Seminar Nasional Sains Antariksa
Homepage: http//www.lapan.go.id
STRUKTUR
FUNDAMENTAL
DAN
SECOND HARMONIC
DALAM
SEMBURAN RADIO TIPE II YANG TERDETEKSI OLEH CALLISTO DI BPAA
SUMEDANG PADA 4 NOVEMBER 2015
(FUNDAMENTAL AND SECOND HARMONIC STRUCTURE ON TYPE II
SOLAR RADIO BURST DETECTED BY CALLISTO AT BPAA SUMEDANG ON
NOVEMBER 4
TH2015)
Farahhati Mumtahana, Muhamad Zamzam Nurzaman, Mario Batubara Pusat Sains Antariksa
Lembaga Penerbangan dan Antariksa nasional e-mail: [email protected]
ABSTRAK
Riwayat Artikel: Diterima: 22-11-2016 Direvisi: 20-02-2017 Disetujui: 02-03-2017 Diterbitkan: 22-05-2017 Kata kunci: semburan radiomatahari, semburan tipe II, matahari: radiasi radio
Semburan radio matahari tipe II merupakan tipe semburan yang paling menarik untuk diulas karena memiliki fitur slow drift yang menjadikannya lebih mudah dibedakan dengan semburan tipe-tipe lain. Mekanisme emisi semburan tipe II dapat diasumsikan sebagai emisi plasma pada frekuensi plasma dan harmoniknya. Selain kemunculannya yang jarang, semburan tipe II ini juga dipercaya berasal dari fenomena kuat di matahari yang berdampak pada cuaca antariksa. Pada tanggal 4 November 2015, CALLISTO Sumedang mendeteksi semburan radio matahari tipe II untuk kedua kalinya. Semburan tersebut terdeteksi sekitar pukul 3:30 UT dengan rentang frekuensi 45 – 80 MHz. Tulisan ini bertujuan untuk mengulas hasil semburan tipe II CALLISTO dengan menentukan komponen fundamental
dan second harmonic yang diperoleh dan menghitung kecepatan pada masing-masing komponen menggunakan metode Newkirk. Hasil yang diperoleh kemudian dikonfirmasi dengan spektrograf lain dan sumbernya dari pengamatan SOHO-LASCO.
Keywords:
solar radio burst, type II burst, sun: radio radiation
ABSTRACT
Type II Solar radio burst happened to be the most interesting type among all other solar radio bursts due to its more distinguishable slow drift features. The mechanism of emission in Type II burst can be assumed as the plasma emission at the plasma frequency and its harmonics. Besides its rare occurrences, there is some agreement that type II solar radio burst is evidence of particular solar activity which give an impact on the space weather. On November, 4, 2015, CALLISTO Sumedang gave the second result of solar radio burst type II detections. This solar radio burst was observed around 3:30 UT with the frequency range of 45-80 MHz. The aim of this paper is to review this result of type II burst by determining the detected fundamental and second harmonic components and calculate the speed of each component with Newkirk’s method. The result was confirmed by other spectrograph and satellite observations from SOHO LASCO.
1.
Pendahuluan
Dalam penelitian dan pengamatan matahari, pengamatan dalam panjang gelombang radio tak kalah menarik dibandingkan dengan pengamatan optik Beberapa keunggulan di antaranya antara lain yaitu rentang jendela pengamatan yang luas serta bebas halangan dari kondisi cuaca buruk. Selain itu, informasi yang dapat diperoleh dari pengamatan radio dapat memberikan banyak pemahaman yang mungkin berbeda atau bahkan tidak tersedia pada pengamatan optik. Pada panjang gelombang radio, radiasi yang dideteksi dan densitas spektral yang teramati memiliki perbedaan yang lebih jelas antara kondisi matahari saat tenang dan terganggu (Ho et al., 2008). Lebih dari 7 dekade, semenjak pertama kali ditemukan, sinyal spektrum matahari telah banyak diamati dari berbagai panjang gelombang dalam bentuk semburan (Hamidi et al., 2014). Semburan tersebut dapat merepresentasikan kejadian di matahari seperti flare, partikel energetik dipercepat, ataupun lontaran masa korona atau yang sering disebut
Coronal Mass Ejection (CME) yang mungkin geoefektif(White, 2007).
