Pemantauan dan Pencirian Cuaca-Angkasa di Kawasan
UKM
Bangi,
Selangor Menggunakan Penerima
GPS
(Monitoring and Characterization of Space Weather Over UKM Bangi, Selangor using GPS Receivers)
WAYAN SUPARTA*, BAHARUDIN YATIM & MOHD. ALAUDDIN MOHD. ALI
ABSTRAK
Kajian ini dijalankan untuk mencirikan kepelbagaian kelakuan cuaca dalam lapisan bawah dan atas atmosfera, terutama kebergantungannya kepada keadaan di dalam troposfera dan ionosfera pada enam stesen yang berbeza di
UKM Bangi, Selangor. Pengukuran adalah berasaskan pemonitoran jangka pendek wap air bolehmendak (PWV) dalam troposfera dan jumlah kandungan elektron (TEC) dalam ionosfera menggunakan penerima GPS Bumi. Data PWV, TEC dan pengukuran meteorologi permukaan adalah dicerap bermula 12 November sehingga 7 Disember 2007. Hasil pemonitoran menunjukkan bahawa kedua-dua proil kebolehubahan PWV dan TEC memperlihatkan kitaran harian. Purata harian
PWV dan TEC adalah tinggi, masing-masing dengan nilai ~42 mm dan ~35 TECU. Perubahan kedua-duanya didapati dipengaruhi aktiviti Matahari.
Kata kunci: Atmosfera; GPS PWV – TEC; ionosfera; UKM Bangi
ABSTRACT
This research was performed to characterize the variability of weather behavior in the lower and upper atmosphere layers, particularly its dependence on conditions in the troposphere and ionosphere at six different stations over UKM
Bangi, Selangor. The measurements are based on short-term monitoring of precipitable water vapour (PWV) in the
troposphere and total electron content (TEC) in the ionosphere using ground-based GPS receivers. Data on PWV, TEC
and surface meteorological measurements were gathered from 12 November to 7 December 2007. Monitoring Results showed that both proiles of PWV and TEC variations shown diurnal cycle. The PWV and TEC on daily mean generally high,
with a value of ~42 mm and ~35 TECU, respectively. It was found that both PWV and TEC variations exhibits inluenced
by solar activity.
Keywords: Atmosphere; GPS PWV – TEC; ionosphere; UKM Bangi
PENGENALAN
Fenomena cuaca di kawasan UKM Bangi, Selangor adalah unik dan sukar diramalkan. Pemendakan (hujan) tidak teragih dengan sekata. Di dalam kawasan tertentu seolah-olah terdapat pembatasan hujan. Proses dan fenomena evolusi sepanjang peristiwa berlakunya hujan juga sukar difahami. Ini penting, kerana sekecil apapun perubahan ke atas lapisan atmosfera Bumi akan memberikan kesan meluas kepada perancangan aktiviti manusia. Cuaca memainkan peranan penting dalam mencorakkan cara hidup kita. Kerananya pencirian fenomena ini dalam konteks interaksi angkasa-Bumi (geospace) adalah cabaran terbesar dalam membina pemahaman yang lengkap terhadap ciri-ciri perubahan iklim global dan perkaitannya dengan aktiviti suria. Diantara parameter yang digunakan untuk mengkaji atmosfera bahagian bawah (bermula dari permukaan Bumi sehingga ~40 km) dan bahagian atas (50 – 1000 km), masing-masing ialah wap air boleh mendak (PWV) atmosferik dan jumlah kandungan elektron
(TEC) ionosferik. PWV ialah jumlah kuantiti wap air yang terhampar per unit luas pada sebuah titik di atas permukaan Bumi dalam sebuah turus menegak yang dinyatakan sebagai ketinggian wap air (dalam unit mm). Manakala
TEC digambarkan sebagai keratan-rentas jumlah elektron bebas dalam sebuah tiub seluas 1 m2 memanjang bermula
daripada penerima hingga ke satelit (dalam unit TECU; 1 TECU = 1016 elektron.m-2), yang menembusi lapisan
ionosfera.
Telah terbukti bahawa teknik sistem penentududukan global (GPS) berpotensi untuk menderia wap air atmosferik (Bevis et al. 1992; Rocken et al. 1995) dan telah digunakan secara meluas sebagai peranti asas untuk mengukur ketepatan TEC ionosferik (Fedrizzi et al. 2005) secara global dan dalam apa jua cuaca. Dalam satu dekad terakhir, beberapa penyelidik mula ke arah menyediakan peramalan cuaca-angkasa dan menambah baik ketepatan pemodelan iklim menggunakan rangkaian GPS global. Meskipun
penentududukan, sistem ini sekarang telah diaplikasikan secara meluas dalam pelbagai bidang antaranya industri telekomunikasi, kehidupan rimba, geoizik dan geologi, pertanian, penerokaan angkasa, sains angkasa dan Bumi, dan banyak lagi. Hari ini, perkembangan teknologi GPS
dan ketersediaan penerima GPS dengan kos berpatutan membolehkan pengukuran PWV dan TEC mengikut masa dan ruang secara serentak dan berterusan.
