ฟิสิกส์กับปริศนาวันสิ้นโลก ตอน เมื่อพายุสุริยะถูกใส่ร้าย!

          หากใครยังจำได้ ปี ค.ศ.2012 ที่ผ่านมาเป็นปีที่เหล่านักโลกแตกนิยมออกมาทำนายว่าจะเป็นปีแห่งภัยพิบัติ ประเด็นหนึ่งที่ถูกสื่อหยิบยกขึ้นมากล่าวถึงบ่อยๆ ก็หนีไม่พ้นเรื่องพายุสุริยะ (Solar Storm) แม้บางข้อมูลจะน่ารับฟัง แต่บางข้อมูลก็ทำให้รู้สึกคลางแคลงใจ ดังนั้น ในบทความนี้ผู้เขียนจึงรวบรวมข้อเท็จจริงเกี่ยวกับพายุสุริยะจากหน่วยงานทางวิทยาศาสตร์ระดับสากลมาให้ผู้อ่านพิจารณาว่าข้อมูลไหนจริงและข้อมูลไหนเท็จ แต่ก่อนที่เราจะคุยกันเรื่องพายุสุริยะ เราต้องมาทำความรู้จักดวงอาทิตย์แบบรวบรัดกันเสียก่อน


          ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้โลกของเรามากที่สุด มันเป็นก้อนแก๊สขนาดยักษ์ที่พื้นผิวมีอุณหภูมิประมาณ 5,800 เคลวิน (เคลวินไม่มีคำว่า “องศา” นำหน้า) และที่แก่นกลางมีอุณหภูมิสูงถึง 15 ล้านเคลวิน ดวงอาทิตย์ประกอบขึ้นจากแก๊สไฮโดรเจนประมาณ 70% ฮีเลียม 28% และส่วนที่เหลือจะเป็นธาตุอื่นๆ พลังงานที่ดวงอาทิตย์ปลดปล่อยออกมาเกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น (Nuclear Fusion Reaction) ซึ่งเป็นการหลอมรวมธาตุเบาให้กลายเป็นธาตุหนัก มักจะเรียกว่า ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ (Thermonuclear Reaction) ซึ่งกรณีของดวงอาทิตย์ก็คือการหลอมรวมธาตุไฮโดรเจนให้กลายเป็นธาตุฮีเลียมแล้วปลดปล่อยพลังงานอันมหาศาลออกมาตามสมการ E = mc2 อันลือลั่นของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ อย่างไรก็ตาม เชื้อเพลิงไฮโดรเจนบนดวงอาทิตย์ก็มีปริมาณที่จำกัดและเมื่อมันใช้ไฮโดรเจนจนหมดลงในอนาคตอันไกล ดวงอาทิตย์ก็จะเริ่มตายลงอย่างช้าๆ นั่นเอง


          การศึกษาทางฟิสิกส์เกี่ยวกับดวงอาทิตย์เรียกว่า สุริยฟิสิกส์ (Heliophysics) ซึ่งเป็นการอาศัยความรู้จากวิชาดาราศาสตร์ฟิสิกส์ (Astrophysics) และวิชาการไหวสะเทือนของดวงอาทิตย์ (Helioseismology) ในการศึกษาปฏิกิริยาและการแบ่งโครงสร้างของดวงอาทิตย์ โดยโครงสร้างของดวงอาทิตย์จากด้านในสู่ด้านนอกถูกแบ่งออกเป็น 3 ชั้น คือ

           1. แก่นกลาง (Core) เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันทำให้มีอุณหภูมิสูงประมาณ 15 ล้านเคลวิน

           2. เขตแผ่รังสี (Radiative Zone) เป็นโครงสร้างที่อยู่ถัดออกมาจากแก่นกลาง พลังงานในชั้นนี้ถูกถ่ายเทออกมาจากแก่นกลางโดยกระบวนการแผ่รังสี

           3. เขตพาความร้อน (Convective Zone) เป็นโครงสร้างที่ประกอบด้วยแก๊สร้อนที่กำลังหมุนวนซึ่งรับพลังงานมาจากเขตแผ่รังสี


ดวงอาทิตย์มีบรรยากาศเช่นเดียวกับดาวดวงอื่น โดยแบ่งออกเป็น 3 ชั้น คือ

           1. โฟโตสเฟียร์ (Photosphere) เป็นบรรยากาศชั้นล่างสุดของดวงอาทิตย์ที่ส่องสว่าง มีปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การลุกจ้า (Flare) จุดมืด (Sunspot) และดอกดวง (Granulation) มีอุณหภูมิประมาณ 5,800 เคลวิน

