ANALISIS PERILAKU HAMBATAN ATMOSFER DARI MODEL ATMOSFER DAN DATA SATELIT

ANALISIS PERILAKU HAMBATAN ATMOSFER

DARI MODEL ATMOSFER DAN DATA SATELIT

Neflia dan Santi Sulistiani

Peneliti Pusat Pemanfaatan Sains Antariksa, LAPAN

ABSTRACTS

Atmospheric drag's behaviour can be shown by atmospheric drag's parameter B*. By a s s u m m i n g t h a t ballistic koeffisien for each satellite is constant, according to atmospheric drag's model SGP-4, B* d e p e n d s only on atmospheric density. For each altitudes, B*, according to satellite data and atmospheric models, h a s a different behaviour. B*'s behaviour will resemble the atmospheric density behaviour with the increase of altitudes.

ABSTRAK

Perilaku h a m b a t a n atmosfer d a p a t ditunjukkan dengan salah satu parameter h a m b a t a n atmosfer, yaitu B*. Dengan m e n g a s u m s i k a n b a h w a koefisien balistik p a d a tiap satelit konstan, m a k a b e r d a s a r k a n model gangguan atmosfer SGP-4, B* hanya bergantung p a d a k e r a p a t a n atmosfer. Pada tiap ketinggian, b e r d a s a r k a n d a t a satelit dan model atmosfer, B* memiliki perilaku yang berbeda. Perilaku B* a k a n menyerupai perilaku k e r a p a t a n atmosfer dengan b e r t a m b a h n y a ketinggian.

Kata kunci : Hambatan atmosfer, B*, Model atmosfer

1 PENDAHULUAN

Kajian t e n t a n g orbit satelit, k h u s u s n y a satelit orbit r e n d a h , tidak mungkin terpisah dari kajian tentang gangguan orbit akibat hambatan atmosfer. Berbagai model telah dibuat u n t u k merepresentasikan h a m b a t a n atmosfer. Komponen h a m b a t a n atmosfer j u g a t e r m a s u k p a d a d a t a elemen orbit yang didasarkan p a d a d a t a p e n g a m a t a n orbit dan model gangguan orbit SGP-4 {Simplified General Perturbation - versi 4). Data pengamatan dalam b e n t u k TLE [Two Line Element) ini a k a n dikaji dalam menggambarkan perilaku h a m b a t a n atmosfer p a d a berbagai ketinggian.

Penyebab u t a m a dari h a m b a t a n atmosfer adalah k e r a p a t a n atmosfer. Kerapatan atmosfer a t a s b e r u b a h - u b a h akibat interaksi a n t a r a s t r u k t u r molekul atmosfer, radiasi matahari dan geomagnet. Komponen h a m b a t a n atmosfer p a d a model SGP-4 dinyatakan dengan

dengan

2m (koefisien balistik) adalah

I 2m \P (1-1)

s u a t u konstanta, CD koefisien hambatan, A p e n a m p a n g satelit dan m m a s s a satelit dan p k e r a p a t a n atmosfer. Harga

B* terdapat p a d a TLE yang nilainya tergantung p a d a ketinggian, aktivitas matahari dan geomagnet. Sementara itu k e r a p a t a n atmosfer d a p a t j u g a diperoleh dari model, a n t a r a lain model Jacchia dan MSIS. Dari model kerapatan atmosfer, p akan dapat juga dihitung B * pada suatu ketinggian. Untuk memahami perilaku h a m b a t a n atmosfer p a d a ber-bagai ketinggian data B * dari peng-a m peng-a t peng-a n peng-atmosfer ini peng-a k peng-a n dibpeng-andingkpeng-an dengan B * yang d i t u r u n k a n dari model. Anomali yang terjadi akan dianalisa u n t u k m e m a h a m i kondisi nyata yang tidak t e r u n g k a p p a d a model.

Penelitian ini bertujuan u n t u k mengetahui perilaku h a m b a t a n atmosfer dengan m e n g g u n a k a n parameter ham-batan atmosfer (B*) berdasarkan data TLE satelit d a n model k e r a p a t a n atmosfer.