Sebagaimana diketahui, lapisan ionosfera dan troposfera melambatkan rambatan isyarat GPS. Dengan mengeksplotasi kelewatan isyarat diantara penerima dan satelit yang lazimnya dikenali sebagai kelewatan ionosferik dan troposferik sepanjang tempoh perambatan,
PWV dan TEC boleh ditentukan secara serentak. Ketepatan dan pengukuran berterusan kedua-dua parameter ini di kawasan UKM Bangi dengan teknik GPS Bumi belum pernah dilaporkan secara lengkap. Oleh itu kajian ini bertujuan mengukur dan memantau PWV dalam troposfera dan TEC
dalam ionosfera berasaskan penerima GPS Bumi untuk memahami evolusi dan proses izikalnya. Seterusnya, perubahan variasi mengikut masa dan ruang untuk kedua-dua PWV dan TEC dan perkaitannya dengan pengaruh aktiviti Matahari dalam jangka pendek juga diperhati. Perubahan aliran arus daripada aktiviti suria ini merupakan salah satu komponen kekunci utama daripada kajian
cuaca-angkasa termasuklah interaksinya dengan lapisan bawah atmosfera.
METODOLOGI
LOKASI DAN PENGUKURAN
Lokasi pemantauan ialah terletak di kawasan Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) Bangi, Selangor (~35 km Selatan Kuala Lumpur). Kedudukan kawasan ini selain berhampiran dengan garisan khatulistiwa, ia juga dilingkupi oleh beberapa kawasan tropika dan subtropika atau secara umum boleh dikatakan sebagai kawasan hujan tropika (atau Monsun), di mana jumlah hujan boleh bertukar-tukar secara drastik berbanding suhu purata. Rajah 1 menunjukkan peta lokasi pemantauan melibatkan enam stesen yang berbeza. Masing-masing lokasi pemerhatian ditunjukkan dalam Rajah 1(b). Kedudukan geograi stesen dan tarikh pemantauan diberikan dalam Jadual 1.
Sebagaimana ditunjukkan dalam Rajah 1(b), FENG
adalah pusat pemantauan (tetap) dan stesen lainnya dikategorikan sebagai stesen bergerak. Di FENG, sistem pengukuran terdiri daripada sebuah penerima GPS dan sebuah instrumentasi meteorologi. Antena Trimble Geodetik dan penerima GPS Trimble TS5700 telah dipilih
JADUAL 1. Kedudukan geograi penerima GPS di UKM Bangi
Stesen Latitud (deg) Longitud (deg) Ketinggian (m) Jarak (m) Tarikh pemantauan
PPPI 2°55’22.08 101°46’22.80 75.87 1,516.97 12-14 Nov 07
DECT 2°55’49.44 101°46’40.80 37.41 1,014.01 16-18 Nov 07
FLAW 2°55’44.60 101°46’08.40 56.54 458.44 19-21 Nov 07
GENO 2°55’36.84 101°46’12.00 18.65 543.72 23-25 Nov 07
BUHE 2°55’38.68 101°46’37.56 54.20 651.30 28-30 Nov 07
FENG (L) 2°55’22.82 101°46’23.03 34.71 11.01 05-07 Dec 07
FENG (T) 2°55’23.08 101°46’23.01 35.51 - Semua masa
L dan T masing-masing bermaksud Leica dan Trimble. Semua stesen bergerak dilakukan menggunakan penerima GPS daripada Leica. Jarak diukur dari stesen tetap atau FENG (T)
(a) (b)
kerana ketepatan yang tinggi, penambahbaikan ketahanan pelbagai alur dan lebih baik dalam menjejaki satelit pada pelbagai sudut dongakan. Pengukuran data meteorologi permukaan dilakukan dengan menggunakan penderia Paroscientiic MET3A. Kedua-dua sistem diletakkan di atas bumbung bangunan Fakulti Kejuruteraan (FENG), UKM
dan telah dipasang pada 21 Januari 2004. Untuk stesen bergerak, pengukuran terdiri daripada satu penerima GPS
Leica GRX 1200 dan satu antena bergelang AT504 dengan menggunakan penderia meteorologi yang sama. Antena bergelang ini digunakan kerana mempunyai ciri-ciri piawaian tepat, lebih berkesan dalam mengatasi penolakan pelbagai alur dengan kemantapan pusat fasa antena (< 1 mm) dan tahan terhadap penyesakan frekuensi radio (RF). Pemantauan atmospferik pada masing-masing stesen bergerak dilakukan secara berterusan sepanjang 3-5 hari, bermula pada 08:00 pagi, waktu tempatan (Local Time
LT). Rajah 2 menunjukkan rangkaian pengukuran daripada stesen bergerak yang mana mempunyai sambungan serupa dengan stesen tetap.