           2. โครโมสเฟียร์ (Chromosphere) เป็นชั้นที่ปรากฏเปลวสุริยะ (Prominence) ซึ่งเป็นการระเบิดของแก๊สร้อนบนพื้นผิวขึ้นสู่บรรยากาศ และการพ่นมวลโคโรนา (Corona Mass Ejection) มีอุณหภูมิประมาณ 6,000 ถึง 10,000 เคลวิน

           3. โคโรนา (Corona) เป็นบรรยากาศชั้นนอกสุด มีความสว่างน้อย แต่มีอุณหภูมิสูงที่สุดราว 2,000,000 เคลวิน ซึ่งสาเหตุที่ทำให้ชั้นดังกล่าวมีอุณหภูมิสูงยังอยู่ระหว่างการศึกษาหาคำตอบ           โลกและดวงอาทิตย์ต่างก็มีสนามแม่เหล็กเป็นของตัวเอง สนามแม่เหล็กของโลกเกิดจากการไหลเวียนของโลหะเหลวร้อนในแก่นชั้นนอกโลก (Outer Core) ทำให้สนามแม่เหล็กของโลกมีลักษณะที่ค่อนข้างคล้ายกันในแต่ละตำแหน่ง ส่วนสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์จะแตกต่างออกไป สนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์เกิดจากการไหลเวียนของประจุไฟฟ้ารอบๆ ดวงอาทิตย์ เมื่อสนามไฟฟ้าเกิดการเปลี่ยนแปลงก็จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้นมาด้วย เส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะพุ่งออกมาจากพื้นผิวดวงอาทิตย์อย่างไม่สม่ำเสมอ และเนื่องจากดวงอาทิตย์มีการหมุนรอบตัวเอง ทำให้สนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์หมุนเป็นเกลียว (Spiral) ตัดผ่านดวงดาวรอบระบบสุริยะเรียกว่า สนามแม่เหล็กระหว่างดวงดาว (Planetary Magnetic Field) ทั้งยังส่งอนุภาคต่างๆ ออกมาด้วย
            หากสังเกตดวงอาทิตย์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ บนดวงอาทิตย์มักมีจุดมืดปรากฏมากเป็นพิเศษทุก 11 ปีโดยเฉลี่ยเรียกว่า วัฏจักรจุดมืด (Sunspot Cycle) แต่บางครั้งก็อาจมีการขยับเข้าหรือออกเป็น 8 ถึง 14 ปี จุดมืดเหล่านี้คือบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าบริเวณโดยรอบและมีสนามแม่เหล็กปั่นป่วน โดยในช่วงเวลาที่มีจุดมืดมากมักจะมีปรากฏการณ์ต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับพายุสุริยะมากเป็นพิเศษ เรียกว่า Solar Maximum ในทางกลับกัน หากช่วงไหนมีปรากฏการณ์บนดวงอาทิตย์น้อยก็จะเรียกว่า Solar Minimum ผู้เขียนขอจบเรื่องพื้นฐานของดวงอาทิตย์ไว้เพียงเท่านี้และจะเข้าประเด็นเรื่องพายุสุริยะกันเลยนะครับ
              พายุสุริยะเป็นคำเรียกอย่างง่ายๆ ของกัมมันตภาพสุริยะ (Solar Activity) เช่น การปลดปล่อยอนุภาค พลาสมา และสนามแม่เหล็กออกสู่อวกาศ หากสิ่งที่ดวงอาทิตย์ปลดปล่อยออกมามีผลกระทบต่ออวกาศรอบโลกก็จะเรียกว่า ลมฟ้าอวกาศ (Space Weather) โดยทาง The National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ได้แบ่งพายุสุริยะออกเป็นประเภทต่างๆ ดังนี้

          1. ลมสุริยะ (Solar Wind) หมายถึงอนุภาคที่ดวงอาทิตย์ปลดปล่อยออกมา มีความเร็ว 300 ถึง 800 กิโลเมตรต่อวินาที มีพลังงานประมาณ 1,500 ถึง 10,000 อิเล็กตรอนโวลต์ และเป็นสาเหตุของสนามแม่เหล็กโลกที่ถูกรบกวนจากสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์หรือพายุแม่เหล็กโลก (Geomagnetic Storm)

          2. การลุกจ้า (Solar Flare) หมายถึงการระเบิดที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์และปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาอย่างรุนแรง ผลคืออาจทำให้เกิดการขาดหายของสัญญาณวิทยุ (Radio Blackout) เนื่องจากบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์เกิดการแตกตัวอย่างฉับพลัน (Sudden Ionosphere Disturbance) และอาจมีผลกระทบต่อการเคลื่อนที่ของดาวเทียมวงโคจรต่ำ (Low Earth Orbit Satellite) เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของบรรยากาศโลกระดับสูง แต่ปรากฏการณ์ดังกล่าวจะเกิดขึ้นเพียงชั่วคราวและหายไป

