วันอังคาร, 24 มีนาคม 2558 17:48 by Physic05

Aurora Polaris: ปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์

ออโรรา (Aurora) เป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติทางฟิสิกส์ที่น่าทึ่งที่สุดที่เกิดขึ้นในอวกาศที่ใกล้พื้นโลก มักเกิดขึ้นบริเวณประเทศแถบขั้วโลกทั้งเหนือและใต้ จึงมีชื่อเรียกว่า "Aurora Polaris" แปลว่า "แสงขั้วโลก" หรือ “แสงเหนือและแสงใต้”  โดยมีลักษณะเป็นแสงเรืองบนท้องฟ้าในเวลากลางคืน มีสีสันสวยงาม และมีรูปร่างแปรเปลี่ยนแตกต่างกันไปอย่างรวดเร็ว รูปร่างที่เห็นโดยทั่วไป คือ แสงมีลักษณะเหมือนผ้าม่านที่พลิ้วไหวไปมาเหมือนผ้าไหมเรืองแสงบนท้องฟ้า

ปรากฏนี้เกิดจากสิ่งจางๆ เป็นวงนิ่ง แล้วระเบิดออกมาเป็นสีต่าง ๆ พุ่งกระจายภายในเวลาไม่กี่วินาที บางครั้งจะปรากฏเหมือนมันจะแตะกับพื้น หรือในเวลาอื่นอาจเห็นมันพุ่งสูงขึ้นสู่ท้องฟ้า แต่ความจริงแล้ว แสงออโรรานั้นเกิดขึ้นที่ความสูงจากพื้นโลก (altitudes) ประมาณ 100 ถึง 200 กิโลเมตร บริเวณที่อยู่บริเวณบรรยากาศชั้นบนที่อยู่ใกล้กับอวกาศ

บริเวณที่เกิดออโรราจะเป็นบริเวณรูปไข่ (Oval-shape region) รอบๆ ขั้วแม่เหล็กของโลก โดยรูปไข่จะเบ้ไปทางด้านกลางคืนของโลก เมื่อออโรราสงบ รูปไข่จะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3,000 กิโลเมตร แต่เมื่อเกิดออโรรารุนแรงขึ้น รูปไข่จะกว้างขึ้นกว่า 4000 หรือ 5000 กิโลเมตร เนื่องจากขั้วแม่เหล็กเหนือของโลกอยู่ทางตอนเหนือของแคนาดา ออโรรา โบเรลลีส (Aurora Borealis) จึงพบมากที่เส้นรุ้ง (Latitude) ที่มีประชากรอาศัยมากในซีกโลก (hemisphere) ตะวันตก ส่วนออโรราออลเตรลีส (Aurora Australis) สามารถมองเห็นได้จากเกาะทัชมาเนีย (Tasmania) และทางตอนใต้ของนิวซีแลนด์

ปรากฏการณ์ออโรรานั้น จึงเกิดจากอนุภาคมีพลังงานเคลื่อนที่ตามเส้นสนามแม่เหล็กมาจากเมกนีโตเทล (Magnetotail) มาสู่บรรยากาศชั้นบน อนุภาคส่วนใหญ่ คือ อิเล็กตรอน แต่โปรตอนและไอออนอื่น ก็อาจพบได้ เมื่ออนุภาคมีประจุ (Charged Particles) พุ่งมาจาก แมกนีโทสเฟียร์ (Magnetosphere) มาสู่บรรยากาศชั้นบนจะเกิดการชนกับก๊าซ การชนดังกล่าวส่งพลังงานให้สู่อะตอมหลักๆก็คืออะตอมของไนโตรเจนและออกซิเจนทำให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานออกมา การชนดังกล่าวส่งพลังงานให้สู่อะตอมหลักๆก็คืออะตอมของไนโตรเจนและออกซิเจนทำให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานออกมา โดยอะตอมของออกซิเจนปลดปล่อยแสงสีเขียวเข้ม เกิดที่ความสูง (Altitudes) ที่ 120 ถึง 180 กิโลเมตร แสงเหนือสีแดงปรากฏที่ความสูงที่สูงกว่าสีเขียว ส่วนอะตอมของไนโตรเจนปล่อยส่วนสีฟ้า และม่วงปรากฏที่ความสูงต่ำกว่า 120 กิโลเมตร

ในปี 1896 นักวิทยาศาสตร์ชาวนอร์เวย์  Kristian Birkeland  ได้ศึกษาและความเข้าใจเกี่ยวกับปรากฏการณ์แสงออโรรา และได้อธิบายว่าแสงออโรราเกิดจากอนุภาคมีประจุไฟฟ้าจากดวงอาทิตย์ถูกสนามแม่เหล็กโลกดึงมันเข้าสู่บริเวณขั้วโลก

