RESPONS SINTILASI SINYAL GPS SAAT BADAI
GEOMAGNET Dl LINTANG RENDAH
Asnawl
PeneliU Bldang Ionosfer dan Telekomunlkasl, LAPAN nawi@bd2.lapan.go.ld
ABSTRACT
S4 index d a t a of ISM (Ionospheric Scintillation Monitoring) at Pontianak a n d Pare-pare have been used to analyze the response of ionospheric scintillation during magnetic storm at low latitude- The ionospheric scintillation observed by a GPS receiver of LI (1.57542 GHz) signals to m e a s u r e both amplitude and p h a s e variations during the geomagnetic s t o r m of April 6, 2000 and J u l y 15, 2 0 0 0 . Observation of S4 index during geomagnetic s t o r m o f April 7 , 2 0 0 0 a t P o n t i a n a k a n d J u l y 16, 2000 at Parepare did not show the occurrence of scintillation on GPS signal, although t h e storm w a s on the m a i n phase. This result is in agreement with the hypothesis of the effect of the ring c u r r e n t in t h e generating or inhibition of f layer irregularities during magnetic storm. Since the m i n i m u m excursion of Dst during the magnetic storm on April 6 a n d J u l y 15, 2000 are near midnight (24.00 UT) or a r o u n d 07.00 Local Time (LT) on April 7 a n d J u l y 16, 2000, so t h a t the excursion categorized by excursion Dst takes place during daytime a n d well before s u n s e t , where shown scintillation are inhibited.
ABSTRAK
Data i n d e k s S4 Ionospheric Scintilation Monitoring (ISM) Stasiun Pontianak d a n Pare-pare d i g u n a k a n menganalisis respon sintilasi ionosfer saat terjadi badai geomagnet di lintang r e n d a h . Pengamatan sintilasi di ionosfer m e n g g u n a k a n receiver GPS frekuensi tunggal LI (1.57542 GHz), yaitu p e n g u k u r a n variasi amplitudo dan fase sinyal s a a t terjadi badai geomagnet tanggal 6 April 2000 dan 15 Juli 2 0 0 0 . Hasil p e n g a m a t a n indeks S4 sintilasi ISM s ta s iu n Pontianak saat badai geomagnet tanggal 7 April 2000 di Pontianak d a n 16 Juli di Pare-pare, tidak memperlihatkan adanya sintilasi p a d a sinyal GPS, walau saat itu badai geomagnet sedang dalam fase u t a m a . Hal ini m e n u n j u k k a n kesesuaian dengan hipotesa efek a r u s cincin p a d a lapisan F ionosfer ekuator saat terjadi badai geomagnet. Karena ekskursi Dst saat badai geomagnet 6 April dan 15 Juli 2000 itu, adalah sekitar tengah malam yaitu p u k u l 24.00 UT tanggal 6 April, a t a u sekitar pukul 07.00 waktu lokal tanggal 7 April dan 16 Juli 2000, sehingga simpangan Dst-nya dikategorikan p a d a ekskursi Dst yang terjadi di siang h a r i sampai sebelum
matahari t e r b e n a m dengan tidak terjadinya sintilasi di lapisan ionosfer. Kata Kunci: Sintilasi, ISM, Arus cincin, Dst, Badai Geomagnet
1 PENDAHULUAN
Sinyal radio y a n g dipancarkan dari satelit menuju ke bumi a k a n melewati lapisan ionosfer. Saat ionosfer mengalami gangguan, m a k a interaksi sinyal satelit dengan ionosfer yang terganggu tersebut a k a n menyebabkan fluktuasi p a d a amplitudo d a n fase dari sinyal tersebut. Kejadian ini disebut sebagai kejadian sintilasi ionosfer. Seringkali k e m u n c u l a n sintilasi ini disertai dengan k e t i d a k t e r a t u r a n k e r a p a t a n elektron di lapisan ionosfer yang menyebabkan p e r u b a h a n indeks refraksi lapisan ionosfer. S a a t ini pengamatan sintilasi ionosfer dilakukan secara kontinu m e n g g u n a k a n peralatan ISM [Ionospheric SantUation Monitoring) b e r u p a receiver GPS frekuensi tunggal (LI). Parameter yang diukur diantaranya a d a l a h indeks sintilasi (S4) dan indeks fase sintilasi. Indeks S4 adalah indeks amplitudo sintilasi, yaitu s t a n d a r deviasi dari power sinyal GPS dibagi dengan rata-ratanya.
