## KARAKTERISTIK PRELIMINARY BREAKDOWN PETIR DOWNWARD LEADER SEBELUM SAMBARAN NEGATIF PERTAMA
Zulka Hendri* dan Ariadi Hazmi**
*Mahasiswa S2 Teknik Elektro Univertsitas Andalas **Staff Pengajar Teknik Elektro Universitas Andalas
Abstrak — Penelitian  ini  dilakukan    terhadap  100  kejadian  petir  di  Kota  Padang  Sumatera  Barat  dari bulan Januari sampai Mei 2013. Petir yang dianalisis diawali oleh deretan pulsa preliminary breakdown (PPB) yang terjadi sebelum sambaran negatif pertama dari awan ke tanah. Sinyal  petir di rekam dengan memanfaatkan  antena  medan  listrik (fast  antenna). Analisis  yang  dilakukan  yaitu  PPB-RS separation dan pre-return stroke duration. Analisis PPB-RS separation menghasilkan rata-rata aritmatik 50,62 ms dan rata-rata geometriknya 31,73 ms. Analisis pre-return stroke duration menghasilkan rata-rata aritmatik 54,44  ms  dan  rata-rata  geometriknya  33,92  ms.  Dua  tipe  deretan  pulsa  PB  yang  ditemukan  dalam penelitian  ini  yaitu;  (1)  deretan  pulsa  yang  didominasi  oleh  pulsa-pulsa  dengan  polaritas  positif  pada setengah siklus pertama, (2) deretan pulsa yang didominasi oleh pulsa-pulsa dengan polaritas negatif pada setengah  siklus  pertamanya.  Deretan  pulsa  dengan  tipe  pertama  memiliki  PPB-RS separation dan pre- return  stroke  duration yang  lebih  lama  dibandingkan  deretan  pulsa  dengan  tipe  ke  dua.  Daerah  yang dekat dengan khatulistiwa cenderung memiliki PPB-RS separation dan pre-return stroke duration yang lebih  lama  dibandingkan  daerah  yang  jauh  dari  khatulistiwa.  Kesimpulan  ini  diperoleh  dengan membandingkan data hasil penelitian ini dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh peneliti sebelumnya di beberapa daerah berbeda.
Kata Kunci : petir, preliminary breakdown, PPB-RS separation, pre-return stroke duration.
Abstract — A hundred lightning flash was observed in Padang city, West Sumatera at January until Mei 2013. The lightning that use to analyze is proceeding with preliminary breakdown pulse (PBP) train and followed by  first negative  return stroke  (RS).  Fast antenna  capacitive  was used to record  electric  field that produced of lightning flash. PBP-RS separation and pre-return stroke duration was used to analyze. Arithmetic and geometric mean of PPB-RS separation is 50,62ms and 31,73ms respectively. Arithmetic and geometric mean of pre-return stroke duration is 54,44ms and 33,92ms respectively. We have find two type of preliminary breakdown pulse train are; (1) the pulse train that dominant positive pulse at first half cycle (2) the pulse train that dominant negative pulse at first half cycle. The first type of pulse train have the PPB-RS separation and pre-return stroke duration that longer than the second type. The place that near with equator have PPB-RS separation and pre-return stroke duration that longer than the place far from equator (this conclusion we get from compare the result of our research with the result that produce from the other previous researchers).
Keywords : lightning flash, preliminary breakdown, PPB-RS separation,  pre-return stroke duration.

## I. PENDAHULUAN
Proses discharge petir  dapat  dipelajari dengan  observasi  terhadap  perubahan  medan listrik. Hasil observasi perubahan medan listrik memperlihatkan  bahwa  hampir  90%  dari keseluruhan  petir  negatif  dari  awan  ke  tanah diawali oleh discharge di awan dan mengawali pergerakan ke bawah stepped leader [1].