โดยเขาได้สร้าง “โลกจำลองในกล่องแก้ว” ซึ่งทั้งหมดนี้เรียกว่า terrella ลักษณะการทดลอง คือ กล่องแก้วสุญญากาศที่ภายในคือทรงกลมเหล็กที่ถูกทำให้มีสภาพแม่เหล็ก ทรงกลมเหล็กนี้ คือ โลก ซึ่งถูกชนด้วยอิเล็กตรอนจำนวนมากที่อยู่ในกล่องสุญญากาศ  ซึ่งได้ผลลัพธ์คือเกิดแสงเหมือนแสงออโรราที่ทรงกลมเหล็ก

จากการที่สนามแม่เหล็กโลกแผ่ออกไปรอบๆและปรากฏการณ์แสงออโรราที่เกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอ ทำให้เขาสรุปได้ว่า อนุภาคมีประจุที่เข้ามายังโลกมาจากดวงอาทิตย์ แถมพุ่งเข้ามาชนโลกเราอย่างต่อเนื่องด้วย ปัจจุบันเราเรียกอนุภาคมีประจุเหล่านี้ว่า ลมสุริยะ (Solar wind)

ลมสุริยะ คืออนุภาคมีประจุไฟฟ้าที่พุ่งออกมาจากดวงอาทิตย์ ได้แก่ โปรตอนและอิเล็กตรอน ซึ่งอนุภาคเหล่านี้เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วราวๆ 1.5 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง (ประมาณ 40 เท่าของความเร็วที่ยานอวกาศต้องใช้ในการหลุดจากแรงโน้มถ่วงโลก) ซึ่งกระแสลมส่วนที่เร็วมากๆอาจเร็วมากกว่านี้ถึง 2 เท่า  จากพวยก๊าซขนาดใหญ่ที่ระเบิดบนดวงอาทิตย์ที่เรียกว่า  coronal mass ejection (CME)  เป็นพวยก๊าซที่ออกมาจากดวงอาทิตย์ แต่โลกเรามีสนามแม่เหล็กที่มองไม่เห็นคอยปกป้องเราจากอนุภาคเหล่านี้ ลมสุริยะพัดกระหน่ำลงบน magnetosphere ของโลกซึ่งเป็นบริเวณในอวกาศที่อนุภาคมีประจุไฟฟ้าได้รับอิทธิพลจากสนามแม่เหล็กโลกอย่างเต็มที่ ซึ่งส่วนที่อ่อนแอที่สุดก็ คือ บริเวณขั้วแม่เหล็กโลกทั้งสองขั้วนั่นเอง

อนุภาคที่สามารถเข้าสู่ชั้นบรรยากาศด้านบนของโลกได้โดยตรงจะทำให้เกิดแสงออโรราในตอนกลางวัน อนุภาคบางส่วนเคลื่อนเข้ามาทางส่วนหางของสนามแม่เหล็กโลก ซึ่งอยู่ฝั่งกลางคืนแล้วถูกผลักกลับเข้ามาทำให้เกิดแสงออโรรารอบๆขั้วแม่เหล็กโลก  ถ้า CME รุนแรงมากสามารถทำให้เกิดปรากฏการณ์ พายุแม่เหล็กโลก (Geomagnetic storm) คือ การที่สนามแม่เหล็กโลกถูกรบกวนโดยลมสุริยะที่รุนแรงขึ้นรวมทั้งสนามแม่เหล็กของลมสุริยะเองทำให้สนามแม่เหล็กโลกมีพลังงานสูงขึ้น ส่งผลให้เข็มทิศบนโลกอาจเบนออกจากทิศเหนือได้

เราสามารถมองว่าสนามแม่เหล็กของลมสุริยะนั้นเป็นสนามแม่เหล็กส่วนที่แผ่ออกมาจากดวงอาทิตย์เพิ่มเติม ซึ่งเรียกว่า  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

สนามแม่เหล็กโลกฝั่งกลางวันจะชี้ไปทางทิศเหนือเสมอ แต่ IMF นั้นเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาอาจจะชี้ไปในทิศทางเดียวกันหรือตรงข้ามก็ได้ ถ้า IMF ชี้ไปทางทิศเหนือเช่นเดียวกับสนามแม่เหล็กโลก สองสนามนี้จะผลักกันไม่รุนแรงนักเหมือนแท่งแม่เหล็กสองแท่งผลักกัน ดังนั้นลมสุริยะจึงถูกผลักให้เคลื่อนไปรอบๆ  magnetosphere

