Mengenal Badai Matahari

By Ma'rufin Sudibyo

7 Maret 2011 menjadi salah satu tanggal yang bakal dikenang astronom dan fisikawan Matahari sedunia. Sebab pada hari itulah Matahari melontarkan semilyar ton massa plasmanya pada kecepatan 2.200 km/detik yang membawa energi setidaknya setara dengan 29 milyar bom nuklir Hiroshima. Beruntung badai Matahari ini tidak langsung mengarah ke Bumi meskipun masih sanggup ‘menyalakan’ langit di kawasan lingkar kutub utara dan selatan dengan cahaya kutub (aurora)–nya. Hari itu menjadi penanda bahwa aktivitas Matahari kembali mulai melonjak setelah selama hampir tiga tahun relatif tenang tanpa hembusan badai Matahari dari permukaannya. Sebelumnya pada 14 Februari, Matahari pun begolak dengan solar flare berkelas X 2,2. Disusul kemudian pada 8 Maret ketika solar flare muncul kembali meski lebih lemah, yakni X 1,5. Aktivitas signifikan Matahari terakhir kali terjadi pada Desember 2006.
Badai Matahari merupakan salah satu wajah dari Matahari kita. Sebagai benda langit yang menjadi pusat tata surya, Matahari memiliki massa 332.776 kali lebih besar dibanding Bumi dan merupakan satu bintang di antara milyaran bintang lainnya dalam galaksi Bima Sakti. Matahari dikategorikan sebagai bintang kelas G berusia 5 milyar tahun dengan suhu permukaan 5.770 Kelvin. Secara fisis Matahari merupakan gumpalan plasma panas yang tersusun dari Hidrogen (75 %), Helium (24 %) dan unsur–unsur lainnya (1 %). Matahari terdiri dari enam lapisan, yakni: a). inti, b). lapisan radiatif, c). lapisan konvektif, d). permukaan (fotosfera), e). atmosfer bawah (kromosfera), dan f). atmosfer atas (korona).
Energi Matahari diproduksi di inti, sebuah kawasan berfasa cair yang mencakup sepertiga diameter Matahari dan mempunyai suhu 14 juta Kelvin dengan tekanan 100 milyar kali lipat tekanan atmosfer Bumi. Pada inti terjadi reaksi fusi termonuklir sehingga menghasilkan energi yang sangat besar, mencapai 385 milyar PetaJoule/detik. Dengan demikian tiap detik energi Matahari bisa menyalakan listrik sejuta rumah (masing–masing dengan beban daya 2.000 watt) selama 6 milyar tahun tanpa henti! Energi sangat besar ini dipoduksi agar ukuran Matahari (diameternya) tetap stabil seperti sekarang akibat adanya keseimbangan antara pengerutan gravitasi oleh massanya sendiri dengan tekanan radiatif yang diproduksi reaksi fusi termonuklir.
Badai Matahari
Energi Matahari dihantarkan menuju fotosfera melalui konveksi (aliran) di lapisan konvektif yang lantas muncul di fotosfera sebagai granulae (gelembung). Konveksi juga merupakan mekanisme magnetohidrodinamik yang memproduksi medan magnet Matahari yang sangat kuat. Akibat adanya perbedaan periode rotasi Matahari antara ekuator (25,4 hari) dengan kutub (36 hari) menyebabkan garis–garis gaya magnet Matahari mengalami puntiran sehingga menonjol keluar di beberapa lokasi khususnya di lintang menengah/tinggi. Warna lokasi ini lebih gelap karena suhunya 1.500 Kelvin lebih rendah, sehingga dinamakan bintik Matahari (sunspot).
Oleh sebab belum jelas, medan magnet Matahari memiliki siklus 22 tahun dengan jumlah bintik Matahari meningkat setiap antara 8 hingga 15 tahun sekali atau rata–rata 11 tahun sekali. Bintik Matahari menyebabkan gangguan pada pemancaran energi Matahari di lokasi tersebut, namun sifatnya hanya sementara. Bintik Matahari bisa dianggap sebagai bendungan pasir di arus air yang liar, yang lama–lama bakal jebol ketika kekuatannya tak sanggup lagi mengatasi tekanan arus air. ‘Jebol’nya bintik Matahari akan memuntahkan kandungan energi yang disalurkan sebagai arus proton atau elektron menyusuri garis–garis gaya magnet Matahari di lokasi tersebut. Inilah badai Matahari, yang rata–rata mampu melontarkan 10–100 juta ton elektron berkecepatan rata–rata 500 km/detik. Jumlah ini jauh di atas massa angin Matahari, yakni massa Matahari yang secara reguler terlepas ke sekitarnya dengan jumlah ‘hanya’ 1,6 juta ton/detik.
Implikasi bagi Bumi
Untungnya Bumi mempunyai ‘selimut’ pelindung tak kasatmata guna mengantisipasi angin dan badai Matahari, yakni magnetosfer (medan magnet Bumi) yang terdiri dari sejumlah lapisan dengan terbawah sabuk radiasi van–Allen. Magnetosfer berperan membelokkan aliran proton dan elektron Matahari ke kutub–kutub geomagnet, dimana semakin tinggi energi partikel maka semakin dalam lapisan magnetosfer yang berhasil ditembus sebelum partikel itu terbelokkan. Proton dan elektron yang terbelokkan itu akan berbenturan dengan atom–atom Oksigen dan Nitrogen di lapisan atmosfer setinggi + 70 km sehingga memicu proses promosi–eksitasi atomik yang memproduksi cahaya berwarna–warni yang kita kenal sebagai aurora.
Namun setinggi apapun energi partikel Matahari, ia akan terbelokkan tanpa sempat berdampak bagi atmosfer Bumi. Inilah yang membedakan Bumi dengan tetangga terdekat kita: Venus. Meski hampir identik dengan Bumi dalam hal massa dan diameter (sehingga sering disebut kembaran Bumi), Venus ternyata tidak memiliki medan magnet sehingga saat diterpa badai Matahari akan langsung terpanggang hebat oleh aliran proton dan elektron energetik yang menerpanya. Simulasi magnetohidrodinamik menunjukkan hantaman badai Matahari menghasilkan kenaikan suhu permukaan Venus sampai 150o Celcius di atas normal selama 10 menit kemudian sebelum suhunya sedikit menurun menjadi 90o Celcius di atas normal.

