Bagaimana aliran udara yang bergerak dari kutub-kutub bumi

Ibarat sebuah bola magnet raksasa, bumi memiliki medan magnet yang merupakan perisai pelindung bumi dari radiasi sinar kosmik ataupun partikel bermuatan Matahari. Magnet bumi memiliki dua kutub, yaitu kutub utara dan selatan. Kutub utara magnet bumi terletak di sekitar kutub selatan bumi, begitu pula sebaliknya kutub selatan magnet bumi terletak di sekitar kutub utara bumi. Kutub utara magnet bumi dijadikan penjuru arah utara-selatan oleh jarum kompas penunjuk arah.

Di sisi lain, kutub utara magnet Bumi tak berimpit dengan kutub utara geografis. Kutub utara geografis bumi berada pada garis 90 derajat lintang utara atau berada di Samudra Arktik. Dia bersifat tetap dan jadi acuan arah utara pada peta atau utara sebenarnya. Utara jarum kompas tidak menunjukkan arah utara sebenarnya atau utara geografis (disebut juga dengan istilah deklanasi), sehingga pengguna kompas di daerah lintang tinggi selalu memakai data koreksi untuk menuju arah utara sebenarnya.

Medan magnet bumi terbentuk dari gesekan lapisan besi dan nikel cair yang ada di bagian luar inti Bumi di kedalaman 3.000 kilometer dari muka Bumi. Besi cair panas berputar-putar hingga menimbulkan arus listrik dan menghasilkan medan magnet Bumi. Medan magnet melingkupi Bumi yang pengaruhnya sampai ketinggian 600.000 km dari Bumi.

Hal ini mengacu pada salah satu teori mengenai medan magnetik Bumi, yaitu Teori Dinamo yang diajukan perama kali oleh Joseph Larmor pada tahun 1919. Teori ini menyebutkan bahwa di dalam perut bumi terdapat besi dalam wujud cair yang bertindak sebagai objek yang sangat konduktif, disebut sebagai dinamo yang berfungsi menghasilkan kembali medan magnet di dalam dirinya sendiri.

Pada era modern saat ini medan magnet bumi digunakan pada berbagai teknologi manusia khususnya yang berkaitan dengan navigasi seperti navigasi kapal laut, sistem navigasi berbasis satelit (GNSS) di gawai, navigasi satelit, serta penentuan arah pengeboran mineral atau minyak dan gas bumi.

Medan magnet utama bumi ternyata bersifat dinamis, berubah seiring waktu. Tingkat kekuatan medan magnet di suatu wilayah bisa melemah atau justru meningkat. Hal ini sebagai efek adanya perubahan struktur batuan di lapisan bawah permukaannya.

Dalam metode pengukuran medan magnet bumi dikenal standar nilai yang disebut The International Geomagnetics Reference Field (IGRF) yang diperbaharui setiap lima tahun sekali. IGRF merupakan nilai rata-rata pengukuran medan magnet di suatu wilayah dengan luasan sekitar 1 juta km persegi dalam waktu satu tahun.

Pengukuran medan magnet ini tidak hanya bertujuan untuk mengukur perubahan tingkat medan magnet di suatu wilayah namun juga untuk melihat penyimpangan-penyimpangan yang terjadi atau anomali. Ada dua macam anomali, yaitu anomali regional yang meliputi daerah ribuan kilometer persegi dan anomali permukaan yang meliputi daerah yang lebih kecil.

Dari hasil pengukuran yang dilakukan belakangan ini terlihat bahwa selama 200 tahun terakhir, kekuatan medan magnet Bumi berkurang 9 persen dari kekuatan rata-rata medan magnet Bumi global. Penurunan kekuatan itu terpusat di wilayah yang terentang antara Amerika Selatan dan Afrika yang dinamai Anomali Atlantik Selatan. Kekuatan medan magnet di area Anomali Atlantik Selatan itu berkurang dari sekitar  24.000 nanotesla (nT) pada 1970 menjadi 22.000 nT pada 2020. Luasan area anomali juga terus berkembang ke arah barat dengan kecepatan 20 kilometer (km) per tahun.

Semula, pusat intensitas kekuatan medan magnet minimum itu hanya ada di atas wilayah Amerika Selatan. Namun, lima tahun terakhir, muncul pusat intensitas minimum kedua di barat daya Afrika hingga menimbulkan keyakinan dari para ahli bahwa area Anomali Atlantik Selatan nantinya terpecah jadi dua bagian.

