Apabila pulang ke Malaysia, setelah diterima sebagai tenaga pengajar di sebuah universiti awam di utara Malaysia, saya menyedari yang kepakaran dan fasiliti dalam bidang angkasa lepas sangat terhad, tambahan dengan kekangan teknologi dan sokongan industri membuatkan industri satelit di negara ini tidak berkembang dengan pesat. Jadi, ketika memilih untuk melanjutkan pelajaran di peringkat PhD, saya memilih untuk mengukuhkan asas ilmu di dalam bidang fizik, tetapi tetap berkaitan dengan persekitaran angkasa lepas. Saya memilih untuk mengkaji dengan lebih mendalam tentang langit atau dalam bahasa saintifiknya, lapisan atmosfera dan sekarang bidang yang ditekuni adalah pemodelan gelombang elektromagnetik untuk mengesan gangguan di lapisan ionosfera di Malaysia dan Sumatera.
Ayat di dalam surah Ali Imran 190-191, Sesungguhnya dalam penciptaan langit dan bumi, dan silih bergantinya malam dan siang terdapat tanda-tanda bagi orang-orang yang berakal, (yaitu) orang-orang yang mengingat Allah sambil berdiri atau duduk atau dalam keadan berbaring dan mereka memikirkan tentang penciptaan langit dan bumi (seraya berkata): Ya Tuhan Kami, Tiadalah Engkau menciptakan ini dengan sia-sia, Maha suci Engkau, Maka peliharalah Kami dari siksa neraka akan lebih meyakinkan kita bahawa langit itu bukan sekadar bumbung sahaja. Birunya ada sebab, ketebalannya pun bersebab. Awan, hujan, angin, kilat dan guruh datangnya juga bersebab. Bintangbintang bukan sekadar hiasan malam dan matahari bukan sekadar penyuluh dan pemberi tenaga. Ada banyak rahsia di sebalik keajaiban alam yang menunggu untuk disingkapi, diselidik, difahami dan digunakan dengan sewajarnya. Jika diteliti sedalamnya, ayat ini sungguh bermakna dan merujuk kepada beberapa sistem dalam kehidupan kita. Rahsia-rahsia yang tersembunyi di sebalik untaian ayat-ayat al-Quran sungguhnya memberi inspirasi untuk terus belajar dan mengkaji tentang penciptaan langit.
Persekitaran bumi yang dikenali sebagai biosfera terdiri daripada 3 sistem utama, iaitu atmosfera, hidrosfera dan litosfera. Atmos berasal daripada Bahasa Greek, dan bermaksud gas manakala atmosfera pula merujuk kepada lapisan gas yang menyelubungi bumi dalam bentuk sfera. Hidrosfera pula merujuk kepada lautan yang melingkupi 70% daripada permukaan bumi. Sistem hidrosfera inilah yang menjaga keseimbangan kandungan air di planet bumi. Kandungan air di planet bumi pada jutaan tahun yang lepas, hari ini dan ratusan tahun yang akan datang tetap sama jika manusia tidak mengubah sistem keseimbangan bumi, iaitu sebanyak 1,386,000,000 km atau jika ia dalam bentuk bulatan, bulatan air ini mempunyai diameter sebanyak 1,385 km, iaitu lebih kurang 9 kali ganda lebih kecil berbanding diameter bumi. Lito pula bermaksud batu dalam Bahasa Greek dan litosfera bermaksud sfera batuan merujuk kepada daratan bumi yang dipenuhi dengan gunung, bukit, lembah, hutan dan segala yang berada di daratan. Ketiga-tiga sistem ini membentuk ekosistem yang saling bergantungan antara satu sama lain sehingga jika berlaku gangguan dalam salah satu sistem ini, kemungkinan seluruh bumi akan terjejas.
Apabila menulis tentang perkaitan di antara bumi dan langit, banyak rahsia yang belum diterokai walaupun pelbagai bidang di antara dua sistem ini dikaji saban hari. Lapisan atmosfera kita sangat unik dan misteri. Lapisan ini mengandungi 78% nitrogen, 21% oksigen, 0.03% karbon dioksida dan 1% gas nadir. Peratusan gas di dalam udara ini ketika zaman pra-sejarah dan zaman batu adalah tidak sama. Ia bergantung kepada peratusan bumi yang dilitupi hutan pada ketika itu dan juga aktiviti gunung berapi. Sehingga zaman moden ini, peratusan ini seolah sudah mencapai kestabilan dan tidak berubah. Angka 78% dan 21% itu siapakah yang menentukan ia amat sesuai untuk kehidupan manusia
Terdapat lima lapisan atmosfera bermula dengan lapisan troposfera dari 0 km sehingga lapisan exosfera di 10,000 km dari aras laut. Rajah 1 menunjukkan kedudukan lapisanlapisan ini dari aras laut dan ketinggian setiap lapisan. Lapisan atmosfera ini dikategorikan dengan nama yang berbeza bergantung kepada ciri-ciri lapisan dari segi suhu, tekanan udara, ketumpatan elektron dan kadar kelembapan.
