## DIFFRACTION: Journal for Physics Education and Applied Physics
http://jurnal.unsil.ac.id/index.php/Diffraction e-ISSN: 2685-7723
* Korespondensi: Angelikus Olla       angelikusolla@gmail.com Universitas San Pedro, Jalan Veteran no 1-4, Kupang, Nusa Tenggara Timur

## Analisis Variasi Jumlah Kandungan Elektron Ionosfer Daerah Kupang (10,9°LS – 123°BT)
Angelikus Olla 1* , Asnawi Husin 2 , Ali Warsito 3 , Yanti Boimau 1
1 Program Studi  Fisika, Universitas San Pedro, Kupang, Indonesia
2 Pusat Sains Antariksa, LAPAN, Bandung, Indonesia
3 Jurusan Fisika, Universitas Nusa Cendana, Indonesia

## Abstrak
Ionosfer  merupakan  bagian  dari  atmosfer  yang  mengandung elektron yang dikenal dengan Total Electron Content (TEC) dan berguna  untuk  propagasi  gelombang high  frequency .  Nilai  TEC dapat  menyebabkan  tunda  ionosfer  yang  berimplikasi  pada kesalahan penentuan posisi GPS. Artikel ini menganalisis variasi TEC  ionosfer  di  daerah  Kupang  (10,9°LS – 123°BT), menggunakan  data  hasil  pengukuran GPS  Ionospheric Scintillation and TEC Monitor (GISTM). GISTM ini berlokasi di Universitas Nusa Cendana (10,16°LS – 123,67°BT), yang diinstal Lembaga  Penerbangan  dan  Antariksa  (LAPAN)  Bandung.  Data yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  data  dengan elevasi  >  30°  untuk  menghindari  efek multipath .  Diperoleh bahwa TEC tertinggi terjadi pada bulan equinox yaitu Maret, April dan September dengan maksimum TEC tertinggi terjadi di  bulan  Maret  (73  TECu)  sedangkan  nilai  TEC  terendah terjadi  di  bulan  Juli  (31  TECu).  Selanjutnya,  terjadi ketidaksimetrisan  peningkatan  TEC  yaitu  untuk  bulan equinox September peningkatan VTEC ( Vertical Total Electron content ) tidak begitu nampak namun lebih nampak pada bulan Oktober dan November yang diduga disebabkan oleh kejadian badai geomagnet kategori sedang. Selain itu, diperoleh bahwa badai geomagnet yang   terjadi tanggal 9 November 2013 dengan penurunan  indeks  Dst  hingga  -81  nT  memiliki  dampak terhadap  variasi  TEC  yang  ditunjukkan  dengan  terjadinya peningkatan nilai maksimum VTEC hingga 83 TECU dengan simpangan VTEC sebesar 53,61%.
Masuk: 06 Juli 2022 Diterima: 12 September 2022 Diterbitkan: 10 November 2022 Kata kunci: GISTM,  TEC,  VTEC, STEC,  Waktu  tunda ionosfer PENDAHULUAN Saat  ini,  teknologi  komunikasi berkembang dengan sangat pesat. Teknologi berbasis satelit semakin banyak digunakan terutama dalam bidang komunikasi  yang  memanfaatkan  ionosfer sebagai medium rambatnya, salah satunya adalah teknologi komunikasi High Frequency  (HF) .      Salian  itu,  teknologi navigasi  seperti  GPS  ( Global  Positioning System ) merupakan teknologi yang memanfaatkan  gelombang  radio  yang
merambat  melewati  lapisan  ionosfer. Teknologi navigasi ini terkadang mengalami  gangguan  akibat  adanya dinamika yang terjadi di lapisan ionosfer.
