dasar Perairan
Klasifikasi permukaan dasar yang pernah dilakukan menggunakan Program RoxAnn dan QTC View (Freeman et al, 2002; NOAA, 2004), dimana kedua program ini dapat menganalisa echo dari kekasaran dan kekerasan partikel yang berbeda, antara lain batu, pasir, lumpur dan kombinasi dari tipe subtrat yang ada, Selain RoxAnn dan QTC View, dikenal juga program EP-500, Program ini adalah program yang melengkapi peralatan Simrad EY-500 maupun EK-500,
Program EP-500 versi 5,3 merupakan perubahan terbaru dari EP-500 sebelumnya dimana sudah mengalami pengembangan dalam analisis dasar perairan, Kelebihan dari penambahan ini maka dapat memberikan definisi dasar saat melakukan ekspansi dasar dan memiliki resolusi vertikal yang lebih bagus untuk menggambarkan garis dasar dengan tepat (Simrad, 1996).
Program ini juga dapat memberikan informasi mengenai target strength ikan, densitas ikan, arah renang dan kecepatan ikan juga nilai pantulan dari permukaan dasar perairan. Tampilan dari program EP-500 versi 5,3 dan Echoview 3,5 di Lampiran 1.
