PENGARUH AKTIVITAS MATAHARI PADA
KALA HIDUP SATELIT
Thomas DJamaluddJn
PenelW BI dang Matahari dan Antariksa, LAPAN ABSTRACT
It h a s been known the effects of solar activities on satellite orbits.
However, k i n d s a n d magnitude of the effects should be investigated for developing integrated model on space weather and satellite orbits. This paper reports t h e results of global analysis of about 19,000 decayed low orbit satellites and sample analysis of longterm orbiting satellite with lifetime several solar cycle. It is obtained t h a t there is segregation on satellite's decay time indicating e n h a n c e m e n t of satellite decay during active solar. Analysis results on some longterm orbiting satellites, covering several solar cycles, indicate a significant drop on orbital elements during m a x i m u m solar activity.
ABSTRAK
Pengaruh aktivitas m a t a h a r i t e r h a d a p orbit satelit telah diketahui. Namun j e n i s dan tingkat besarnya pengaruh tersebut perlu dikaji u n t u k pengembangan model integrasi cuaca a n t a r i k s a dan orbit satelit. Makalah ini melaporkan hasil analisis global dari sekitar 19.000 satelit orbit r e n d a h y a n g telah j a t u h d a n analisis sampel satelit yang mengorbit dalam j a n g k a waktu panjang d e n g a n kala h i d u p b e b e r a p a siklus aktivitas m a t a h a r i . Hasilnya menunjukkan b a h w a a d a p e m i s a h a n waktu j a t u h satelit y a n g m e n u n j u k k a n peningkatan j u m l a h satelit j a t u h s a a t matahari aktif. Demikian j u g a analisis sampel b e b e r a p a satelit yang mengorbit dalam j a n g k a waktu panjang mencakup b e b e r a p a siklus aktivitas m a t a h a r i , hasilnya m e n u n j u k k a n p e n u r u n a n y a n g signifikan p a d a beberapa elemen orbitnya p a d a saat aktivitas m a k s i m u m .
Kata kunci: aktiintas matahari, orbit satelit, kala hidup satelit
1 PBNDAHULUAN
C u a c a a n t a r i k s a adalah kondisi dinamis lingkungan a n t a r i k s a sekitar bumi t e r u t a m a a k i b a t aktivitas m a t a h a r i dan hujan meteor. Aktivitas matahari a d a l a h faktor dominan yang berpengaruh s e c a r a l a n g s u n g dan tidak l a n g s u n g p a d a orbit satelit d a n gangguan operasionalnya. Pengaruhnya secara u m u m telah diketahui b a h w a aktivitas m a t a h a r i secara langsung (radiasi gelombang elektromagnetik d a n partikel energetik) a t a u tidak langsung (aktivitas geomagnet) dapat meningkatkan k e r a p a t a n atmosfer yang berakibat p a d a peningkatan h a m b a t a n bagi satelit.
Sinar-X dari m a t a h a r i secara u m u m diserap di termosfer bawah (sekitar 120 km). Efek p e m a n a s a n langsung ini d i r a m b a t k a n ke a t a s . Di s a m p i n g itu partikel-partikel energetik yang menghujani b u m i mentransfer energinya y a n g m e m a n a s k a n atmosfer. Banyaknya partikel energetik yang menghujani b u m i dipengaruhi oleh medan magnetik b u m i (Kennewell, 1999). Karenanya, efek p e m a n a s a n akibat pengaruh langsung aktivitas m a t a h a r i m a u p u n tidak l a n g s u n g melalui variasi medan magnetik bumi tersebut a k a n meningkatkan k e r a p a t a n atmosfer d a n h a m b a t a n atmosfer t e r h a d a p orbit satelit a t a u s a m p a n a n t a r i k s a . H a m b a t a n atmosfer ini y a n g menyebabkan p e r u b a h a n orbit satelit menjadi semakin rendah dan a k h i r n y a j a t u h . Untuk satelit orbit tinggi h a m b a t a n atmosfer tidak berarti. N a m u n radiasi partikel energetik m a t a h a r i d a p a t mengganggu operasional satelit.
Penelitian ini bertujuan memformulasikan pengaruh cuaca a n t a r i k s a p a d a kala h i d u p satelit p a d a orbitnya dengan menganalisis d a t a satelit orbit r e n d a h y a n g telah j a t u h a t a u masih mengorbit d a n m e m b a n d i n g k a n n y a dengan d a t a aktivitas m a t a h a r i . Pengaruh aktivitas m a t a h a r i p a d a operasional satelit orbit tinggi (dalam kaitan kala h i d u p operasionalnya) tidak d i b a h a s d a l a m m a k a l a h ini.
