ฟิสิกส์กับปริศนาวันสิ้นโลก ตอน หากสนามแม่เหล็กโลกกลับขั้วจะเกิดอะไรขึ้น?

          หากใครยังจำได้ ปี ค.ศ.2012 มีนักโลกแตกนิยมได้ทำนายว่าโลกจะพบกับภัยพิบัตินานาประการ หนึ่งในนั้นก็คือการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลก (Geomagnetic Reversal) ซึ่งกล่าวว่าสนามแม่เหล็กโลกจะอ่อนกำลังลงอย่างมากหรือถึงขั้นสูญสลายไปจนหมดและเป็นผลให้รังสีคอสมิก (Cosmic Ray) กับพายุสุริยะ (Solar Storm) เข้ามาทำลายสิ่งมีชีวิตบนโลกหรืออาจพลิกแผ่นดินให้ผิดทิศผิดทางเลยทีเดียว ในบทความนี้ ผู้เขียนจะมาเฉลยตามหลักวิทยาศาสตร์ว่าการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลกแท้จริงแล้วเป็นอย่างไร ไปอ่านกันเลยครับ


          ก่อนที่เราจะไปคุยกันว่าสนามแม่เหล็กโลกกลับขั้วมีผลกระทบอย่างไร เราต้องทำความเข้าใจโครงสร้างภายในของโลกก่อน ผู้เขียนเชื่อว่าเราทุกคนคงเคยเรียนมาตั้งแต่สมัยประถมว่าโลกของเรามีสนามแม่เหล็กที่คอยปกป้องโลกของเราจากอนุภาคพลังงานสูงจากอวกาศและเป็นตัวการสำคัญที่ทำให้เข็มทิศสามารถชี้ไปยังทิศเหนือ โลกของเราแบ่งออกเป็นชั้นต่างๆ ดังนี้ต่อไปนี้


           1. เปลือกโลก (Crust) หมายถึงชั้นบางๆ ภายนอกสุดของโลกซึ่งมีสถานะเป็นของแข็งและอยู่เหนือแนวความไม่ต่อเนื่องโมโฮโรวิซิก (Mohorovicic Discontinuity) ซึ่งถูกตั้งชื่อตามนักธรณีฟิสิกส์นามว่า Andrija Mohorovicic เปลือกโลกแบ่งออกเป็นเปลือกทวีป (Continental Crust) ที่มีความหนาประมาณ 10 ถึง 60 กิโลเมตร และเปลือกสมุทร (Oceanic Crust) ที่มีความหนาประมาณ 6 ถึง 10 กิโลเมตร ระหว่างเปลือกโลกส่วนบนกับเปลือกโลกส่วนล่างอาจถูกแบ่งแยกด้วยแนวความไม่ต่อเนื่องคอนราด (Conrad Discontinuity)


          2. แมนเทิล (Mantle) หมายถึงเนื้อโลกที่อยู่ใต้แนวความไม่ต่อเนื่องโมโฮโรวิซิก มีความหนาประมาณ 2,900 กิโลเมตร โครงสร้างส่วนใหญ่เป็นของแข็งจนถึงธรณีภาค (Lithosphere) ยกเว้นฐานธรณีภาค (Asthenosphere) ที่มีการหลอมละลายเป็นบางส่วน แมนเทิลแบ่งออกเป็นแมนเทิลส่วนบน (Upper Mantle) และแมนเทิลส่วนล่าง (Lower Mantle) ระหว่างแมนเทิลกับแก่นโลกมีรอยต่อที่เรียกว่า แนวความไม่ต่อเนื่องกูเตนเบิร์ก (Gutenberg Discontinuity) ซึ่งถูกตั้งชื่อตามนักธรณีฟิสิกส์นามว่า Beno Gutenberg ระหว่างแมนเทิลส่วนบนกับแมนเทิลส่วนล่างอาจถูกแบ่งแยกด้วยแนวความไม่ต่อเนื่องเรเพตตี (Repetti Discontinuity)