Semburan radio matahari secara umum diklasifikasikan dalam 5 tipe: tipe I s.d. V. Semburan tipe I hanyalah semburan periode panjang pada intensitas yang tinggi atau noise storm yang tidak berdampak apa-apa (Wild & McCready, 1950). Sedangkan semburan yang penting adalah semburan tipe II dan III karena keterkaitannya terhadap cuaca antariksa akibat dari fenomena pada atmosfer matahari seperti flare, CME, dan gelombang kejut yang memproduksi radiasi elektromagnetik dan partikel ke arah Bumi (White, 2006). Kejadian CME berperan penting pada pembentukan cuaca antariksa yang mana satu karakteristiknya dapat terekam dalam pengamatan radio khususnya pada semburan tipe II (Dorovsky et al., 2015). Berbeda dengan tipe II, semburan tipe III memiliki durasi yang pendek dan pergeseran terhadap waktunya lebih cepat (Takakura, 1965). Ditinjau dari struktur dan dampaknya pada cuaca antariksa, semburan yang paling menarik untuk diulas adalah tipe II. Oleh karena itu, dalam tulisan ini dibahas semburan tipe II yang berhasil terdeteksi pada tanggal 4 November 2015 oleh instrumen CALLISTO BPAA Sumedang. CALLISTO adalah spektrometer radio yang merupakan singkatan dari Compound Low Cast Low Frequency Transportable Observatories yang terintegrasi dalam jaringan
E-CALLISTO. Di Indonesia, salah satu CALLISTO telah dipasang pada BPAA Sumedang (6,920 LS 107,840 BT) (Manik, 2014).
Semburan tersebut sangat menarik untuk dikaji karena merupakan semburan tipe II kali kedua yang pernah terdeteksi oleh instrumen CALLISTO Sumedang. Peristiwa unik ini terjadi pada pukul 03:25 UT di rentang frekuensi 40 – 80 MHz. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengkaji struktur fundamental dan second harmonics dari hasil semburan tipe II tersebut dengan melakukan identifikasi dan perhitungan kecepatannya. Kemudian karena rentang frekuensi pengamatan CALLISTO Sumedang terbatas, hasil tersebut dikonfirmasi dengan pengamatan spektrograf yaitu SN-4000 milik BPAA LAPAN Sumedang dan IPS CULGOORA di Australia. Selain itu, ditelusuri juga kejadian sumbernya dari pengamatan satelit.
2.
Landasan Teori
Telah banyak dibahas (Cho et al., 2006; Cho et al., 2013) bahwa semburan tipe II, slow drift burst, merupakan penjalaran materi yang dapat berasosiasi dengan CME. Semburan tipe II ini mengindikasikan gelombang kejut MHD yang berasal dari korona dalam menuju medium antarplanet yang sebagian besar berasosiasi dengan CME dengan sudut lebar dan kecepatan tinggi (>900 km/s) (Gopalswamy et al., 2001). Menurut perhitungan (S.W. Kahler, 1985), dalam mengamati peristiwa tipe II, hanya 33 ± 15% dari frontside CME tidak berasosiasi dengan semburan tipe II, sedangkan 23 ± 7% dari peristiwa backside tipe II berasosiasi dengan CME cepat, dan 13 ± 4% berasal dari flare
backside (Kahler, 1985). Selain berasal dari CME, gelombang kejut pada korona matahari yang berasosiasi dengan tipe II ini dapat juga berasal dari peristiwa flare (Mann et al., 1994).
Radiasi tipe II berasal dari proses nonlinear
terkait gelombang Langmuir yang terjadi pada fp dan 2fp yang dipicu oleh elektron dipercepat (Wild, 1950). Semburan ini seringkali terjadi sebagai dua pita dengan rasio frekuensi 1,8 – 2,0 pada rentang 20 - 400 MHz yang bergeser lambat (Cairns, 1999). Kedua pita tersebut terbagi atas dua jejak sehingga disebut fundamental dan
second harmonic (White, 2006). Rentang frekuensi pengamatan dari semburan tipe II sangat luas mulai dari panjang gelombang desimeter (dm), meter (m), dekameter - hektometer (DH) hingga mencapai kilometer (km) (Dorovsky et al., 2015).
Gambar 2-1. Semburan tipe II yang bersesuaian dengan flare yang terekam satelit GOES X-Ray Gambar 2-1 menunjukkan contoh dari semburan tipe II pada umumnya dari kejadian flare yang didahului oleh semburan tipe III. Dari gambar tersebut, dapat terlihat dengan jelas perbedaan semburan tipe III (fast drift burst) dan semburan tipe II (slow drift burst).
3.