Rajah 1 Lapisan atmosfera yang dibahagikan kepada 5 bahagian
Lapisan pertama, troposfera di mana di lapisan ini terbentuknya cuaca seperti hujan, ribut, kilat dan guruh. Kapal terbang komersil dan belon panas bergerak menggunakan medium lapisan ini kerana ketumpatan udaranya yang masih tinggi. Ketinggian Gunung Everest, iaitu 8.8 km masih di berada di lapisan troposfera walaupun apabila berada di puncaknya, kita mungkin memerlukan tangki oksigen untuk bantuan pernafasan. Awan membawa hujan yang terbentuk di dalam lapisan ini juga sebenarnya. Pada ketinggian 1-3 km dari permukaan laut dan setiap kali cuaca hampir hujan, kita akan melihat awan-awan ini seolah sangat dekat dengan bumbung rumah. Lapisan seterusnya iaitu stratosfera (20-50 km) mempunyai ketumpatan udara yang lebih tipis, digunakan oleh jet pejuang dan belon beraltitud tinggi sebagai medium pergerakan. Di dalam lapisan ini, pada ketinggian bermula 17 km sehingga 50 km, terletaknya lapisan ozon yang mengandungi 3 atom oksigen. Pada ketinggian stratosfera, ozon ini dikenali sebagai ozon baik kerana berfungsi menyerap sinaran ultra ungu dari matahari dan mengurangkan risiko pendedahan sinaran tersebut kepada hidupan di bumi. Lapisan ozon ini akan terjejas (samada musnah dan berkurang) kerana bahan kimia dari industri seperti klorofluorokarbon (CFC) yang digunakan sebagai ejen penyejuk di dalam peti ais, gas Halon yang digunakan di dalam pemadam kebakaran, methyl chlorofoam yang digunakan di dalam proses kimia dan bahan aerosol dan karbon tetrakrolida yang digunakan di dalam bahan pelarut. Jika lapisan ozon ini tidak wujud atau musnah atau berkurang, pertama ia akan memudaratkan kesihatan manusia. Radiasi yang tidak ditapis dari matahari akan menyebabkan kanser kulit, selaran matahari, katarak dan kebutaan, dan kekurangtahanan terhadap penyakit. Kedua, radiasi matahari yang berlebihan akan memberi kesan terhadap pertanian, perhutanan dan kawalan ekosistem semulajadi kerana banyak tumbuhan tidak boleh bertahan di bawah radiasi tinggi. Ketiga, kebanyakan plankton tidak akan hidup di bawah radiasi matahari yang tinggi dan akan menyebabkan rantaian makanan hidupan marin akan terjejas dan seterusnya menyebabkan industri perikanan terjejas teruk. Akhir sekali, kesan radiasi terhadap haiwan akan menggangu keseimbangan ekosistem dan rantaian makanan yang akan menjejaskan manusia juga (B.C Air Quality, 2016). Manakala, ozon di lapisan yang lebih rendah daripada stratosfera dikenali sebagai ozon jahat kerana sangat reaktif dengan molekul persekitaran di kawasan berhampiran permukaan bumi dan bersifat toksin. Keadaan ini dilaporkan memberi kesan buruk kepada hasil tanaman, perkembangan hutan dan kesihatan manusia (Gleason K, 2008).
Lapisan di atas stratospfera dipanggil mesosfera. Lapisan ini berada di ketinggian 50 hingga 90 km. Saintis dan pengkaji alam mempunyai maklumat yang agak terhad mengenai lapisan ini. Kedudukan mesosfera agak tinggi untuk belon beraltitud tinggi dan pesawat, dan sangat rendah untuk satelit di orbit rendah. Kajian mengenai mesosfera mungkin boleh dicapai dengan menghantar instrumen menggunakan roket, tetapi jangka masa roket berada di lapisan ini sangat singkat (Ishisaka, Okada et al. 2005). Selain daripada itu, kajian mengenai lapisan ini cuma bergantung kepada radar bumi yang terdiri daripada penerima GPS, radiosonde atau ionosonde yang memancarkan gelombang radio sehingga ke rangkaian satelit GPS dan ia bergantung kepada stesen bumi yang mempunyai kelengkapan dan berfungsi sahaja. Lapisan ini hanya wujud pada siang dan udara di lapisan ini masih tumpat walaupun agak jauh dari permukaan bumi. Ion dan elektron di dalam lapisan ini boleh bergabung dengan cepat membentuk ionisasi, tetapi pada waktu malam di mana tiada lagi sinaran matahari, paras elektron akan berkurangan dan lapisan mesosfera akan menghilang. Oleh kerana ketumpatan udaranya masih tinggi, satelit tidak sesuai berada di ketinggian mesosfera kerana akan mengakibatkan kesan geseran yang sangat maksimum. Kesan geseran kapal angkasa atau spacecraft drag ini terjadi kerana di lapisan ini ketumpatan udara di dalam partikel air dan gas atmosfera (oksigen, nitrogen dan sebagainya) masih tinggi. Pelanggaran dengan molekul-molekul gas ini boleh menyebabkan satelit terkeluar dari orbitnya sedikit demi sedikit.
