Prosiding Seminar Nasional Sains Antariksa Homepage: http//www.lapan.go.id
MODEL EMPIRIK GANGGUAN GEOMAGNET TERKAIT DENGAN LONTARAN MASSA KORONA (EMPIRICAL MODEL OF GEOMAGNETIC DISTURBANCE ASSOCIATED WITH A CORONAL MASS EJECTION) Mamat Ruhimat 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: Gangguan geomagnet, lontaran masa korona, laju CME, posisi sudut, lebar sudut.
Keywords: Geomagnetic disturbance, corona mass ejection, CME speed, principal angle , angular width.
Gangguan geomagnet yang terkait dengan cuaca antariksa salah satunya bersumber dari lontaran masa korona (CME). Identifikasi yang dilakukan dari keberadaan parameter CME yang menimbulkan gangguan geomagnet seperti posisi sudut, lebar sudut, dan laju. Hasil identifikasi dari gangguan geomagnet yang dipengaruhi oleh CME berdasarkan data antara tahun 2007 sampai dengan 2015 menunjukan bahwa hubungan gangguan geomagnet dengan posisi sudut CME, laju CME, dan lebar sudut CME didekati dengan persamaan linier. Sehingga pengembangan model empirik yang dibangun oleh parameter-parameter CME tersebut berdasarkan persamaan-persamaan yang didapat. Penyimpangan ratarata dari pengujian model adalah 13,5 %.
ABSTRACT One of causes the geomagnetic disturbance associated with space weather is Coronal Mass Ejection (CME). Identification of the existence of CME parameters which give rise to geomagnetic disturbance such as the principal angle, angular width, and speed. The results of the identification of geomagnetic disturbance caused by CME based on data between 2007 to 2015 shows that the geomagnetic disturbance relationship with principal angle, angular width, and speed of CME approximated by a linear equation. So the development of empirical models built by the CME parameters based on the equations obtained. Average deviation of testing the model is 13.5%.
1. Pendahuluan Salah satu tugas pokok dan fungsi Pusat Sains Antariksa adalah meneliti lingkungan antariksa, yaitu untuk mengetahui proses fisis yang mengakibatkan terjadinya gangguan di ruang antariksa sekitar bumi. Untuk mengetahui dan memahami proses fisis fenomena yang terjadi di matahari yang menyebabkan gangguan geomagnet maka diteliti respons gangguan geomagnet terhadap fenomena di matahari. Salah satu fenomenanya adalah
Seminar Nasional Sains Antariksa Bandung, 22 November 2016
lontaran masa korona (CME) merupakan peristiwa terlontarnya plasma dan medan magnet dari matahari dalam jumlah besar yang sering berasosiasi dengan prominence, lubang korona atau flare. Materi ini menuju medium antarplanet dan bila mengarah ke bumi, akan sampai dalam waktu 1-5 hari (Yatini et al.2008). CME dan gelombang kejut merupakan penggerak penting dari cuaca antariksa karena dapat memampatkan magnetosfer dan memicu terjadinya badai geomagnet (Kim et al., 2010; Brueckner et al., 1998; Gopalswamy et al., 2000). c 2017 Pusat Sains Antariksa LAPAN
ISBN: 978-602-17420-1-3
152
M. Ruhimat
Model yang akan dikembangkan berkisar dari sifat CME sekitar matahari sehingga masih memiliki waktu 2-3 hari kedepan. Tidak semua CME dapat menimbulkan gangguan geomagnet karena sangat tergantung pada geoefektivitasnya dan medan magnet arah selatan (Cane et al., 2000). Beberapa parameter CME yang menggambarkan CME geoefektif. CME geoefektif memiliki lebar sudut lebih dari 120o. Dikenal geoefektif karena mengarah ke Bumi (Kim et al., 2010; Gopalswamy, 2007; Webb at al., 2002). Lokasi sumber dan sampai ke Bumi juga merupakan parameter geoefektif penting. Hoeksema (1993), Wang dan Sheeley (1994) menunjukkan bahwa laju angin surya dapat diprediksi dari perbedaan garis medan yang terbuka pada sumbernya, semakin besar perbedaan, semakin lambat angin surya. Dari pengamatan tampaknya seolah-olah sebuah CME dikeluarkan adalah hasil dari suatu proses visual dalam perubahan medan magnet berskala besar. Mungkin dipandang CME sebagai cara matahari untuk menyingkirkan fluks magnet muncul. CME yang dikeluarkan dan dipercepat oleh medan magnet dari korona, selama perjalanan melalui antariksa, gaya magnet ini menurun dan proses lainnya dapat mempercepat CME berinteraksi dengan angin surya dan kejadian lainnya (Gopalswamy et al., 2001). CME cepat kebanyakan melambat oleh angin surya akibat gesekan, yang sebanding dengan kuadrat dari perbedaan laju dan banyak CME bisa dipercepat atau menggabungkan dirike kejadian lainnya (Michalek et al., 2004). 2.