Penyebab u t a m a k e m u n c u l a n sintilasi di lintang r e n d a h adalah ketidakteraturan p l a s m a di sepanjang ekuator magnetik. Ada d u a lokasi peningkatan p l a s m a yang m e r u p a k a n da er a h anomali ekuator, yaitu 20° lintang u t a r a dan 20° lintang selatan dari garis ekuator magnetik. Di k a w a s a n inilah aktivitas sintilasi paling sering terjadi. Sintilasi ionosfer muncul s a a t terjadi ketidakteraturan plasma, yaitu menjelang matahari terbenam (sunset) sore hari, saat di lapisan E terjadi rekombinasi. Efek dari rekombinasi d a n drift ExB a k a n menimbulkan p e n u r u n a n gradien kerapatan elektron di d a e rah paling bawah lapisan F. Agar d a p a t mengatasi efek rekombinasi tersebut, m a k a lapisan F h a r u s b e r a d a p a d a ketinggian yang cukup m e s k i p u n di bagian b a w a h lapisan F gradien k e r a p a t a n elektronnya c u k u p besar. Hal ini a k a n memicu terjadinya m e k a n i s m e ketidakstabilan Rayleigh-Taylor y a n g menyebabkan fluktuasi p l a s m a d a n pergerakan gelembung p l a s m a [plasma bubble) ke a t a s yang a k h i r n y a a k a n menyebabkan ketidakteraturan plasma. Fenomena sintilasi m e r u p a k a n s a l a h s a t u faktor yang paling mengganggu p a d a komunikasi via satelit p a d a frekuensi sampai 6 - 7 GHz. Efek sintilasi ionosfer u d a k saja berpengaruh p a d a sistem komunikasi dengan modulasi analog, tetapi berpengaruh j u g a p a d a modulasi digital. Sintilasi berpengaruh p a d a satelit navigasi, yaitu menyebabkan terjadinya degradasi navigasi, yaitu yang disebut sebagai carries cycle slips, tracking loop errors, acquisition problems dan loss of signal lock.
Di dae ra h lintang r e n d a h Indonesia, sintilasi sering terjadi saat sore sampai tengah malam. Makalah ini m e m b a h a s respons sintilasi ionosfer di lintang r e n d a h s a a t terjadi badai geomagnet. Dua kejadian badai geomagnet, yaitu 6 April 2 0 0 0 d a n 15 Juli 2000, digunakan u n t u k melihat respons sintilasi sinyal GPS dengan menggunakan d a t a ISM Pontianak dan ISM Parepare.
2 DATA DAN METODE PENGOLAHANNYA
Pcngamatan sintilasi ionosfer dilakukan di Pontianak p a d a koordinat geografis (0.05° LS, 109.25° BT), dan Pare-pare (4° LS, 119.6° BT) menggunakan GPS frekuensi tunggal LI = 1.57542 GHz u n t u k m e n g u k u r amplitudo dan fase sintilasi secara real time. Penerima GPS langsung dikontrol oleh Personal Computer (PC) berbasis LINUX yang dapat menerima sinyal satelit GPS yang melintas, yaitu sinyal C/A p a d a frekuensi L I . Pengukuran fase dan amplitudo p a d a 50 Hz u n t u k sampling C/No {code/carrier divergence) sebesar 1 Hz tiap satelit. Amplitudo sintilasi diukur sebagai parameter S4 y a n g didefinisikan sebagai perbandingan a n t a r a s t a n d a r deviasi intensitas sinyal dengan rata-rata intensitas sinyal (Basu et al, 1998) dengan m e m a s u k k a n faktor koreksi u n t u k menghilangkan noise alat. Peralatan ISM di Pontianak dan Pare-pare adalah bagian d a r i j a r i n g a n receiver GPS regional kerjasama dengan DSTO [Defense Science and Technology Organization) Australia. Sampel d a t a dari ISM Pontianak diambil saat terjadi badai geomagnet bulan April 2000, sedangkan Parepare p a d a bulan J u l i 2 0 0 0 . Oleh k a r e n a indeks b i a s lapisan ionosfer t e r g a n t u n g dari k e r a p a t a n elektron, m a k a hal ini dapat menyebabkan range errors d a n range rate errors p a d a sinyal GPS. Bila induksi sinyal fading dari k e m u n c u l a n sintilasi melebihi b a t a s fading dari sistem penerima, m a k a a k a n terjadi kesalahan p e s a n navigasi y a n g disebut sebagai cycle slips, yaitu ketidakkontinuan j u m l a h gelombang p e n u h dari fase gelombang pembawa. Dcmikian j u g a bila p e r u b a h a n k e r a p a t a n di ionosfer m e n y e b a b k a n p e r u b a h a n fase sinyal y a n g melebihi kecepatan p e r u b a h a n fase p a d a sistem penerima (lebar pita receiver), m a k a a k a n menyebabkan receiver loss of signal lock, yaitu receiver kesulitan dalam mengunci sinyal dari satelit.
