Miracle of Aurora มหัศจรรย์แสงออโรรา

Miracle of Auroraมหัศจรรย์แสงออโรรา

ในปี 1896 ความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับแสงออโรรามาจากนักวิทยาศาสตร์ชาวนอร์เวย์ Kristian Birkeland (1867-1917)  โดยเขาเสนอว่าแสงออโรราเกิดจากอนุภาคมีประจุไฟฟ้าจากดวงอาทิตย์ถูกสนามแม่เหล็กโลกดึงมันเข้าสู่บริเวณขั้วโลก จริงๆแล้วเขาไม่ใช่คนแรกที่เสนอทฤษฎีเกี่ยวกับอนุภาคจากดวงอาทิตย์ แต่ผลงานของเขาโดดเด่นเนื่องจากเขาสามารถทำการทดลองในเรื่องนี้ได้

Kristian Birkeland เป็นนักวิทยาศาสตร์ที่มีความสามารถมาก นอกจากผลงานเรื่องการอธิบายปรากฏการณ์แสงออโรรา เขายังคิดค้นปืนไฟฟ้าแบบ Coilgun หรือที่เรียกกันว่าปืนขดลวด อีกทั้งยังคิดค้นกระบวนการตรึงไนโตรเจนจากอากาศ ที่เรียกว่า Birkeland–Eyde process ซึ่งเป็นหนึ่งในกระบวนการผลิตปุ๋ยไนโตรเจน

ในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับออโรรา เขาสร้าง “โลกจำลองในกล่องแก้ว” ซึ่งทั้งหมดนี้เรียกว่า terrella ลักษณะการทดลองคือกล่องแก้วสุญญกาศที่ภายในคือทรงกลมเหล็กที่ถูกทำให้มีสภาพแม่เหล็ก ทรงกลมเหล็กนี้เองคือ โลก ซึ่งถูกชนด้วยอิเล็กตรอนจำนวนมากที่อยู่ในกล่องสุญญกาศนั้นผลลัพธ์คือเกิดแสงเหมือนแสงออโรราที่ทรงกลมเหล็ก

as20130731_1_04

จากการที่สนามแม่เหล็กโลกแผ่ออกไปรอบๆและปรากฏการณ์แสงออโรราที่เกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอ ทำให้เขาสรุปได้ว่า อนุภาคมีประจุที่เข้ามายังโลกมาจากดวงอาทิตย์ แถมพุ่งเข้ามาชนโลกเราอย่างต่อเนื่องด้วย ปัจจุบันเราเรียกอนุภาคมีประจุเหล่านี้ว่า ลมสุริยะ (Solar wind) อย่างไรก็ตามกว่าทฤษฎีของเขาจะถูกยืนยันอย่างชัดเจนก็ต้องรอจนถึงยุคที่มนุษย์เราไปอวกาศได้ ซึ่งทุกวันนี้นักวิทยาศาสตร์สามารถไขปริศนาเกี่ยวกับแสงออโรราได้มากมาย

ออโรราเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เกิดบริเวณประเทศแถบขั้วโลกทั้งเหนือและใต้ โดยมีลักษณะของแสงเป็นสีสันสวยงามและมีรูปร่างแปรเปลี่ยนแตกต่างกันไปอย่างรวดเร็ว รูปร่างที่เห็นโดยทั่วไปอย่างหนึ่งคือ แสงมีลักษณะเหมือนผ้าม่านที่พลิ้วไหวไปมาเหมือนผ้าไหมเรืองแสงบนท้องฟ้า

as20130731_1_05

ลมสุริยะคืออนุภาคมีประจุไฟฟ้าที่พุ่งออกมาจากดวงอาทิตย์ได้แก่ โปรตอนและอิเล็กตรอน ซึ่งอนุภาคเหล่านี้เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วราวๆ 1.5 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง (ประมาณ 40 เท่าของความเร็วที่ยานอวกาศต้องใช้ในการหลุดจากแรงโน้มถ่วงโลก ) ซึ่งกระแสลมส่วนที่เร็วมากๆอาจเร็วมากกว่านี้ถึง 2 เท่าทีเดียว กระแสลมดังกล่าวบางทีก็ถูกเสริมความเร็วได้นะครับ จากพวยก๊าซขนาดใหญ่ที่ระเบิดบนดวงอาทิตย์ที่เรียกว่า coronal mass ejection (CME)  เป็นรูปพวยก๊าซขนาดใหญ่ที่ออกมาจากดวงอาทิตย์

