สนามแม่เหล็กโลก อิเล็กตรอนในบรรยากาศ และแผ่นดินไหว เกี่ยวข้องกันอย่างไร?

            แผ่นดิน ผืนน้ำ ท้องฟ้า อวกาศ และดวงดาวล้วนมีปฏิสัมพันธ์ต่อกันในหลายรูปแบบ ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่มีอิทธิพลอย่างมากต่อดาวเคราะห์ดวงอื่นในระบบสุริยะ ยกตัวอย่างเช่นกิจกรรมบนดวงอาทิตย์ (Solar Activity) ที่ปลดปล่อยอนุภาคต่างๆ ออกสู่อวกาศจนทำให้สภาพอวกาศ (Space Weather) เกิดการเปลี่ยนแปลงไปชั่วขณะ พายุแม่เหล็กโลก (Geomagnetic Storm) เป็นการเปลี่ยนแปลงรูปแบบหนึ่งของสนามแม่เหล็กโลกที่เกิดจากพายุสุริยะ (Solar Storm) ปกติแล้วสนามแม่เหล็กโลกจะทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันอนุภาคที่มาจากอวกาศ แต่ผลกระทบจากพายุสุริยะสามารถทำให้สนามแม่เหล็กโลกเกิดการบิดเบี้ยวและผันผวนในบางจุดเป็นระยะเวลานานหลายชั่วโมง ซึ่งการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวไม่ได้เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตบนโลกแต่อย่างใด


          นักวิทยาศาสตร์มีดัชนีหลายตัวในการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กโลก เช่น AA AE Ap Dst และ Kp ซึ่งดัชนีเหล่านี้สามารถใช้บอกโอกาสการเกิดแสงออโรรา (Aurora) บนโลกได้ด้วย เมื่อสนามแม่เหล็กโลกลดความเข้มลง อนุภาคจากอวกาศก็เดินทางมาถึงโลกได้มากขึ้น ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของปริมาณอิเล็กตรอนรวม (Total Electron Content หรือ TEC) ในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ (Ionosphere) เมื่อบรรยากาศชั้นนี้ถูกรบกวน สิ่งที่ตามมาคือการแปรปรวนของคลื่นวิทยุ (Ionosphere Scintillation) เกิดปัญหาในระบบนำร่องของดาวเทียม (Global Navigation Satellite System หรือ GNSS) ซึ่งทำให้การระบุพิกัดบนพื้นผิวโลก (Global Positioning System หรือ GPS) คลาดเคลื่อนไปจากความเป็นจริง โดยระดับความรุนแรงของปรากฏการณ์ Ionosphere Scintillation สามารถระบุได้จากดัชนี S4 Index ดังรูป

            นอกจากพายุสุริยะและสนามแม่เหล็กโลกที่มีผลต่อ TEC แล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังพบอีกว่าแผ่นดินไหวและสึนามิก็มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของ TEC เช่นกัน โดยการเปลี่ยนแปลงของ TEC ส่วนใหญ่จะเกิดขึ้น “หลัง” แผ่นดินไหวขนาดใหญ่ แต่ก็มีผลการสังเกตจำนวนหนึ่งที่พบว่าการเปลี่ยนแปลงของ TEC เกิดขึ้น “ก่อน” แผ่นดินไหวขนาดใหญ่เช่นกัน นักวิจัยหลายท่านจึงตั้งสมมติฐานว่าการเปลี่ยนแปลงของ TEC เหนือจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหว (Epicenter) อาจมีสาเหตุหลายอย่าง ดังนี้


          1.    เกิดจากการเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้าของแร่ควอตซ์ (Quartz) ที่มีสมบัติเป็น Piezoelectric ที่ถูกแผ่นเปลือกโลกบีบอัดจนเกิดความเครียด (Tectonic Stress)


          2.    เกิดจากปรากฏการณ์แสงแผ่นดินไหว (Earthquake Light) ซึ่งอาจเกิดจากแร่บางชนิดมีการปลดปล่อยประจุไฟฟ้าออกมาจากโครงสร้างที่บกพร่องภายในผลึก (Defects) เกิดเป็นแสงเรืองรองสูงจากระดับพื้นดินก่อนเกิดแผ่นดินไหวในบางครั้ง


          3.    เกิดจากแผ่นดินไหวและสึนามิส่งคลื่น Acoustic และคลื่น Rayleigh จากภาคพื้นดินขึ้นสู่บรรยากาศ
อย่างไรก็ตาม นักธรณีฟิสิกส์และนักแผ่นดินไหววิทยายังคงถกเถียงกันว่าการเปลี่ยนแปลงของ TEC จะสามารถนำมาใช้เป็น “สัญญาณบอกเหตุ” ที่มีประสิทธิภาพได้หรือไม่ ประเด็นนี้นักวิทยาศาสตร์ยังต้องรวบรวมข้อมูลและศึกษาวิจัยต่อไปจนกว่าจะพบคำตอบที่ชัดเจน
            แม้การทำนายแผ่นดินไหว (Earthquake Prediction) จะยังไม่สามารถทำได้ในปัจจุบัน แต่แผ่นดินไหวจะแผ่คลื่นไหวสะเทือน (Seismic Waves) ออกมาโดยรอบ หากตรวจวัดคลื่นไหวสะเทือนได้ทันท่วงทีก็จะสามารถแจ้งเตือนไปยังบริเวณที่คลื่นไหวสะเทือนยังเดินทางไปไม่ถึงได้ คล้ายกับการคำนวณระยะห่างระหว่างตำแหน่งที่เราอยู่กับตำแหน่งของพายุฝนฟ้าคะนองโดยการนับวินาทีหลังเห็นแสงสว่างวาบของฟ้าผ่า (ฟ้าแลบ) เนื่องจากเสียงเดินทางในอากาศด้วยอัตราเร็วประมาณ 340 เมตรต่อวินาที เช่น ถ้าเราได้ยินเสียงโครมครามหลังแสงสว่างวาบ 3 วินาทีก็หมายความว่าพายุฝนฟ้าคะนองอยู่ห่างจากเราประมาณ 1,000 เมตร ซึ่งแผ่นดินไหวก็ส่งสัญญาณบางอย่างออกมาด้วยอัตราเร็วเทียบเท่ากับแสงเช่นกัน เพียงแต่สัญญาณนั้นอยู่ในรูปของแรงโน้มถ่วงเรียกว่า Prompt Elasto-Gravity Signals หรือ PEGS