Lapisan seterusnya adalah lapisan yang menjadi bidang kajian saya, iaitu lapisan ionosfera. Lapisan ini berada di ketinggian 90 hingga 2,000 km. Mengikut pendapat ramai saintis, angkasa lepas bermula pada 100 km dari permukaan bumi iaitu bermula dari lapisan ini. Lapisan ini terbahagi kepada tiga bahagian iaitu lapisan E, lapisan E2 dan lapisan F. Lapisan-lapisan ini dibahagikan mengikut kadar ketumpatan ion dan elektron yang terbentuk dengan aktifnya pada ketinggian tersebut. Lapisan E bermula dari 90 km sehingga 120 km dan mempunyai ketumpatan udara yang sangat rendah. Ion dan elektron yang terdiri daripda O, N2 dan O2 juga bergabung dengan cepat di lapisan ini. Ia menyebabkan lapisan ini semakin menipis pada waktu malam. Tetapi oleh kerana ketumpatan elektronnya masih agak tinggi walaupun tiada sinar matahari, data elektron daripada lapisan E ini masih relevan walaupun ketika waktu malam. Apa yang menarik mengenai lapisan ionosfera ini adalah oleh kerana ketumpatan ion yang sangat tinggi, pada ketinggian tertentu, lapisan ini akan membalikkan gelombang radio pada frekuensi tertentu. Lapisan E pada ketinggian 120 km akan membalikkan gelombang radio yang lebih rendah daripada 20 MHz. Frekuensi di antara 20 hingga 1,000 MHz akan terbias keluar dan frekuensi melebih 1 GHz akan bergerak melepasi lapisan tersebut.
Sifat-sifat fizik dan kimia lapisan ionosfera ini sangat penting dalam kajian mengenai gelombang radio dan gelombang elektromagnetik. Pembalikan isyarat daripada lapisan ionosfera menyebabkan penyebaran gelombang kembali ke bumi dan telah memungkinkan perhubungan radio jarak jauh di antara beberapa benua di bumi ini. Apabila membincangkan tentang penyebaran gelombang, perkara yang paling penting yang perlu diketahui adalah spektrum elektromagnetik yang diukur melalui beberapa frekuensi tertentu iaitu bermula daripada 1 Hz - 30 KHz yang dipanggil sebgaai ELF (Extra Low Frequency) sehingga kepada 30-300 GHz yang dikenali sebagai Extra High Frequency (EHF). Apa yang menarik mengenai penyebaran gelombang eletromagnetik di lapisan ionosfera ini adalah gelombanggelombang ini sentiasa mendapat gangguan daripada persekitaran angkasa lepas seperti sinaran galaktik kosmik, radiasi solar dan radiasi planet. Gangguan gelombang eletromagnetik juga berpunca daripada aktiviti bumi contohnya seperti berlakunya kilat di lapisan stratosfera dan gangguan yang berpunca daripada aktiviti yang berlaku di litosfera (Hayakawa, Hattori et al. 2004).
Kajian mengenai gangguan yang berlaku di ionosfera ini membawa kepada beberapa penemuan seperti hubungkait antara aktiviti gempa bumi/gunung berapi dengan gangguan di ionosfera dan berkemungkinan kepada pengesanan gempa bumi di peringkat awal. Kajian mengenai hubungkait di antara gempa bumi dan gangguan ionosfera sebenarnya sudah bermula sejak 1964 ketika berlakunya gempa bumi Great Alaska. Sehingga kini, kajian mengenai fenomena ini dapat mengesan gangguan di frekuensi VLF beberapa hari sebelum kejadian gempa bumi besar yang berskala Richter melebih magnitud 7. Kajian daripada sekumpulan penyelidik dari Universiti Kebangsaan Malaysia juga menunjukkan gangguan ionosfera sudah mula dikesan bermula dari hari keenam sebelum berlakunya gempa bumi dan tsunami di Aceh pada 2004 (Hasbi, Mohd Ali et al. 2011). Mereka menggunakan penerima GPS dan data satelit daripada stesen bumi untuk melihat gangguan kepada Total Electron Content (TEC) pada frekuensi ELF.
Cuba bayangkan jika teknologi pengesan gempa bumi ini sudah matang dan digunakan di negara-negara yang berada di Lingkaran Gunung Berapi Pasifik dan negara sekitarnya.