Infografik/ Luhur

Posisi kutub utara magnet Bumi bergerak dari utara Kanada menuju Siberia, Rusia. Pergeseran ini sejatinya proses alamiah Bumi, namun perubahan yang cepat memengaruhi berbagai teknologi manusia yang membutuhkan ketepatan posisi.

.

Dari hasil pengukuran terhadap kekuatan medan magnet bumi juga terlihat pergeseran kutub utara magnet bumi. Selama 120 tahun terakhir, posisi kutub utara magnet Bumi bergeser sejauh 1.100 km. Dalam Sciencealert, dijelaskan catatan pertama posisi kutub utara magnet Bumi pada 1831 berada di sekitar Semenanjung Boothia, wilayah Nunavut, utara Kanada. Sebelum 1990, kutub utara magnet Bumi itu bergeser makin ke utara mendekati kutub geografi Bumi dengan kecepatan 15 km per tahun.

Dikutip dari situs Badan Penerbangan dan Antariksa Amerika Serikat (NASA), kecepatan pergeseran kutub utara itu mencapai 16 kilometer per tahun pada awal abad ke-20 dan menjadi 64 km per tahun pada beberapa dekade terakhir. Pada tahun 2017, kutub utara magnet ada di Samudra Arktik, berjarak 390 km di selatan kutub utara geografi Bumi. Diperkirakan pada abad mendatang, kutub utara magnet Bumi akan ada di Siberia, Rusia.

Pergeseran kutub magnetik ini merupakan proses dari pembalikan kutub yang pernah terjadi 780.000 tahun yang lalu. Hal ini terdeteksi dari hasil penelitian pembentukan lapisan batuan Bumi yang terjadi pada masa itu. Sejak bumi terbentuk 4,5 miliar tahun lalu hingga sekarang, pembalikan kutub magnet Bumi itu diperkirakan sudah terjadi ratusan kali.

Studi terbaru yang dipublikasikan di jurnal NatureCommunication, 6 Juli 2020, menunjukkan kecepatan pergeseran kutub magnet itu bisa jauh lebih cepat dibandingkan perkiraan selama ini.

Dari hasil pengamatan selama 100.000 tahun terakhir yang dilakukan oleh Christopher J Davies dari Sekolah Kebumian dan Lingkungan,Universitas Leeds, Inggris, dan Catherine G Constable dari Lembaga Oseanografi Scripps di San Diego, Amerika Serikat, terlihat bahwa pergeseran kutub magnet yang melambangkan perubahan medan magnet Bumi mencapai kecepatan 10 derajat pertahun. Kecepatan setinggi itu bisa terjadi di daerah yang memiliki medan magnet lemah, seperti di sekitar khatulistiwa atau di daerah lintang rendah.

Kecepatan 10 derajat per tahun itu sama dengan 10 kali lebih cepat dibandingkan permodelan sebelumnya berdasarkan data paleomagnetik atau 100 kali lebih cepat dibandingkan pergeseran yang tercatat pada zaman modern. Interaksi antara inti luar Bumi dan medan magnet yang melingkupi Bumi terjadi sangat kompleks. Gabungan aliran medan magnet keduanya bisa menghasilkan wilayah dengan kekuatan medan magnet tinggi di wilayah tertentu tetapi lemah di bagian lain.

Perubahan arah dan pergeseran kutub magnet Bumi tersebut disebabkan oleh sirkulasi material dalam inti bagian luar Bumi. Inti bagian luar ini berupa fluida (cairan) yang terdiri atas nikel dan besi. Gerak fluida tersebut dipengaruhi oleh rotasi Bumi. Hingga kini para hali masih meneliti penyebab pasti pergeseran kutub magnet ini.

Kendati proses pergeseran kutub magnetik bumi membutuhkan waktu sekitar 20.000 tahun, antisipasi dampak yang ditimbulkannya perlu dipersiapkan. Pergeseran yang cepat itu membutuhkan data koreksi atas perbedaan kutub utara geografis dengan kutub utara magnet Bumi yang akurat. Jika tidak, proses navigasi akan gagal hingga obyeknya melenceng dari sasaran sebenarnya.

Selain berdampak pada teknologi navigasi, perubahan posisi itu jug diyakini ikut memengaruhi arah pergerakan lempeng bumi hingga memicu banyak gempa dengan kekuatan yang tidak terlalu kuat karena energinya tersebar. Pergeseran kutub magnetik juga turut mengubah posisi Bumi terhadap Matahari sehingga panjang musim di sebagian besar permukaan Bumi akan berubah hingga memicu perubahan iklim. Selain itu, pergeseran kutub magnetik tersebut juga berdampak pada terjadinya La Nina dan El Nino hingga perubahan iklim.

