## KARAKTERISTIK MEDAN LISTRIK ATMOSFER KOTA PADANG DAN HUBUNGANNYA DENGAN SAMBARAN PETIR AWAN KE TANAH

## Primas Emeraldi* dan Ariadi Hazmi
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Andalas
* Corresponding author, e-mail: primasemeraldi@ft.unand.ac.id 1
Abstrak —Penggunaan data Electric Field Mill (EFM) dalam sistem peringatan bahaya petir membutuhkan kajian  perbandingan  data  medan  listrik  atmosfer  dengan  sistem  deteksi  petir.  Data  dari  detektor  petir dibandingkan dengan data perubahan medan litrik statis selama proses badai petir. Berdasarkan pengukuran medan listrik atmosfer di kota Padang selama periode Januari – Agustus 2015 diperoleh data yaitu terdapat sebanyak 219 kali badai petir. Dalam satu hari terjadi satu sampai dua kali badai petir dengan durasi rata rata per badai petir adalah 173,48 menit. Setiap badai petir tidak selalu menghasilkan sambaran petir awan ke tanah. Tidak ada hubungan langsung antara jumlah sambaran petir awan ke tanah dengan lamanya durasi badai  petir.  Badai  petir  dengan  durasi  terlama  pada  tanggal  12  April  2015  dengan  durasi  638  menit menghasilkan 2 kali sambaran petir awan ke tanah. Sedangkan badai petir pada 30 Januari 2015 dengan durasi 114 menit bisa menghasilkan 13 kali sambaran petir awan ke tanah.

## Kata Kunci : Badai Petir, Medan Listrik Atmosfer, Electric Field Mill
Abstract —The  possibility  of  using  Electric  Field  Mill  data  as  parameter  of  lightning  warning  sistem requires  atmospheric  electric  field  data  comparisons  with  lightning  detection  sistems.  Transient  electric field from lightning detektor compare with continues atmospheric electric field during thunderstorm.Based on atmospheric electric field measurement in Padang during the period of January - August 2015 there were 219 times thunderstorm events. In the event of thunderstorm,there is one or two thunderstorm event per day with  average  thunderstorm  duration  173.48  minute  per thunderstorm.  There  is  no  relations  between  the number of cloud to ground lightning strikes with the duration of the thunderstorm. Thunderstorm with 634 minute duration produces 2 cloud to ground lightning strikes while thunderstorm with shorter duration for 114 minute produces 13 cloud to ground lightning strikes.
Keywords : Thunderstorm, Atmospheric Electric Field,Electric Field Mill
Copyright © 2017 JNTE. All rights reserved

## 1. PENDAHULUAN
Badai petir adalah fenomena alam yang rumit dimana  pembentukan  badai  petir  menghasilkan suara,  cahaya,  medan  elektromagnetik  dan banyak  efek  lainnya,  yang  semuanya  dapat memberikan  informasi  yang  efektif  untuk peringatan dan monitoring badai petir. Salah satu sistem  yang  digunakan  untuk  peringatan  dan monitoring  petir  adalah  menggunakan  detektor petir  yang  mengamati  perubahan  transien  cepat pada  medan  elektromagnetik  yang  dihasilkan saat  sambaran  petir.  Detektor  petir  seperti  ini hanya  bisa  mengamati  kejadian  petir  pada periode waktu yang singkat [1-2].
Mengukur medan listrik atmosfer adalah cara lain  yang  bisa  menutupi  kelemahan  sistem peringatan  petir  sebelumnya  yang  berdasarkan
detektor  petir.  Pengukuran  medan  listrik atmosfer  akan  memberikan  informasi  proses pembentukan muatan di awan yang mendahului kejadian  sambaran  petir.  Kuat  medan  listrik statis  atmosfer  meningkat  di  dan  dekat  lokasi pembentukan  badai  petir.  Jika  kenaikan  nilai medan  listrik  ini  terdeteksi  dapat  digunakan untuk sistem peringatan petir [3-5].