Preliminary breakdown ( breakdown ) diasumsi-kan  terdiri  dari vertical  discharge antara  pusat  muatan  negatif  dan  pusat  muatan negatif yang lebih rendah [3][6] dalam awan petir, dengan  durasi  2-10  ms[6].  Deretan  pulsa preliminary  breakdown kaya  dengan  informasi yang  berhubungan  dengan  kejadian  yang mengawali electric breakdown di awan [2] .
Perbedaan  kondisi  georafis  daerah  akan beraki bat  pada  perbedaan  karakteristik  deretan pulsa  PB  yang  mengindikasikan  perbedaan proses breakdown di awan.  Alasan inilah  yang mendasari  pentingnya  dilakukan  analisis  dan membandingkan  karakteristik  pulsa  PB  antara daerah-daerah  dengan  kondisi  georafis  yang berbeda [2].
Mengingat  masih  sedikitnya  literatur    yang membahas  tentang  karakteristik preliminary breakdown di  daerah  yang  berdekatan  dengan khatulistiwa, maka sangat tepatlah penelitian ini di lakukan di kota Padang Sumatera Barat yang berada di area khatulistiwa.

## II. TINJAUAN PUSTAKA
Penelitian  ini  ditujukan  untuk  mengetahui karakteristik preliminary  breakdown petir downward  leader yang  mengawali  sambaran negatif pertama di kota Padang Sumatera Barat.
Deretan  pulsa  medan  listrik  yang  terjadi beberapa  milidetik  sebelum  sambaran  pertama di  kenal  dengan  sebutan  deretan  pulsa preliminary  breakdown (PB)[2],  selain  itu preliminary breakdown (PB) juga didefenisikan sebagai  proses  yang  terjadi  di  awan  yang melibatkan perubahan konfigurasi medan listrik yang  menyebabkan steamer [3-4] . Breakdown awal  melibatkan  formasi  dari  satu  atau  lebih channel di awan. Channel terlihat di perpanjang dengan arah acak dari awan sumber, dan salah satu  darinya  mengembang  terus  sehingga terbentuk stepped  leader yang  menjembatani pelepasan  muatan  dari  awan  ke  tanah [4] .  Pulsa ini  biasanya  bipolar  dengan  polaritas  pada setengah siklus pertamanya sama dengan pulsa sambaran yang mengikutinya[4-5].
Asumsi  dan  kriteria  yang  digunakan  untuk mengidentifikasi dan memilih deretan pulsa PB sebelum sambaran negatif pertama berdasarkan konsep  dan  metodologi  yang  diperkenalkan oleh  Nag  dan  Rakov  (2009)[4]  dan  juga  telah digunakan oleh Baharudin dkk (2012)[2] yaitu: sebuah  pulsa  dianggap  sebagai  bagian  dari deretan  pulsa preliminary  breakdown jika dipisahkan dengan jarak yang kurang dari 2 ms dari  pulsa  terakhir dan  memiliki  amplitude puncak  ke  puncak  yang  sama  atau  lebih  besar dari dua kali amplitude noise rata-rata.
Analisis yang dilakukan dalam penelitian ini yaitu PPB-RS separation dan pre-return stroke duration. PPB-RS separation didefenisikan sebagai selang waktu antara puncak maksimum medan  listrik  dalam  deretan  pulsa  PB  dan puncak sambaran[2,3,7] (gambar 1). Pre-return stroke  duration didefenisikan  sebagai  interval waktu  antara  penemuan  pulsa  pertama  pada deretan  pulsa  PB  dan  puncak  RS  pertama[2] (gambar 2).
Gambar 1. RS-RS separation.
Gambar 2. Pre-return stroke duration.

## III. METODOLOGI
Penelitian  ini  dilakukan  di  Kota  Padang Sumatera  Barat  yang  berada  di  daerah khatulistiwa  (lintang:  0 0 54’  S,  Bujur:  100 0 E), pada  ketinggian  303  m  di  atas  permukaan  laut dan berjarak 33 km dari  Bandara Internasional Minang  Kabau  (BIN).  Perekaman  terhadap sinyal  medan  listrik  ini  dilakukan  dari  bulan Januari sampai bulan Mei 2013.