Data dan Metode
Gangguan geomagnet yang digunakan dalam penelitian ini berdasarkan indeks Dst < 40 nT dari periode tahun 2007 sampai dengan tahun 2015. Dalam kurun waktu tersebut terdapat 93 gangguan geomagnet. Indeks Dst yang diidentifikasi ini diperoleh dari World Data Center for Geomagnetism Kyoto (http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstae/index.html). Setelah mendapatkan nilai indeks Dst minimum dari masing-masing kejadian gangguan dicatat waktu terjadinya, kemudian untuk mengidentifikasi sumber di Matahari yang menyebabkan terjadinya gangguan geomagnet tersebut dicari kandidat CME dalam selang waktu 1-5 hari sebelum kejadian gangguan geomagnet. Data CME diperoleh dari Solar Influences Data analysis Center (SIDC), CACTus LASCO CME catalog (http://sidc.oma.be/cactus/catalog/LASCO /2_5_0/2011/10/latestCMEs.html).
Prosiding SNSA 2016 ISBN: 978-602-17420-1-3
Untuk menentukan pola dari masingmasing parameter CME yaitu posisi sudut PA(principal angular), lebar sudut dan laju dilakukan korelasi dengan gangguan geomagnet. Selanjutnya menyelesaikan persamaan untuk mendapatkan konstanta konstantanya sehingga diperoleh model empiriknya. Dst f P g D hV .............................................. (2-1)
dengan Dst adalah indeks tingkat gangguan geomagnet, P adalah posisi sudut PA, D adalah lebar sudut, V adalah laju CME dan α,β, adalah konstanta. Dari hasil korelasi data antara parameter CME dengan gangguan geomagnet Dst didapatkan bahwa untuk posisi sudut PA dengan Dst didekati dengan persamaan linier, untuk laju juga didekati dengan persamaan linier dan untuk lebar sudut didekati dengan persamaan linier. f P 0 1 P
g D 0 1 D
hV 0 1V .................................................... (2-2) 323
18
Dst P, D, V i Dst ' P, D,V i i Dst ' P, D, V i
i 1 i 1 ... (2-3) Penyelesaiannya menggunakan matrik sebagai berikut:
Dst.Dst1' Dst1' .Dst1' ... . . Dst.Dst' Dst' .Dst' ... 18 18 1
A B.
Dst.Dst
. ' ' Dst18.Dst18 ' 1
' 18
1 . 18
..... (2-4)
B ! . A B ! .B B!. A ............................................................. (2-5)
3.
Pembahasan
Dalam membangun model empirik gangguan geomagnet yang dipenaruhi oleh CME, maka diurai parameter CME untuk mendapatkan pola dari masing-masing parameter CME yang mempengaruhi gangguan geomagnet. Gambar 3-1 menunjukkan korelasi antara gangguan geomagnet, dalam hal ini menggunakan indeks Dst dengan parameter CME yaitu posisi sudut PA. Sebaran data tersebut didekati dengan persamaan linier yang ditunjukkan oleh kurva garis hitam, untuk mengetahui pola gangguan geomagnet yang dipengaruhi oleh posisi sudut PA. Posisi sudut PA ini dinormalisasi dengan dibagi 360o untuk memberikan kesetaraan efek terhadap gangguan geomagnet dengan parameter CME lainnya.
Model Empirik Gangguan Geomagnet . . .
153
Gambar 3-1. Korelasi Antara Posisi Sudut CME Dengan Gangguan Geomagnet (Dst) Dalam Kurun Waktu 2007 Sampai Dengan 2015. Persamaan Sebaran Yang Memenuhi Didekati Dengan Persamaan Linier.