Data dan Metode
Data yang digunakan merupakan data hasil pengolahan dari pengamatan CALLISTO yang sudah digabungkan kemudian dikurangkan oleh latar noise dengan perangkat Sunpy pada
Python. Data tersebut merupakan citra CALLISTO Sumedang pada tanggal 4 November 2015 yang berhasil mendeteksi semburan radio matahari tipe II pada dua frame pengamatan (Gambar 3-1). Frame pertama memiliki rentang waktu 03:15:03 – 03:29:38 UT dimana semburan pertama terdeteksi pada pukul 03:26 UT, sedangkan frame kedua memiliki rentang 03:30:03 – 03:44:48 UT dengan berakhirnya semburan sekitar pukul 03:36 UT.
Data pembanding yang digunakan untuk mengkonfirmasi kejadian dan perbandingan kecepatan adalah data dari spektrograf radio
SN-4000 dengan rentang frekuensi pengamatan 18 MHz - 1.8 GHz yang terletak di lokasi yang sama dengan CALLISTO di BPAA LAPAN Sumedang, kemudian data spektrograf radio CULGOORA milik SWS Australia yang memiliki rentang frekuensi sama lebarnya dengan SN- 4000, dan instrumen LASCO pada satelit SOHO. Data SN-4000 dapat diperoleh pada database pengamatan
Pussainsa LAPAN di
https://bimasakti.sains.lapan.go.id, data CULGOORA diperoleh dari history data SWS (http://www.sws.bom.gov.au/), sedangkan data CME dari SOHO diperoleh dari hasil olahan tim CDAW NASA pada http://cdaw.gsfc.nasa.gov/. Adapun keterangan flare dan detail peristiwa yang saling berasosiasi diperoleh dari basis data
SWPC pada
http://www.swpc.noaa.gov/products/solar-and-geophysical-event-reports.
Setelah menetukan struktur semburan tipe II, garis emisi fundamental dihitung kecepatannya, begitu juga dengan second harmonicnya. ) 1 3 ...( ... ... ... 1 32 , 4 10 ln 2 0 2 f dt df R R Vs
Perhitungan kecepatan (Vs) dilakukan dengan persamaan cho et al (3-1) dengan menggunakan model kerapatan korona Newkirk (3-2).
)
2
3
...(
...
10
10
3
,
8
4
(4,32/ )
R eN
Dalam persamaan tersebut, R merupakan jarak dari pusat matahari dalam satuan jejari matahari, R☉(radius matahari ≈ 690000 km) dan
kerapatan elektron (Ne) dalam satuan cm-3.
4.
Pembahasan
4.1.
Identifikasi SemburanHasil citra semburan tipe II oleh CALLISTO Sumedang yang telah diproses menunjukkan adanya fitur fundamental dan second harmonic
sepanjang frekuensi pengamatan 45-80 MHz. Kejadian yang terdeteksi pada frekuensi rendah tersebut terjadi antara pukul 03:27 – 03:37 UT dalam durasi sekitar 1 menit. Dapat terlihat pada Gambar 4-1, pada rentang pengamatan 03:25 UT – 03:39 UT, garis fundamental, yang ditunjukkan dengan garis putus-putus besar, muncul dengan cukup jelas mulai pukul 03:26 UT hingga pukul 03:30 UT. Kemudian disusul struktur second harmonic, yang ditandai dengan garis putus-putus kecil, yang terlihat lebih jelas kemunculannya dari pukul 03:29 UT hingga 03:36 UT.
Kejadian semburan tersebut diakibatkan oleh peristiwa flare M1.9 yang terjadi pada pukul 3:20 UT dari daerah aktif NOAA 2445 tanggal 4 November 2015 (Tabel 4-1). Daerah aktif
tersebut memiliki konfigurasi magnetik Beta-Delta dengan kelas McIntosh Eac. Dapat dilihat pada Tabel 4-1, kejadian ini memiliki onset time
yang berbeda 6 menit dengan tertangkapnya semburan tipe II CALLISTO pada Gambar 4-1. Memang sebagian besar pada peristiwa seperti ini, selalu terdapat waktu tunda antara kejadian mulainya flare dengan terdeteksinya semburan pada spektrograf radio (White, 2006). Secara kebetulan garis fundamental pada semburan mulai terdeteksi pada CALLISTO saat flare mencapai maksimum pada 26:00 UT. Dengan kata lain, garis fundamental memiliki korelasi yang lebih signifikan dengan flare daripada
second harmonic-nya. Namun, karena semburan yang tertangkap pada CALLISTO tampak tidak utuh atau terpotong, maka dibutuhkan juga data pembanding terutama dari spektrograf yang memiliki rentang pengamatan panjang untuk melakukan telaah kejadian lebih jelas.