2 MODEL A T M O S F E R

Model atmosfer yang digunakan dalam analisa perilaku hambatan atmosfer ini adalah model J a c c h i a 7 7 dan model MSIS90. Model J a c c h i a d a n MSIS di-bangun berdasarkan perhitungan kerapat-an dari p e n g a m a t a n p a d a r e n t a n g parameter model d a n fitting a k a r k u a d r a t nonlinier pada d a t a k e r a p a t a n u n t u k memperoleh kerapatan.

2.1 Jacchia 77

Model J a c c h i a m e r u p a k a n fitting dari nilai k e r a p a t a n yang diperoleh d a t a orbit satelit sepanjang periode 1961-1970. S e m u a profil t e m p e r a t u r J a c c h i a dimulai p a d a nilai k o n s t a n T„=188K p a d a ketinggian z„=90km d e n g a n gradien

G„ = (d-r/ ) , k e m u d i a n meningkat p a d a titik balik m a t a h a r i p a d a ketinggian z„=125 km, d a n menjadi asimptotik p a d a temperatur T, (sering disebut dengan temperatur exosferik). Baik temperatur

T„ dan gradien t e m p e r a t u r G„ = (d%z) pada titik balik m a t a h a r i m e r u p a k a n fungsi dari Tc. Profil t e m p e r a t u r terbagi menjadi d u a d a e r a h ketinggian, yaitu di bawah 125 km d a n di a t a s 125 km:

Atmosfer d i a s u m s i k a n d i s u s u n hanya oleh nitrogen, Oksigen, argon, helium dan hydrogen. Untuk menentukan m a s s a molekular r a t a - r a t a p a d a ketinggian p e r m u k a a n laut digunakan asumsi komposisi p a d a ketinggian p e r m u k a a n laut dari atmosfer s t a n d a r US, 1962 (COESA, 1962).

Komposisi atmosfer p a d a model Jacchia 77 terbagi menjadi d u a d a e r a h ketinggian, yaitu kondisi bercampur p a d a ketinggian di bawah 100 km dan kondisi difusi pada ketinggian di a t a s 100 km.

Kerapatan tlap u n s u r p a d a ketinggian di bawah 100 km u n t u k u n s u r N2, Ar dan He ditentukan d e n g a n menggunakan p e r s a m a a n

Dengan q„(i) volume fraksi u n s u r , M m a s s a molekular rata-rata, Ma m a s s a molekular p a d a ketinggian p e r m u k a a n laut, a, koefisien difusi termal, <£, fluks vertikal u n s u r i d a n D koefisen difusi m u t u a l .

Pada model ini j u g a m e n c a k u p b e b e r a p a tipe variasi yang dikenali p a d a daerah atmosfer. Variasi ini m e r u p a k a n penyebab s e m u a k e t i d a k b e r a t u r a n yang terjadi di atmosfer. Variasi ini dapat dikelompokkan sebagai (Jacchia, 1977); variasi dengan aktivitas m a t a h a r i

• variasi harian a t a u diurnal;

• variasi dengan aktivitas geomagnet; • variasi seasonal-latitudinal;

• variasi s e m i a n n u a l .

2 . 2 MSIS90

P a d a termosfer, model MSIS m e r u p a k a n fitting a k a r k u a d r a t nonlinier dari k u m p u l a n d a t a yang t e r u t a m a terdiri dari nilai k e r a p a t a n u n s u r dan d a t a t e m p e r a t u r , yang diperoleh dari d a t a satelit dan s t a s i u n b u m i . Periode d a t a yang d i g u n a k a n yaitu sepanjang d u a siklus m a t a h a r i yang diawali p a d a t a h u n 1983.