Kedua-dua penerima GPS di-set dengan sudut bukaan 13° untuk menjejak semua isyarat GPS dan menjaga kualiti data. Selang pensampelan adalah 10 saat. Data jarak semu (pseudorange) dan pembawa fasa (carrier phase) kedua-duanya dikumpul pada pengukuran frekuensi L1 dan L2. Penerima GPS merakam data dalam waktu semesta (Universal Time UT). Isyarat GPS ditukar menjadi format
RINEX menggunakan rutin Translate/Edit/Quality Check
(TEQC) yang dibangunkan oleh UNAVCO (http://www.unavco. org). Pensampelan data pada sela 30 saat digunakan untuk
mengurangkan masa pemprosesan. Manakala kekerapan pensampelan untuk pencerapan data meteorologi permukaan (tekanan, suhu dan kelembapan relatif) dirakam 4 saat. Purata data dirakam pada selang 1 minit.
PEMPROSESAN DATA
PENENTUAN KANDUNGAN WAP AIR BOLEHMENDAK (PWV)
Lapisan bawah atmosfera adalah jelas mempengaruhi rambatan isyarat GPS kepada penerima. Lazimnya lapisan
ini dikenali sebagai atmosfera neutral atau ringkasnya troposfera iaitu sebuah medium tak dispersif (kelajuan isyarat tak bergantung frekuensi). Kelewatan isyarat dalam lapisan ini dinyatakan sebagai selisih jarak diantara isyarat yang melalui medium dengan isyarat dalam ruang vakum. Jarak antara sumber pemancar gelombang elektromagnet (atau optikal) kepada penerima dideinisikan sebagai:
(1) dimana ∆L ialahjarak kelewatan gelombang radio (panjang alur optikal) atau jumlah kelewatan troposferik, v dan c, masing-masing ialah halaju isyarat dalam medium dan ruang vakum, n(s) ialah indeks biasan medium, S dan G, masing-masing ialah panjang alur untuk elektromagnet dan garisan geometri yang merentasi atmosfera. Dalam persamaan (1), kelewatan troposferik pada bahagian pertama dan kedua, masing-masing disebabkan oleh kesan kelewatan dan kesan bengkokan. Kesan bengkokan [S – G] ialah sangat kecil untuk sudut dongakan lebih besar 13°,
iaitu sekitar 1 cm atau lebih rendah dan ia boleh diabaikan. Oleh yang demikian, PWV diperolehi melalui jumlah kelewatan isyarat akibat kesan kelewatan troposferik dalam lapisan atmosfera neutral. Dengan kata lain, isyarat GPS
dalam lapisan ini dilewatkan oleh variasi indeks biasan yang mana bergantung kepada ciri-ciri tekanan, suhu dan kelembapan wap air. Dengan asas ini, PWV ditentukan dengan menggunakan kedua-dua isyarat GPS dan data meteorologi permukaan.
Pemprosesan dan penghitungan PWV GPS antaranya mengandungi ∆L atau dikenali sebagai kelewatan troposferik zenit (Zenith Tropospheric Delay, ZTD). ZTD
(dalam meter) dihitung mengikut model Hopield yang diubahsuai dengan satu penambahbaikan, iaitu (Hofmann-Wellenhof et al. 2001; Suparta et al. 2008):
(2)
dan (3)
dengan ialah kebiasan di permukaan bumi. Dalam kajian ini, lapisan atmosfera dipertimbangkan mempunyai azimut tak simetrik dalam perhitungan ZTD dengan andaian mengandungi komponen gas tidak ideal. Dalam persamaan (3), hj (dalam meter) mengandungi hhyd dan hwet, masing-masingialah ketinggian efektif untuk komponen hidrostatik dan basah, sudut dongakan ke satelit (θ) diekstrak daripada data GPS dan RE ialah 6378137 meter. Kelewatan hidrostatik zenit (Zenith Hydrostatic Delay, ZHD) dalam meter dihitung menggunakan model Saastamoinen.