Badai geomagnet sering terjadi p a d a fase m a k s i m u m dari siklus matahari. Bila IMF [interplanetary magnetic field) dalam a r a h Selatan dan b e s a m y a Bz < -10 nT dalam waktu lebih dari tiga j a m , m a k a a k a n m u n c u l badai geomagnet (Gonzalez at at, 1996). Pada u m u m n y a k e m u n c u l a n badai geomagnet melalui tiga fase, yaitu fase awal, fase u t a m a d a n fase recovery. Pada fase awal t e r d a p a t s u a t u gelombang kejut y a n g didahului dengan adanya peningkatan aktivitas matahari. Sedangkan p a d a fase u t a m a , karakteristik d a s a r n y a adalah p e n u r u n a n komponen H (horizontal) geomagnet y a n g terkait dengan peningkatan populasi partikel yang terjerat di magnetosfer. Fase terakhir adalah fase pemulihan [recovery) yang dicirikan oleh komponen H y a n g kembali p a d a tingkat sebelum terjadinya badai. Indikasi terjadinya badai geomagnet dapat dilihat dari d a t a indeks geomagnet DST [Disturbance Storm Time index). Dst adalah indeks geomagnet (komponen H) j a m - a n yang diperoleh dari 4 s t as i un di d ae r ah ekuator, y a n g variasi
gangguannya disebabkan oleh a r u s cincin [ring current). Nilai negatif yang membesar m e n u n j u k a n bertarobahnya intensitas a r u s cincin y a n g dapat terjadi dalam b e b e r a p a j a m d a n hal ini telah mengindikasikan s u a t u badai
magnetik. Biasanya diikuti j u g a dengan badai lanjutan (substorm) yang indikasinya d i t u n j u k k a n oleh indeks AE (Auroral Electrojet\. Gambar 2-1 memperlihatkan fase u t a m a dari badai geomagnet tanggal 6 April 2000 p a d a saat nilai Kp indeks m e n c a p a i m a k s i m u m 6. P e r u b a h a n s e s a a t (ekskursi) Dst p a d a badai April 2 0 0 0 adalah -288 nT sekitar p u k u l 24 UT tengah malam tanggal 6 April 2 0 0 0 , a t a u p a d a 7 April p u k u l 7 pagi w a k t u lokal. Data ISM Pontianak diplot selama 24 j a m dari satelit GPS yang terekam s a a t itu dan indikasi terjadinya sintilasi ionosfer adalah nilai S4 > 0.5. Data dipilih sebelum k e m u n c u l a n badai, yaitu tanggal 4 d a n s a a t badai tanggal 7 April 2000. Begitu j u g a dengan d a t a ISM Pare-pare saat b a d a i J u l i 2000, yaitu tanggal 14 J u l i sebelum terjadi badai d a n 16 J u l i 2 0 0 0 s a a t badai.