Selain terkait dengan peristiwa flare M1.9, kejadian semburan ini kemungkinan juga berasosiasi dengan CME yang tertangkap oleh SOHO LASCO di waktu sebelumnya. Meskipun tidak ada kejadian CME dengan waktu sama persis dengan flare dan tipe II yang terjadi, ada kejadian CME sekitar pukul 4 UT yang mungkin berasosiasi dengan peristiwa ini.
4.2.
Perbandingan Data Pengamatan
Lain dan Perhitungan Kecepatan
Data pengamatan semburan tanggal 4 November 2015 yang terdeteksi pada CALLISTO memang dapat diidentifikasi dengan cukup jelas, namun sempitnya rentang frekuensi pengamatan
menyebabkan adanya kemungkinan
ketidaklengkapan data semburan. Hal ini dapat diketahui dari bentuk semburan yang terlihat sedikit terpotong pada Gambar 4-1. Oleh karena itu, digunakan data spektrograf yang memiliki
Gambar 4-1. Garis fundamental dan second harmonic semburan tipe II 4 November pada CALLISTO Sumedang.
Gambar 4-2. CME pada SOHO LASCO (kiri) dengan peningkatan fluks GOES X-Rays (kanan) pada 4 November pukul 03:24 UT.
Tabel 4-1
Informasi Asosiasi Peristiwa pada 4 November 2015.
Mulai Maks Selesai Obs Event Sumber 03:20 03:26 03:29 G15 M1.9 NOAA2445 03:23 03:25 03:26 PAL 41000 NOAA2445 03:23 03:25 03:34 LEA 1N NOAA2445 03:23 03:24 03:25 PAL 430 NOAA2445 03:23 03:24 03:25 PAL 1000 NOAA2445 03:23 /// 03:34 PAL II/2 NOAA2445 03:23 03:24 03:25 PAL 220 NOAA2445 03:23 03:24 03:25 PAL 250 NOAA2445 03:24 03:24 03:25 PAL 230 NOAA2445 03:24 03:24 03:25 PAL 130 NOAA2445 03:24 03:25 03:27 PAL 56000 NOAA2445
rentang frekuensi luas sehingga dapat diidentifikasi struktur dan waktu kejadian lebih akurat. Data spektrograf yang digunakan memiliki rentang frekuensi pengamatan yang luas 18 MHz – 1.8 GHz, sehingga seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4-3 dan 4-4, semburan tipe II yang terjadi ternyata cukup panjang dari 480 MHz hingga 30 MHz. Ini berarti rentang frekuensi semburan yang tertangkap pada CALLISTO untuk peristiwa 4 November 2015 hanya tertangkap sekitar 8% -nya saja.
Dari IPS Culgoora, telah diperoleh perkiraan laju gelombang kejut pada tipe II yang terdeteksi adalah 1000 km/s dengan pergeseran frekuensi 480 – 30 MHz (Tabel 4-2). Tidak jauh berbeda, dengan perhitungan menggunakan metode yang telah dibahas sebelumnya (Newkirk), laju kejut yang diperoleh dari data CALLISTO adalah 974 km/detik pada garis
fundamental dan 614 km/detik pada garis second harmonic.
5.
Implementasi
Metode yang digunakan dalam penulisan ini masih tergolong akurat untuk digunakan dalam menghitung semburan radio. Terlebih lagi jika sudah dituliskan dalam bahasa pemrograman yang lebih praktis untuk membangun system fast detection tiap kali ada kejadian semburan.
6.
Kesimpulan
Meskipun secara keseluruhan data pengamatan CALLISTO Sumedang pada tahun 2015 hanya memiliki rentang sempit dan belum kontinyu, fitur semburan khususnya tipe II pada tanggal 4 November 2015 dapat tertangkap dengan baik hingga terlihat jelas perbedaan
fundamental dan second harmonics-nya. Peristiwa tersebut terkonfirmasi dengan tertangkapnya semburan pada spektrograf CULGOORA dan SN 4000. Perhitungan masing-masing komponen menunjukkan hasil yang cukup berbeda di mana perhitungan pada garis fundamental memiliki kemiripan dengan perhitungan laju pada sistem yang dimiliki CULGOORA. Meskipun demikian, terdapat sedikit perbedaan yang mungkin disebabkan karena rentang frekuensi pengamatannya yang berbeda. Dari hasil perhitungan tersebut, dapat juga disimpulkan bahwa struktur fundamental
memiliki peran yang lebih penting dalam hal analisis asosiasi peristiwa.
Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan terima kasih kepada teman-teman kelompok penelitian fisika matahari khususnya program penelitian CALLISTO di Pusat Sains Antariksa LAPAN. Terima kasih juga diucapkan pada panitia SNSA 2016 yang telah memberikan kesempatan untuk mengkikuti kegiatan ini dengan menyampaikan tulisan.
Gambar 4-3. Semburan tipe II yang terekam pada spektrograf LAPAN Sumedang, SN-4000 (sumbu-x adalah frekuensi, sumbu-y adalah waktu).
Gambar 4-4. Informasi dan perhitungan laju kejut dari Culgoora.
Tabel 4-1
Parameter semburan 4 November 2015.
Pergeseran 480 – 30 MHz
Waktu Mulai 03:25 UT Tipe Spektral Tipe II
Jenis sinyal Kuat
Struktur tampak Fundamental dan
Second Harmonic
Perkiraan laju
Rujukan
Cairns, I. H., Robinson, P.A., Zank, G.P. (1999). Progress on Coronal, Interplanetary, Foreshock, and Outer Heliospheric Radio Emissions, Publication of the Astronomical Society of Australia, 17, 1.
Cho, K.S., Gopalswamy, N., Kwon, R.Y., Kim, R.S., Yashiro, S., (2013). A High Frequency Type II Solar Radio Busrt Associated with the 2011 February 13 Coronal Mass Ejection, ApJ, 765, 148.
Cho, K.S., Lee, J., Moon, Y.J., Dryer, M., Shanmugaraju, A., Fry, C.D., Kim, Y.H., Bong, S.C., Park, Y.D., (2006). Examination of Type II Origin with SOHO/LASCO Observations, J. of Geophys. Res.,110, A12101.
Dorovskyy, V.C, et al. (2015). Fine and superfine structure of Decameter-Hectometer type II burst on 2011 June 7. Sol. Phy., 290, 2031. G.Mann, T. Claben, and H. AuraB. (1994).
Characteristics of coronal shock waves and solar type II radio bursts. Astron. & Astroph., 295, 775.
Gopalswamy, N., Yashiro, S., Kaiser, M.L., Howard, R.A., Bougeret, J.L. (2001). Characteristic of coronal mass ejection associated with long wavelength type II radio burst. J. Geophys. Res., 106, A12.
Hamidi, Z.S., Shariff, N.N.M., Monstein, C. (2014) Fundamental and Second Harmonic Bands of Solar Radio Burst Type II Caused by X 1.8 – Class Solar Flares. ILCPA, 33, 208.
Ho, C., Slobin, S., Kantak, A., Asmar,S. (2008). Solar Brightness Temperature and Corresponding Antenna Noise Temperature at Microwave Frequencies, IPN Progress Report: 42-175, NASA Jet Propulsion Laboratory. Manik, T & Sitompul, P. (2014). Pengamatan
Burst Radio Matahari dengan Spektrometer CALLISTO di Indonesia: Hasil Sukses Pertama, Prosiding SNSAA 2014, 195.
S.W. Kahler. (1985) Characteristic of CME Associated with Solar Frontside & Banckside Metric Type II Busrts. J. Geophys. Res, 90, 177.
Takakura, T. (1965). Implication of Solar Radio Busrts for the study of the Solar Corona, J. Space Science Reviews, 5, 80.
White, S.M (2007). Solar Radio Burst and Space Weather. Asian J. Phys. 16, 189.
Wild, J. P. & McCready, L. L., (1950). Observation of the Spectrum of High Intensity Solar Radiation at Metre Wavelength,
Australian Journal of Scientific Research A, 3, 399.
FARAHHATI MUMTAHANA, S.Si, lahir di kota Jogjakarta (DIY) pada tanggal 12 Januari 1990 bekerja sebagai pegawai negeri sipil di lingkungan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN), masuk mulai tahun 2014, menjadi salah satu Peneliti Fisika Matahari di satuan kerja Pusat Sains Antariksa di Bandung. Menyelesaikan pendidikan Strata 1 (S1) program studi Astronomi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) di Institut Teknologi Bandung (ITB) lulus pada tahun 2012.
