Atmosfer

Atmosfer adalah campuran gas yang mengelilingi permukaan bumi. Campuran gas ini mengitari bumi karena ditarik oleh gaya gravitasi yang ada pada bumi dan campuran gas ini disebut dengan udara. Lapisan gas tersebut mengelilingi bumi dengan ketebalan yang sulit untuk ditentukan secara teliti, namun ketebalan rata-rata dari atmosfer ini ditentukan kira kira 500 km [Spiegel & Gruber, 1983]. Udara bercampur secara baik di atmosfer. Meskipun bercampur, atmosfer mempunyai perbedaan-perbedaan yang signifikan dalam temperatur dan tekanan dalam setiap perbedaan ketinggiannya. Perbedaan ini didefinisikan ke dalam sejumlah lapisan atmosfer. Lapisan atmosfer ini terdiri dari troposfer (0-16 km), stratosfer (16-50 km), mesosfer (50-80 km) dan termosfer (80-640 km). batas antara keempat lapisan ditentukan dengan perubahan temperatur yang mencolok, dan termasuk berturut-turut tropopause, stratopause, dan mesopause. Di dalam troposfer dan mesosfer, temperatur secara umum menurun sesuai dengan kenaikan ketinggian, sebaliknya pada stratosfer dan termosfer, temperatur naik seiring dengan kenaikan ketinggian [pettersen,1958;Miller et al,1983]. Hampir seluruh udara (90 %) mengandung uap air dan sisanya tidak mengandung uap air [Kurniawan, 1998]. Udara yang tidak mengandung uap air ini disebut dengan udara kering. I. Troposfer • Karakteristik Troposfer Lapisan troposfer adalah lapisan atmosfer yang paling bawah dan merupakan persentase terbesar dari total masa atmosfer yaitu lebih dari 75%. Sedangkan sisanya menyebar pada lapisan yang lain [Spiegel &Gruber, 1983]. Troposfer tersusun atas nitrogen ( 78 %) dan oksigen (21 %) dengan hanya sedikit konsentrasi gas lainnya. Penurunan rata-rata temperatur pada troposfer adalah 6.5° C/km [Pettersen, 1958]. Tingkat penurunan ini dikenal dengan susut temperatur rata-rata troposfer. Susut temperatur maksudnya adalah derajat penurunan temperatur. Di tempat yang temperaturnya berkurang sejalan dengan ketinggian seperti lazimnya pada troposfer susut temperaturnya adalah positif. Berkurangnya temperatur terhadap ketinggian pada troposfer ini disebabkan oleh [ Yulanda, 1997] : Pemanasan udara yang terbanyak berasal dari bumi, uap air dan debu yang menyerap panas, semakin keatas semakin berkurang, udara pada lapisan bawah lebih rapat daripada lapisan diatas sehingga udara pada lapisan bawah lebih panas Ketika melalui troposfer, sinyal GPS akan mengalami refraksi yang menyebabkan perubahan kecepatan dan arah sinyal GPS. Efek utama dari troposfer dalam hal ini adalah terhadap hasil ukuran jarak dari satelit GPS ke receiver GPS di permukaan [Abidin, 2000]. Data pseudorange dan data fase keduanya sama diperlambat oleh troposfer, dan besar magnitudo dari bias troposfer pada kedua data pengamatan tersebut adalah sama. Magnitudo dari bias troposfer berkisar sekitar ≈ 2.3 m di arah zenit sampai ≈ 20 m pada 100 m di atas horison [Abidin, 2000; Seeber, 1993; Wells et al, 1986]. • Kandungan Uap Air dalam Troposfer Uap air adalah air yang berada pada fase gas. kandungan uap air dalam troposfer menurun secara tajam dengan kenaikan ketinggian. Kandungan uap air memainkan peranan penting dalam mengatur temperatur udara karena menyerap radiasi matahari dan radiasi termal dari permukaan bumi. Uap air terbesar berada diatas daerah tropis. Jumlahnya bervariasi dari waktu ke waktu dan dari satu tempat ke tempat lainnya. Namun secara umum diperkirakan jumlah atau konsentrasi uap air di atmosfer berkisar antara hampir 0% sampai 4%. Maksudnya adalah 4 gram air untuk setiap 100 gram udara. Perubahan ekstrim menurut tempat dan waktu dari jumlah uap air di atmosfer tersebut disebabkan karena kemampuan air yang unik untuk berada pada tiga fase (gas, cair, dan padat) pada temperatur yang biasanya terdapat di bumi [Miller, 1983] Dari jumlah yang berkisar antara 0 % sampai denga 4% tersebut, hampir keseluruhannya ( 99 %) berada pada lapisan troposfer. Pada troposfer, air pada bentuk cair ditemukan sebagai gerimis (hujan rintik), awan, kabut, dan embun. Es merupakan air dalam bentuk padat dan ditemukan dalam atmosfer dalam berbagai bentuk, seperti salju, hujan es (hail), hujan es yang bercampur salju, awan kristal es, dan butiran salju (snow pellets) [Spiegel &Gruber, 1983]. Sedangkan bentuk gas dari air disebut dengan uap air, sebagaimana yang telah disebutkan di atas. Semua fenomena