Tabel 2 - 1 : SATEL1T YANG DIGUNAKAN DALAM ANALISIS iWWW.SPACETRAK.ORG)

Seperti halnya p a d a model Jacchia, model MSiS m e n g a s u m s i k a n

atmosfer d i s u s u n a t a s nitrogen, oksigen, argon, helium dan hydrogen yang diambil berdasarkan model atmosfer s t a n d a r US. Kondisi atmosfer p a d a model ini dibagi menjadi d u a daerah ketinggian, yaitu di bawah 116,5 km (dalam k e a d a a n ber-campur) dan di a t a s 116,5 km (dalam keadaan difusi). Nilai b a t a s 116,5 km ini diperoleh dari hasil fitting d a t a peng-amatan.

Kerapatan atmosfer d a n n u m b e r density pada model MSIS ditentukan menggunakan fasilitas program online yang telah tersedia (www.modelweb. gfsc. nasa.com).

3 DATA DAN METODE

Data yang d i g u n a k a n dalam m e n e n t u k a n k e r a p a t a n atmosfer seperti indeks aktivitas m a t a h a r i , F10.7 dan indeks aktivitas geomagnetic, Ap diper-oleh dari www.celestrak.com. Sedangkan data TLE satelit diperoleh dari www. space-track.org. Dari d a t a TLE dapat diketahui perilaku B* selama satelit tersebut mengorbit.

Analisis data yang digunakan yaitu dengan analisis grafis B* yang diperoleh dengan m e n g g u n a k a n d a t a TLE satelit dan B* yang diperoleh dengan meng-gunakan p e r s a m a a n b e r d a s a r k a n model SGP-4 dengan m e n g g u n a k a n k e r a p a t a n atmosfer dari model atmosfer dan koefisien yang diasumsikan.

Data yang digunakan

- Model atmosfer

oFioi 7harian dari t a h u n 1990 - 2 0 0 5 o Ap harian dari t a h u n 1990 - 2005 oFio.7ct.-harian dari t a h u n 1990 - 2 0 0 5 o Lintang geografis :0 o Bujur geografis :109 oUT : 5 - Data TLE

4 HASIL DAN PEMBAHASAN

Perilaku h a m b a t a n atmosfer di-t u n j u k k a n dengan plodi-t dadi-ta B* dan kerapatan atmosfer yang dihitung dengan m e n g g u n a k a n model Jacchia77 dan MSIS90 B* m e r u p a k a n salah satu komponen yang terdapat dalam data TLE. Biasanya B* digunakan u n t u k analisis h a m b a t a n atmosfer berdasarkan model SGP-4. Dengan mengasumsikan bahwa nilai koefisen balistik konstan dan berdasarkan persamaan model gangguan SGP-4 (persamaan 1-1) diperoleh bahwa perilaku B* hanya dipengaruhi oleh kerapatan atmosfer. Data yang digunakan dalam p e n e n t u a n B* p a d a s u a t u keting-gian disesuaikan dengan data TLE satelit p a d a r e n t a n g ketinggian yang diingin-kan. J u m l a h d a t a TLE yang digunakan p a d a setiap ketinggian bervariasi. Hal ini disebabkan oleh lamanya satelit itu berada p a d a ketinggian tersebut. Kerapatan atmosfer yang dihitung dengan meng-gunakan model atmosfer diperoleh dengan m e n g g u n a k a n d a t a fluks matahari dan indeks aktivitas geomagnet. Per-hitungan k e r a p a t a n atmosfer ini dilakukan harian.

Perilaku B* dan kerapatan atmosfer dapat ditunjukkan pada Gambar 4-1 s.d 4-4 p a d a ketinggian 200 km, 300 km, 400 km d a n 500 km u n t u k melihat korelasi a n t a r a d a t a TLE (B*) d a n k e r a p a t a n atmosfer model.