3 April 4 April 5 April 6 April 7 April 8 April 9 April
Gambar 2 - 1 : Fase u t a m a dari badai geomagnet b u l a n April 2 0 0 0 p a d a s a a t nilai Kp indeks mencapai m a k s i m u m 5. Puncak Dst -288 nT adalah sekitar p u k u l 24.00 UT tengah malam tanggal 6 April 2000, a t a u p a d a 7 April p u k u l 07.00 waktu lokal
G a m b a r 2 - 2 : F a s e u t a m a dari badai geomagnet b u l a n J u l i 2 0 0 0 p a d a s a a t nilai Kp indeks mencapai m a k s i m u m 8.7. Puncak Dst -301 nT a d a l a h sekitar p u k u l 24.00 UT tengah malam tanggal 15 Juli 2 0 0 0 , a t a u p a d a 16 J u l i p u k u l 08.00 w a k t u lokal
3 HASIL DAN PEMBAHASAN
P e n g a m a t a n i n d e k s S4 sintilasi dari s t a s i u n ISM Pontianak saat terjadi badai geomagnet tanggal 6 April 2000, dan Parepare saat badai tanggal 15 J u l i 2 0 0 0 diplot u n t u k melihat d a m p a k k e m u n c u l a n badai geomagnet p a d a sintilasi sinyal GPS. Pengamatan dilakukan selama 24 j a m dari satelit GPS yang melintas saat itu yang hasilnya d a p a t dilihat p a d a Gambar 3-1 d a n G a m b a r 3-2.
(a) (b) Gambar 3 - l : P l o t i n g indeks S4 dari p e n g a m a t a n ISM s t a s i u n Pontianak,
a) tanggal 4 April d a n b) 7 April 2 0 0 0 , tanggal 4 April beberapa satelit sinyalnya mengalami sintilasi yang sering terjadi p a d a sore menjelang tengah malam di lintang r e n d a h (mulai pukul 12.00 UT a t a u p u k u l 19.00 LT s a m p a i p u k u l 16.00 UT atau 23.00 LT). Sedangkan tanggal 7 adalah s a a t badai geomagnet April 2 0 0 0 , garis p a n a h putih adalah s a a t b a d a i dalam fase u t a m a , sekitar tengah m a l a m waktu UT (Pukul 07.00 LT) tetapi tidak terlihat a d a n y a sintilasi p a d a h a r i itu
Gambar 3-2:Ploting indeks S4 dari pengamatan ISM stasiun Parepare,
a) tanggal 14 dan b) tanggal 16 Juli 2000. Pada tanggal 14 Juli
terlihat beberapa satelit sinyalnya mengalami sintilasi, sedangkan
tanggal 16 Juli adalah saat badai geomagnet Juli 2000. Garis
panah putih adalah saat badai dalam fase utama, yaitu sekitar
tengah malam waktu UT (pukul 08.00LT), tetapi tidak terjadi
sintilasi sepanjang hari itu
Di lintang rendah aktivitas sintilasi meningkat pada saat matahari
berada di ekuator (Maret/September). Kejadian sintilasi umumnya terjadi
saat matahari terbenam (sunset) sampai menjelang tengah malam waktu
lokal. Intensitas sintilasi akan meningkat di sekitar daerah puncak anomali
ekuator, yaitu ±20° dari garis ekuator magnetik. Indonesia t e r m a s u k dalam wilayah anomali ini. Kemunculan sintilasi setelah m a t a h a r i terbenam sampai menjelang tengah malam di ekuator adalah akibat irregularitas lapisan F ionosfer y a n g terkait dengan mekanisme ketidakstabilan Rayleigh-Taylor (Basu et aL, 2002). Gambar 3 - l a memperlihatkan kondisi u m u m kemunculan sintilasi saat sebelum terjadinya badai geomagnet. Dari Gambar 3 - l a tersebut terlihat a d a 9 satelit GPS yang sinyalnya mengalami sintilasi dengan indeks S4 > 0.5 y a n g dimulai dari sekitar p u k u l 12.00 UT a t a u p u k u l 19.00 sore waktu lokal s a m p a i p u k u l 17.00 UT, sekitar tengah malam waktu lokal. Namun p a d a G a m b a r 3 - l b d a t a ISM tidak memperlihatkan a d a n y a gangguan p a d a sinyal satelit, p a d a h a l saat itu badai geomagnet dalam fase m a m a , yaitu tanggal 7 April 2000 sekitar p u k u l 01.00 UT. Demikian j u g a pengaruh badai y a n g terjadi di b u l a n Juli di s ta s iun Parepare (Gambar 3-2).