cuaca terjadi di dalam lapisan troposfer. Ini disebabkan karena pegerakan vertikal atau konveksi udara membangkitkan awan-awan yang menyebabkan terjadinya hujan dari uap air dalam troposfer, dan memberikan banyak perubahan dalam cuaca. Pada tropopause, temperatur mengalami kestabilan. Tropopause ini adalah lapisan yang membatasi troposfer dan stratosfer. Temperatur udara mulai meningkat di dalam stratosfer. Peningkatan temperatur mencegah terjadinya konveksi udara diluar tropopause, dan konsekuensinya banyak fenomena cuaca, termasuk awan petir cumulonimbus yang paling tinggi terjadi di dalam troposfer. Jumlah kandungan uap air yang tepat yang berada pada setiap tempat dan waktu sangat penting untuk diketahui oleh para ahli meteorologi. Peranan penting yang dimaksud adalah [Miller, 1983] : Uap air merupakan penyerap radias yang sangat penting di udara dan dengan demikian mempengaruhi keseimbangan energi di atmosfer. Pelepasan panas laten dari proses kondensasi merupakan sumber energi yang penting untuk memelihara proses-proses cuaca yang terjadi di atmosfer. Kandungan uap air merupakan komponen yang sangat penting bagi peramalan cuaca. • Studi Troposfer Menggunakan GPS Satelit GPS memancarkan sinyal-sinyal gelombang elektromagnetik yang sebelum diterima oleh antena receiver GPS akan melewati medium lapisan-lapisan atmosfer yaitu ionosfer dan troposfer. Dalam kedua lapisan ini, sinyal GPS akan mengalami gangguan (bias) sehingga jarak yang dihitung akan memberikan nilai yang mengandung kesalahan. Jarak digunakan untuk menghitung posisi titik. Dalam lingkup kajian GPS, kedua lapisan ini menjadi bias tersendiri yang harus dikoreksi sebelum menentukan posisi titik. Bias yang disebabkan oleh adanya lapisan troposfer dan ionosfer ini ditambah dengan kesalahan orbit dan waktu akan menyebabkan kesalahan pada ukuran jarak dari satelit GPS ke antena receiver, yang akan menyebabkan kekurang telitian pada penentuan posisi pengamat. Oleh karena itu estimasi besaran bias troposfer dan ionosfer perlu dilakukan untuk memperoleh hasil yang lebih teliti. Bias yang diakibatkan oleh lapisan troposfer memberikan efek yang lebih signifikan jika diakibatkan oleh bias yang diakibatkan oleh lapisan ionosfer, terutama terhadap komponen tinggi yang di berikan oleh GPS [Abidin et al,1998]. Metode yang digunakan dalam penentuan bias troposfer ini adalah dengan menggunakan metode inversi GPS. Metode inversi ini pada dasarnya adalah menentukan besarnya penyimpangan jarak dari satelit GPS ke antena receiver GPS sebagai akibat dari perlambatan waktu tempuh selama sinyal melewati lapisan troposfer. Penyimpangan jarak akibat perlambatan waktu tempuh sinyal GPS umumnya disebut dengan Zenith Tropospheric Delay (ZTD). Harga ZTD ini nantinya dijadikan sebagai faktor koreksi untuk menentukan jarak dari satelit GPS ke antena receiver GPS yang bebas pengaruh troposfer. Besaran ZTD juga dapat digunakan untuk mengkarakterisasi dan menganalisis kondisi troposfer di sekitar daerah pengamatan GPS. Hal ini dapat dilakukan dengan memisahkan komponen basah (wet component) dari ZTD, sehingga diperoleh ZWD (Zenith Wet Delay) yang lebih dikenal dengan sebutan wet delay. Wet delay yang diperoleh selanjutnya akan dipantau dan dipetakan, yang pada tahapan berikutnya akan dianalisis untuk berbagai keperluan aplikasi, terutama dalam bidang meteorologi (GPS-Meteorology). Analisis dari pemantauan wet delay terhadap kondisi meteorologis suatu daerah tentunya berlainan antara yang satu dengan yang lainnya, diantaranya tergantung dari lokasi geografis dan kondisi topografis dari daerah penelitian tersebut. Selain itu cakupan wilayah juga menjadi faktor penting dalam analisis tersebut. II. Ionosfer • Karakteristik Ionosfer Ionosfer adalah bagian dari lapisan atas atmosfer dimana terdapat sejumlah elektron bebas yang mempengaruhi perambatan gelombang radio. Jumlah elektron dan ion bebas pada lapisan ionosfer ini bergantung pada besarnya intensitas radiasi matahari serta densitas gas pada lapisan tersebut [ Davies, 1990]. Lapisan ionosfer kira-kira terletak 50 sampai 1000 Km diatas permukaan bumi. Berdasarkan membesarnya nilai ketinggian dan densitas elektron, lapisan ionosfer dapat dikategorisasikan menjadi lapisan- lapisan D, E, F1, dan F2. Ionosfer merupakan medium dispersif yaitu medium dimana kecepatan perlambatan gelombang yang