          3. การพ่นมวลโคโรนา (Coronal Mass Ejection หรือ CME) หมายถึงเนื้อสารของดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นก้อนพลาสมาที่มีมวลประมาณ 10,000 ล้านตันที่ถูกปลดปล่อยออกมาด้วยความเร็ว 20 ถึง 3,200 กิโลเมตรต่อวินาทีพร้อมกับสนามแม่เหล็กที่ปั่นป่วนและเป็นสาเหตุของการเกิดพายุแม่เหล็กโลกเช่นเดียวกับลมสุริยะ

          4. อนุภาคสุริยะพลังงานสูง (Solar Energetic Particle หรือ SEP) หมายถึงอนุภาคที่มีพลังงานในช่วง 10,000 ถึง 10,000 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ที่เกิดขึ้นพร้อมการลุกจ้าหรือเกิดจากการที่ CME พุ่งผ่านลมสุริยะจนเกิดคลื่นกระแทก (Shock Wave) ทำให้อนุภาคเหล่านั้นมีพลังงานเพิ่มสูงขึ้น หากในอวกาศมีอนุภาคเหล่านี้มากเป็นพิเศษก็จะเรียกว่า พายุรังสีสุริยะ (Solar Radiation Storm) และการขาดหายของสัญญาณวิทยุ อนุภาคพลังงานสูงอาจทำอันตรายกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของยานอวกาศ ร่างกายของนักบินอวกาศ รบกวนคลื่นวิทยุ หรืออาจส่งผลให้ระดับรังสีในบรรยากาศโลกเพิ่มสูงขึ้นจนสายการบินต้องระงับหรือเปลี่ยนเส้นทางเพื่อความปลอดภัย


          เมื่อลมสุริยะพัดผ่านโลก เส้นแรงแม่เหล็กของโลกที่อยู่ด้านตรงข้ามกับลมสุริยะจะถูกยืดออก บีบเข้าหากัน และเกิดการเชื่อมต่อใหม่ (Magnetic Reconnection) ผลที่เกิดขึ้นคืออนุภาคของลมสุริยะบางส่วนจะถูกกักเอาไว้ในแถบรังสีแวนอัลเลน (Van Allen Radiation Belt) อนุภาคบางส่วนอาจเคลื่อนที่ไปยังขั้วแม่เหล็กโลกแล้วเกิดเป็นแสงออโรรา (Aurora) แต่บางครั้งลมสุริยะและ CME อาจทำให้เกิดปรากฏการณ์พายุแม่เหล็กโลกซึ่งเกิดจากสนามแม่เหล็กโลกถูกรบกวนชั่วขณะจนความต่างศักย์บนพื้นโลกเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน เกิดเป็นกระแสเหนี่ยวนำ (Geomagnetically Induced Current) ทำให้ระบบไฟฟ้าหรือท่อโลหะเสียหายได้              กลับมาที่ประเด็น “ข่าวลือ” ที่แพร่หลายอยู่ในอินเตอร์เน็ต ผู้เขียนได้คัดเลือกข่าวลือที่น่าสนใจมา 3 ข้อ ดังนี้

          1. พายุสุริยะเป็นสาเหตุของภาวะโลกร้อนหรืออากาศที่ร้อนจนผิดปกติหรือไม่?
ตอบ จริงอยู่ว่าพายุสุริยะที่ดวงอาทิตย์ปลดปล่อยออกมามีอุณหภูมิสูงมาก แต่เนื่องจากพายุสุริยะมีความหนาแน่นต่ำมาก ความร้อนจึงถูกถ่ายเทออกสู่อวกาศอย่างรวดเร็วในรูปของการแผ่รังสี (Heat Radiation) และยังไม่มีหลักฐานที่น่าเชื่อถือว่าพายุสุริยะเป็นสาเหตุของภาวะโลกร้อน

          2. พายุสุริยะทำให้โลกกลายเป็นดาวเคราะห์ที่แห้งผากได้หรือไม่?
ตอบ ข่าวลือนี้น่าจะเกิดจากความสับสนระหว่างดาวอังคารกับโลก สำหรับดาวเคราะห์ที่มีสนามแม่เหล็กอ่อนมากหรือไม่มีสนามแม่เหล็กคอยปกป้อง พายุสุริยะจะสามารถพัดพาโมเลกุลของแก๊สในบรรยากาศให้หลุดปลิวออกไปจนบรรยากาศของดาวเคราะห์ดวงนั้นลดน้อยลงเรื่อยๆ เรียกว่า การกัดเซาะโดยลมสุริยะ (Solar Wind Erosion) ซึ่งมีหลักฐานบ่งชี้ว่าปรากฏการณ์นี้คือสาเหตุที่ทำให้บรรยากาศของดาวอังคารเบาบางลงอย่างมากเมื่อเทียบกับหลายล้านปีก่อน อย่างไรก็ตาม สนามแม่เหล็กของโลกยังทำงานอย่างเป็นปกติทำให้การกัดเซาะบรรยากาศดังกล่าวมีผลกระทบต่อโลกน้อยมากจนไม่ใช่เรื่องน่ากังวลในขณะนี้
 