Gambar 3-2. Korelasi Antara Lebar Sudut CME Dengan Gangguan Geomagnet (Dst) Dari Tahun 2007 Sempai Dengan 2015. Pola Sebarannya Didekati Dengan Persamaan Linier.
Gambar 3-3. Korelasi Laju CME Terhadap Gangguan Geomagnet (Dst) Dalam Kurun Waktu Dari 2007 Sampai Dengan 2015. Pola Sebarannya Didekati Dengan Persamaan Linier
Prosiding SNSA 2016 ISBN: 978-602-17420-1-3
154
M. Ruhimat
Tabel 3-1. Hasil Prediksi Gangguan Geomagnet (Ggh) Menggunakan Model Empirik. No 1 2 3 4
Tgl 20 Des15 06 Mar16 08 Mei16 13 Okt16
PA 291 254 253 267
D 112 10 8 24
V 1454 205 525 1275
Perubahan posisi sudut ini tidak banyak mempengaruhi terhadap perubahan gangguan geomagnet. Gambar 3-1 kecenderungan kurvanya menurun hampir mendatar, semakin besar sudut PA maka kecenderungan gangguan Dst semakin negatif. Parameter CME berikutnya yang dicari polanya adalah lebar sudut CME. Gambar 3-2 menunjukkan sebaran data korelasi antara gangguan geomagnet (Dst) dengan lebar sudut CME dari tahun 2007 sampai dengan tahun 2015. Untuk kepentingan pembuatan model empirik gangguan geomagnet, pola sebarannya didekati dengan persamaan linier. Lebar sudut nilainya dinormalisasi dengan 360o. Parameter CME lainnya yang mempengaruhi keberadaan gangguan geomagnet adalah laju CME.Untuk laju CME dinormalisasi dengan 3000 km/s. Gambar 3-3 menunjukkan sebaran korelasi gangguan geomagnet (Dst) dengan laju CME dari periode tahun 2007 sampai dengan tahun 2015. Pola gangguan geomagnet terhadap laju CME didekati dengan persamaan linier yang digambarkan oleh kurva garis hitam. Persamaan 2-4 dan 2-5 diperoleh konstantakonstanta yang diperlukan dalam pembangunan model empiric gangguan geomagnet yang terkait dengan parameter-parameter CME yaitu posisi sudut PA, lebar sudut dan laju median CME.Berdasarkan Persamaan (2-4) dan (2-5) dibangun model empiric dalam pemograman Matlab,dimana model yang dibangun ini merupakan model awal hanya terkait dengan CME. Data yang digunakan untuk membangun model empirik gangguan geomagnet dari tahun 2007 sampai dengan tahun 2015 dan untuk uji model menggunakan kejadian gangguan geomagnet tahun 2015 dan 2016 seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 3-1. Data kejadian yang digunakan untuk uji model ini di luar dari data yang digunakan untuk membangun modelnya. Dari empat kejadian gangguan geomagnet yang digunakan untuk menguji model empiric gangguan geomagnet berdasarkan masukkan parameter CME yaitu posisi sudut PA, lebar sudut dan median laju CME. Tabel 3-1
Prosiding SNSA 2016 ISBN: 978-602-17420-1-3
Dst(nT) -155 -98 -83 -105
GGh(nT) -133.4 -101.3 -103.8 -117.5
Error (%) -14 3 25 12
menunjukkan hasil perhitungan model empirik gangguan geomagnet dalam kolom GGh merupakan nilai puncak minimum dari setiap kejadian gangguan geomagnet. Dibandingkan dengan nilai Dst minimumnya masih terdapat penyimpangan rata-rata sekitar 13,5 %. Model empirik ini masih diperlukan penyempurnaan agar hasilnya bisa lebih akurat dengan mempertimbangkan sumber-sumber lain di matahari yang dapat mempengaruhi gangguan geomagnet.
4. Kesimpulan Dari hasil identifikasi parameter CME yang mempengaruhi besaran gangguan geomagnet dengan meninjau korelasinya sehingga pola gangguan geomagnet terkait dengan parameter CME dapat diketahui. Untuk posisi sudut PA, Laju CME dan lebar sudut didekati dengan persamaan linier. Dengan demikian model empirik gangguan geomagnet yang dibangun berdasarkan parameter CME posisi sudut PA, lebar sudut dan laju didekati dengan persamaan linier. Model empirik gangguan geomagnet yang dibangun oleh parameter CME masih belum sempurna, kesalahannya masih cukup tinggi dengan rata-rata 13,5 %.