Medan  listrik  atmosfer  umumnya  dipantau menggunakan sensor untuk mengetahui besarnya medan listrik atmosfer antara awan dan tanah. Detektor medan listrik atmosfer didasarkan  pada  efek  medan  listrik  yang dihasilkan  dari  proses  pembentukan  petir. Detektor rmedan listrik atmosfer memanfaatkan efek listrik yang dihasilkan selama periode badai petir dimana medan listrik di bawah awan akan berubah selama muatan listrik muncul di awan,
maka  detektor  medan  listrik  akan  mendeteksi perubahan muatan, sehingga kita dapat mengetahui  akumulasi  muatan  listrik  dalam awan petir, dan memberikan probabilitas bahwa akan ada badai di dekatnya. Pengamatan medan listrik rutin membantu untuk mengetahui situasi pembentukan badai petir lokal secara real time. Salah  satu  alat  ukur  medan  listrik  atmosfer adalah Electric Field Mill (EFM) [6,7].
Penggunaan  data  EFM  dalam  sistem peringatan petir membutuhkan kajian perbandingan  data  EFM  dengan  sistem  deteksi petir  lainnya  [8-11].  Pada  makalah  ini  dibahas dan dianalisis data medan listrik atmosfer di kota Padang  selama  periode  waktu  Januari  sampai Agustus 2015. Kemudian data dari detektor petir berupa perubahan transient medan listrik akibat sambaran  petir  dibandingkan  dengan  data perubahan  medan  litrik  statis  selama  proses badai petir.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Petir merupakan peristiwa pelepasan muatan elektrostatis  berasal  dari  badai  petir.  Pelepasan muatan ini disertai dengan pancaran cahaya dan radiasi  elektromagnetik  lainnya.  Ada  dua kemungkinan pelepasan muatan pada petir yaitu kilat  (l ightnig  flash ) berupa  pelepasan    muatan diantara  awan-awan  ataupun antara pusat-pusat muatan  di  dalam  awan  tersebut  dan  sambaran petir ( lightning strike ) berupa  pelepasan  muatan antara    awan  bermuatan    dengan  tanah. Pelepasan  muatan  antara  awan ke awan dan di dalam  awan  lebih  banyak  terjadi    dari  pada pelepasan  muatan  dari  awan  ke  tanah.    Namun petir awan ke tanah merupakan petir yang paling banyak  menimbulkan  kerusakan  di  permukaan bumi [12].
Proses  kejadian  petir  melibatkan  pemisahan muatan  listrik  di  atmosfer  yang  meluahkan banyak  energi  dan  dapat  memberikan  resiko bahaya pada objek di bumi saat terjadi sambaran petir  ketanah.  Dengan  memantau  medan  listrik atmosfer membantu untuk memberikan pencegahan  terhadap  resiko  bahaya  petir. Pengukuran  medan  listrik  atmosfer  terus menerus  dapat  memberikan  informasi  yang efektif  untuk  perkiraan  petir  dan  besarnya  nilai perubahan  medan  listrik  atmosfer  digunakan sebagai  patokan  terjadinya  petir.  Mengukur medan  listrik  statis  atmosfer  mungkin  cara  lain
kedepan  untuk  mengatasi  masalah  peramalan petir [6,7].
Sistem  peringatan  petir  berdasarkan  data sistem penentuan lokasi petir adalah sistem yang dapat  memberikan  perkiraan  data  lokasi  petir yang  relatif  akurat  namun  membutuhkan  biaya pemasangan  dan  perawatan  yang  mahal  karena melibatkan banyak sensor. Sedangkan pengukuran medan listrik atmosfer memerlukan biaya yang relatif murah hanya dengan peralatan EFM dan mampu mendeteksi perubahan muatan pada  pembentukan  badai  petir  sehingga  bisa mendeteksi  kemungkinan  sambaran  petir  awan ketanah  pada  area  cakupan  deteksi  dari  EFM seperti yang ditunjukan pada Gambar 1.