            3. พายุสุริยะทำให้เกิดแผ่นดินไหวได้หรือไม่?
ตอบ มีคำกล่าวอ้างจำนวนมากบอกว่าพายุสุริยะเป็นสาเหตุของแผ่นดินไหว แต่ในทางวิทยาศาสตร์ยังไม่พบกลไกที่เชื่อมโยงทั้งสองปรากฏการณ์เข้าด้วยกัน อนุภาคจากดวงอาทิตย์มีขนาดเล็กและมีมวลน้อยมาก ไม่สามารถทำให้แผ่นดินสั่นสะเทือนได้ นอกจากนี้ หากเราพิจารณากราฟการเกิดพายุสุริยะกับแผ่นดินไหวก็จะพบว่าข้อมูลทั้งสองเกิดขึ้นอย่างเป็นอิสระต่อกันหรือไม่มีความสัมพันธ์ต่อกัน
            พออ่านมาถึงตรงนี้ หลายท่านอาจมีคำถามว่า ดวงอาทิตย์จะส่องแสงให้พลังงานกับโลกไปอีกนานขนาดไหน? คำตอบคือนักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันคาดว่าดวงอาทิตย์จะแผ่พลังงานและมีชีวิตอยู่อีกประมาณ 4,500 ล้านปี หลังจากนั้นมันจะขยายตัวและกลายเป็นดาวยักษ์แดง (Red Giant) ซึ่งอาจเผาทำลายดาวพุธ ดาวศุกร์ และโลกของเราไปด้วย ซึ่งทุกวันนี้ดวงอาทิตย์ก็มีแนวโน้มที่จะร้อนขึ้นประมาณ 10% ทุกๆ ประมาณ 1,000 ล้านปี


          สุดท้ายนี้ ผู้เขียนอยากเน้นย้ำให้ผู้อ่านทุกท่านสบายใจว่านักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกที่ศึกษาเกี่ยวกับดวงอาทิตย์มิได้นิ่งดูดายเรื่องผลกระทบของดวงอาทิตย์ที่มีต่อโลก เพราะนักวิทยาศาสตร์มีหอสังเกตการณ์และดาวเทียมจำนวนมากในการเฝ้าสังเกตดวงอาทิตย์อยู่ตลอดเวลา กล่าวคือหากดวงอาทิตย์มีพฤติกรรมที่ผิดแผกแปลกไปจนดูน่ากังวล หน่วยงานด้านวิทยาศาสตร์จะทำการแจ้งเตือนต่อประชาชนอย่างแน่นอน สำหรับผู้อ่านที่ติดตามข่าวสารทางดาราศาสตร์มาไม่ต่ำกว่า 20 ปีอาจจะรู้สึกคุ้นว่าเมื่อปี ค.ศ.2000 ก็เคยมีข่าวลือเรื่องภัยพิบัติบนโลกคล้ายกับปี ค.ศ.2012 นั่นเป็นเพราะช่วงเวลาดังกล่าวเป็นช่วง Solar Maximum ทำให้มีการกระพือข่าวเกี่ยวกับกิจกรรมบนดวงอาทิตย์มากเป็นพิเศษ ซึ่งหลายข่าวมักกล่าวอ้างเกินจริงจนกลายเป็นวิทยาศาสตร์เทียม (Pseudoscience) พูดง่ายๆ คือเราจะได้ยินข่าวเรื่องพายุสุริยะที่ถูกปั้นแต่งจนเกินจริงทุก 10 ถึง 12 ปีโดยประมาณนั่นเอง และพอถึงเวลานั้น นักวิทยาศาสตร์ก็คงต้องออกมาแก้ข่าวกันอีกนั่นแหละครับ!

อ้างอิง

• หนังสือ เอกภพ เพื่อความเข้าใจในธรรมชาติของจักรวาล โดย วิภู รุโจปการ
• หนังสือ ชำแหละวิทยาศาสตร์จอมปลอม โดย บัญชา ธนบุญสมบัติ
• https://www.thesuntoday.org/solar-facts/flares-and-earthquakes/
• https://www.thesuntoday.org/solar-facts/flares-and-earthquakes/
• https://www.swpc.noaa.gov/noaa-scales-explanation
• https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/sunspotssolar-cycle
• https://www.swpc.noaa.gov/content/education-and-outreach
• https://www.swpc.noaa.gov/content/space-weather-faq-frequently-asked-questions
• https://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/spaceweather/index.html