สนามแม่เหล็กโลก
สนามแม่เหล็กโลก
เรา คงเคยเรียนลูกเสือกันมาบ้าง ในการเดินทางไกล นอกจากจะต้องเตรียมอาหารและน้ำดื่มให้พร้อมแล้ว สิ่งหนึ่งที่จะช่วยให้ไปถึงจุดหมายได้อย่างถูกต้องไม่หลงทาง ก็คือ แผนที่ แต่แผนที่เพียงอย่างเดียวก็คงช่วยอะไรเราไม่ได้ ถ้าเราไม่รู้ทิศทาง ดังนั้น ของสำคัญอีกอย่างหนึ่งที่เราจะต้องมีติดตัวไปด้วยก็คือ เข็มทิศ (Compass) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้กันมาตั้งแต่อดีตกาล เข็มทิศอันแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นในประเทศจีน สมัยราชวงศ์ฮั่น ในช่วงพุทธศตวรรษที่ 15 แต่เข็มทิศทำงานได้อย่างไร ทำไมจึงชี้ไปในทิศทางเดิม บอกทิศเหนือเสมอ ???
ถ้าเราเอาแท่งแม่เหล็กอัน เล็กๆ มาแขวนไว้กับเส้นด้ายให้แกว่งได้อย่างอิสระ เราจะพบว่า แท่งแม่เหล็กจะชี้ไปในทิศทางเดิมเสมอ ไม่ว่าในตอนเริ่มต้นเราจะหมุนให้มันวางตัวอย่างไรก็ตาม หลักการนี้ถูกนำมาใช้ในการสร้างเข็มทิศ การที่แท่งแม่เหล็กวางตัวในแนวเดิมเสมอนี้ เกิดขึ้นเนื่องจากการที่โลกประพฤติตัวเป็นเสมือนแท่งแม่เหล็กขนาดใหญ่ และสร้างสนามแม่เหล็กครอบคลุมโลกไว้ เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของประจุ ดังนั้น สนามแม่เหล็กโลก (Earth's Magnetic Field) ก็น่าจะเกิดขึ้นจากกาเคลื่อนที่ของประจุเช่นกัน
การที่แก่นโลก ประกอบไปด้วยเหล็กและนิเกิลเหลว มีการหมุนอยู่ตลอดเวลา การหมุนนี้ทำให้เกิดกระแสของอิเล็กตรอนเหมือนกับเป็นไดนาโมหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และนี่เองที่น่าจะเป็นสาเหตุที่ทำให้โลกมีสนามแม่เหล็ก
อย่างไรก็ดี ในปัจจุบันเราก็ยังไม่เข้าใจกระบวนการเกิดสนามแม่เหล็กโลกดีนัก ทั้งนี้ เนื่องจากเราพบว่า หินอัคนี (Igneous rock) ซึ่งเกิดจากการแข็งตัวของลาวา ที่มีองค์ประกอบของโลหะอยู่ โลหะเหล่านี้จะวางตัวตามแนวเส้นแรงแม่เหล็กขณะที่ค่อยๆ เย็นตัวลง จึงเป็นเสมือนเข็มทิศที่ชี้แสดงทิศทางของสนามแม่เหล็กโลก เราเรียกหินเหล่านี้ว่าเป็น "ฟอสซิลแม่เหล็ก" (Magnetic fossils) และพบว่าฟอสซิลแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาต่างๆ กันตลอดหลายล้านปีที่ผ่านมา ชี้ทิศทางสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกันไป บางครั้งก็สลับกับทิศทางในปัจจุบัน ซึ่งจะเกิดการสลับเช่นนี้ตลอดเวลา
เข็มทิศในยุคแรก ประกอบด้วย ช้อนที่ทำจากแร่แม่เหล็กเป็นตัวชี้
สนามแม่เหล็กโลก มีลักษณะเหมือนกับสนามแม่เหล็กทั่วๆ ไป คือ ประกอบไปด้วยขั้วแม่เหล็กสองขั้ว คือ ขั้วเหนือและขั้วใต้ และมีเส้นแรงแม่เหล็กชี้จากขั้วเหนือใต้ไปขั้วใต้ โดยที่ขั้วแม่เหล็กโลกจะสลับกับขั้วโลกทางภูมิศาสตร์ หรือขั้วโลกตามแกนหมุน คือ ขั้วใต้ของแม่เหล็กจะอยู่ทางซีกโลกเหนือ ในขณะที่ขั้วเหนืออยู่ทางซีกโลกใต้ (ทำให้ขั้วเหนือของแม่เหล็กในเข็มทิศชี้ไปยังทางเหนือ) และขั้วแม่เหล็กโลกไม่ได้อยู่ในตำแหน่งเดียวกันกับขั้วเหนือและขั้วใต้ทาง ภูมิศาสตร์ แต่จะอยู่ห่างออกมาประมาณ 12 องศา นั่นหมายถึง ถ้าเราเดินตามทิศเหนือของเข็มทิศไปเรื่อยๆ เราจะเดินไปไม่ถึงขั้วโลกเหนือ แต่จะหยุดอยู่ห่างจากขั้วโลกเหนือถึง 12 องศาหรือประมาณ 1,330 กิโลเมตรเลยทีเดียว โดยขั้วใต้แม่เหล็กจะอยู่ในพื้นที่ทางตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศแคนาดา ส่วนขั้วเหนือแม่เหล็กจะอยู่ในทวีปแอนตาร์กติกา