2 DATA DAN METODE PENGOLAHAN
D a t a orbit satelit diperoleh dari Orbital Information Group, NASA (http://oigl.gsfc.nasa.gov). Dari Satellite Situation Reports akhir Mei 2004 tercatat 19.000 objek telah j a t u h . U n t u k menganalisis pengaruh aktivitas m a t a h a r i p a d a k a l a h i d u p satelit, seluruh d a t a diplot a n t a r a t a h u n l u n c u r [launched} ys t a h u n j a t u h (decayed} dan a n t a r a ketinggian r a t a - r a t a (mean
height} vs logaritme kala h i d u p (log-lifetime). J u g a dianalisis beberapa sampel objek y a n g mengorbit d a l a m waktu beberapa siklus aktivitas m a t a h a r i . Beberapa p a r a m e t e r orbit y a n g ditinjau adalah koefisien h a m b a t a n atmosfer B*, setengah s u m b u panjang a, eksentrisitas e, dan inklinasi i. D a t a aktivitas m a t a h a r i fluks 10.7 cm diperoleh dari Dominion Radio Astrophysical Observatory (DRAO, http:/www.drao.nrc.ca) d a n d a t a aktivitas m a t a h a r i lainnya dari Solar Influence Data Center (SIDC) (http://sidc.oma.be) dan beberapa link di d a l a m n y a . Data saat m a k s i m u m dan minimum aktivitas m a t a h a r i j u g a diambil dari ftp.ngdc.noaa.gov/STP/SOLAR_DATA/SUNSPOT_ NUMBERS/maxmin.
3 HASIL
3 . 1 Hasil Anali s i s Global
Hasil analisis d a t a orbit objek-objek y a n g telah j a t u h sampai dengan Mei 2004 m e n u n j u k k a n b a h w a ada pola segregasi (pengelompokan) yang berkaitan dengan aktivitas m a t a h a r i . Secara jelas pola tersebut terlihat p a d a diagram t a h u n l u n c u r (launched} vs waktu j a t u h (decayed} (Gambar 3-1). Pada m a s a m a t a h a r i aktif, sekitar t a h u n 1970, 1980, 1990, d a n 2 0 0 0 j u m l a h
objek y a n g j a t u h lebih b a n y a k dari p a d a saat aktivitas m a t a h a r i minimum sekitar t a h u n 1966, 1976, 1986, dan 1996.
Tidak adanya pengelompokan yang jelas secara horizontal menunjukkan, secara u m u m w a k t u p e l u n c u r a n k u r a n g m e m p e r h a t i k a n s a a t - s a a t matahari aktif dan tenang. Padahal, seperti ditunjukkan p a d a Gambar 3-2, objek-objek yang d i l u n c u r k a n p a d a saat m a t a h a r i aktif (+/- 1 t a h u n dari t a h u n maksimum) c e n d e r u n g mempunyai kala hidup yang lebih pendek dari p a d a objek-objek y a n g d i l u n c u r k a n p a d a saat m a t a h a r i tenang (+/- 1 tahun dari tahun minimum). Terlihat pada gambar itu, adanya pengelompokan-pengelompokan, d a n terlihat j e l a s b a h w a kelompok dari t a h u n p e l u n c u r a n saat m a t a h a r i t e n a n g relatif lebih tinggi (kala h i d u p lebih lama) dari p a d a kelompok t a h u n peluncuran saat matahari maksimum. Misalnya, pengelompokan objek p a d a p a n e l a t a s (peluncuran saat m a t a h a r i tenang) dengan log (lifetime) 1 - 1 , 2 (kala h i d u p 10 - 15,8 tahun) dibandingkan dengan pengelompokan objek p a d a panel bawah (peluncuran s a a t m a t a h a r i aktif) dengan log (lifetime) 0,8 - 1,1 (kala h i d u p 6,3 - 12,6 tahun). J u g a terlihat b a h w a populasi objek pada ketinggian > 4 0 0 km terlihat bedanya. Objek-objek yang diluncurkan saat m a t a h a r i m i n i m u m relatif banyak yang b e r t a h a n p a d a ketinggian >400 km.