(4) dengan P ialah tekanan permukaan stesen (mbar), ϕ ialah latitud stesen (darjah) dan h ialah ketinggian stesen di atas ellipsoid (km). Untuk mengurangkan hinggar akibat siri masa cerapan yang panjang, fungsi pemetaan basah Niell, digunakan untuk memetakan persandaran kelewatan zenit terhadap sudut dongakan satelit. Sekarang jumlah ZTD
vertikal dapat dihitung dengan
(5)
Untuk penyelesaian wap air, kelewatan basah zenit (Zenith Wet Delay, ZWD) dalam meter dihitung dengan mengurangkan ZHDSAAS daripada ZTDGPS. ZWD kemudian
dijelmakan ke dalam perkiraan PWV dengan menggunakan suhu permukaan yang diukur pada masing-masing stesen. Seterusnya, jumlah PWV (dalam mm atau setara dengan ketinggian wap air dalam kgm-2) sekarang dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan:
(6) dimana parameter tak berdimensi ialah faktor penukaran yang bergantung kepada perubahan iklim tempatan antaranya kedudukan lokasi, musim dan cuaca; T ialah suhu permukaan stesen yang diukur dalam unit Kelvin.
Keseluruhan langkah pemprosesan data dan penghitungan PWV di atas ditulis dengan Matlab, yang dipanggil sebagai program wap air troposferik (Tropospheric water vapour, TroWav). Algoritma dari TroWav merangkumi pengiraan sudut dongakan penerima-satelit, ZTD, ZHD, ZWD dan fungsi pemetaan, keseluruhannya untuk penghitungan PWV. Algoritma pemprosesan data secara lebih terperinci dijelaskan dalam Suparta et al. (2008). Data PWV GPS dari hasil pemprosesan ini tersedia dengan resolusi 1 minit.
PENENTUAN JUMLAH KANDUNGAN ELEKTRON (TEC)
Sebagaimana PWV, pengiraan TEC dari data GPS adalah
berasaskan sifat semulajadi ionosfera. Lapisan ini mempengaruhi halaju dan arah perambatan gelombang elektromagnet yang dipancarkan oleh satelit GPS pada dua
frekuensi jalur-L (f
L1 = 1575.42 MHz dan fL2 = 1227.60 MHz) semasa mereka merentasi kawasan ionosfera. Itulah sebabnya ionosfera dikenali sebagai medium dispersif. Perubahan isyarat perambatan satelit kepada penerima adalah sebanding dengan ketumpatan elektron bebas terintegrasi sepanjang alur isyarat. Pengukuran jarak semu isyarat GPS dengan kehadiran ionosfera adalah
meningkat (kelewatan isyarat) dan pengukuran fasa-pembawa berkurang (keawalan fasa). Selepas kombinasi linear terbentuk dari pengukuran ini pada frekuensi L1 dan L2, fasa pembawa dan jarak semua
TEC mudah diperolehi. Berikut ialah salah satu teknik
untuk menghitung TEC ionosferik sepanjang alur
satelit-penerima, TEC condong (Slant TEC) dihitung menggunakan
perbezaan kelewatan masa atau perbezaan keawalan fasa menggunakan persamaan berikut:
meter), N ialah ketumpatan elektron (dalam meter isipadu) dan diperolehi daripada indeks biasan ionosfera; n = 1– X/2 ≅ 1 – 40.3 N/f2 dan f ialah frekuensi isyarat radio
Untuk memantau ciri-ciri perubahan aktiviti dan kesan matahari dalam ionosfera, STEC lazim disekutukan dengan istilah TEC tegak (VTEC) pada titik sub-ionosferik. Untuk keperluan ini, keseluruhan kesan dari integrasi ketumpatan elektron sepanjang arah zenit, disifatkan sebagai sebuah model lapisan tunggal (model kelompang nipis). Selengkapnya, VTEC daripada isyarat GPS dihitung berasaskan kaedah Hofmann-Wellenhof et al. (2001) dan Warnant dan Pottiaux (2000). Langkah pertama kaedah ini ialah beza ralat jarak (pengukuran kod) dan beza awalan fasa (pengukuran fasa) daripada kombinasi linear geometri-bebas dalam persamaan (7) dihitung dengan:
(8) Kemudian, nyatakan persamaan (8) sebagai fungsi
STEC (Warnant & Pottiaux 2000):
(9) Faktor ketaksaan, dalam persamaan (9) diselesaikan dengan mengukur fasa untuk tiap-tiap alur satelit dan kumpulan untuk penerima dan satelit, dan ialah faktor ketaksaan dalam kitar. Akhirnya, kesetaraan VTEC bagi setiap alur satelit daripada persamaan (9) dan (10) dihitung dengan menggunakan faktor keserongan (Hofmann-Wellenhof et al. 2001):
(11) dimana χ dan hm, masing-masing adalah faktor keserongan (setara fungsi pemetaan) dan ketinggian efektif (~400 km), kedua-duanya diukur pada titik sub-ionosfera. Seterusnya, penghitungan VTEC (atau untuk ringkasnya TEC) dengan melibatkan ketak-seragaman fenomena ionosferik antaranya gangguan pergerakan ionosfera (Traveling Ionospheric Disturbances, TIDs) dan kesan perubahan sintilasi, lebih terperinci dapat dilihat dalam Abdul Rashid et al. (2006). Hasil keseluruhan TEC GPS dalam kajian ini telah dibetulkan ukurannya menggunakan nilai bias antara penerima dan satelit daripada NTUS Singapura, diperolehi menerusi pusat data di Universiti Bern, Switzerland. Semua nilai-nilai TEC hasil pemprosesan ini tersedia dengan resolusi 30 saat.