Ionosfer  merupakan  bagian  dari ruang angkasa yang menempati ketinggian 60  km  sampai  1000  km  dari  permukaan bumi.  Dalam  teknologi  navigasi  dan komunikasi  berbasis  satelit,  sebelum sinyal satelit mencapai bumi, maka sinyal tersebut  harus  melalui  ionosfer  yang
banyak mengandung ion – ion dan elektron yang
dapat memantulkan dan
membelokkan bahkan melemahkan sinyal satelit,  sehingga  dapat  mengganggu keberhasilan teknologi – teknologi tersebut. Dengan  demikian,  keadaan  ionosfer memiliki  pengaruh  terhadap  propagasi gelombang radio High Frequency (HF)  dan propagasi lintas  ionosfer  ( trans – ionospheric  propagation ).  Pada  sistem satelit, pengaruh ionosfer pada perambatan  gelombang  radio  atau  sinyal satelit  dicirikan  dengan  Kandungan Elektron  Total  atau  TEC  ( Total  Electron Content ).  TEC  adalah  jumlah  kandungan elektron  dalam  kolom  vertikal  (silinder) memiliki  penampang  seluas  1 m 2 sepanjang  lintasan  sinyal  GPS  yang melalui  lapisan  ionosfer  pada  ketinggian sekitar  350  km.  Jumlah  elektron  ini menyebabkan waktu tunda ionosfer ( delay time  ionosphere )  pada  perambatan  sinyal, sehingga  menyebabkan  penentuan  posisi dengan menggunakan GPS kurang akurat. Penelitian  tentang  variasi  jumlah kandungan  elektron  atau  TEC  di  ionosfer telah dilakukan diantaranya  oleh  Asnawi dan  kawan-kawan  pada  tahun  2012. Penelitian  tersebut  menganalisis  variasi TEC di awal siklus  peningkatan  aktivitas matahari  ke  24  periode  tahun  2011  dari pengamatan GPS Ionospheric
Scintillation  and  TEC  monitor (GISTM) Pontianak.  Hasil  yang  diperoleh  dari penelitian  tersebut  adalah  nilai  Vertikal TEC  (VTEC)  tertinggi  terjadi  pada  bulan equinox  yaitu  pada  bulan  Maret  dan September  yang  disebabkan  pada  bulan- bulan  tersebut  posisi  matahari  tepat berada  di  ekuator.  Selain  itu,  diperoleh bahwa  distribusi  variasi  TEC  cenderung meningkat  setelah  jam  6  pagi,  ( Ansawi dkk ., 2012).
Melihat peran ionosfer yang sangat penting  dalam  teknologi  Antariksa,  maka dilakukan  penelitian  tentang  variasi jumlah kandungan elektron atau TEC pada ionosfer di atas Kupang dengan menggunakan data TEC tahun 2013 yang merupakan  tahun  peningkatan  siklus aktivitas matahari ke 24.

## METODE PENELITIAN
Data  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  adalah  data  TEC  bulan Maret – November 2013, hasil pengamatan menggunakan  GISTM  milik  LAPAN  yang ditempatkan  di  laboratorium  Jurusan Fisika, Universitas  Nusa Cendana (UNDANA) Kupang (10.16°LS- 123.67°BT). GISTM  adalah  penerima  sinyal
GPS  yang  menangkap  sinyal  frekuensi ganda f 1 (1575,42MHz) dan f 2 (1227,60MHz)  dari  satelit  GPS,  dan secara kontinu akan merekam dua sinyal pseudorange (P1  dan  P2).  TEC  adalah jumlah  elektron  dalam  kolom  vertikal (silinder)  berpenampang  seluas  1 𝑚 2 , sepanjang lintasan sinyal perangkat GPS yang  melalui  lapisan  ionosfer.  Definisi TEC ini secara spesifik dinamakan Slant TEC (STEC)  atau  TEC  miring.  Selain STEC dikenal juga VTEC ( vertical TEC ) yang mempresentasikan TEC    dalam arah vertikal. Nilai TEC biasanya dinyatakan dalam  TECU  (TEC  Unit),  dengan  1 TECU = 10 16 elektron/m 2 . TEC ditentukan  dengan  integral  perambatan sinyal sepanjang satelit GPS ke penerima (Klobuchar, 1996; Klobuchar, 1996).