Pada Gambar 4-1 terlihat bahwa tidak a d a korelasi a n t a r a kerapatan atmosfer model dengan B*. Bahkan pada ketinggian ini profil dari kerapatan atmosfer model J a c c h i a memiliki perbedaan dengan kerapatan atmosfer MSIS90. Pada ketinggian ini, satelit sangat

cepat meluruh. Satelit b e r a d a p a d a ketinggian ini tidak lama, h a n y a meren-tang dalam beberapa hari. Bahkan p a d a satelit Bepposax, satelit b e r a d a p a d a ketinggian ini h a n y a selama 5 hari, sedangkan p a d a satelit EUVE, satelit berada p a d a ketinggian ini selama 10 hari. Selain itu j u m l a h d a t a baik data satelit m a u p u n d a t a k e r a p a t a n atmosfer yang digunakan dalam analisis ini berbeda. J u m l a h d a t a profil B* lebih banyak dibandingkan d a t a k e r a p a t a n atmosfer model. Perhitungan k e r a p a t a n atmosfer dilakukan dengan menggunakan data harian, s e d a n g k a n d a t a TLE satelit diperoleh 2 hingga 3 d a t a dalam sehari. Hal ini j u g a m e n y e b a b k a n pe r be da a n yang terjadi p a d a profil k e r a p a t a n atmosfer dan B*.

Pada Gambar 4-2 terlihat b a h w a profil kerapatan atmosfer model s u d a h hampir menyerupai profil B*, w a l a u p u n perubahan yang terjadi p a d a profil B* dan kerapatan atmosfer model tidak sama. Pada ketinggian ini profil kerapatan atmosfer model MS1S90 lebih menyerupai

profil B*, s e d a n g k a n profil kerapatan atmosfer J a c c h i a memiliki fluktuasi yang lebih besar a n t a r a s a t u w a k t u ke waktu yang lainnya. Perbedaan fluktuasi p a d a kerapatan atmosfer model mungkin disebabkan oleh k e t e r b a t a s a n masing-masing model.

Profil perilaku B* menyerupai kerapatan atmosfer model, baik yang menggunakan model Jacchia dan MSIS90 terlihat p a d a G a m b a r 4-3 d a n 4-4, yaitu p a d a ketinggian 4 0 0 km d a n 500 km, t e r u t a m a p a d a ketinggian 500 km. Pada ketinggian 4 0 0 km masih terlihat adanya perbedaan akibat terjadinya p e n u r u n a n k e r a p a t a n atmosfer model yang lebih besar dibandingkan dengan p e n u r u n a n B* pada satelit Bepposax, w a l a u p u n pola p e r u b a h a n n y a s a m a . Sedangkan p a d a ketinggian 500 km, baik pola p e r u b a h a n B* m a u p u n pola p e r u b a h a n k e r a p a t a n atmosfer model h a m p i r sama. Secara k e s e l u r u h a n , pola p e r u b a h a n B* akan menyerupai pola p e r u b a h a n kerapatan atmosfer dengan bertambahnya ketinggian.

Gambar 4-1:1 lubuni<an antara B* dengan model almoslcr pada ki.'ting^ian 200 km u n t u k satelit Bepposax dan Euvc

Gambar 4-2: H u b u n g a n a n l a r a B* dengan mode] atrnosfer pada ketinggian 300 km u n t u k salelit Bepposax dan Euve

Satelil Bepposax pada ketinggian 500 krri

5 KESIMPULAN

Perilaku h a m b a t a n atmosfer terhadap ketinggian yang diperoleh dari hasil analisis graiik B* d a n k e r a p a t a n atmosfer m e n u n j u k k a n b a h w a p a d a ketinggian r e n d a h , t e r u t a m a di bawab 300 km, k e d u a p a r a m e t e r tersebut tidak memiliki korelasi yang baik. Akan tetapi dengan p e r t a m b a h a n ketinggian perilaku B* akan menyerupai perilaku k e r a p a t a n atmosfer.

DAFTAR RUJUKAN

J a c c h i a , L. G., 1977. Thermospheric Temperature, Density, and Composi-tion: New Models, Smithsonian Astrophysical Observatory, provided by NASA Astrophysical Data System. www.celestrak.com

http://modelweb.gsfc.nasa.gov/models/ msis.html