HASIL DAN PERBINCANGAN
VARIASI WAP AIR ATMOSFERIK
Proil harian PWV atmospferik di kawasan UKM Bangi
dalam selang purata 1-minit diplot dalam Rajah 3. Hasil pemerhatian menunjukkan bahawa nilai-nilai PWV didapati
tinggi dan rendah diantara dua GPS penerima bergantung
kepada lokasi dan kedudukan diantara keduanya. Selain diakibatkan oleh fenomena cuaca tempatan, dengan jelas ditunjukkan bahawa kandungan PWV di PPPI adalah rendah
kerana kedudukannya yang tinggi berbanding stesen yang lain. Manakala di FENG dengan kedudukan kedua-dua
penerima GPS berhampiran, nilai-nilai PWV adalah hampir
serupa. Oleh yang demikian, jelas bahawa corak PWV
yang diperhati diantara dua pengukuran dengan penerima
GPS berbeza di semua stesen mempamerkan keserupaan,
kecuali di BUHE, PWV jatuh agak drastik disebabkan
lokasi topograi yang kompleks. Di stesen ini, penerima
GPS dilingkupi oleh hutan, yang mana telah menghalang
penjejakan isyarat satelit ke penerima. Ini ditunjukkan dengan bilangan satelit GPS yang diperhati lebih sedikit
berbanding kebiasaannya ~8-10 satelit pada waktu dan tempat tertentu.
Semua nilai-nilai PWV dalam Rajah 3 diplot untuk
3 hari. Variasi nilai harian PWV di UKM Bangi didapati
relatif tinggi, tak sekata dan bertukar-tukar dari 32 kepada 52 mm. Puncak-puncak PWV yang unik (anomali)
kebanyakannya terekod pada sekitar 08:00 LT dengan
nilai tertinggi bervariasi dari 42 kepada 52 mm. Semua puncak-puncak (maxima) PWV yang diperhati pada (b),
(c), dua puncak pertama pada (e) dan (f) adalah jelas disebabkan oleh berlakunya hujan. Walaubagaimanapun, puncak-puncak PWV pada (a), puncak terakhir pada (e)
dan PWV jatuh mendadak di (c) dan (f) adalah sukar
difahami, malahan keadaan cuaca dan langit pada masa itu jelas-jelas terang. Di FENG, telah berlaku awan sepanjang
dua hari pertama dengan variasi PWV sederhana dan PWV
kemudiannya meningkat ketara akibat hujan sebagaimana dipamerkan dalam puncak terakhir graf. Keseluruhan hasil menunjukkan bahawa tempoh pemantauan cuaca dalam kajian ini bersamaan waktu dengan musim Monsun Timur Laut di semenanjung Malaysia, di mana lebih banyak ribut petir diiringi hujan lebat di atas lautan dan daratan tropika.
Mekanisma dan keadaan berlakunya hujan dalam kawasan UKM Bangi boleh jadi bergantung kepada keadaan
Kebanyakan daripada air yang terkondensasi di dalam awan ini tidak akan jatuh ke bumi sebagai titisan-titisan hujan kerana turbulens udara yang mengampaikan awan-awan di atmosfera. Ini adalah pertanda awal yang menunjukkan bahawa kadar kerpasan tidak sekata dan seolah-olah berlaku blok-blok hujan akibat keadaan atmosfera dalam kawasan ini tidak stabil bersyarat, pada waktu petang dengan keadaan langit yang terang dan angin tenang, bumi menjadi sejuk begitu cepat. Sebagaimana ditunjukkan dalam Rajah 3, pagi dan siang hari berlaku pemeluwapan air permukaan sungai atau lautan akibat kelembapan atmosfera yang tidak kekal. Udara dipaksa bergerak naik karena terhalang oleh bangunan tinggi, bukit atau hutan (awan teraruh dinamik) dan membentuk berlapis-lapis awan stratokumulus. Itulah sebabnya hujan turun maksimum pada waktu tertentu seperti siang hari yang dikenali sebagai hujan perolakan atau kesan orograi.