Fase u t a m a badai geomagnet p a d a bulan Juli 2 0 0 0 terjadi tanggal 16 Juli, tetapi d a t a ISM (indeks S4) s t a s i u n Parepare p a d a tanggal tersebut tidak memperlihatkan adanya sintilasi p a d a sinyal GPS p a d a saat itu (Gambar 3-2b). Dari d a t a ISM tanggal 14 J u l i 2000 (Gambar 3-2a) terlihat sintilasi p a d a beberapa sinyal satelit. Sintilasi y a n g terjadi p a d a tanggal 14 J u l i adalah sintilasi y a n g u m u m terjadi di lintang r e n d a h y a n g dimulai saat menjelang sore h a r i sampai tengah m a l a m . Penjelasan tentang hal ini mengacu kepada tiga hipotesa d a s a r efek a r u s cincin {ring current) dalam membangkitkan a t a u meniadakan (inhibition) irregularitas (ketidakteraturan) lapisan F di ekuator saat terjadinya badai geomagnet (Aarons, 1991). Aarons mengklasifikasikan pengaruh a r u s cincin p a d a irregularitas lapisan F s a a t terjadi badai geomagnet menjadi tiga kategori, yaitu
Kategori I: Apabila ekskursi (penyimpangan maksimum) Dst terjadi p a d a malam hari sampai lewat tengah m a l a m , m a k a ketinggian lapisan a k a n n a i k dan kemudian turun kembali y a n g mengakibatkan terjadinya irregularitas (ketidakteraturan) p a d a lapisan F.
Kategori II: Apabila ekskursi Dst terjadi s a a t siang hari sampai sebelum m a t a h a r i terbenam, m a k a kenaikan ketinggian lapisan F a k a n terganggu dan irregularitas p a d a malam harinya tidak tampak (inhibit).
Kategori III: Apabila ekskursi Dst terjadi setelah m a t a h a r i terbenam sampai sebelum tengah malam, m a k a kenaikan ketinggian lapisan F tidak terganggu d a n irregularitas a k a n terbentuk seperti p a d a malam y a n g tidak terjadi gangguan.
G a m b a r 2-1 m e n u n j u k k a n p u n c a k nilai indeks Dst saat badai geomagnet 6 April 2000 adalah sesaat sebelum tengah m a l a m (24.00 UT) a t a u sekitar p u k u l 07.00 waktu lokal tanggal 7 April 2000, sehingga ekskursi
siang hari sampai sebelum matahari terbenam, dengan tidak tampak irregularitas di lapisan F p a d a malam harinya. Hasil y a n g ditunjukkan oleh pengamatan sintilasi ISM Pontianak tanggal 7 April tidak memperlihatkan adanya gangguan p a d a sinyal GPS saat setelah m a t a h a r i terbenam sampai tengah m a l a m , G a m b a r 3 - l b . Hal ini m e n u n j u k k a n k e s e s u a i a n dengan kategori k e d u a dari hipotesa efek a r u s cincin p a d a lapisan F ionosfer ekuator saat terjadi badai geomagnet. Kesesuaian tersebut d i d u k u n g pula oleh pengamatan sintilasi m e n g g u n a k a n d a t a ISM Parepare p a d a s a a t badai geomagnet b u l a n J u l i 2 0 0 0 . Dari G a m b a r 2 - 2 , terlihat p u n c a k nilai Dst adalah sekitar p u k u l 24.00 UT a t a u sekitar p u k u l 08.00 LT tanggal 16 Juli 2000. E k s k u r s i Dst-nya dikategorikan j u g a p a d a kategori k e d u a .