          3. แก่นโลก (Core) หมายถึงชั้นในสุดของโลกที่มีความหนาแน่นสูงและมีความหนาประมาณ 3,470 กิโลเมตร แบ่งออกเป็นแก่นโลกชั้นนอก (Outer Core) ที่มีสถานะเป็นโลหะหลอมเหลวร้อน และแก่นโลกชั้นใน (Inner Core) ซึ่งมีสถานะเป็นของแข็งความหนาแน่นสูง ระหว่างแก่นโลกชั้นนอกกับแก่นโลกชั้นในมีรอยต่อที่เรียกว่า แนวความไม่ต่อเนื่องเลอห์มานน์ (Lehmann Discontinuity) ซึ่งถูกตั้งชื่อตามนักธรณีฟิสิกส์นามว่า Inge Lehmann

            กลับมาที่คำถามว่าสนามแม่เหล็กโลกมาจากไหน? เรื่องนี้ต้องย้อนเวลากลับไปเมื่อเกือบ 100 ปีก่อน นักวิทยาศาสตร์นามว่า Arthur Holmes ได้เสนอทฤษฎีวงจรกระแสการพาความร้อน (Convection Current Theory) ที่ว่าแก่นโลกมีการถ่ายเทความร้อน (Heat Transfer) ออกมาสู่เนื้อโลกเนื่องจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive Decay) อย่างธาตุยูเรเนียม ทอเรียม และโพแทสเซียม ซึ่งเป็นสาเหตุของการเคลื่อนที่ของทวีป โดยสนามแม่เหล็กโลกจะเกิดจากการไหลของโลหะหลอมเหลวร้อนในแก่นโลกชั้นนอกรอบแก่นโลกชั้นในที่เป็นโลหะแข็ง อันเป็นผลเนื่องจากแรงลอยตัว (Bouyancy Force) และแรงโคริโอลิส (Coriolis Force) เรียกว่า กระบวนการพลวัติของไหลแม่เหล็ก (Magnetohydrodynamic Process) ซึ่งการไหลเวียนดังกล่าวทำให้เกิดสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กคล้ายกับการทำงานของไดนาโมเรียกว่า ธรณีไดนาโม (Geodynamo)

            สำหรับการทำงานของสนามแม่เหล็กโลก เราอาจนึกภาพอย่างง่ายว่าโลกของเรามีแท่งแม่เหล็กขนาดใหญ่ฝังอยู่ภายในเนื้อโลกโดยวางตัวในแนวเกือบเหนือใต้ ขั้วแม่เหล็กใต้อยู่ใกล้ขั้วโลกเหนือ ขั้วแม่เหล็กเหนืออยู่ใกล้ขั้วโลกใต้ เส้นแรงแม่เหล็กจะพุ่งออกจากขั้วแม่เหล็กเหนือที่บริเวณใกล้ๆ ขั้วโลกใต้ไปยังขั้วแม่เหล็กใต้ที่บริเวณใกล้ๆ ขั้วโลกเหนือ ดังนั้น สนามแม่เหล็กโลกจึงชี้จากขั้วโลกใต้ไปยังขั้วโลกเหนือ หมายความว่าแกนแม่เหล็กโลกกับแกนหมุนของโลกเป็นคนละแกนกัน เพียงแต่อยู่ใกล้เคียงกันโดยทำมุมเยื้องประมาณ 11.5 องศา            สนามแม่เหล็กโลกเป็นปริมาณเวกเตอร์ (Vector) กล่าวคือมีทั้งขนาดและทิศทาง โดยสนามแม่เหล็กโลก (BE) สามารถแบ่งออกเป็น 2 แนว คือ สนามแม่เหล็กโลกแนวนอน (HE) และสนามแม่เหล็กโลกแนวตั้ง (ZE) รวมถึงมีมุมระหว่างทิศเหนือทางภูมิศาสตร์กับทิศทางของสนามแม่เหล็กแนวนอนเรียกว่า มุมบ่ายเบน  (Declination Angle) และมีมุมเท (Inclination Angle) ซึ่งเป็นมุมระหว่างผิวโลกแนวระดับกับทิศทางของสนามแม่เหล็กโลก พอเราทราบองค์ประกอบพื้นฐานแล้ว เราสามารถรวมสนามแม่เหล็กโลกแต่ละแนวเข้าด้วยกันในรูปของสมการดังต่อไปนี้