VARIASI TEC IONOSFERIK
Fenomena pemendakan menerusi pengukuran PWV sebagai aktiviti bahagian bawah atmosfera telah dibincangkan. Dengan kata lain, aktiviti gangguan bahagian atas atmosfera/plasmasfera atau fenomena Bumi-angkasa (geospace) yang diwakili oleh TEC akan diperkenalkan. Gangguan isyarat dalam ionosfera adalah lebih hebat berbanding bahagian bawah atmosfera. Ini antaranya disebabkan oleh angin suria, yang mana aliran elektron dan partikel-partikel terion, terutamanya, pergerakan H+
dan H++ dari Matahari menuju ruang antara planet adalah
bergerak dengan kelajuan supersonik (Scarf 1970). Dalam
keadaan normal, partikel-partikel ini bergerak dengan kelajuan angin suria antara 300 - 800 km.s-1 dan mencapai
Bumi selepas 2.2 - 5.8 hari (Suess & Tsurutani 2000). Rajah 4 menunjukan proil harian TEC ionosferik yang diukur di atas kawasan UKM Bangi dalam selang purata 1 minit. Hasil pemantauan menunjukkan bahawa corak TEC
yang diukur oleh dua penerima GPS di semua stesen adalah hampir serupa, lebih tinggi pada siang hari dan lebih rendah pada malam hari dengan nilai bertukar-tukar dari 9 kepada 45 TECU. Ralat purata pengukuran TEC dalam eksperimen ini ialah sebanyak 1.0 TECU. Proil TEC ionosferik yang dipamerkan dalam Rajah 4 adalah jumlah pancaran sinaran Matahari yang berpadanan dengan banyaknya tompok pada Matahari. Nilai-nilai TEC ini secara sistematiknya bervariasi
mengikut waktu harian, musim, kedudukan geograi dan dipengaruhi oleh aktiviti suria (geomagnetik). Aktiviti geomagnetik yang diwakili oleh indeks geomagnetik planet (Ap dan Kp) dan medan magnetik antara planet (Interplanetary Magnetic Field, IMF) adalah bersekutu dengan angin suria. Kp dan Ap masing-masing ialah indek purata geomagnetik aktiviti dalam julat 3-jam dan 1-hari yang dipantau dari bacaan magnetometer sejagat, dan kedua-duanya digunakan sebagai penunjuk ribut geomagnetik yang berpunca dari aktiviti suria. Angin suria adalah sebuah plasma, gas-gas terion, sebagai penghantar yang baik dalam menghantarkan tenaga dari Matahari kepada Bumi dan akan menyebabkan gangguan dalam medan geomagnetik. Kekuatan ribut angin geomagnetik yang dinyatakan dengan nilai-nilai Dst (Disturbance storm time) minimum atau Kp maksimum adalah lebih lazim digunakan sebagai penunjuk atau pengesan aktiviti
RAJAH 3. Proil harian PWV atmosferik di kawasan UKM Bangi, Selangor yang dipantau bermula dari 12 Nov hingga 7 Dis 2007. Garis kelabu menunjukkan hasil pemerhatian di FENG menggunakan
geomagnetik. Dst ialah sebuah indek aktiviti geomagnetik yang diterbitkan dari sebuah rangkaian stesen cerapan magnet sejagat dekat khatulistiwa yang dikenali sebagai arus cincin (the ring current). Keamatan Dst diukur dalam unit nano Tesla (nT).
Telah diperhati bahawa variasi atau corak TEC di kawasan UKM Bangi sepanjang tempoh pemantauan adalah relatif normal. Meskipun Dst sama dengan -71 nT, Ap sama dengan 28 dan Kp maksimum sama dengan 6 pada 20 November 2007, tetapi pada waktu ini tiada dikesan sebarang gangguan ionosferik secara signiikan seperti ribut geomagnetik, gelembung plasma atau dinamik daripada gangguan pergerakan ionosferik. Ini ditandai dengan purata bacaan aktiviti geomagnetik yang direkod daripada pusat data dunia (World Data Center, WDC) adalah rendah dengan Kp purata lebih kecil daripada 3 (untuk lebih terperinci, lihat http://swdcwww.kugi.kyoto-u.ac.jp). Itulah sebabnya dalam Rajah 4, selain jarak cerapan antara stesen
GPS lebih kecil daripada 30 km, variasi nilai-nilai harian
TEC yang diperhati tidak diperolehi puncak-puncak unik atau dapat mengesan perubahan TEC secara signiikannya.