1. Badai matahari

Siklus aktivitas matahari dianggap menyebabkan perubahan gaya magnet Bumi meski kedua hal tersebut tidak terjadi secara sinkron. Setidaknya ada tiga hal yang menentukan jumlah energi yang diterima dari matahari yang memengaruhi daya magnet bumi, yaitu kecepatan angin matahari, daya magnet di luar bumi (daya magnet antarplanet), dan arah dari medan magnet.

Dari hasil penelitian Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (Lapan) diketahui bahwa daya magnet melemah akibat fenomena ”lubang korona” yang terdapat pada kutub matahari. Lubang tersebut bergerak di lintang rendah matahari dan menuju ke kutub. Saat itulah kecepatan angin matahari di bumi melambat, yang menyebabkan menurunnya daya magnet bumi.

Dalam kondisi normal, matahari memancarkan partikel bermuatan yang memiliki energi, seperti proton dan elektron,terus-menerus ke angkasa. Saat aktivitas Matahari meningkat,jumlah lontaran partikel bermuatan itu, khususnya dari ledakan Matahari dan lontaran material korona, juga meningkat. Peningkatan partikel inilah yang disebut sebagai badai Matahari. Selain membawa energi, lontaran partikel ini membawa medan magnet yang menimbulkan radiasi elektromagnetik dalam jumlah besar atau badai magnetik. Badai magnetik ini memengaruhi medan magnet antarplanet dan magnet Bumi.

Jika partikel berenergi tinggi dari ledakan Matahari mengarah ke Bumi, ia akan sampai ke Bumi dalam waktu 1–2 hari sejak terjadinya ledakan. Adapun radiasi elektromagnetiknya, antara lain, sinar X dan sinar gamma, akan tiba dalam waktu 8 menit di Bumi. Untuk partikel bermuatan yang dihasilkan lontaran material korona akan tiba di Bumi dalam waktu 1–3 hari. Ketika tiba di Bumi, partikel bermuatan dan berenergi tinggi itu akan berinteraksi dengan medan magnetik Bumi. Partikeli ini akan diarahkan oleh medan magnet Bumi untuk bergerak sesuai garis medan magnet Bumi menuju Kutub Utara atau Kutub Selatan magnet Bumi, yang letaknya di dekat Kutub Utara dan Kutub Selatan Bumi. Ketika partikel berenergi itu berbenturan dengan partikel di atmosfer Bumi, maka partikel udara, khususnya nitrogen, akan terionisasi. Ionisasi partikel ini mewujud dalam garis cahaya warna-warni di langit yang disebut aurora yang hanya bisa dinikmati oleh penduduk di dekat kutub Bumi.

2. Gerhana matahari

Penelitian yang dilakukan oleh divisi Geomagnet Pusat Sains Antariksa, Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (Lapan) menunjukkan bahwa gerhana matahari juga turut mempengaruhi geomagnet bumi.

Sinar matahari yang terhalang Bulan menyebabkan proses ionisasi di lapisan ionosfer Bumi akan menurun. Berkurangnya ionisasi membuat arus di ionosfer ikut berubah. Ionosfer adalah atmosfer bagian atas yang berisi ion-ion positif dan elektron yang diperoleh dari proses ionisasi oleh sinar ultraviolet Matahari. Sehari-hari, saat pancaran radiasi Matahari maksimum,terbentuk empat lapisan ionosfer. Lapisan itu, dari yang paling tinggi ke paling rendah, adalah F2, F1, E, dan D. Gangguan arus biasanya terjadi pada lapisan E di ketinggian 90–140 kilometer. Karena tertutup Bulan, sinar ultraviolet tak menjangkau atmosfer Bumi sehingga proses ionisasi tak terjadi. Perubahan arus itu bisa memengaruhi variasi harian geomagnet Bumi.

Elvis V Onovughe dalam ”Geomagnetic Diurnal Variation During theTotal Solar Eclipse of 29 March 2006” di International Journal ofAstronomy, 2013, menyebut perubahan arus di ionosfer selama gerhana matahari dipicu faktor lain, seperti tingkat aktivitas Matahari,tingkat gangguan geomagnetik, kondisi geofisika, dan waktu terjadinya gerhana.