Gambar  1.  Area  Cakupan  Deteksi  Petir Menggunakan EFM [3]

## 3. METODOLOGI

## 3.1. Pengukuran Medan Listrik Atmosfer
EFM  adalah  perangkat  elektro-mekanik yang  mengukur  kekuatan  medan  listrik  statis. Satu  atau  lebih  elektroda  secara  bergantian terkena  dan  kemudian  terlindung  dari  medan listrik  yang  akan  diukur.  Arus  listrik  yang mengalir ke dan dari elektroda sebanding dengan kekuatan  medan  listrik.  EFM yang  digunakan adalah BOLTEK EFM-100 yang di pasang pada Gedung  Jurusan  Teknik  Elektro  Universitas Andalas  Kota  Padang.  Diagram  koneksi  EFM- 100 ditunjukan pada Gambar 2.
Dengan  menggunakan  EFM  dapat  diukur medan  listrik  yang  terbentuk  setiap  harinya dimana  alat  ini  merekam  penuh  gelombang medan listrik yang terbentuk di atmosfer secara kontinu.  Berdasarkan  gelombang  medan  listrik tersebut  dapat  diamati  perubahan  muatan  di awan  selama  proses  badai  petir  yang  terjadi. Yang  dimaksud  badai  petir  adalah  cuaca  buruk yang disertai angin dan awan-awan comulunimbus yang dapat menyebabkan petir.
Gambar 2. Diagram koneksi EFM-100
Berdasarkan  data  EFM  dapat  diamati perubahan  medan  listrik  atmosfer  secara  terus menerus. Pada kondisi cuaca cerah medan listrik atmosfer  rata-rata  berkisar  antara  100  V/m hingga  200  V/m.  Saat  terjadi  badai  petir  maka nilai medan listrik atmosfer akan meningkat dan berfluktuasi  sesuai  dengan  muatan  yang  ada pada awan. Nilai medan listrik yang berfluktuasi melebihi  5  kV/m  diasumsikan  sebagai  kejadian badai petir.
Bentuk  gelombang  medan  listrik  atmosfer saat  kejadian  badai  petir  dapat  dilihat  pada Gambar  3  yang  menunjukan  perubahan  medan listrik atmosfer di kota Padang pada tanggal  23 Januari  2015.  Pada  Gambar  3  tampak  bahwa badai petir terjadi dua kali, yaitu pada jam 13.41- 15.02 WIB dan 18.19-19.26 WIB.
Gambar  3.  Medan  listrik  atmosfer  di  kota Padang pada 23 Januari 2015

## 3.2. Detektor Petir
Detektor  petir  yang  digunakan  adalah antenna  plat  yang  terhubung  dengan  integrator yang  mempunyai time  delay 10  ms  dan gelombang  medan  listrik  keluarannya  diamati
melalui  picoscope.  Pemasangan  detektor  petir berada  pada  lokasi  yang  sama  dengan  EFM. Diagram koneksi detektor petir ditunjukan pada Gambar 4.
Gambar 4. Diagram Koneksi Detektor Petir
Data  pengukuran  medan  listrik  atmosfer dari  EFM  dibandingkan  dengan  data  sambaran petir  dari  detektor  petir.  Waktu  kejadian sambaran  petir  awan  ke  tanah  yang  dideteksi menggunakan  detektor  petir  divalidasi  dengan data  pengukuran  medan  listrik  atmosfer  pada waktu yang sama. Jumlah  sambaran petir  awan ke  tanah  yang  terjadi  pada  setiap  badai  petir dihitung.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan  data  EFM  selama  periode Januari  sampai  Agustus  2015  terdapat  219  kali kejadian  badai  petir.  Dalam  sehari  terjadi  1 sampai 2 kali badai petir.  Setiap kejadian badai petir  dilakukan  pengukuran  durasi  dari  badai petir  tersebut.  Durasi  badai  petir  dapat merepresentasikan  banyaknya  muatan  yang terbentuk  pada  awan  yang  akan  menghasilkan sambaran petir.
