Prosiding Workshop Riset Medan Magnet Bumi
dan Aplikasinya
http://www.lapan.go.id
Korelasi Puncak Gangguan Komponen H Medan Magnet Bumi dengan Durasi
Badai Geomagnet
Correlation of Geomagnetic H Component Disturbances Peak with Geomagnetic
Storm
Y. H. Ali
*, S. P. D. Sriyanto, R. Margiono
Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatogi dan Geofisika (STMKG) *Email : [email protected]
I. PENDAHULUAN
Medan magnet bumi mempunyai komponen-komponen yang dapat diukur arah dan intensitas kemagnetannya. Komponen-komponen tersebut meliputi : sudut deklinasi,
sudut inklinasi, komponen H, komponen Z, komponen X, komponen Y, dan medan magnetik total (F) sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 1-1.
INFO ABSTRAK/ABSTRAC T
Diterima : 8 September 2015 Direview : 9 Oktober 2015 Direvisi : 28 Desember 2015 Diterbitkan : 6 April 2016
Nilai indeks K merepresentasikan besarnya gangguan medan geomagnet komponen H di stasiun pengamatan medan geomagnet. Salah satu gangguan magnet tersebut ialah badai geomagnet. Semakin besar kekuatan badai magnet, maka akan semakin lama durasi terjadinya badai magnet sampai fase pemulihan. Untuk melihat korelasi antara besarnya gangguan medan geomagnet komponen H dengan durasinya, kami memilih 7 badai geomagnet yang tercatat di stasiun pengamatan magnet Tondano (TND), Sulawesi Utara sepanjang bulan Juni 2012 sampai Desember 2013. Dan sebagai perbandingannya, kami juga menggunakan indeks Dst rata – rata setiap tiga jam terhadap durasi badai magnet yang terjadi. Koefisien korelasi Pearson digunakan untuk menghitung korelasinya. Analisis terhadap hasil pengolahan data menunjukkan bahwa puncak gangguan komponen H medan geomagnet mempunyai korelasi kuat dengan durasi badai geomagnet, dengan koefisien korelasi Pearson 0,609. Sedangkan korelasi indeks Dst dan durasi badai geomagnet mempunyai korelasi sangat kuat dengan koefisien korelasi pearson 0,870. Korelasi yang lebih baik dari indeks Dst dikarenakan indeks Dst merupakan hasil penggabungan data beberapa stasiun stasiun pengamatan magnet.
Kata kunci :gangguan magnet, indeks Dst, korelasi Pearson
The value of K-index represent the geomagnetic disturbance of H component on an magnetic station. A kind of the magnetic disturbance is geomagnetic storm. The greater strength of the magnetic storm, the longer of its duration until the recovery phase. To see a correlation between the geomagnetic disturbance of H component and its duration. We selected seven geomagnetic storms that recorded in Tondano magnetic station (TND), North Sulawesi during June 2012 until December 2013. And for the comparison, we also used the average every three hours of Dst-index with the magnetic storm duration that happened. Pearson correlation coefficient was used to calculate the correlation. Analysis of the data processing results show that the peak of geomagnetic field H component disturbance has a strong correlation with the duration of the geomagnetic storm , with a Pearson correlation coefficient of 0.609. While the correlation of Dst-index and duration of geomagnetic storms have a very strong correlation with a Pearson correlation coefficient of 0.870. Dst index is a better corelation because it has the result of combining data from some magnetic stations
Keywords : magnetic disturbance, Dst-index, Pearson correlation PERUJUKAN
Ali et al. 2016. Korelasi Puncak Gangguan
Komponen H Medan Magnet Bumi dengan Durasi Badai Geomagnet . Prosiding
Workshop Riset Medan Magnet Bumi dan Aplikasinya, Edisi I, hal. 13-17, Pusat Sains Antariksa LAPAN, ISBN 978-979-1458-97-9.
Gambar 1-1: Komponen-komponen medan magnet bumi
(Siswoyo et al. 2011)
Kuat medan magnet bumi tidak konstan namun bervariasi terhadap waktu dan posisi. Secara spasial (berdasarkan tempat), nilai medan magnet bumi bervariasi akibat perbedaan lintang tempat yang merujuk pada dekat atau tidaknya dengan kutub magnet dan akibat adanya medan magnet lokal (anomaly
field). Nilai variasi medan magnet bumi secara temporal
dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu variasi sekuler, variasi harian/diurnal, dan badai magnet.