Sinyal  medan  listrik  yang  dianalisis bersumber  dari  kejadian  petir  dengan  jaraknya kurang  dari  50  km  dari  stasiun  penerima,  ini ditandai  dengan  bentuk  gelombang  sabaran pertama yang tidak berosilasi terhadap titik nol. Blog diagram sistem antena medan listrik yang digunakan  pada  penelitian  ini  diperlihatkan pada gambar 3.
Gambar 3. Blog diagram sistem perekam medan listrik petir.
Instrument yang digunakan dalam penelitian ini  memiliki  karakteristik  yang  sama  dengan yang  diajukan  oleh  Gomes  dkk  (1998)[7], walaupun  demikian  karakteritik    pulsa  yang  di peroleh tidak sepenuhnya sama. Ini disebabkan oleh  perbedaan  lokasi  geografis  khusunya lokasi  samudra  ( oceanic  location). Peralatan sensor  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini adalah fast anteena capacitive. Sistem perekam ini ditujukan untuk merekam medan listrik yang parallel  terhadap  bumi  (vertikal),  dan menghindari terekamnya komponen horizontal, untuk  mencapai  tujuan  ini  digunakan  antena plat  tipis  yang  memiliki  permukaan  datar  dan dipasang  secara  vertikal  terhadap  bumi.Antena ini  terdiri  dari  dua  plat  tipis  yang  identic  dan terpisah satu sama lain dengan jarak efektif 0,1 m, diameter plat 0,3 m, antena ini berada pada ketinggian  efektif  1,5  m  dan  16  m  dari permukaan tanah.
Sepanjang  35  m  kabel  coaxial  (RG75) digunakan  untuk  menghubungkan  plat  antena dengan rangkaian buffer . Kabel coaxial dengan karakteristik  yang  sama  juga  digunakan  untuk menghubungkan    rangkaian buffer dengan  12- bit, 20 MHz perekam digital. Sampling rate-nya di  set  1  MS/s  dengan  lebar  total  hasil rekamannya  1s.  Setingan trigger perekam digital diseting sedemikian rupa sehingga sinyal dari  ke  dua  polaritas  dapat  ditangkap  dengan baik. Trigger  level- nya  di  seting  dari  500  mV sampai 4 V. Perekam digital transien beroperasi 300 ms sebelum trigger mode.
Sensor ini dirancang untuk dapat mendeteksi perubahan  medan  kecil  yang  terjadi  sebelum sambaran  pertama  baik  berupa  ledakan    pulsa PB  maupun  perubahan  medan  listrik    yang terjadi  akibat  proses  leader    yang  terjadi
berdekatan  dengan  proses  sambaran.  Sinyal medan listrik  yang di proses pada penelitian ini diikuti  oleh  sambaran  dengan  jumlah  yang bervariasi dari 1 sampai 11 sambaran.

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis  terhadap  100  kejadian  petir  yang telah  disebutkan  sebelumnya  menghasilkan kesimpulan  bahwa  terdapat  dua  tipe  deretan pulsa preliminary  breakdown yang  terjadi sebelum  sambaran  negative  pertama  dari  awan ke tanah di kota Padang Sumatera Barat yaitu:
a. Tipe  pertama  yaitu  deretan  pulsa preliminary breakdown yang didominasi oleh pulsa pulsa dengan polaritas positif pada setengah siklus pertamanya (19%). b. Tipe  ke  dua  yaitu  deretan  pulsa preliminary breakdown yang didominasi oleh pulsa-pulsa dengan polaritas negatif pada setengah siklus pertamanya (81%). Deretan  pulsa  tersebut  umumnya  bipolar dengan  polaritas  pada  setengah  siklus pertamanya  umumnya  sama  dengan  sambaran yang  mengikutinya  (81%  data)  dan  hanya sedikit  (19%  data)  yang  berbeda  dengan polaritas sambaran yang mengikutinya.