Durasi badai petir terpanjang diperoleh pada tanggal 12 April 2015 dengan durasi badai petir selama  638 menit  yaitu  dari  jam  12.05  –  22.43 WIB  yang  mana  bentuk  gelombang  medan listrik  atmosfernya  ditunjukan  pada  Gambar  5. Sedangkan  durasi  badai  petir  terpendek diperoleh  pada  tanggal  25  Mei  2015  dengan durasi badai petir selama 45 menit yaitu dari jam 00.12  –  00.57  WIB  dengan  bentuk  gelombang medan listrik atmosfer ditunjukan pada Gambar 6.
Durasi  rata  rata  dari  badai  petir  yang  terjadi selama  periode  Januari  sampai  Agustus  2015 yaitu 173,48 menit per badai petir. Perbandingan rata-rata  durasi  badai  petir  perbulan  ditunjukan pada Gambar 7.
Integrator Amplifier Antenna Plat Kabel Koaksial Picoscope CPU
Gambar  5.  Medan  listrik  atmosfer  di  kota Padang pada 12 April 2015
Gambar 6. Medan listrik amosfer di kota Padang pada 25 Mei 2015
Gambar  7.  Grafik  durasi  rata-rata  badai  petir selama Januari – Agustus 2015
Setiap badai petir tidak  selalu menghasilkan sambaran  petir  awan  ke  tanah.  Untuk memungkinankan penggunaan data pengukuran medan  listrik  atmosfer  saat  badai  petir  sebagai acuan  peringatan  petir  maka  dilakukan  analisis terhadap data medan listrik atmosfer ini dengan membandingkannya  dengan  data  pada  detektor petir pada waktu yang sama. Dikarenakan EFM mempunyai  batasan  jangkauan  deteksi  medan listrik  atmosfer  yaitu  pada  radius  20  km  maka data  detektor  petir  yang  digunakan  sebagai pembanding adalah data petir dekat.
Berdasarkan  perbandingan  data  sambaran petir  dari  detektor  petir  dengan  data  EFM diperoleh  bahwa  tidak  ada  hubungan  linier jumlah sambaran petir dari awan ke tanah yang terjadi  terhadap  durasi  dari  badai  petir.  Durasi badai petir terlama pada 12 April 2015 yaitu dari jam  12.05  –  22.43  WIB  menghasilkan  jumlah petir  awan  ke  tanah  sebanyak  2  kali  sambaran yaitu pada jam 13.03.23 WIB dan 13.09.42 WIB. Bentuk gelombang medan listrik  atmosfer pada saat  sambaran  petir  tersebut  serta  bentuk gelombang medan listrik dari detektor petir pada saat yang sama ditunjukan pada Gambar 8.
(a) (b) (c)
Gambar  8.  (a)  Medan  listrik  atmosfer  pada  12 April  2015  beserta  sambaran  petir yang terjadi, (b) Gelombang medan listrik sambaran balik awan ke tanah pada 13.03.23 WIB, (c) Gelombang medan  listrik  sambaran  balik  awan ke tanah pada 13.09.42 WIB
Gambar  8.a  merupakan  bentuk  gelombang medan listrik atmosfer yang telah diperbesar saat terjadinya sambaran petir awan ke tanah pada 12 April 2015. Waktu kejadian sambaran petir yang dideteksi detektor petir ditunjukan dengan garis tegak pada sumbu waktu gambar 8.a sedangkan kejadian sambaran petir pada gelombang medan listrik  atmosfer  ditunjukan  dengan  indek  RS1 dan  RS2.  Bentuk  gelombang  medan  listrik transient pada saat sambaran balik awan ke tanah yang di deteksi oleh detektor petir melalui antena plat ditunjukan pada gambar 8.b dan gambar 8.c dimana berdasarkan bentuk gelombang tersebut menunjukan  bentuk  gelombang  sambaran  petir awan ke tanah yang berjarak dekat.