Terkait dengan ketinggian asal objek, p a d a Gambar 3-3 ditunjukkan h u b u n g a n t a h u n j a t u h d a n ketinggian asal objek antariksa, baik perigee (jarak terdekat) m a u p u n apogee (jarak terjauh). Terlihat jelas p a d a t a h u n -t a h u n m a -t a h a r i ak-tif objek dari ke-tinggian 4 0 0 - 1000 km lebih b a n y a k j a -t u h dibandingkan dengan t a h u n - t a h u n lainnya. Makin r e n d a h ketinggiannya, pengaruh aktivitas m a t a h a r i p a d a kala h i d u p objek a n t a r i k s a k u r a n g tampak, k a r e n a k e r a p a t a n u d a r a yang tinggi s u d a h c u k u p mempercepat kejatuhan objek tersebut. Sehingga j u m l a h objek a n t a r i k s a y a n g j a t u h dari ketinggian asal k u r a n g dari 300 km relatif seragam sepanjang t a h u n .
Gambar 3 - 1 : Diagram t a h u n luncur dan t a h u n j a t u h objek-objek pengorbit b u m i
Terlihat a d a pengelompokan t a h u n - t a h u n j a t u h n y a (decayed) yang terkait dengan aktivitas m a t a h a r i . Pada t a h u n - t a h u n m a t a h a r i aktif (decayed sekitar 1970, 1980, 1990, d a n 2000, p a d a ordinat), j u m l a h objek yang jatuh lebih banyak. T a h u n luncur (absis) tidak mengindikasikan adanya p e r t i m b a n g a n aktivitas m a t a h a r i saat p e l u n c u r a n .
Gambar 3-2: H u b u n g a n Kala h i d u p (lifetime), ketinggian r a t a - r a t a (mean height), t a h u n p e l u n c u r a n . (a) Simbol segitiga p a d a panel a t a s adalah objek-objek yang diluncurkan s a a t m a t a h a r i tenang
(+/-1 t a h u n dari t a h u n aktivitas m a t a h a r i minimum), (b) Simbol kotak p a d a panel bawah diluncurkan s a a t m a t a h a r i aktif (+/- 1 t a h u n dari t a h u n aktivitas m a t a h a r i maksimum)
Satelit y a n g diluncurkan saat aktivitas m a t a h a r i t e n a n g berkecenderungan memiliki kala h i d u p yang lebih lama (misalnya, log lifetime 1,0
-1,2 p a d a panel atas) dibandingkan dengan yang d i l u n c u r k a n p a d a saat matahari aktif (log lifetime 0,8 - 1,1 p a d a panel bawah) d a n relatif lebih banyak b e r t a h a n p a d a ketinggian > 4 0 0 km (bandingkan u n t u k log lifetime sekitar 0,4 d a n 1,0).
Gambar 3 - 3 : H u b u n g a n ketinggian asal d a n t a h u n j a t u h n y a objek pengorbit b u m i dilihat b e r d a s a r k a n perigee (panel atas) d a n apogee (panel bawah). Terlihat jelas a d a n y a peningkatan objek j a t u h p a d a t a h u n - t a h u n m a t a h a r i aktif (sekitar 1970, 1980, 1990, dan 2000), k h u s u s n y a u n t u k ketinggian perigee (jarak terdekat) a t a u apogee (jarak terjauh) > 4 0 0 km.
3 . 2 Hasil Analisis Sampel
D a m p a k n y a terlihat p a d a parameter orbit yang mengalami p e n u r u n a n secara signifikan s a a t m a t a h a r i aktif, sekitar 1970 (kurang tampak), 1980, 1990, d a n 2 0 0 0 (lihat G a m b a r 3-5 u n t u k setengah s u m b u panjang orbitnya (a), G a m b a r 3-6. u n t u k eksentrisitasnya (e), d a n Gambar 3-7 u n t u k inklinasinya (i)).