นอกจากนั้น เรายังจะพบว่า เมื่อเราเข้าใกล้ขั้วเหนือแม่เหล็กมากขึ้น เข็มทิศของเราจะชี้เอียงลงสู่พื้นดินมากขึ้นเรื่อยๆ จนในที่สุดเมื่อเรายืนอยู่เหนือขั้วเหนือแม่เหล็ก เข็มทิศของเราจะวางตัวในแนวดิ่งตั้งฉากกับพื้น ทั้งนี้เพราะสนามแม่เหล็กจะชี้เข้าสู่ขั้วแม่เหล็กที่อยู่ใต้พื้นโลกลงไป
สนามแม่เหล็กโลกมีความสำคัญอย่างมากในการปกป้องโลกนี้ไว้จากการถูก ทำลายจากอวกาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากดวงอาทิตย์ ทั้งนี้ เนื่องจากดวงอาทิตย์ไม่ได้ปลดปล่อยพลังงานออกมาเฉพาะในช่วงคลื่นแสงที่มอง เห็น (Visible light) เท่านั้น แต่ยังปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอนใน ทุกความยาวคลื่น รวมทั้งอนุภาคที่มีประจุในรูปของลมสุริยะ (Solar Wind) ตลอดเวลา ลมสุริยะจะมีอนุภาคประมาณ 5-10 อนุภาคต่อลูกบาศก์เซนติเมตร และมีความเร็วสูงกว่า 500 กิโลเมตรต่อวินาที
สนามแม่เหล็กโลก ภาพจำลองสนามแม่เหล็กโลกเมื่อถูกปะทะด้วยลมสุริยะ
กล่าวคือ อนุภาคที่มีประจุจะถูกแรงกระทำจากสนามแม่เหล็กให้เคลื่อนที่หมุนวนไปตามเส้น แรงแม่เหล็ก กลับไปมาระหว่างขั้วเหนือและขั้วใต้แม่เหล็ก บริเวณที่อนุภาคถูกกักไว้นี้เรียกว่า "วงแหวนแวนอัลเลน" (van Allen's belt) ตามชื่อ เจมส์ แวน อัลเลน (James van Allen) นักวิทยาศาสตร์ที่ทำวิจัยเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กโลกร่วมกับโครงการแอ็กพลอ เลอร์วัน (Explorer 1) ซึ่งเป็นดาวเทียมดวงแรกของประเทศสหรัฐอเมริกา ในปีค.ศ.1958 และได้ค้นพบวงแหวนนี้ ซึ่งมีทั้งสิ้นสองบริเวณอยู่ภายในแมกนีโทสเฟียร์ ล้อมอยู่รอบโลกคล้ายกับโดนัทสองชิ้นซ้อนกัน โดยมีโลกอยู่ที่รูตรงกลาง วงแหวนชั้นใน (Inner belt) มีศูนย์กลางอยู่ที่ประมาณ 3,000 กิโลเมตรจากพื้นดิน และหนาประมาณ 5,000 กิโลเมตร ส่วนวงแหวนชั้นนอก (Outer belt) จะอยู่สูงจากพื้นโลก 15,000-20,000 กิโลเมตร และหนาประมาณ 6,000-10,000 กิโลเมตร
ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เกิดขึ้นจากการที่อนุภาคจากลมสุริยะปะทะเข้ากับแมกนีโทสเฟียร์ก็คือ ออโรรา (Aurora) หรือ แสงเหนือแสงใต้ (Northern and Southern light) โดยเกิดจากการที่อนุภาคจากลมสุริยะปะทะกับไอออนของธาตุในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ (Ionosphere) เมื่ออนุภาคเหล่านี้ชนกันก็จะเกิดการถ่ายเทพลังงาน และปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอน ซึ่งรวมทั้งแสงในช่วงที่มองเห็น ปรากฏให้เห็นเป็นแถบสีสวยงามบนท้องฟ้า ที่ระดับความสูง 80-160 กิโลเมตร แต่เราไม่สามารถมองเห็นออโรราได้ในประเทศไทย เพราะอนุภาคจากลมสุริยะจะสามารถผ่านเข้ามาถึงบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ได้ เฉพาะในบริเวณสนามแม่เหล็ก
ออโรรา (Aurora) หรือ แสงเหนือแสงใต้ (Northern and Southern light)