𝑇𝐸𝐶 = ∫ 𝑁 𝑑𝑙
𝑅 𝑆 (1)
dengan  R  menyatakan  posisi  penerima sinyal  GPS  (km);  S  adalah  posisi  satelit GPS  (km);  dan  N  menyatakan  kerapatan elektron  dalam  satuan  elektron  per  m 3 . TEC  adalah  jumlah  kandungan  elektron dalam  satuan  elektron  per  m 2 . Vertical TEC  dapat  dihitung  dengan  persamaan yang  diberikan  Rothacer  dan  Mervart (Subakti dkk.,2008) .
𝑉𝑇𝐸𝐶 = 𝑆𝑇𝐸𝐶  {1 − ( 𝑅 𝑅+ℎ ) 2 𝑐𝑜𝑠 2 𝐸} 1 2 ⁄ (2)
𝑉𝑇𝐸𝐶 =  𝑆𝑇𝐸𝐶 √1 − cos 2 E
(1+ h R ) 2 (3)
Nilai STEC dapat ditentukan berdasarkan perkalian 𝑇𝐸𝐶 ∗ dengan fungsi slant S(e).
𝑆𝑇𝐸𝐶 = 𝑇𝐸𝐶 ∗ 𝑆 (e)
dengan  S(e) merupakan  fungsi slant yang perumusannya seperti persamaan (4).
𝑆(𝑒) = 1 ℎ 1 −ℎ 2 (√𝑅 2 𝑆𝑖𝑛 2 𝑒 − 𝑅 2 + (𝑅 + ℎ 1 ) 2 − √𝑅 2 𝑆𝑖𝑛 2 𝑒 − 𝑅 2 + (𝑅 + ℎ 2 ) 2 ) (4)
dengan R menyatakan rerata jari-jari bumi (km),  h  adalah  ketinggian  ionosfer  (km), dan e  menyatakan  muatan  elektron (Coulom b ).
Jika nilai R = 6378 km, h = 350 km maka nilai  VTEC  pada  persamaan  (2) dapat diperoleh  berdasarkan  persamaan (5) berikut:
VTEC= STEC √1 − 0.89 𝑐𝑜𝑠 2 𝐸 (5)
dengan  E  adalah      sudut  inklinasi  yang dibentuk antara satelit  dan  stasiun  penerima (°) . Untuk  interpretasi,  maka  data  yang digunakan adalah data TEC dengan elevasi > 30 ° , sementara itu, data dengan elevasi < 30 ° direduksi  dengan  tujuan  menghindari efek multipath. Selanjutnya  dari  data tersebut, ditentukan nilai rata-rata VTEC setiap  jam,  median  VTEC  beserta simpangannya,  kemudian  diplot  dalam grafik VTEC.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Variasi  harian  TEC  menunjukkan, TEC  terendah  terjadi  pada  bulan  Juli dengan  nilai  VTEC  31  TECU  sedangkan TEC  tertinggi  terjadi  pada  bulan  Maret dengan  nilai  VTEC  75  TECU  yang  dapat dilihat  pada Gambar 1.
Secara  umum  terlihat  bahwa  VTEC cenderung meningkat setelah  pukul  00.00 UT  atau  pukul  08.00  WITA  (UT  +  8)  dan maksimum  pada  pukul  06.00  UT  (pukul 14.00  WITA),  kemudian  TEC  menurun hingga kembali minimum menjelang pukul 23.00  UT.  Simpangan  VTEC  tertinggi terjadi  pada  Mei,  Oktober  dan  November. Hal ini disebabkan oleh adanya peningkatan  cuaca  antariksa  pada  bulan- bulan  tersebut berupa flare , CME (Coronal Mass  Ejection) dan badai geomagnet. Dari pola waktu peningkatan
VTEC
menunjukkan  bahwa  variasi  harian  TEC meningkat seiring meningkatnya
intensitas  radiasi  matahari  yaitu  nilai VTEC minimum pada pagi hari kemudian meningkat  hingga  maksimum saat siang hari.  Selanjutnya  VTEC  menurun  pada sore hari dan kembali minimum menjelang tengah  malam.  Selain  itu  terlihat  pula bahwa variasi TEC terbesar terjadi setelah matahari  terbit  sedangkan  pada  malam hari cenderung konstan.