Simulasi magnetohidrodinamik saat arus partikel badai Matahari menghantam planet Venus yang tak memiliki medan magnet. Atas: saat partikel badai Matahari mulai menghampiri Venus (kiri) hingga planet ini diselubungi arus partikel energetik selama setidaknya 10 menit (tengah dan kanan) yang menyebabkan peningkatan suhu permukaan hingga 150o Celcius di atas normal. Bawah: arus partikel energetik mulai meninggalkan Venus (kiri dan tengah) hingga planet itu benar–benar bebas dari sisa partikel badai Matahari (kanan) sehingga suhu permukaan Venus sedikit menurun menjadi 90o Celcius di atas normal. Sumber : Setiahadi, 2004

Masalah utama badai Matahari bagi manusia modern adalah kemajuan peradaban yang membuat manusia kian bertumpu pada alat–alat elektronik. Nyaris tak ada bagian kehidupan manusia yang tidak mendapat sentuhan budaya elektronik, baik jaringan finansial, komunikasi, transportasi, kelistrikan, kesehatan, layanan pemerintahan, interkoneksi energi dan sebagainya. Padahal alat–alat elektronik ini sangat rentan terhadap gangguan listrik, sementara aliran partikel proton dan elektron Matahari ke kutub geomagnetik pada hakikatnya adalah arus listrik berkekuatan jutaan ampere. Arus listrik ini akan memproduksi medan magnet di sekitarnya dan sebaliknya perubahan medan magnet tersebut akan memproduksi arus listrik induksi di permukaan Bumi. Akibatnya badai Matahari, khususnya yang sangat kuat mampu menghasilkan arus listrik induksi permukaan Bumi berkekuatan hingga ratusan Ampere, yang mengalir melalui segala jenis penghantar seperti jaringan listrik, perpipaan maupun kabel telekomunikasi. Arus sebesar ini bila mengenai alat–alat elektronik amat mampu melumpuhkannya dan membuatnya terbakar.
Badai Matahari 1 September 1859 (Carrington event) adalah pelajaran pertama persentuhan alat–alat elektronik dengan badai Matahari, tatkala jaringan telegraf transatlantik antara Amerika dan Eropa lumpuh. Percikan api akibat arus induksi sanggup membakar kertas telegraf, meski di sisi lain jaringan itu hidup sepenuhnya dan bisa digunakan untuk mengirimkan pesan walau catudayanya dimatikan. Peristiwa terpopuler adalah terbakarnya jaringan listrik Ontario Hydro yang menyebabkan 6 juta penduduk Quebec (Canada) harus hidup tanpa listrik selama 9 jam akibat badai Matahari 13 Maret 1989.

Salah satu trafo listrik jaringan Ontario Hydro yang terbakar dan usak akibat badai Matahari 13 Maret 1989. Sumber: NASA, 2009

Potensi kerusakan akibat badai Matahari cukup besar bagi negara–negara yang berdekatan dengan lingkar kutub. Di AS saja, bila badai Matahari sangat kuat terjadi, kerugian sosial dan ekonominya diestimasikan mencapai US $ 1–2 trilyun per tahun dengan waktu pemulihan 4–10 tahun, sehingga dalam skenario terburuk angka kerugian akan mencapai US $ 20 trilyun (+180 kali APBN Indonesia). Namun bagi negara–negara tropis (seperti Indonesia), potensi kerusakan nyaris tidak ada. Kerusakan alat–alat elektronik kadang diibaratkan dengan ‘kiamat’ bagi peradaban manusia modern, namun istilah yang lebih tepat barangkali ‘jeda’, mengingat kerusakan itu sebenarnya bisa diperbaiki meski ongkosnya sangat besar. Namun badai Matahari tidak menyebabkan perubahan dramatis yang menetap pada atmosfer Bumi, sehingga potensi meningkatnya intensitas pemanasan global, sinar ultraviolet berbahaya dan jebolnya lapisan Ozon bisa ditepis karena Bumi kita bukanlah Venus yang tak punya pelindung. Dan sepanjang ‘jeda’ itu berlangsung, manusia akan tetap ada meski perkembangan peradabannya sedikit melambat oleh rusaknya alat–alat penunjang kehidupan selama ini. Jadi, badai Matahari bukanlah faktor penyebab kiamat, seperti digembar–gemborkan oleh isu Kiamat 2012.