Aktivitas matahari sangat berpengaruh pada medan magnet bumi. Pengaruh aktivitas matahari pada medan magnet bumi dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu Quite Day, Disturb
Day, dan Solar Storm. Quite Day adalah hari tenang yang
didefinisikan sebagai tidak adanya aktifitas gangguan medan magnet bumi akibat angin matahari. Disturb Day adalah hari yang teridentifikasi adanya gangguan kecil oleh angin matahari terhadap medan magnet bumi. Solar Storm didefinisikan sebagai hari dimana terjadi Badai Matahari yang mengganggu medan magnet bumi yang dinamakan badai geomagnet (geomagnetic storm). Aktivitas matahari antara lain terjadinya
solar flare (loncatan bunga api matahari) dan peningkatan sunspot (bintik-bintik hitam matahari). Makin banyak bintik
yang muncul di permukaan matahari, maka tingkat aktivitas matahari dikatakan makin tinggi (Husni, 2010).
Angin Matahari mempengaruhi aktivitas manusia, menyebabkan lonjakan medan listrik secara tiba-tiba yang akan mengakibatkan kerusakan pada peralatan teknologi tinggi seperti peralatan satelit, komunikasi, dan sistem jaringan distribusi listrik. Menurut Habirun dan Rachyany (2011) tiupan solar wind yang sangat kuat dapat memecahkan medan magnet bumi pada waktu sangat singkat (badai geomagnet). Gangguan dari badai geomagnet tersebut mengakibatkan kenaikan atau penurunan variasi harian komponen H yang tegak lurus terhadap gangguan hingga ratusan nanotesla dari kondisi normal.
Umumnya, badai geomagnet terdiri dari 3 fase yaitu fase awal, fase utama dan fase pemulihan. Durasi fase pemulihan bisa berlangsung berhari-hari. Hal ini bergantung pada intensitas gangguannya. Korelasi antara gangguan maksimum komponen H dengan durasi badai geomagnet dilihat melalui analisis statistik dengan metode regresi dan koefisien korelasi. Nilai koefisien korelasi yang mendekati 1,00 dapat dikatakan bahwa ada hubungan kuat antara dua variabel yang diperhitungkan.
Sebaliknya dikatakan tidak ada atau lemah hubungannya bila nilai koefisien korelasi mendekati nilai 0,00 (Sarwono, 2006). Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui korelasi antara gangguan maksimum komponen H dengan durasi badai geomagnet di stasiun observasi magnet Tondano. Selain itu, diuraikan juga perbandingan korelasi di Tondano dengan korelasi yang didapat dari gangguan maksimum indeks Dst. Penelitian ini diharapkan dapat menjadi acuan awal untuk studi selanjutnya dalam menentukan durasi dan waktu selesainya badai geomagnet untuk upaya mitigasi pada kerusakan peralatan komunikasi dan jaringan listrik.
2. DATA DAN METODOLOGI
Data medan magnet yang digunakan dalam penelitian ini adalah data digital menitan komponen H dari stasiun pengamatan medan magnet bumi Tondano (TND) dengan koordinat 1,29°LU dan 124,95°BT selama bulan Juni 2012 hingga bulan Desember 2013. Pengolahan data dilakukan dengan mengoreksi nilai medan geomagnet komponen H dengan data medan magnet utama bumi International
Geomagnetik Reference Field (IGRF), kemudian dicari selisih
antara nilai maksimum dan minimum (R) dalam periode tiga jam. Selanjutnya dikonversikan ke nilai Indeks K yang menyatakan tingkat gangguan medan geomagnet regional. Tidak setiap observatorium mempunyai konversi yang sama untuk skala R dan indeks K, karena setiap stasiun memiliki zona respon dan gangguan magnet yang berbeda-beda (Rachyany et al. 2007). Untuk indeks K yang digunakan di stasiun Tondano mengacu pada nilai indeks dari stasiun Honolulu dengan koordinat 11,78°LU dan 93,5°BT yang umumnya juga digunakan oleh observatorium di daerah lintang rendah (Ruhimat et al. 1992) yang diklasifikasikan seperti pada Tabel 2-1.