แต่โลกเรามีสนามแม่เหล็กที่มองไม่เห็นคอยปกป้องเราจากอนุภาคเหล่านี้ ลมสุริยะพัดกระหน่ำลงบน magnetosphere ของโลกซึ่งเป็นบริเวณในอวกาศที่อนุภาคมีประจุไฟฟ้าได้รับอิทธิพลจากสนามแม่เหล็กโลกอย่างเต็มที่ ซึ่งส่วนที่อ่อนแอที่สุดก็คือบริเวณขั้วแม่เหล็กโลกทั้งสองขั้วนั่นเอง อนุภาคที่สามารถเข้าสู่ชั้นบรรยากาศด้านบนของโลกได้โดยตรงจะทำให้เกิดแสงออโรราในตอนกลางวัน อนุภาคบางส่วนเคลื่อนเข้ามาทางส่วนหางของสนามแม่เหล็กโลก ซึ่งอยู่ฝั่งกลางคืนแล้วถูกผลักกลับเข้ามาทำให้เกิดแสงออโรรารอบๆขั้วแม่เหล็กโลก

ถ้า CME รุนแรงมากสามารถทำให้เกิดปรากฏการณ์ พายุแม่เหล็กโลก (Geomagnetic storm) คือการที่สนามแม่เหล็กโลกถูกรบกวนโดยลมสุริยะที่รุนแรงขึ้นรวมทั้งสนามแม่เหล็กของลมสุริยะเองทำให้สนามแม่เหล็กโลกมีพลังงานสูงขึ้น ส่งผลให้เข็มทิศบนโลกอาจเบนออกจากทิศเหนือได้

เราสามารถมองว่าสนามแม่เหล็กของลมสุริยะนั้นเป็นสนามแม่เหล็กส่วนที่แผ่ออกมาจากดวงอาทิตย์เพิ่มเติมซึ่งเรียกว่า interplanetary magnetic field (IMF) และเนื่องจากการหมุนรอบตัวเองของดวงอาทิตย์ (ดวงอาทิตย์ก็หมุนรอบตัวเอง โดยแต่ละตำแหน่งมีอัตราการหมุนเร็วไม่เท่ากัน ที่เส้นศูนย์สูตรดวงอาทิตย์หมุนครบรอบภายใน 25 วัน) ทำให้ IMF มีลักษณะเป็นเกลียวก้นหอย เรียกว่า Parker spiral โดยดวงอาทิตย์อยู่ที่ศูนย์กลางของก้นหอย ชื่อก้นหอยถูกตั้งชื่อตาม ยูจีน ปาร์กเกอร์ (Eugene Parker เกิดปี 1927) นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันผู้ศึกษาเรื่องนี้

จุดที่สนามแม่เหล็กโลกกับดวงอาทิตย์เกิดเป็นเหมือนรอยต่อของสนามแม่เหล็กโลกและสนามแม่เหล็กของลมสุริยะ ที่นั่นความดันของทั้งสองสนามนี้เท่ากันพอดีเรียกว่า Magnetopause ซึ่งมีการเลื่อนตำแหน่งไปมาเนื่องจากสนามแม่เหล็กของลมสุริยะที่เปลี่ยนแปลงความแรงอยู่ตลอดนั่นเอง แสดงบริเวณของ Magnetopause

สนามแม่เหล็กโลกฝั่งกลางวันจะชี้ไปทางทิศเหนือเสมอ แต่ IMF นั้นเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาอาจจะชี้ไปในทิศทางเดียวกันหรือตรงข้ามก็ได้ ถ้า IMF ชี้ไปทางทิศเหนือเช่นเดียวกับสนามแม่เหล็กโลก สองสนามนี้จะผลักกันไม่รุนแรงนักเหมือนแท่งแม่เหล็กสองแท่งผลักกัน ดังนั้นลมสุริยะจึงถูกผลักให้เคลื่อนไปรอบๆ magnetosphere