Badai  petir  pada  30  Januari  2015  dengan durasi  114  menit  pada  jam  11.16  –  13.10  WIB menghasilkan  jumlah  sambaran  petir  awan  ke tanah yang lebih banyak yaitu 13 kali sambaran. Gambar  9  menunjukan  bentuk  gelombang medan listrik atmosfer saat badai petir tanggal 30 Januari  2015  saat  terjadi  sambaran  petir  yang telah  diperbesar  dimana  saat  sambaran  petir awan  ke  tanah  ditunjukan  dengan  indek  RS1 sampai RS13. Walaupun durasi petir berlangsung  selama    114  menit  namum  13  kali sambaran  petir  yang  terjadi  berlangsung  hanya dalam rentang waktu 43 menit yaitu pada 12.04 – 12.47 WIB.
Gambar  9.  Medan  listrik  atmosfer  pada  30 Januari 2015 beserta sambaran petir yang terjadi
Perbandingan  data  sambaran  petir  dari detektor petir dengan data medan listrik atmosfer dapat  memberikan  nilai  durasi  waktu  yang dibutuhkan  dari  awal  mulai  badai  petir  sampai terjadinya  sambaran  balik  petir  awan  ke  tanah yang  pertama  yang  dibutuhkan  untuk  sistem peringat bahaya petir. Namun tidak semua badai
petir  menghasilkan  sambaran  petir  awan  ke tanah.
Berdasarkan  data  badai  petir  12  April  2015 diperoleh  waktu  yang  dibutuhkan  dari  awal mulai  badai  petir  sampai  terjadinya  sambaran balik  petir  awan  ke  tanah  yang  pertama  adalah 58 menit. Sedangkan pada badai petir 30 Januari 2015  membutuhkan  waktu  48  menit  dari  awal badai  petir  sampai  terjadi  sambaran  sampai terjadinya  sambaran  balik  petir  awan  ke  tanah yang pertama.

## 5. KESIMPULAN
Pengukuran  medan  listrik  atmosfer  di  kota Padang selama periode Januari  – Agustus 2015 menunjukan  terjadi  sebanyak  219  kali  badai petir.  Dalam  satu  hari  terjadi  satu  sampai  dua kali badai petir dengan durasi rata rata badai petir adalah 173,48 menit per badai petir.
Setiap badai petir tidak  selalu menghasilkan sambaran  petir  awan  ke  tanah.  Badai  petir dengan  durasi  terlama  pada  tanggal  12  April 2015  dengan  durasi  638  menit  menghasilkan  2 kali  sambaran  petir  awan  ke  tanah.  Sedangkan badai petir pada 30 Januari 2015 dengan durasi 114  menit  bisa  menghasilkan  13  kali  sambaran petir  awan  ke  tanah.  Berdasarkan  data  ini disimpulkan  bahwa  tidak  ada  kaitan  langsung antara  jumlah  sambaran  petir  awan  ke  tanah dengan  lamanya  durasi  badai  petir.  Sambaran awan  ke  tanah  dipengaruhi  oleh  faktor  lain seperti topografi dari tanah.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Zulka Hendi dan Ariadi Hazmi, Karakteristik  Preliminary  Breakdown Petir Downward Leader Sebelum Sambaran Negatif Pertama , Jurnal Nasional Teknik Elektro Vol. 3 No.1, 25- 30 (2014). [2] Hazmi, Ariadi dkk. 2013. Characteristics  of  Electric  Field  Change Proceding  Negative  First  Return  Stroke Produced  by  Preliminary  Breakdown. ICITEE 2013. ISSN: 2088-6579: Yogyakarta.