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

จะเห็นได้ว่า อนุภาคออโรราเป็นเพียงหนึ่งในหลายอนุภาคมีประจุที่กระหน่ำมายังโลก รวมถึงอนุภาคที่มีพลังงานฟลักซ์มหาศาลในช่วง พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (GeV) หรือล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) อย่างเช่น รังสีคอสมิค (Cosmic Rays) อนุภาคจากแถบกัมมันตรังสี (Radiation Belt) พลังงานสูง และอนุภาคสุริยะ (Solar Energetic Particles) ส่วนอนุภาคออโรรานั้นเกิดขึ้นในแผ่นพลาสมาแม่เหล็ก (Magnetospheric Plasma Sheet) และมีพลังงานอยู่ในช่วง 1 ถึง 10 พันอิเล็กตรอนโวลต์ (keV) แต่บางทีอาจมีพลังงานมากถึง 100 พันอิเล็กตรอนโวลต์ (keV) และอนุภาคพลังงานต่ำ เช่น ลมสุริยะที่เข้าสู่แมกนีโตสเฟียร์ทาง ซีกโลกกลางวัน (Dayside Cusp ) ใกล้กับขั้วแม่เหล็กโลก เป็นต้น ความลึกที่อนุภาคเหล่านี้จะเจาะเข้าไปในชั้นบรรยากาศ ขึ้นอยู่กับพลังงานของมัน ยิ่งพลังงานมากยิ่งเข้าได้ลึก รังสีคอสมิค สามารถเดินทางไปถึงชั้นบรรยากาศโทรโพสเฟียร์ (Troposphere) หรืออาจลึกไปถึงพื้นโลก อนุภาคจากแถบกัมมันตรังสีและอนุภาคสุริยะพลังงานสูง เข้ามาได้ถึงชั้นสตราโตสเฟียร์ (Stratosphere) และชั้นมีโซสเฟียร์ (Mesosphere) ส่วนออโรรานั้นมาได้แค่ชั้นเทอร์โมสเฟียร์ (Thermosphere) ซึ่งสูงประมาณ 100 กิโลเมตร นั่นทำให้ออโรราเกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศนี้

นอกจากออโรราจะปรากฏในโลกแล้ว ยังปรากฏในดาวเคราะห์ดวงอื่นที่มีชั้นบรรยากาศและสนามแม่เหล็ก ทั้งออโรราของดาวพฤหัสและดาวเสาร์ปล่อยอะตอมในบรรยากาศที่ถูกกระตุ้นโดยพลังงาน อนุภาคมีประจุล้วนเกิดจากแมกนีโตสเฟียร์ของดาวนั้นๆ แมกนีโตสเฟียร์จึงต่างจากโลกมาก รวมทั้งสีและการปรากฏของออโรราก็ไม่เหมือนกับในโลก แต่รูปไข่ยังเหมือนกับโลกอยู่ การเกิดออโรราจึงเหมือนกันทั้งระบบสุริยะจักรวาล นอกจากนี้ ยังมีออโรราของดวงจันทร์ ดาวศุกร์และดาวอังคารอีกด้วย

 

การเกิดออโรรา สามารถสังเกตได้ทุกคืนที่ฟ้าโล่งในฤดูหนาว โดยมีข้อสังเกตดังนี้

  1. ออโรราจะปรากฏบ่อยครั้ง ตั้งแต่เวลา 22.00 น ถึง เที่ยงคืน
  2. ออโรราจะสว่างจ้าในช่วง 27 วัน ที่ดวงอาทิตย์หันด้านแอคทีฟ (Active Area) มายังโลก


  3. ช่วงปลายฤดูใบไม้ร่วงจนถึงต้นฤดูใบไม้ผลิ ในเดือนตุลาคม กุมภาพันธ์ และมีนาคม เป็นเดือนที่เหมาะสำหรับการชมออโรราทางซีกโลกเหนือ
  4. ออโรรามีความสัมพันธ์กับจุดสุริยะ (Sun Spot) บนดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นวัฎจักรประมาณ 11 ปี แต่ดูเหมือนว่า จะมีการล่าช้าไป 1 ปีสำหรับการเกิดจุดดับมากที่สุดกับการเกิดออโรรามากที่สุด


    ตารางที่ 1 แสดงความถี่ในการปรากฏออโรราในสถานที่ต่างๆทั่วโลก
  5. ออโรราจะปรากฏลดลง 20-30% กว่าตอนที่เกิดจุดสุริยะมากที่สุด เมื่อเกิดจุดสุริยะบนดวงอาทิตย์น้อยที่สุด
  6. ออโรราจะปรากฏในแถบประเทศเมดิเตอเรเนียนเมื่อเกิดจุดสุริยะหรือมีลมสุริยะมากๆ อาจถึง 10 ปีต่อครั้ง โดยเฉลี่ยแล้วเกิด 100 ปีต่อครั้ง

link วิทยาศาสตร์

รวม link ที่น่าสนใจทั้งในและต่างประเทศ เพื่อค้นคว้าหาข้อมูลที่ต้องการทางด้านวิทยาศาสตร์

ดูลิงค์ทั้งหมด

link คณิตศาสตร์

รวม link ที่น่าสนใจทั้งในและต่างประเทศ เพื่อค้นคว้าหาข้อมูลที่ต้องการทางด้านคณิตศาสตร์

ดูลิงค์ทั้งหมด
UNESCO Bangkok

ICT in Education newsletter

SEAMEO Congress

Programme with Presentations

Black Ribbon