## 4.1. PPB-RS Separation.
Hasil  analisis  PPB-RS separation kejadian petir  yang  didahului  deretan  pulsa preliminary breakdown diperlihatkan  pada  tabel  1.    Pada tabel  tersebut  terlihat  bahwa  19  kejadian  petir yang  didahului  oleh  deretan  pulsa  PB  tipe pertama memiliki rata-rata aritmatik 127,26 ms dan rata-rata geometriknya 109,36 dengan nilai maksimum  243,28  ms  dan  nilai  minimumnya 24,78  ms.  Sebanyak  81  kejadian  petir  yang diawali  oleh  deretan  pulsa  PB  tipe  ke  dua memiliki rata-rata aritmatik 32,64 ms dan rata- rata  geometriknya  23,74  ms  dengan  rentang data 5,7 - 201,52 ms. Sedangkan analisis PPB- RS separation gabungan menghasilkan rata-rata aritmatik  50,62  ms  dan  rata-rata  geometriknya 31,73 ms.
Tabel  tersebut  juga  memberikan  informasi bahwa PPB-RS separation yang didahului oleh deretan  pulsa  PB  tipe  pertama  memiliki  rata- rata  aritmatik  yang  lebih  besar  dibandingkan dengan  yang  didahului  oleh  deretan  pulsa  tipe ke  dua.  Sebaran  data  PPB-RS separation deretan  pulsa  PB  tipe  pertama  diperlihatkan
pada gambar 4 dan tipe ke dua pada gambar 5 sedangkan gabungan pada gambar 6.
0 50 100 150 200 250 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Ju ml a h Ke ja d ia n Pe tir. Waktu (ms) Gambar 4. PPB-RS Separation Deretan Pulsa PB tipe pertama.
0 50 100 150 200 0 5 10 15 20 25 30 35 Ju ml ah Ke ja di an Pe tir. Waktu (ms)
Gambar 5. PPB-RS Separation Deretan Pulsa PB tipe ke dua.
Penelitian PPB-RS separation yang dilakukan oleh peneliti sebelumnya di bererapa daerah dengan posisi lintang berbeda diperlihatkan  pada  tabel  2.  Rangkuman  hasil penelitian  ini  bertujuan  untuk  melihat kecendrungan  PPB-RS separation terhadap posisi  lintang  suatu  daerah.  Berdasarkan  tabel tersebut  dapat  disimpulkan  bahwa daerah  yang lebih dekat dengan khatulistiwa memiliki PPB- RS  separation dengan  rata-rata  aritmatik  yang lebih  besar  dibandingkan  daerah  yang  lebih jauh  dari  khatulistiwa.  Ini  artinya  daerah dengan  lebih  dekat  dengan  khatulistiwa memiliki pemisahan pulsa PB dengan sambaran yang lebih besar.
0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 25 30 35 Ju ml ah Ke ja di an Pe tir Waktu (ms) Gambar 6.  PPB-RS Separation Gabungan.
4.2 Pre-return Stroke Duration.
Analisis pre-return stroke duration kejadian petir yang didahului oleh deretan pulsa PB tipe pertama  menghasilkan  rata-rata  aritmatik 131,25  ms  dan  rata-rata  geometriknya  114,66 ms  dengan  nilai  maksimal  244,3  ms  dan  nilai minimal  37,43  ms,  sedangkan  Analisis pre- return  stroke  duration kejadian  petir  yang didahului  oleh  deretan  pulsa  PB  tipe  ke  dua menghasilkan  rata-rata  aritmatik  36,42  ms  dan rata-rata  geometrik  25,49  ms.  Analisis pre- return  stroke  duration gabungan  menghasilkan rata-rata  aritmatik  54,44  ms  dan  rata-rata geometriknya  33,92  ms  dengan  nilai  maksimal 244,3  ms  dan  nilai  minimal  6,18  ms.    Hasil penelitian pre-return stroke duration dirangkum dalam tabel 3.Dengan membandingkan rata-rata aritmatik pre-return stroke duration dari ke dua tipe  di  atas  diperoleh  kesimpulan  bahwa pre- return  stroke  duration deretan  pulsa  PB  tipe pertama  memiliki  durasi  yang  lebih  lama dibandingkan  dengan  deretan  pulsa  PB  tipe  ke dua (sekitar 3,5 kali tipe ke dua). Sebaran data pre-return stroke duration deretan pulsa PB tipe pertama  diperlihatkan  pada  gambar  7  dan  tipe ke  dua  pada  gambar  8  sedangkan  gabungan pada gambar 9.