Tabel 2-1. Konversi dari harga R (nT) ke harga indeks K di
stasiun Honolulu (Ruhimat et al. 1992)
K R (nT) 0 0 - 3 1 4 - 6 2 7 - 12 3 13 - 24 4 25 - 40 5 41 - 70 6 71 - 120 7 121 - 200 8 201 - 300 9 300 - …
Dari rentang waktu tersebut diambil 7 kejadian badai geomagnet, yaitu 16-19 Juni 2012, 14-18 Juli 2012, 30 September-3 Oktober 2012, 23-24 November 2012, 17-22 Maret 2013, 8-10 Oktober 2013, dan 7-9 Desember 2013. Ketujuh badai geomagnet tersebut dipilih berdasarkan nilai Indeks K stasiun Tondano ≥ 5 dan nilai Indeks Dst ≤ -30 nT. Berdasarkan klasifikasi badai geomagnet, nilai indeks K ≥ 5 termasuk badai geomagnet minor dan nilai indeks K antara 7-9 termasuk badai geomagnet kuat (Central Technology, Inc. 2011). Selain indeks K, Indeks Disturbance Storm Time (Dst)
juga digunakan sebagai acuan terjadinya badai geomagnet karena indeks Dst adalah indeks aktivitas magnet secara global pada daerah ekuator. Nilai dari indeks ini dinyatakan dalam
nanotesla (nT) yang merupakan nilai rata-rata dari komponen
H medan magnet bumi yang dihitung secara periodik setiap jam dari empat lokasi observasi medan magnet bumi di sekitar ekuator (Pranoto, 2010). Badai geomagnet ditandai dengan menurunnya pergerakan intensitas pada indeks Dst (Rachyany, 2009). Menurut Loewe dan Prolss (1997) badai geomagnet dapat diklasifikasikan berdasarkan besarnya intensitas Dst seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2-2.Indeks Dst diperoleh dari situs internet dengan alamat http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_final/index.html.
Tabel 2-2: Klasifikasi badai geomagnet berdasarkan
besarnya intensitas Dst (Loewe dan Prolss, 1997) No. Klasifikasi Dst Intensitas Dst (nT)
1. 2. 3. 4. Lemah Sedang Kuat Sangat kuat -50 ≤ Dst < -30 -100 ≤ Dst < -50 -200 ≤ Dst < -100 Dst < -200
Proses selanjutnya adalah menghitung korelasi antara gangguan maksimum komponen H dengan durasi badai geomagnet di stasiun Tondano. Nilai gangguan maksimum komponen H didapat dari nilai gangguan tertinggi pada komponen H medan geomagnet di stasiun Tondano selama badai geomagnet berlangsung. Untuk membandingkan nilai gangguan medan geomagnet di stasiun Tondano dengan indeks Dst, dilihat rata – rata per 3 jam dari nilai indek Dst dimulai dari pukul 00.00 UT, sehingga terdapat 8 interval yang sama dengan pengolahan gangguan medan geomagnet di stasiun Tondano. Setelah didapat rata-rata nilai per 3 jam indeks Dst, selanjutnya diambil nilai tertinggi indeks Dst selama badai geomagnet berlangsung.
Metode yang digunakan dalam mencari tren garis antara gangguan maksimum medan geomagnet dengan durasinya adalah metode regresi linier dan eksponensial. Selain itu, digunakan metode korelasi product moment/Pearson untuk melihat keterkaitan antara satu variabel dengan variabel lainnya (Bevington, 1969) yang dapat dihitung dengan rumusan matematis sebagai berikut :
𝑟𝑟𝑥𝑥𝑥𝑥= ∑ (𝑋𝑋𝑖𝑖−𝑋𝑋�)(𝑌𝑌𝑖𝑖−𝑌𝑌�) 𝑛𝑛 𝑖𝑖=1 �∑𝑛𝑛𝑖𝑖=1(𝑋𝑋𝑖𝑖−𝑋𝑋�)2.∑𝑛𝑛𝑖𝑖=1(𝑌𝑌𝑖𝑖−𝑌𝑌�)2. …(2-1) dengan :
rxy = hubungan variabel x dan variabel y
x = gangguan maksimum komponen H (nT) y = durasi (menit)
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Indeks K lebih dari sama dengan 5 mengindikasikan adanya badai magnet di stasiun Tondano. Penentuan awal badai geomagnet dilakukan secara kualitatif dengan melihat Sudden
Storm Commencement (SSC) medan magnet bumi pada
magnetogram stasiun observasi geomagnet Tondano, kemudian dicatat waktu awal tersebut dalam UT. SSC merupakan permulaan terjadinya badai magnet yang mendadak
(Husni, 2010). Gambar 3-1 adalah tampilan magnetogram yang dilihat melalui software gdasview.jar pada awal badai geomagnet.
