AuroraPolaris: 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 ปัจจุบันเราเรียกอนุภาคมีประจุเหล่านี้ว่าลมสุริยะ (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 สามารถสังเกตได้ทุกคืนที่ฟ้าโล่งในฤดูหนาวโดยมีข้อสังเกตดังนี้

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