0 50 100 150 200 250 0 2 4 6 8 Ju ml a h Ke ja d ia n Pe tir Waktu (ms)
Gambar 7. Pre-return stroke duration deretan pulsa PB tipe pertama.
0 50 100 150 200 0 5 10 15 20 25 30 35 Ju ml a h Ke ja d ia n Pe tir Waktu (ms)
Gambar 8. Pre-return stroke duration deretan pulsa tipe PB tipe ke dua.
0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 25 30 35 Ju ml a h Ke ja d ia n Pe tir Waktu (ms)
Gambar 9. Pre-return stroke duration gabungan .
Penelitian pre-return  stroke  duration yang dilakukan oleh peneliti sebelumnya di bererapa daerah dengan posisi lintang berbeda diperlihatkan  pada  tabel  4.  Rangkuman  hasil penelitian  ini  bertujuan  untuk  melihat kecendrungan pre-return  stroke  duration terhadap posisi lintang suatu daerah. Berdasarkan  tabel  tersebut  dapat  disimpulkan bahwa  daerah  yang  lebih  dekat  dengan khatulistiwa memiliki pre-return stroke duration dengan  rata-rata  aritmatik  yang  lebih besar dibandingkan daerah yang lebih jauh dari khatulistiwa.  Ini  artinya  daerah  dengan  lebih dekat  dengan  khatulistiwa  memiliki pre-return stroke duration dengan yang lebih lama. Tabel 1. Hasil analisis PPB-RS separation. PPB-RS Separation N (data) Nilai Max (ms) Nilai Min (ms) Rata-rata Aritmatik (ms) Rata-rata Geometrik (ms) Deretan  pulsa  yang  didominasi  oleh pulsa-pulsa  dengan  polaritas  positif  pada setengah siklus pertama. 19 243,28  24,78 127,26 109,36 Deretan  pulsa  yang  didominasi  oleh pulsa-pulsa  dengan  polaritas  negatif  pada setengah siklus pertama. 81 201,52 5,70 32,64 23,74 Kejadian petir di kota Padang 100 243,28 5,7 50,62 31,73
Tabel 2. Hasil penelitian PPB-RS separation dari beberapa peneliti. Penelitian Lokasi Lintang Jumlah Data PPB-RS separation (ms) Max Min Rat. Aritm Rat. Geo Penelitian ini. Padang 0 0 100 243,28 5,7 50,62 31,73 Baharudin Z.A Malaysia 1 0 97 227,3 8,3 57,6 47,2 Gomes, dkk Sri Lanka 6,9 0 9 23 3,5 11,9 9,8 Baharudin Z.A Florida 27 0 100 92,5 3,3 22 17,7 Gomes, dkk Sweden 59,8 0 41 70 2 13,8 8,7 Makela, dkk Finland 60,4 0 193 320 2 18 38,5
Tabel 3. Pre-return stroke duration Pre-return Stroke Duration N (data) Nilai Max (ms) Nilai Min (ms) Rata-rata Aritmatik (ms) Rata-rata Geometrik (ms) Deretan  pulsa  yang  didominasi  oleh pulsa-pulsa dengan polaritas positif pada setengah siklus pertama. 19 244,3 37,43 131,25 114,66 Deretan  pulsa  yang  didominasi  oleh pulsa-pulsa  dengan  polaritas  negatif pada setengah siklus pertama 81 235,18 6,18 36,42 25,49 Kejadian petir di kota Padang (gabungan) 100 244,3 6,18 54,44 33,92 Tabel 4. Hasil penelitian pre-return stroke duration dari beberapa peneliti Penelitian Lokasi Lintang Jumlah Data Pre-return Stroke Duration (ms) Max Min Rat. Aritm Rat. Geo Penelitian ini. Padang 0 0 100 401,14 6.57 74.53 39.01 Baharudin Z.A Malaysia 1 0 97 - - 62 51 Baharudin Z.A Florida 27 0 100 - - 23 19

## V. KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan  bahwa  deretan  pulsa  PB  yang didominasi  oleh  pulsa-pulsa  dengan  polaritas positif  pada  setengah  siklus  pertamanya memiliki  PPB-RS separation dan pre-return stroke duration yang lebih lama dibandingkan deretan  pulsa  dengan  polaritas  negatif  pada setengah siklus pertamanya.