Gambar 3-1: Variasi komponen H medan geomagnet di
Tondano. Garis merah menandakan awal terjadinya badai geomagnet.
Penentuan waktu berakhirnya badai geomagnet didasarkan pada klasifikasi indeks Dst yang diberikan oleh Loewe dan
Prolss (1997), sehingga apabila nilai indeks Dst ≥ -30 nT, maka
badai geomagnet dianggap telah berakhir. Perhitungan durasi badai geomagnet menggunakan satuan menit. Pada tabel 3-1 diuraikan hasil pengolahan data geomagnet stasiun observasi magnet Tondano dan indeks Dst.
Setelah menghitung hubungan antara puncak gangguan badai geomagnet, didapatkan korelasi puncak gangguan komponen H stasiun Tondano dan indeks Dst masing-masing dengan durasi badai geomagnet seperti Gambar 3-2.
Gambar 3-2: Korelasi durasi badai geomagnet dengan nilai
gangguan maksimal komponen H geomagnet stasiun TND (a) dengan regresi linier, (b) dengan regresi eksponensial.
Dari Gambar 3-2 diketahui bahwa hubungan durasi (y) dan puncak gangguan komponen H stasiun Tondano (x) adalah y=79,13x - 4830 dengan R2 = 0,702 jika diplot menggunakan
regresi linier. Sedangkan jika diplot menggunakan regresi eksponensial, hubungan durasi (y) dan puncak gangguan komponen H stasiun Tondano (x) adalah y=145,3e0,028x dengan
R2 = 0,683. Artinya untuk analisa korelasi puncak gangguan
komponen H stasiun Tondano dan durasi badai geomagnet menggunakan regresi linier lebih baik dari pada menggunakan regresi eksponensial.
Gambar 3-3: Korelasi durasi badai magnet dengan nilai indeks
Dst (a) dengan regresi linier, (b) dengan regresi eksponensial. Dari Gambar 3-3 diketahui bahwa hubungan durasi (y) dan indeks Dst (x) adalah y=50,63x-904,1 dengan R2 = 0,689 jika
diplot menggunakan regresi linier. Sedangkan jika diplot menggunakan regresi eksponensial , hubungan durasi (y) dan puncak gangguan komponen H stasiun Tondano (x) adalah y=559,7e0,018x dengan R2 = 0,716. Sehingga untuk analisa
indeks Dst dan durasi badai geomagnet menggunakan regresi eksponensial lebih baik dari pada menggunakan regresi linier. Sementara itu, dihitung pula nilai korelasi product
moment/Pearson (r Pearson) agar bisa mengetahui secara jelas
kuatnya korelasi antara durasi badai geomagnet dengan puncak gangguan komponen H stasiun Tondano dan indeks Dst masing-masing. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 3-2.
Tabel 3-2. Korelasi antara gangguan maksimum badai
geomagnet dengan durasi badai geomagnet.
R2 regresi linier R2 regresi eksponensial Pearson r Komponen H stasiun magnet Tondano 0,702 0,683 0,609 Indeks Dst 0,689 0,716 0,870 Sebaran nilai dari grafik gangguan komponen H medan geomagnet maksimum terhadap durasinya mempunyai kecenderungan linier. Sementara itu, sebaran nilai dari grafik indeks Dst terhadap durasinya mempunyai kecenderungan eksponensial berdasarkan nilai R kuadrat dari garis trennya. Maka dalam hal penentuan tren terbaik korelasi komponen H dan durasinya tidak boleh mengacu pada tren linier saja pada umumnya.
Tabel 3-1. Hasil perhitungan nilai maksimal gangguan komponen H dengan pengolahan Stasiun
observasi Tondano dan Indeks-Dst.