Walau bagaimanapun, corak TEC keseluruhannya adalah maksimum sepanjang petang dan minimum sebelum Matahari terbit, waktu tempatan. Ini menunjukkan bahawa variasi harian TEC dalam kawasan ini, dan keganjilan ini dikenali sebagai “kesan Fountain”. Dengan kata lain, keamatan radiasi daripada Matahari mempengaruhi atmosfera Bumi berubah terhadap putaran harian Bumi, sehingga pengionan paling kuat berlaku pada sebelah siang Bumi, sebaliknya pada sebelah malam radiasi pengionan adalah paling lemah.
VARIASI HARIAN
Rajah 5 menunjukkan perubahan harian kedua-dua
PWV dan TEC yang diperhatikan di semua stesen. Pemplotan variasi harian ini bertujuan untuk memperhati kemungkinan pengaruh langsung aktiviti suria terhadap atmosfera bahagian bawah. Di dalam Rajah 5(a), variasi harian PWV didapati tidak sekata dan memberikan respon yang sederhana terhadap aktiviti Matahari. Bagaimanapun, kandungan PWV pada sebelah siang (lihat garis tebal) mengikut waktu tempatan adalah meningkat dan membentuk kitaran harian. Ini secara tidak langsung menunjukkan bahawa Matahari memainkan peranan penting dalam penghasilan pemendakan maksimum. Sebaliknya perbezaan ketara antara atmosfera bahagian atas dengan bahagian bawah adalah jelas terlihat dalam variasi harian TEC. TEC dengan jelas mempamerkan variasi kitar harian, minimum sebelum Matahari terbit (06:00 LT) dan maksimum antara 12:00 dan 16:00 LT. Untuk keseluruhan stesen, TEC meningkat dengan cepat bermula minimum pada pagi hari sehingga sekitar 10:00
LT dan kemudian meningkat dengan kelajuan agak perlahan sebelum mencapai puncak (maksimum) pada sebelah petang sekitar 16:00 LT, seterusnya minimum dan membentuk kitaran harian.
Sebagaimana ditunjukkan dalam Rajah 5(b), nilai
TEC yang tinggi dalam kawasan ini sering dikenali sebagai anomali khatulistiwa (Fedrizzi et al. 2005). Maksimum TEC di atas garisan ini secara intuitifnya disebabkan oleh radiasi paling kuat Matahari, di mana elektron saling berinteraksi dengan medan magnet Bumi dan menyebabkan pergerakan ion-ion (Langley 2000).
Variasi TEC sepanjang alur isyarat bergantung kepada proses penggabungan semula partikel-partikel termasuk proses pengangkutan yang berlaku dalam ionosfera. Proses pengionan dan penggabungan semula bergantung kepada kelajuan perlanggaran diantara partikel-partikel yang terlibat, dan bergantung kepada ciri-ciri ketumpatan, tekanan dan suhu ionosfera. Kedua-dua proses pengionan dan penggabungan semula ini, masing-masing berlaku pada sebelah siang (di mana sinaran Matahari meningkat) dan malam hari (sinaran Matahari lenyap). Itulah sebabnya kedua-dua proses ini kemudiannya membentuk kitaran harian (diurnal cycle). Di kawasan khatulistiwa, nilai-nilai TEC paling tinggi, kecerunan paling kuat dan gangguan paling hebat berlaku di kawasan antara 30° Selatan dan Utara geomagnetik khatulistiwa sebagaimana telah dipaparkan oleh Wanninger (1993). Seterusnya ialah menarik untuk dikaji, bagaimana menerangkan mekanisma (proses izikal) pergeseran anomali ini dalam garisan rabung khatulistiwa merangkumi plasmasfera dan putaran Faraday menggunakan variasi harian TEC dengan mempelbagai variasi geograi yang berkemungkinan besar boleh mengawal variasi PWV atmosferik di seluruh kawasan khatulistiwa. Proses ini kehadapan adalah penting ke arah memahami gandingan antara fenomena bahagian atas atmosfera dengan lapisan bahagian bawah di kawasan tropika.
KESIMPULAN
Variasi PWV atmosferik dan TEC ionosferik di atas kawasan
UKM Bangi, Selangor telah dimonitor dan dikenal pasti keciriannya untuk pertama kalinya dengan menggunakan kaedah penerima GPS Bumi. Kedua-dua proil PWV dan
TEC untuk tempoh pemerhatian bermula dari 12 November hingga 7 Disember 2007 diukur menggunakan dua jenis penerima GPS berbeza adalah jelas menunjukkan kitar harian. Berasaskan purata harian, kandungan PWV dan
TEC adalah tinggi masing-masing dengan nilai ~42 mm dan ~35 TECU. Kedua-dua variasi PWV dan TEC adalah didapati meningkat akibat pengaruh aktiviti Matahari. Walaubagaimanapun, corak dan peningkatan nilai
TEC adalah lebih kuat dipengaruhi oleh aktiviti suria berbanding PWV. Dapatan proil TEC khususnya semakin mengukuhkan lagi bahawa aktiviti matahari memainkan peranan penting dalam proses pemindahan tenaga secara langsung kepada lapisan ionosfera. Pengunaan TEC sebagai parameter aktiviti suria, kemudiannya sangat penting untuk memahami persekaitan antara impaks dwikutub (Antartika dan Artika) dengan khatulistiwa yang diperhati secara kuantitatif termasuk gandingan antara perubahan iklim dengan pelbagai peristiwa suria. Kejayaan kajian ini akan memberi sumbangan pemahaman lebih lengkap kepada ciri-ciri perubahan iklim global sekaligus ke arah penambahbaikan model iklim global yang sedia ada.