Bila dibandingkan dengan variasi TEC daerah  Pontianak  yang  dalam  Asnawi dkk.,  (2012),  maka  terdapat  perbedaan pada  waktu  terjadinya  maksimum VTEC. Maksimum VTEC daerah Pontianak secara umum  terjadi  sekitar  pukul  13.00  WIB (UT  +  7)  sedangkan  maksimum  VTEC daerah Kupang terjadi sekitar pukul 14.00 WITA.  Perbedaan  waktu  terjadinya maksimum  VTEC  ini  disebabkan  oleh pengaruh  faktor  waktu  lokal  yaitu perbedaan  daerah  waktu  antara  kedua kota  ini  yaitu  Kupang  termasuk  dalam daerah  Waktu  Indonesia  Tengah  (WITA) dan  Pontianak  Waktu  Indonesia  Barat (WIB), dengan selisih waktu satu jam.
Variasi  bulanan  TEC  dapat  dilihat pada  Gambar  2.  Variasi  Bulanan  TEC menunjukkan  bahwa  TEC  tertinggi terdapat  pada bulan equinox yaitu  Maret, April. Selanjutnya, untuk equinox September,  peningkatan  VTEC  kurang nampak  justru  lebih  nampak  pada  bulan Oktober  dan  November.  Terlihat  bahwa maksimum VTEC  tertinggi  terjadi  pada bulan  Maret (75 TECU).
Variasi TEC pada bulan equinox telah dibahas  sebelumnya  oleh  Asnawi  dkk. (2012), dan Bhattacharya dkk (2009) yaitu TEC  tertinggi  terjadi  pada  bulan-bulan equinox karena  pada  bulan equinox posisi matahari tepat berada di equator. Menurut Bagiya  dkk.  (2009),  variasi  TEC  terbesar terjadi  di  bulan- bulan equinox karena pada  bulan equinox angin  meridional
bertiup dari equator ke kutub menyebabkan
perubahan terhadap komposisi  neutral  dan  terjadi  penurunan rasio  atom  O  dan  molekul  N 2 di  daerah equator dan daerah lintang rendah.
Pada  lapisan  F2  ionosfer  N 2 terurai dan  memisah  sehingga  terjadi  proses pelepasan elektron. Penurunan rasio atom O dan molekul N 2 menghasilkan peningkatan  terhadap  densitas  elektron. Penurunan rasio atom O dan  molekul  N 2 ini  maksimum  pada  bulan-bulan equinox sehingga  TEC  menjadi  lebih  tinggi  pada bulan-bulan  tersebut.  Sementara  itu terkait  tidak  simetrisnya  TEC  menurut Bhuyan  dan  Borah,  dalam  Ansawi  dkk (2012)  disebabkan  oleh  tidak  meratanya distribusi  atmosfer  dan  angin  netral, perbedaan temperatur serta  terjadi perubahan angin netral dari belahan bumi utara dan selatan. Angin netral berhembus dari  belahan bumi yang mengalami musim panas  ke  belahan  bumi  yang  mengalami musim dingin yang menyebabkan berkurangnya  maksimum  TEC  karena hembusan  angin  tersebut  berlawanan dengan proses difusi plasma yang  berasal dari ekuator magnetik.
TEC  terendah  berada  pada solstice June yakni  bulan  Mei,  Juni,  Juli  dan Agustus  dengan  TEC  terendah  berada pada  bulan  Juli  (31  TECU),  sedangkan variasi  TEC untuk solstice December tidak dapat  ditampilkan  karena  keterbatasan
data pengamatan. Meski demikian, dalam penelitian-penelitian  sebelumnya  seperti Asnawi dkk. (2012) (Pontianak-Indonesia), Bhattacharya  dkk.  (2009)  (Bhopal-India) dan  Bagiya  dkk.  (2009)  (Rakjot-India) mampu  menunjukkan  perbedaan  antara variasi TEC solstice June, solstice December dan equinox ,  yaitu  variasi  TEC  tertinggi ada pada musim equinox ,  menengah  pada solstice  June dan  terendah  pada solstice December .