Studi mengenai kejadian sintilasi yang terkait dengan ketidakteraturan di lapisan F ionosfer ekuator saat terjadi badai s u d a h b a n y a k dilakukan. Mekanismenya terfokus p a d a perilaku ketinggian lapisan F. Menurut Pathak et al, (1995), di lintang r e n d a h sintilasi a k a n menghilang (inhibit) saat terjadi badai geomagnet. Menghilangnya irregularitas di ionosfer saat badai tersebut terkait dengan a r u s cincin dan proses reduksi di lapisan F ekuatorial b e r u p a gangguan medan listrik ionosfer y a n g berlawanan a r a h dengan m e d a n listrik normalnya. Dalam k e a d a a n tenang, lapisan F berada p a d a ketinggian normalnya p a d a saat sebelum matahari terbenam. Negatif ekskursi a r u s cincin (dapat dilihat d a r i d a t a Dst yang m e n u r u n drastis) yang terjadi p a d a saat itu d a n a k a n menyebabkan b e r k u r a n g n y a p e n g a n i h medan listrik lokal a r a h timur yang mengakibatkan ketinggian lapisan F menjadi berkurang. Hal ini menimbulkan terbentuknya kondisi yang akan menghambat terjadinya irregularitas di ionosfer, p a d a s a a t terjadinya badai geomagnet (Aarons, 1991). Angin zonal dan angin meridional secara
signifikan j u g a d a p a t b e r u b a h saat terjadinya badai geomagnet, sehingga dapat menghalangi terjadinya in-egularitas plasma p a d a s a a t itu (Abdu, 1997). Hasil yang diperoleh dalam penelitian ini masih belum c u k u p , k a r e n a hanya ditinjau u n t u k d u a k a s u s badai geomagnet. Untuk itu perlu d u k u n g a n data yang lebih b a n y a k dan p e n g a m a t a n y a n g kontinu.
4 KESIMPULAN
Dari d a t a ISM Pontianak d a n Parepare saat terjadi badai geomagnet p a d a tanggal 6 April dan 15 J u l i t a h u n 2000 tidak memperlihatkan adanya sintilasi sinyal GPS- Hasil pengamatan sintilasi p a d a tanggal 7 April 2000 di Pontianak d a n 16 Juli 2000 di Parepare tersebut m e n u n j u k k a n kesesuaian dengan kategori k e d u a d a r i hipotesa efek a r u s cincin p a d a l a p i s a n F ionosfer equator s a a t terjadi badai geomagnet, karena p a d a tanggal tersebut tidak terjadi irregularitas di lapisan ionosfer. Hasil ini m e n d u k u n g penelitian Pathak, et al. (1995) y a n g menyatakan b a h w a di lintang r e n d a h peristiwa sintilasi tidak terjadi saat badai geomagnet.
Ucapan T c r i m a k a s i h
Penulis m e n g u c a p k a n terima kasih kepada Dr. Sarmoko a t a s diskusi, m a s u k a n d a n s a r a n n y a j u g a Stasiun ISM Pontianak d a n Parepare u n t u k p e n g g u n a a n d a t a ISM.
DAFTAR RUJUKAN
A a r o n s J . , 1 9 9 1 . Radio Science, Vol.126, 1 1 3 1 , 1 9 9 1 .
Abbay Kumar Singh., R.P. Singh, 2 0 0 0 . Space Weather Studies Oflonopheric Scintillation at low Latitude, J Atmos Sol Terres Phys, Vol. 62.
Abdu M.A., 1997. Major phenomena of the equatorial ionosphere-thermosphere system under disturbed conditions, J. Atmos Solar-Terrestrial Physics, Vol.59, 1 5 0 5 - 1 5 1 9 .
Basu S., MacKenzie E., B a s u Su., 1998. Radio Science, Vol.23, 3 6 3 .
Birsa. R., E.A. Essex, 2 0 0 0 . Scintillation Response of Global Positioning System Signals During Storm Time Conditions, Department of Physics La Trobe University.
Gonzalez., J.A. Joselyn, Y. Kamide, H.W. Kroehl, G. Rostoke. 1996. J. Geoph R Vol.99.
Kelley M.C., 1989. The Earths Ionosphere, Academic, S a n Diago, CA.
Pathak K.N., Jivrajani R.D., J o s h i H.P., Iyer K.N., 1995. Ann Geophys, Vol. 13, 7 3 0 .