akan melintasnya sangat tergantung pada frekuensi gelombang tersebut. Adanya sinar matahari dan radiasi kosmik menyebabkan molekul-molekul gas yang bersifat netral di atmosfer mengalami ionisasi. Energi ionisasi ini berasal dari energi photon yang memecahkan ikatan elektron dengan atom induknya, sehingga menghasilkan sejumlah elektron bebas yang bermuatan [klobuchar, 1991]. Proses ini banyak terjadi pada ionosfer. Kecepatan perambatan gelombang pada titik-titik di ionosfer ditentukan oleh densitas electron di titik-titik tersebut. Makin besar densitas electron , makin tinggi kecepatan perambatannya. Densitas electron diukur dengan menghitung jumlah electron di suatu kolom vertikal setinggi 1m di ionosfer dengan penampang melintang 1m2. jumlah densitas electron di suatu kolom vertikal sepanjang lintasan sinyal dari pembangkit sinyal ke penerima sinyal dengan penampang melintang seluas 1m2 disebut Total Electron content (TEC). • Teknik Studi Ionosfer Pengamatan Ionosfer dapat dilakukan dengan 2 teknik yaitu teknik direct (in-situ) dengan menggunakan roket dan satelit, dan Teknik remote dengan menggunakan ionosonde (HF), Radar (VHF), dan satelit (GPS). Contoh dengan menggunakan radar ber-frekuensi 50 MGhz, dengan panjang gelombang 60 meter dapat melihat karakteristik ionosfer dalam radius pengamatan sekitar 500 kilometer. Teknik GPS sekarang merupakan teknik yang cukup banyak dikembangkan karena mempunyai kelebihan dalam hal efektifitas dan efisiensi. • Manfaat Studi Ionosfer Manfaat dari studi ionosfer yaitu untuk memperoleh model koreksi ionosfer bagi sinyal sinyal gelombang satelit aplikasi seperti satelit GPS, InSAR, Altimetri dan lain-lain. Studi ionosfer juga akan memberikan informasi MUF (Maximum Usable Frequency) dan scintilasi ionosfer. Studi tidak langsung dari ulah manusia terhadap kerusakan lingkungan juga dapat dilakukan melalui studi ionosfer, dengan melihat indikator perubahan atmosfer global dari data ionosfer. Satu hal lagi yang cukup menarik dari studi ionosfer sekarang ini yaitu mendeteksi gempa bumi dan tsunami. Hasil studi awal beberapa peneliti memperlihatkan keterkaitan aktivitas tektonik gempa bumi dengan aktifitas ionosfer. Sebelum terjadinya gempa dimungkinkan ada gangguan terhadap kondisi ionosfer, sehingga efek gangguan tersebut apabila dapat teridentifikasi maka dapat dijadikan sebagai precusor gempa bumi (parameter prediksi gempa bumi). • Studi Ionosfer Menggunakan GPS Satelit GPS memancarkan sinyal-sinyal gelombang elektromagnetik yang sebelum diterima oleh antena receiver GPS akan melewati medium lapisan-lapisan atmosfer yaitu ionosfer dan troposfer. Dalam kedua lapisan ini, sinyal GPS akan mengalami gangguan (bias), Bias yang disebabkan oleh adanya lapisan troposfer dan ionosfer ini ditambah dengan kesalahan orbit dan waktu akan menyebabkan kesalahan pada ukuran jarak dari satelit GPS ke antena receiver, yang akan menyebabkan kekurang telitian pada penentuan posisi pengamat. Oleh karena itu estimasi besaran bias troposfer dan ionosfer perlu dilakukan untuk memperoleh hasil posisi yang lebih teliti. Informasi tentang karakteristik ionosfer dalam suatu wilayah, yang biasanya diwakili oleh karakteristik TEC (Total Electron Content), akan sangat berguna untuk beberapa hal, seperti untuk telekomunikasi, penentuan posisi dengan satelit, dan kedirgantaraan [ Abidin,1999 ]. Secara definisi, TEC adalah jumlah elektron dalam kolom vertikal (silinder) berpenampang 1 meter persegi sepanjang lintasan sinyal dalam lapisan ionosfer. Penentuan TEC dengan GPS pada dasarnya adalah suatu inverse problem dari penentuan posisi dengan GPS, dalam hal ini dengan menggunakan receiver GPS tipe geodetic dual frekuensi pada titik yang telah diketahui koordinatnya kita akan dapat menghitung besarnya TEC dalam arah pengamatan-pengamatan satelit GPS. Model matematika untuk penentuan TEC dapat diturunkan dari persamaan pengamatan pseudorangge dua frekuensi atau dari persamaan carrier phase dua frekuensi. Dalam hal ini TEC yang dihitung adalah TEC vertikal [Abidin, 1995]. GPS merupakan tools yang potensial dalam melakukan studi ionosfer dibandingkan dengan teknologi lain yang telah digunakan, misalnya radiosonde. Teknologi GPS memiliki potensi besar untuk menentukan nilai TEC terutama untuk wilayah yang cukup luas dan banyak tertutup air seperti indonesia [ Abidin, 1995 ].