Gambar3-4: Pengaruh aktivitas m a t a h a r i p a d a objek dengan nomor katalog 0 4 8 1 4 (panel atas) d a n 0 4 3 9 3 (panel bawah). Parameter B* k e d u a satelit tersebut bervariasi sesuai dengan parameter aktivitas m a t a h a r i F10.7
Analisis j u g a dilakukan p a d a beberapa sampel d a t a orbit satelit yang m e m p u n y a i kala h i d u p panjang, misalnya objek dengan nomor katalog 04814 d a n 0 4 3 9 3 . Pada G a m b a r 3-4 ditunjukkan variasi koefisien balistik B* t e r h a d a p p a r a m e t e r aktivitas matahari F10.7. B* adalah s u k u h a m b a t a n u d a r a yang didefinisikan
G a m b a r 3-5: P e n g a r u h aktivitas m a t a h a r i p a d a objek dengan nomor katalog 0 4 8 1 4 (panel atas) d a n 0 4 3 9 3 (panel bawah). Parameter orbit a (setengah s u r a b u panjang orbit, km) b e r k u r a n g secara signifikan setelah m a t a h a r i aktif sekitar 1970 (kurang tampak), 1980,
1990, d a n 2 0 0 0
Gambar 3-6: Pengaruh aktivitas m a t a h a r i p a d a objek dengan nomor katalog 0 4 8 1 4 (panel atas) dan 0 4 3 9 3 (panel bawah). Parameter orbit e (eksentrisitas objek) b e r k u r a n g secara signifikan setelah m a t a h a r i aktif sekitar 1970 (kurang tampak), 1980, 1990, d a n 2 0 0 0
G a m b a r 3-7: P e n g a r u h aktivitas m a t a h a r i p a d a objek dengan nomor katalog 0 4 8 1 4 (panel atas) d a n 0 4 3 9 3 (panel bawah). Parameter orbit i (inklinasi) b e r k u r a n g secara signifikan setelah m a t a h a r i aktif sekitar 1970 (kurang tampak), 1980, 1990, d a n 2 0 0 0
P a d a G a m b a r 3-8 diperlihatkan h u b u n g a n p e r u b a h a n ketinggian d a n aktivitas m a t a h a r i . P a d a saat aktivitas m a t a h a r i m a k s i m u m (sekitar t a h u n 1970, 1980, 1990, d a n 2000), ketinggian orbit satelit 0 0 0 0 5 , 0 0 0 1 2 , 00022, 04814, d a n 0 4 3 9 3 (berurut dari atas ke bawah) m e n u r u n secara signifikan. Secara kualitatif terlihat b a h w a tingkat aktivitas m a t a h a r i (diindikasikan dengan amplitudo p u n c a k siklus) berkait erat dengan p e r u b a h a n ketinggian tersebut. T a m p a k n y a bila p u n c a k siklus lebih tinggi, kecepatan j a t u h n y a lebih cepat, U n t u k analisis kuantitatif, dari data tersebut dihitung p e r u b a h a n drastis ketinggian dari tinggi mula (hi km) ke tinggi berikutnya (h2 km) dalam selang w a k t u a n t a r a t a h u n 1 (tl) d a n t a h u n 2 (t2). Kemudian laju p e n u r u n a n ketinggian yang dinyatakan d h / d t (=abs(h2-hl)/(t2-tl)) dikaitkan dengan bilangan sunspot m a k s i m u m (SSNmax) (lihat Tabel 3-1).
Tabel 3 - 1 : LAJU PENURUNAN KETINGGIAN RATA-RATA BEBERAPA SATELIT
Hasil analisis regresi m e n u n j u k k a n b a h w a p e n g a r u h amplitudo m a k s i m u m aktivitas m a t a h a r i (SSNmax) tidak selalu positif. Pada Tabel 3-2 ditunjukkan p e r s a m a a n regresi u n t u k masing-masing satelit disertai standard error (se) d a n koefisien korelasinya (r). U n t u k ketinggian h > 600 km, d h / d t n a i k s e s u a i dengan kenaikan SSNmax. Tetapi u n t u k ketinggian h < 600 km d h / d t m e n u r u n berbanding terbalik dengan kenaikan SSNmax. Perbedaan sifat korelasinya t a m p a k n y a dipengaruhi oleh gradasi peningkatan k e r a p a t a n atmosfer yang lebih b e s a r p a d a h < 600 km.
Tabel 3-2: PERSAMAAN REGRESI HUBUNGAN DH/DT DAN SSNMAX
(e) (f) Gambar 3-8: Kaitan ketinggian rata-rata satelit d e n g a n siklus aktivitas
m a t a h a r i . Ketinggian orbit satelit (a) 0 0 0 0 5 , (b) 00012, (c) 0 0 0 2 2 , (d) 04814, d a n (e) 0 4 3 9 3 b e r k u r a n g secara signifikan setelah m a t a h a r i aktif sekitar 1970, 1980, 1990, d a n 2000 yang d i t u n j u k k a n p a d a panel bawah
4 PEMBAHASAN
Dari h u b u n g a n teoritik tersebut terlihat b a h w a semakin tinggi aktivitas m a t a h a r i (diindikasikan dengan peningkatan F10.7), k e r a p a t a n u d a r a (p) j u g a m e n i n g k a t sehingga B* j u g a meningkat.