          จากความรู้ด้านการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์เชิงความโน้มถ่วง (Gravitational Geophysical Survey) แรงโน้มถ่วงจะเปลี่ยนแปลงไปตามความหนาแน่นของการกระจายตัวของมวล เมื่อการวางตัวของหินเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ นักวิทยาศาสตร์จะสามารถตรวจจับแรงโน้มถ่วงที่เปลี่ยนแปลงได้หากสัญญาณมีความชัดเจนเพียงพอ ในปัจจุบันจึงมีการใช้สัญญาณ PEGS เพื่อตรวจจับแผ่นดินไหว แต่ข้อจำกัดมีอยู่ว่าสัญญาณ PEGS ที่เกิดขึ้นมีค่าน้อยกว่าหนึ่งในพันล้านของแรงโน้มถ่วงโลก มันจึงถูกรบกวนโดยสัญญาณอื่นๆ ในสิ่งแวดล้อมได้ง่ายและตรวจวัดได้เฉพาะแผ่นดินไหวขนาดใหญ่เท่านั้น ก่อนหน้านี้ นักวิจัยยังไม่มีวิธีที่แม่นยำในการจำลองสัญญาณ PEGS ในคอมพิวเตอร์ แต่เมื่อไม่นานมานี้ Rongjiang Wang นักวิจัยด้านแผ่นดินไหวและภูเขาไฟจาก German Research Centre for Geosciences (GFZ) สามารถสร้างแบบจำลองของสัญญาณ PEGS ที่แม่นยำได้เป็นครั้งแรก งานวิจัยดังกล่าวตีพิมพ์ลงในวารสาร Earth and Planetary Science Letters

            เมื่อไม่นานมานี้ ทีมนักวิจัยได้ใช้แบบจำลองดังกล่าวจำลองการเกิดสัญญาณ PEGS ในเหตุการณ์แผ่นดินไหวและสึนามิ Tohoku ที่เมือง Fukushima ประเทศญี่ปุ่น เมื่อปี ค.ศ.2011 ซึ่งผลการทดลองพบว่าแบบจำลองให้ผลลัพธ์สอดคล้องกับข้อมูลจากการวัดเดิมที่มีอยู่ ทำให้ทีมนักวิจัยคาดหวังว่าแบบจำลองนี้จะสามารถนำไปใช้กับแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ในอนาคตและอาจใช้สำหรับการแจ้งเตือนแผ่นดินไหวล่วงหน้า (Early Warning) ได้ด้วย


          สุดท้ายนี้ ผู้อ่านคงเห็นว่าปรากฏการณ์ในธรรมชาติแต่ละอย่างมักเกี่ยวโยงถึงกันในทางใดทางหนึ่ง ซึ่งหากเราใช้กระบวนการทางวิทยาศาสตร์เข้าไปศึกษา สักวันหนึ่งปมปริศนาเหล่านั้นก็จะถูกคลายออกจนเกิดเป็นความรู้ที่ลึกซึ้งและสวยงามในที่สุด

 

อ้างอิง

• https://www.ngdc.noaa.gov/stp/geomag/indices.html?fbclid=IwAR14QQmDJHWCUaYib5Vh9Qen1jASNDtcu0R2Be-a2QMstRcP80jSUPGnD0E
• http://gnss.be/ionosphere_tutorial.php
• https://visibleearth.nasa.gov/view.php?id=77377&fbclid=IwAR3LLPVFzLsht0sn2G4IZ8WSNFar1HjD34rJ9H-1ll2fZ9ppVJ0NPIfJQ_o
• https://blogs.agu.org/geospace/2011/09/14/atmospheric-electrons/?fbclid=IwAR3EycXw2XFfMQbxiQoeZdLLoqiaV52doeAkuP3UExLFycuicUzZjNAzljo
• http://auroraforecast.is/kp-index/?fbclid=IwAR3qILD4VqmfA1Ir13S8Zc9OFl2b0MJApTvs4HnUqqaHGDXS4UpY7lnL3-o
• https://www.nationalgeographic.com/news/2014/1/140106-earthquake-lights-earthquake-prediction-geology-science/?fbclid=IwAR2nJir8nAC5ERTHZl3JZkpwZ8ShEWKSHCrgWWMWvgK8pHe40EHQQAiVYOQ
• https://www.sciencemag.org/news/2015/12/can-electric-signals-earth-s-atmosphere-predict-earthquakes?fbclid=IwAR0J0gL2SB11KRce8reLJElRkRJQJygjlfF6tjxsmNKdlLk49P3Hs8iFYBI
• https://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA14430
• https://phys.org/news/2020-02-earthquakes-deform-gravity.html?fbclid=IwAR3zSBuTKQskCVMZ0KOnk4PBDscNjfOrU_dnnpjlMwfzh-_EKZ149ZbiRsA
• https://eos.org/research-spotlights/all-types-of-large-earthquakes-produce-prompt-gravity-signals