Kita tidak mampu untuk menahan gempa bumi dan tsunami daripada terjadi, tetapi amaran awal tentang gempa bumi akan dapat mengurangkan kehilangan nyawa dan harta benda kerana langkah-langkah pencegahan boleh diambil dengan lebih awal. Walaubagaimanapun, data-data mengenai kaitan di antara gempa bumi dan gangguan di ionosfera masih lagi perlu dikumpul dan teknologi pengesanan masih juga perlu dibangunkan. Jika Malaysia mampu untuk mempunyai satelit sendiri yang berfungsi sepenuhnya dan dapat membekalkan data tentang ionosfera bumi terutamanya di kawasan Asia Tenggara, ia akan dapat membantu penyelidikan ini untuk terus berkembang di bumi Malaysia.
Manakala di ketinggian bermula 300 km sehingga 30,000 km terletaknya stesen bumi dan satelit-satelit yang mengorbit bumi. Lapisan ini sudah tiada udara dan hampir vakum dan sangat sesuai untuk satelit bumi kerana kurangnya kesan geseran udara. Ketinggian ini juga untuk mengurangkan kesan tarikan graviti bumi yang boleh menyebabkan satelit terkeluar daripada orbit sedikit demi sedikit.
Setiap hari, pembacaan mengenai langit ini akan sentiasa mengagumkan kepada sesiapa yang ingin berfikir. Bermula dari lapisan troposfera yang menentukan cuaca bumi sehinggalah lapisan paling luar iaitu magnetosfera. Jika tiada magnetosfera dan lingkaran radiasi Van Allen di lapisan ini, bumi akan terbakar kerana kepanasan cahaya matahari dan ribut solar yang berlaku boleh membuatkan bumi terkeluar daripada orbitnya kerana tekanan radiasi yang sangat tinggi. Satu bab lain diperlukan untuk menerangkan tentang kejadian ini dan seperti penciptaan lapisan atmosfera yang lain, magnetosfera juga menyimpan keajaiban dan misteri dalam penciptaannya.
Kajian tentang langit dan bumi ini saban hari akan semakin mendekatkan kita kepada Yang Maha Pencipta dengan kesempurnaan binaannya yang tiada cacat cela walau semeter dan ketepatan masa yang tidak pernah lari walau sesaat. Sains dan teknologi ini dijadikan alat untuk meningkatkan keimanan kerana iman itu bergantung kepada bukti dan sains dijadikan alat untuk mencari bukti. Demi masa depan kita dan zuriat kita, bumi ini perlu terus dipelihara. Akhir kata, persoalan tentang setinggi manakah langit masih lagi belum terjawab dan ini bermakna pendakian dalam pencarian ini masih belum berakhir.
Biodata
Penulis berasal dari Pasir Mas, Kelantan, lahir pada 31 Ogos 1981. Melanjutkan pelajaran ke Universiti Tokai, Jepun dalam bidang kejuruteraan angkasalepas. Selepas bekerja selama 1 tahun di Hitachi (M) Sdn Bhd, penulis melanjutkan pelajaran ke peringkat sarjana di Technical University Munich, Jerman dan Polytechnic University of Madrid, Sepanyol dalam bidang teknologi angkasa lepas dengan biasiswa daripada Kesatuan Eropah dan Kementerian Pengajian Tinggi. Tamat pengajian penulis kembali berkhidmat di Pusat Pengajian Kejuruteraan Aeroangkasa, Universiti Sains Malaysia (USM) selama 3 tahun sebelum melanjutkan pengajian ke peringkat PhD di Pusat Pengajian Fizik, USM sehingga sekarang. Bidang penyelidikan yang di jalankan adalah mengenai permodelan gelombang eletromagnetik di lapisan ionosfera. Selain daripada itu, penulis juga terlibat sebagai saintis di dalam projek pembangunan satelit kiub USM yang membawa misi saintifik mengenai kajian lapisan ionosfera. Penulis gemar berkebun dan merekacipta grafik ketika masa lapang.
Rujukan
The Impacts of Ozone Depletion. British Columbia. British Columbia, n.d. Web. 25 Mar. 2016.
Gleason, K. (2008, March 20). Science - Ozone Basics.
Retrieved November 16, 2015, from http://www. ozonelayer.noaa.gov/science/basics.htm
Hasbi, A. M., M. A. Mohd Ali, et al. (2011). Ionospheric variations before some large earthquakes over Sumatra. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 11(2): 597-611.
Hayakawa, M., K. Hattori, et al. (2004). Natural electromagnetic phenomena and electromagnetic theory: a review. A 124(1): 72-79.
Ishisaka, K., T. Okada, et al. (2005). Investigation of electron density profile in the lower ionosphere by SRP-4 rocket experiment. Earth, planets and space 57(9): 879884.