No waktu awal Tanggal / badai (UT)
Tanggal / waktu akhir badai
(UT)
Stasiun Tondano Nilai absolut maksimum indeks Dst (nT) per 3 jam Durasi (menit) Indeks K Nilai maksimum gangguan (nT) 1 16-06-2012 / 09:53 19-06-2012 / 00:00 6 95 61 3727 2 14-07-2012 / 18:10 18-07-2012 / 04:00 7 140 119 4910 3 30-09-2012 / 11:31 02-10-2012 / 17:00 6 94 113 3209 4 23-11-2012 / 19:29 24-11-2012 / 11:00 6 75 37 931 5 17-03-2013 / 05:59 21-03-2013 / 21:00 7 123 118 6661 6 08-10-2013 / 20:19 09-10-2013 / 14:00 6 83 59 1061 7 07-12-2013 / 22:24 08-12-2013 / 23:00 6 95 52 1476
Antara gangguan maksimum komponen H medan geomagnet dari stasiun Tondano dengan durasi badai geomagnet mempunyai korelasi yang kuat, dengan nilai koefisien korelasi
Pearson adalah 0,609. Sementara itu antara indeks Dst dengan
durasi badai geomagnet mempunyai korelasi yang sangat kuat, dengan nilai koefisien korelasi Pearson adalah 0,870. Penentuan kategori korelasi kuat dan sangat kuat merujuk pada definisi yang diberikan oleh Sarwono (2006). Jika ditinjau dari korelasi Pearson, korelasi indeks Dst lebih kuat dari pada korelasi gangguan komponen H di stasiun observasi Tondano karena nilai indeks Dst didapatkan dari beberapa stasiun observasi magnet sedangkan stasiun observasi Tondano hanya mempunyai data di satu titik observasi magnet.
4. KESIMPULAN
Korelasi antara nilai maksimal indeks Dst dan durasi badai geomagnet yang trennya cenderung eksponensial mempunyai korelasi lebih kuat dari pada nilai puncak gangguan komponen H stasiun observasi geomagnet Tondano yang cenderung linier. Korelasi indeks Dst dengan durasinya sangat kuat dengan koefisien korelasi Pearson 0,870. Korelasi nilai puncak gangguan komponen H medan geomagnet dengan durasi badai geomagnet mempunyai korelasi kuat dengan koefisien korelasi
Pearson 0,609. Korelasi yang lebih baik dari indeks Dst
dikarenakan indeks Dst merupakan hasil penggabungan data beberapa stasiun stasiun pengamatan magnet.
UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan terimakasih kami sampaikan kepada pegawai Stasiun Geofisika Manado, khususnya Pos Pengamatan Geomagnet Tondano atas data yang diberikannya kepada kami. Terimakasih juga kepada dosen dan orang tua kami yang terus memberikan dorongan agar penelitian ini terlaksana dengan lancar.
DAFTAR RUJUKAN
Bevington, P., 1969. Data Reduction and Error Analysis for
The Physical Sciences, McGrow-Hill, New York.
Central Technology, Inc. 2011. Geomagnetic Storms. United States : Central Technology, Inc.
Habirun dan Rachyany S., 2011. Analisis Perubahan Variasi
Harian Komponen H pada saat Terjadi Badai Magnet, Majalah
Sains dan Teknologi Dirgantara Vol. 6 No. 1, hal 27-33. Husni, M., 2010. Magnet Bumi I. Jakarta: Akademi Meteorologi dan Geofisika.
Loewe C.A dan Prolss G.W., 1997. Classification and Mean
Behaviour of Magnetic Storms. J. Geophys. Res. A 102
14209-14213.
Pranoto, S. C., 2010. Studi Tentang Badai Magnet
Menggunakan Data Magnetometer di Indonesia. Prosiding
Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, hal 284-288. Rachyany, Sity, 2009. Analisis Indeks Disturbance Storm Time
dengan Komponen H Geomagnet, Prosiding Seminar Nasional
Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan IPA., FMIPA-UNY. Hal 231-236 Yogyakarta.
Rachyany, S., dkk. 2007. Telaah Indeks K Geomagnet di Biak
dan Tangerang, Majalah Sains dan Teknologi Dirgantara Vol.
2 No. 1, hal 1-9.
Ruhimat, M., Sobari O., Indra Satria E., 1992. Menentukan
Indeks-K untuk Stasiun Geomagnet Watukosek, Majalah
LAPAN.
Sarwono, J., 2006. Metode Penelitian Kuantitatif dan
Kualitatif. Yogyakarta : Graha Ilmu.
Siswoyo, Yusuf M., dan Sanusi, 2011. Interpretasi Anomali
Magnetik Pada Penentuan Lokasi Baru Stasiun Magnet (Stasiun Geofisika Angkasa Jayapura). Diambil dari : http://data.bmkg.go.id/share/Dokumen/ssc_3.pdf (31 Agustus
2015).
WDC for Geomagnetism, Kyoto. 2014. Katalog indeks Dst. Diambil dari : http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html (7 Juni 2015).