N a m u n h u b u n g a n empirik tersebut nilai k o n s t a n t a n y a sangat t e r g a n t u n g p a d a ketinggian. Hasil analisis kualitatif secara global p a d a bagian 3.1 m e n u n j u k k a n b a h w a makin r e n d a h ketinggiannya, pengaruh aktivitas m a t a h a r i p a d a kala h i d u p objek a n t a r i k s a k u r a n g tampak, k a r e n a dominasi p e n g a r u h peningkatan k e r a p a t a n atmosfer y a n g mempercepat k e j a t u h a n . Sehingga j u m l a h objek a n t a r i k s a y a n g j a t u h dari ketinggian asal k u r a n g dari 3 0 0 km relatif tidak bervariasi sepanjang t a h u n . Demikian j u g a hasil analisis kuantitatif p a d a beberapa sampel yang d i b a h a s p a d a bagian 3.2. m e n u n j u k k a n b a h w a makin r e n d a h ketinggiannya, pengaruh peningkatan amplitudo aktivitas m a t a h a r i (SSNmax) malah berbanding terbalik dengan laju p e n u r u n a n satelit (dh/dt). T a m p a k n y a peningkatan gradasi k e r a p a t a n u d a r a lebih dominan mempercepat k e j a t u h a n objek
76
Secara teoritik t a h u n peluncuran terkait dengan u m u r satelit mengorbit (Gambar 4-1). Satelit-satelit y a n g d i l u n c u r k a n p a d a s a a t m a t a h a r i aktif c e n d e r u n g m e m p u n y a i u m u r yang relatif pendek, t e r g a n t u n g p a d a ketinggian awal d a n koefisien balistiknya. Hasil analisis yang ditunjukkan p a d a Gambar 3-2 m e m b u k t i k a n n y a , w a l a u p u n ditampilkan u n t u k analisis u m u m b a n y a k objek. Pengelompokan p a d a Gambar 3-2 tampaknya menunjukkan pengelompokan b e r d a s a r k a n koefisien balistiknya. Dengan demikian terlihat jelas p a d a Gambar 3-2, u n t u k s a t u kelompok koefisien balistik, objek y a n g d i l u n c u r k a n p a d a saat m a t a h a r i m i n i m u m m e m p u n y a i kala h i d u p y a n g lebih panjang dari p a d a objek yang d i l u n c u r k a n saat m a t a h a r i m a k s i m u m .
H u b u n g a n aktivitas m a t a h a r i dan k e r a p a t a n atmosfer a t a u p a r a m e t e r elemen orbit NORAD B' yang terkait dengan h a m b a t a n u d a r a , seperti p a d a G a m b a r 3-4 d i t u n j u k k a n dengan beberapa p e r s a m a a n empirik berikut ini (Kennewell. 1999):
tersebut, d i b a n d i n g k a n d e n g a n peningkatan k e r a p a t a n atmosfernya sendiri akibat p e n g a r u h aktivitas m a t a h a r i .
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1,000
Starling Altitude (km)
. Satellite Lifetime as a Function of Altitude, Relationship to the Solar Cycle, anC Representative Ballistic Coefficients. For each ballistic
coefficient, the upper cuive represents luunch during solar minimum and the lower curve represents launch during solar maximum.
G a m b a r 4 - 1 : H u b u n g a n t a h u n l u n c u r , ketinggian awal, d a n kala h i d u p satelit. Kala h i d u p satelit makin lama bila d i l u n c u r k a n saat aktivitas m a t a h a r i m i n i m u m . (Dari Wertz, J. R. (2001), him. 75)
5 KESIMPULAN
Hasil analisis global objek-objek yang telah j a t u h memperjelas p e n g a r u h aktivitas m a t a h a r i p a d a kala h i d u p satelit. P a d a saat m a t a h a r i aktif, lebih b a n y a k objek yang j a t u h dibandingkan p a d a s a a t m a t a h a r i m i n i m u m . Analisis orbit objek-objek yang berkala h i d u p panjang m e n u n j u k k a n p a d a saat m a t a h a r i aktif ketinggiannya m e n u r u n tajam. J u g a d i t u n j u k k a n b a h w a objek yang diluncurkan p a d a s a a t m a t a h a r i tenang, relatif lebih panjang kala hidupnya dibandingkan dengan objek yang d i l u n c u r k a n p a d a s a a t m a t a h a r i aktif. Beberapa h u b u n g a n kuantitatif u n t u k p e n g e m b a n g a n model h u b u n g a n aktivitas m a t a h a r i d a n p e r u b a h a n ketinggian (terkait dengan kala h i d u p satelit) j u g a diperoleh, tergantung p a d a ketinggian awalnya.
DAFTAR RUJUKAN
Kennewell, J. 1999. Satellite Orbital Decay Calculations, di dalam h t t p : / / w w w . ips.gov.au
Wertz, J. R. 2 0 0 1 . Mission Geometry; Orbit and Constellation Design and Management, Kluwer Academic Publisher