Ucapan Terima Kasih Kami mengucapkan terima kasih kepada Clara Y. Yatini dan Sungging Mumpuni peneliti Matahari yang telah banyak membantu dan diskusi. Terima kasih kepada WDC for Geomagnetic Kyoto (http://wdc.kugi.kyotou.ac.jp/dstae/index.html) yang telah menyediakan data Dst untuk diolah dan juga kepada Solar Influences Data analysis Center (SIDC), CACTus LASCO CME catalog (http://sidc.oma.be/cactus/catalog/LASCO/2_5_0/2 015/01/latestCMEs.html) untuk menggunakan data CME.
Rujukan Brueckner, G. E., Delaboudiniere J.P., Howard R.A., Paswaters S.E., Cyr O.C., Schwenn R.,Lamy P., Simnett G.M., Thompson B., Wang D. (1998). Geomagnetic storms caused
Model Empirik Gangguan Geomagnet . . .
by coronal mass ejections (CMEs): March 1996 through June 1997, Geophys. Res. Lett., 25, 3019-3022. Cane, H. V., Richardson I. G., Cyr O. C. (2000). Coronal mass ejections, interplanetary ejecta and geomagnetic storms, Geophys. Res. Letters, 27, 3591-3594. Gopalswamy, N., A. Lara, R. P. Lepping, M. L. Kaiser, D. Berdichevsky, and O. C. St. Cyr. (2000). Interplanetary acceleration of coronal mass ejections, Geophys. Res. Lett., 27, 145– 148. Gopalswamy N., Lara A., Howard R. A. , Yashiro S., Kaiser M. L. (2001). Predicting the 1-AU arrival times of coronal mass ejections, J Geophys. Res., 106, 29207-29217. Gopalswamy N., Yashiro S., and Akiyama S. (2007). Geoeffectiveness of halo coronal mass ejections, J Geophys. Res., 112, A06112. Hoeksema, T. J. (1993). Solar Inputs to SolarTerrestrial Prediction from Wilcox Solar Observatory, Proceedings of Artificial Intelligence Applications in Solar-Terrestrial Physics Workshop, in J. A. Joselyn, H. Lundstedt and J. Trollinger (eds.), Lund, Sweden, September 22-24, 1993, pp. 115-120.
155
Kim R.S, Cho K.S., Moon Y. J., Dryer M., Lee J. Y. Y, Kim K.H., Wang H., Park Y.D., Kim Y. H. (2010). An empirical model for prediction of geomagnetic storms using initially observed CME parameters at the Sun, J Geophys Res, 115, A12108. Michalek, G., Gopalswamy N., Lara A., Manoharan P. K. (2004). Arrival time of halo coronal mass ejections in the vicinity of the Earth, Astronomy & Astrophysics, 423, 729– 736. Wang and Sheeley N. R. (1994). Global evolution of interplanetary sector structure, coronal holes, and solar wind streams during 19761993: Stackplot displays based on solar magnetic observations. J. Geophys. Res., 99, 6597-6608. Webb, D.F. and Gopalswamy N. (2006). Improved input to the empirical coronal mass ejection (CME) driven shock arrival model from CME cone models, ILWS WORKSHOP 2006, GOA, FEBRUARY 19-24. Yatini, C Y , Suratno, Admiranto G, Suryana N.(2008), Karakteristik Lontaran Masa Korona (CME) yang menyebabkan Badai Geomagnet, Jurnal Sains Dirgantara, 6, 4759.
DRS. MAMAT RUHIMAT, M.Si, lahir di Tasikmalaya (Jawa Barat) padatanggal 23 Agustus 1959 bekerja sebagai pegawai negeri sipil di lingkungan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN), masuk mulai tahun 1987, sebagai Peneliti Madya di bidang Fisika Magnetosferik dan Ionosferik di satuan kerja Pusat Sains Antariksadi Bandung. Menyelesaikan pendidikan Strata 1 (S1) di Universitas Padjadajaran (Unpad) Jurusan Fisika lulus pada tahun 1986 dan Strata 2 (S2) di Institut Teknologi Bandung (ITB) jurusan Fisika lulus pada tahun 1999.
Prosiding SNSA 2016 ISBN: 978-602-17420-1-3