Variasi  TEC  sebagai  respon  terhadap aktivitas  cuaca  antariksa  menunjukkan bahwa  badai  geomagnet  tanggal  9 November  2013  sehingga  menyebabkan peningkatan terhadap nilai TEC.  Nuraeni, (2014) dalam penelitiannya yang mengulas  tentang  aktivitas  geomagnet sepanjang September-November 2013 dalam Buletin “Cuaca Antariksa“,
memberikan  informasi  bahwa  pada  bulan November  terjadi  3  peristiwa  badai geomagnet  moderat  dalam  rentang  waktu yang berdekatan yaitu tanggal 7, 9 dan 11 November.  Ketiga  badai  geomagnet  ini disebabkan oleh flare kelas X yang diikuti dengan Corona Mass Ejection (CME). Data real  time indeks Dst yang diperoleh dari
World Data Center (WDC) for geomagnetism Kyoto menunjukkan bahwa, badai  geomagnet  tanggal  9  November menyebabkan  penurunan  indeks Dst hingga  -81nT,  (http ://Realtime  Dst  Index Monthly Plot and Table.html) .

## Gambar 1. Grafik Median VTEC (garis kontinu) dan simpangannya (garis bar)
bulan Maret-November 2013
Gambar 2. Variasi VTEC bulanan (a) dan perbedaan variasi VTEC solstice June dan VTEC e quinox (b)
Gambar 3. Grafik indeks Dst dan VTEC tanggal 8, 9 dan 10 November 2013

## Gambar 4. Grafik simpangan VTEC tanggal 8, 9,10 November 2013
Dampak  badai  geomagnet  tangal  9 November terhadap variasi TEC di ionosfer daerah Kupang
adalah terjadinya
peningkatan  maksimum  VTEC  hingga  83 TECU.  Hal  ini  juga  diperkuat  oleh simpangan  VTEC  yang  menunjukkan bahwa  simpangan  VTEC  pada  tanggal  9 November  lebih  tinggi  (53,61%)  dari  dua hari  sebelumnya  (tanggal  7  dan  8 November).  Hal  ini  menunjukkan  bahwa badai  geomagnet  tanggal  9  November memiliki  dampak  terhadap  variasi  TEC pada  hari  tersebut.  Dampak  badai geomagnet  tanggal  9  November  2013  dan
grafik simpangan VTEC dapat dilihat pada Gambar 3 dan 4.

## SIMPULAN
Variasi  TEC  pada  ionosfer  di  atas Kupang pada tahun 2013 mulai dari Maret- November terdiri atas: variasi harian TEC menunjukkan bahwa nilai  TEC  minimum terjadi pada pukul 00.00  UT  atau  pukul 08.00  WITA  (UT  +  8),  TEC  selanjutnya meningkat setelah pukul 00.00 UT  hingga maksimum  pada  pukul  06.00  UT  atau pukul 14.00  WITA,  TEC  kemudian menurun  hingga  kembali  minimum menjelang  pukul  23.00  UT.  Variasi
bulanan  TEC  menunjukkan  bahwa  TEC tertinggi berada pada bulan equinox yaitu Maret,  April,  September  dan  melebar  ke bulan  Oktober  dan  November  dengan maksimum  VTEC  tertinggi  berada  pada bulan Maret yaitu 75 TECU dan terendah pada  bulan  Juli  yaitu  31  TECU  .  Variasi TEC akibat aktivitas geomagnet menunjukkan  bahwa  terjadi  peningkatan
VTEC  hingga  mencapai  83  TECU  akibat badai geomagnet pada tanggal 9 November.  Dari  hasil  penelitian  yang diperoleh dalam penelitian ini, maka dapat dikatakan  bahwa  gangguan  terbesar ionosfer  daerah  Kupang  terjadi  di  bulan equinox  Maret-April,  September  dan Oktober.  Oleh  karena  itu  kesalahan penentuan posisi GPS terbesar terjadi pada bulan  equinox.  Untuk  mendapatkan variasi TEC ionosfer daerah Kupang yang komprehensif  maka  diperlukan  penelitian dengan  data  yang  lebih  lengkap  (dari Januari-Desember)  dengan  jumlah  data yang lebih banyak (lebih dari satu tahun).