PENGHARGAAN
Pengarang merakamkan terima kasih kepada Institut Sains Angkasa (ANGKASA), Universiti Kebangsaan Malaysia
(UKM). Penulis pertama, Wayan Suparta telah menerima pembiayaan feloship pasca doktoral ANGKASA di bawah geran UKM-OUP-BTT 27/2007. Sistem penerima GPS Leica dibiaya oleh UKM di bawah peruntukan RMK9, manakala sistem penerima GPS Trimble dibiayai oleh Akademi Sains Malaysia. Juga terima kasih kepada En. Azlan dan para rakan kerja di ANGKASA yang banyak membantu semasa di lapangan.
RUJUKAN
Abdul Rashid, Z.A., Momani, M.A., Sulaiman, S., Mohd Ali, M.A., Yatim, B., Fraser, G. & Sato, N. 2006. GPS ionosferik
TEC measurement during the 23rd November 2003 total solar
eclipse at Scott Base Antarctica. J. Atmos. Sol.-Terr Phys. 68(11): 1222-1236.
RAJAH 5. Corak harian proil atmospferik dalam purata 1 jam untuk (a) PWV dan (b) TEC di kawasan UKM Bangi, Selangor. Garis tebal dalam graf menunjukkan purata kedua-dua nilai PWV danTEC untuk keseluruhan stesen
Bevis, M., Businger, S., Herring, T.A., Rocken, C., Anthes, R.A. & Ware, R.H. 1992. GPS meteorology: Remote sensing of atmospheric water vapor using the Global Positioning System. J. Geophys. Res. 97(D14): 15787−15801.
Fedrizzi, M., de Paula, E.R., Kantor, I.J., Langley, R.B., Komjathy, A., Batista, I.S. & Kantor, I.J. 2005. Study of the March 31, 2001 magnetic storm effects on the ionosferik GPS data. Adv. Space Res. 534–545.
Hofmann-Wellenhof, B., Lichtenegger, H. & Collins, J. 2001.
Global Positioning System: Theory and Practice. Springer Verlag: 5th revised edition.
Langley, R.B. 2000. GPS, the ionosferae and the solar maximum.
GPS World 11(7): 44-49.
Price, C. 2000. Evidence for link between global lightning and upper tropospheric water vapour. Nature 406: 290-293. Rocken, C., Ware, R., Van Hove, T., Solheim, F., Alber, C. &
Johnson, J. 1993. Sensing atmospheric water vapour with the global positioning system. Geophys. Res. Lett. 20(23): 2631-2634.
Scarf, F.L. 1970. Microscopic structure of solar wind. Space Science Reviews 11: 234-270.
Suess, S.T. & Tsurutani, B.T. 2000. Solar wind to appear in Ensclopedia of Atmospheric Sciences. http://trs-new.jpl. nasa.gov/dspace/bitstream/2014/15128/1/00-1139.pdf. [7 April 2008]
Suparta, W., Abdul Rashid, Z.A., Mohd. Ali, M.A., Yatim, B. & Fraser, J.G. 2008. Observations of precipitable water vapour and its responses to the solar activity at Antarctica based on GPS sensing. J. Atmos. Sol.-Terr Phys. 70: 419-1449.
Wanninger, L. 1993. Effects of the Equatorial ionosferae on GPS.
GPS World 4(7): 48-54.
Warnant, R. & Pottiaux, E. 2000. The increase of the ionosferik activity as measured by GPS. Earth Planets Space 52: 1055-1060.
Wayan Suparta*, Baharudin Yatim Institut Sains Angkasa (ANGKASA)
Universiti Kebangsaan Malaysia 43600 UKM, Bangi, Selangor D.E. Malaysia
Mohd. Alauddin Mohd. Ali
Jabatan Kejuruteraan Elektrik, Elektronik dan Sistem Fakulti Kejuruteraan & Alam Bina
Universiti Kebangsaan Malaysia 43600 UKM, Bangi, Selangor D.E. Malaysia
*Pengarang untuk surat-menyurat; email: [email protected]