แต่ถ้า IMF ชี้ไปทางทิศใต้ สนามแม่เหล็กจะเกิดการเชื่อมต่อกันเรียกว่า magnetic reconnection เกิดขึ้นเมื่อเส้นแรงแม่เหล็กรวมกันจนเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปแบบไป ทำให้เกิดการปลดปล่อยความร้อนและพลังงานออกมา เนื่องจากปรากฏการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้นในฝั่งกลางวันทำให้อนุภาคมีประจุต่างๆรวมทั้งพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาเข้าสู่ magnetosphere จากนั้นพลังงานและอนุภาคจะวิ่งไปสู่ฝั่งกลางคืนทำให้สนามแม่เหล็กฝั่งกลางคืนเปลี่ยนแปลงรูปร่างและส่งผลให้อนุภาคมีประจุเหล่านั้นถูกส่งเข้าสู่ขั้วโลก เมื่ออนุภาคเข้าสู่ขั้วโลกจะถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่มีลักษณะเป็นแผ่นเหนือชั้นบรรยากาศโลก จากนั้นจึงเข้าสู่บรรยากาศโลกชั้นในด้วยความเร็วสูง ลักษณะการเกิดแสงออโรรานั้นคล้ายๆกับหลอดคาโทดในโทรทัศน์ สายไฟนำอิเล็กตรอน(สนามแม่เหล็กโลก)มาสู่ปืนยิงอิเล็กตรอน(สนามไฟฟ้าเหนือชั้นบรรยากาศ)ซึ่งจะยิงอิเล็กตรอนเข้าสู่ฉากบนโทรทัศน์(ชั้นบรรยากาศ) จนเกิดเป็นภาพที่เราเห็น

อนุภาคมีประจุไฟฟ้าที่เข้ามาสู่โลกจะชนกับอะตอมหลักๆก็คืออะตอมของไนโตรเจนและออกซิเจน ที่ความสูงราวๆ 80-300กิโลเมตร สูงเหนือปรากฏการณ์ลมฟ้าอากาศทั้งปวง การชนดังกล่าวส่งพลังงานให้สู่อะตอมเหล่านั้นทำให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานออกมา

อะตอมของออกซิเจนปลดปล่อยแสงสีเขียว และสีแดงสว่าง ซึ่งเป็นสีสองสีที่โดดเด่นของแสงออโรรา อะตอมออกซิเจนปล่อยสีแดงออกมีที่ความสูงมากๆ ดังนั้นออโรราในตำแหน่งสูงๆจึงเป็นสีแดง ส่วนอะตอมของไนโตรเจนปล่อยแสงสีฟ้าและสีแดงเข้ม

สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่เข้าใจดีนักก็คือทำไมออโรราจึงมีรูปร่างหน้าตาอย่างที่เป็นอยู่ ออโรราที่เป็นเหมือนผ้าม่านนั้นเราพออธิบายได้ เนื่องจากอนุภาคมีประจุไฟฟ้าถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้าที่มีลักษณะเป็นแผ่นทำให้เกิดแสงที่มีลักษณะเป็นแผ่นเหมือนผ้าม่านที่มีความกว้างเป็นสิบกิโลเมตรทีเดียว ส่วนความยาวของมันอาจสัมพันธ์อยู่กับความเปลี่ยนแปลงของ magnetosphere

แต่ลักษณะอื่นๆนั้นยังคงเป็นปริศนาให้ศึกษากันต่อไป

ที่มา Narit.or.th

ผู้ชม [1630] คน

Comments

Miracle of Aurora มหัศจรรย์แสงออโรรา

มิติที่4
About The Author
- ผู้หลงไหลในความลี้ลับของจักวาล จุดกำเนิดของเอกภพ ปริศนามนุษต่างดาว การเดินทางข้ามเวลา และทฤษฎีสัมพัทธภาพ ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ขอบคุณทุกท่านที่ติดตามครับ