## UCAPAN TERIMA KASIH
Terima  kasih  kepada  Lembaga Penerbangan dan Antaraiksa (LAPAN) dan Jurusan Fisika Universitas Nusa Cendana (UNDANA)  yang  telah  mengizinkan penulis  untuk  mengakses  data  GISTM untuk  digunakan  dalam  penelitian  ini. Terimakasih  kepada  rekan-rekan  penulis atas  kesediaanya  dalam  memberikan saran,  dan  ide  dalam  penyempurnaan makalah ini .

## PUSTAKA
Klobuchar , J.  A.  (1985). Ionospheric  Total Electron Content (TEC) in A. S . Jursa (ed.), Handbook  of  Geophysics  and the  Space  Environment, Bedford
(Mass), Air Force Geophysical Laboratory, 1985, pp.10- 89:10-96. Klobuchar, J. A.  (1996). Ionospheric Effects on  GPS. In : Global  Positioning System : Theory  and  Applications ,
Volume 1, ed. by B. W. Parkinson and J.  J.  Spilker, American  Institute  of Aeronautics  and  Astronautics,  370 L’Enfant Promenade,SW. Washington DC, 1996.
Subakti, H., Puspito, N. T., Widarto, D. S.
(2008).  Analisis  Variasi  GPS – TEC yang Berhubungan  Dengan  Gempa
Bumi Besar  Di  Sumatra, Jurnal Meteorologi dan Geofisika , Vol. 9, No. 1. 2008.
Bhattacharya, S, Purohit, P. K, Gwal, A. K. (2009).  Ionospheric  Time  Delay Variations  in The Equatorial Anomaly  Region  During  Low  Solar Activity Using GPS, Indian Journal of Radio  and  Space  Physic ,  Vol.38,
Octobert, 2009,  pp.266-274.
Bagiya,  M.  S.,  Jhosi,  H.  P.,  Iyer,  K.  N, Aggarwal, M, Ravindran. S, Pathan, B.  M.    (2009). TEC  Variations During  Low  Solar Activity  Period (2005-2007)  Near  the    Equatorial Ionospheric Anomaly Crest Region in India . www.ann geophys.net, diakses tanggal 23 Juli 2014.
Asnawi,  H,  Ekawati,  S,  &  Prabowo,U.D.
(2012). Variasi Total Electron Content Ionosfer  Pada  Awal  Peningkatan Aktivitas Matahari Siklus Ke 24 ( The Ionospheric  Total  Electron  Content Variation  in  the  Beginning  of  Solar Activity Increase Cycle 24 ),” Majalah Sains dan Teknologi Dirgantara. vol.
7, no. 1, pp. 1 – 10. Alizadeh, M. M, Wijaya, D. D, Hobiger, T, Weber,  R  and  Schuh,  H.    (2013). Ionospheric  Effects  on  Microwave Signals . Department for Geodesy and Geoinformation  Science,  Technical University  of  Berlin  Press,  doi: 10.1007/978-3-642-36932-2_2. Nuraeni,  F.  (20130. A ktivitas  Geomagnet September – November  2013 ,  Buletin Cuaca  Antariksa ,  Vol.  3.  No.  1 Januari, Maret 2014:13.
Parkinson  &  Spilker,  (2019). Global Positioning  System  Theory  and Applications. Washington DC, American Institute of Aeronautics and
Astronautics.

## WDC  for  geomagnetism,Kyoto,  Website:
http ://Realtime  Dst  Index  Monthly Plot and Table.html , diakses  tanggal 15 Juli  2014.