[3] Shiqiang  Yu,  Xiujie  Jiang,  Cheng  Liu, Huawei Zhang,  Fushan  Luo, The
Atmospheric Electric Field Monitoring in Beijing Zhongguancun Zone , Asia-Pacific
International Symposium on Electromagnetic Compatibility, April 12 - 16, 2010. [4] S. Bhattacharya, A Agarwal, A.K.Bhattacharya, Initial  Response  of Electric Field Monitoring Sistem towards Measurement  of  Atmospheric  Electric Field  during  Normal  and  Lightning Times ,  International  Journal  of  Scientific and  Research  Publications,  Volume  3,
Issue 8, August 2013.
[5] Ferro,  Marco  Antonio  Da  Silva,  2011. Lighting  Risk  Warning  Based  On
Atmospheric Electric Field Measurements in Brazil , J. Aerosp. Technol. Manag., São
José  dos  Campos,  Vol.3,  No.3,  pp.  301- 310, Sep. - Dec., 2011.
[6] Flavio  de  Carvalho  Magina,  Kleber Pinheiro  Naccarato,  dkk, Atmospheric
Electric  Field  Mill  Deployment  in Southeastern  of  Brazil ,  XV  International
Conference  on  Atmospheric  Electricity, 15-20 June 2014.
[7] H. Shahroom, Z. Buntat, M.A.B.  Sidik, Z. Nawawi,  M.I.  Jambak, Atmospheric
Electric  Field  Measurement  Advances  in
Southern  Peninsular  Malaysia ,  IEEE
Conference on Energy Convertion (CENCON) 2015.
[8] Z.  Hao,  Y.  Zhongjiang,  Y.  Tianqi, The
Application  of  Electric  Field  Data Combined  With  Other  Observed  Data  in Lightning Warning , International Conference  on  Multimedia  Technology
(ICMT), 2010.
[9] M.  J.  Murphy,  R.  L.  Holle,  N.W.S. Demetriades ,  Cloud-to-ground  Lightning Warnings  Using  Electric  Field  Mill  and Lightning Observations , 20 th International Lightning  Detection  Conference,  21-23 April 2008.
[10] A.  Chilingarian, Thunderstorm  ground enhancements—Model  and  relation  to
lightning flashes , Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 107, 68–76, 2014.
[11] López,  J.,  Pérez  E.,  Herrera,  J., Aranguren,  D,  Porras,  L, Thunderstorm warning  alarms  methodology  using electric field mills and lightning location networks in mountainous regions , International  Conference  on  Lightning Protection (ICLP), Vienna, Austria, 2012.
[12] Uman, Martin A, The Art and Science of Lightning  Protection ,  University  of Frorida,  Cambridge  University  Press, 2008.

## Biodata Penulis
Primas Emeraldi , Lahir di Pariaman, Sumatera Barat,  Indonesia  pada  tahun  1986.  Menerima gelar  sarjana  Teknik  Elektro  dari  Universitas Andalas  pada  tahun  2009  dan  gelar  Magister Teknik Elektro dan Institut Teknologi Bandung pada  tahun  2013.  Sejak  tahun  2015  menjadi pengajar pada Jurusan Teknik Elektro Universitas  Andalas.  Bidang  penelitian  yang diminati adalah plasma dan proteksi petir.
Ariadi  Hazmi ,  Lahir  di  Lahat,  Sumatera Selatan,  Indonesia  pada  tahun  1975. Menerima gelar sarjana Teknik Elektro dari Universitas Sriwijaya pada tahun 2009, gelar Magister  Teknik  Elektro  dari  Institut Teknologi  Bandung  pada  tahun  2002  dan gelar  Dr.  Eng  dari  Gifu  University  pada tahun  2008.  Sejak  tahun  1999  menjadi pengajar  pada  Jurusan  Teknik  Elektro Universitas Andalas. Bidang penelitian yang diminati  adalah  plasma  dan  proteksi  petir. Merupakan  anggota  dari  The  Society  of Atmospheric Electricity of Japan.