Daerah  yang  dekat  dengan  khatulistiwa cenderung memiliki PPB-RS separation dan pre-return  stroke  duration yang  lebih  lama dibandingkan  daerah  yang  jauh  dari khatulistiwa.  Kesimpulan  ini  diperoleh dengan membandingkan data hasil penelitian  ini  dengan  hasil  penelitian  yang dilakukan  oleh  peneliti  sebelumnya  di beberapa daerah berbeda.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Hazmi, Ariadi dkk. 2013.
Characteristics of Electric Field Change Proceding  Negative  First  Return  Stroke Produced  by  Preliminary  Breakdown.
ICITEE  2013.  ISSN:  2088-6579: Yogyakarta.
[2] Baharudin,  ZA  dkk.  2012.  Comparative Study  on  Preliminary  Breakdown  Pulse Trains Observed in Johor, Malaysia and Florida,  USA. Atmospheric  Research  . Elsevier.
[3] S  Makela,  Jakke  dkk.  2008. Properties of  Preliminary  Breakdown  Processes  in Scandinavian  Lightning. Journal  of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. Journal Homepage: www.elsevier.com/locate/jastp. Elsevier.
[4] Nag,  Amitabh  dan  Vladimir  A.  Rakov. 2009. Electric  Field  Pulse  Trains Occurring  Prior  to  the  first  Stroke  in Negative  Cloud-to-Ground  Lightning. IEEE  Transction  on  Olectromagnetic Compatiility: IEEE.
[5] Schumann,  Carina  dkk.  2012. Electric Fields  Changes  Produced  by  Positive Cloud-to-Ground  Lightning  Flashes. International  Conference  on  Grounding and  Earthing  &  5 th International Conference  on  Lightning  Physics  and Effects. Bonito: Brazil.
[6] Clarence,    N.D.,    Malan,    D.J., “Preliminary    discharge    processes    in lightning    Àashes    to    ground,” Quarterly    Journal    of    the    Royal Meteorological  Society  83,  161–172, 1957.
[7] Gomes,  Chandima  dan  Vernon  Cooray. 2004. Radiation Field Pulses Associated
With  the  Initiation  of  Positive  Cloud  to
Ground  Lightning  Flashes. Journal  of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics: Elsevier.
[8] Lin, Y. T., M. A. Uman, J. A. Tiller, R. D.  Brantley,  W.  H.  Beasley,  E.  P. Krider,    and    C.    D.    Weidman, “ Characterization    of  lightning    return stroke    electric    and    magnetic    fields from    simultaneous    two    station measurements ,”  J.  Geophys.  Res.,  84,
6307–6314, doi:10.1029 /JC084iC10p06307, 1979.

## Biodata Penulis
Zulka  Hendri, Lahir  di  Koto  Baru  pada  tahun 1985.  Menerima  gelar  sarjana  di  Fakultas Teknik  Universitas  Andalas  pada  tahun  2011. Sekarang tengah menempuh pendidikan jenjang Megister  Teknik  Elektro  Universitas  Andalas Padang.