            สนามแม่เหล็กโลกไม่ได้อยู่นิ่ง แต่สนามแม่เหล็กโลกมีการแปรผัน เช่น การแปรผันเซกูลาร์ (Secular Variation) หมายถึงการแปรผันอย่างช้าๆ โดยใช้เวลาในหลักสิบจนถึงหลักร้อยปี, การแปรผันประจำวัน (Diurnal Variation) หมายถึงการแปรผันตามรอบวันเนื่องจากอิทธิพลของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์, การแปรผันเนื่องจากพายุแม่เหล็กโลก (Geomagnetic Storm Variation) ที่เกิดจากลมสุริยะ (Solar Wind) และการแปรผันเนื่องจากการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลก (Magnetic Reversal Variation) ซึ่งหลายพันปีหรือหลายหมื่นปีจะเกิดขึ้นสักครั้ง โดยนักวิทยาศาสตร์สามารถวัดความเข้มและทิศทางของสนามแม่เหล็กโลกโดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า แมกนีโตมิเตอร์ (Magnetometer) ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นหลายรูปแบบ เช่น Fluxgate Magnetometer, Superconduction Quantum Interference Device Magnetometer, Proton Precession Magnetometer และ Optically Pumped Magnetometer เป็นต้น


          นักวิทยาศาสตร์มีหลักฐานที่แน่นหนาว่าสนามแม่เหล็กโลกมีการพลิกกลับขั้วมาแล้วหลายครั้งในอดีต โดยวิเคราะห์จากการเรียงตัวของตะกอนที่มีแร่ธาตุที่ตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กโลกหรือดูจากหินอัคนีบนพื้นมหาสมุทรที่มีการขยายตัวออกด้านข้างซึ่งเรียกว่า การขยายตัวของพื้นทะเล (Seafloor Spreading) โดยอย่างหลังมีหลักฐานปรากฏชัดเจนบริเวณพื้นทะเลที่มีหินหลอมเหลวดันตัวขึ้นมาและผลักพื้นทะเลเดิมที่อยู่ด้านข้างออกในแนวสมมาตร หลักการคือในหินหลอมเหลวจะมีแร่เหล็กที่ตอบสนองต่อทิศทางของสนามแม่เหล็กโลกในช่วงเวลานั้นอยู่ ซึ่งตอนที่หินหลอมเหลวมีอุณหภูมิสูง แร่เหล็กในหินหลอมเหลวจะไม่แสดงคุณสมบัติความเป็นแม่เหล็ก แต่เมื่อหินหลอมเหลวเหล่านั้นดันตัวขึ้นมาเหนือพื้นทะเล หินหลอมเหลวจะเริ่มเย็นตัวลงจนถึงจุดที่เรียกว่า จุดคูรี (Curie Point) เมื่ออุณหภูมิของหินหลอมเหลวต่ำกว่าอุณหภูมิคูรี แร่เหล็กในหินหลอมเหลวจะเริ่มตอบสนองต่อทิศทางของสนามแม่เหล็กโลก เมื่อหินหลอมเหลวแข็งตัวเป็นหินอัคนีที่พื้นทะเล หินตรงนั้นก็จะบันทึกทิศทางของสนามแม่เหล็กโลกในช่วงเวลาที่หินก้อนนั้นกำเนิดขึ้นมานั่นเอง

            ส่วนสาเหตุว่าทำไมสนามแม่เหล็กโลกจึงเกิดการพลิกกลับขั้ว เรื่องนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังหาคำตอบกันอยู่ เพราะการกลับขั้วในอดีตนั้นใช้เวลาไม่เท่ากันในแต่ละยุคสมัย แต่สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ทราบก็คือสนามแม่เหล็กโลกจะใช้เวลาในการกลับขั้วอย่างช้าๆ ประมาณ 1,000 ถึง 10,000 ปีหรืออาจนานกว่านั้น ไม่มีการเปลี่ยนอย่างปุบปับภายในไม่กี่วันหรือไม่กี่เดือนอย่างที่นักโลกแตกนิยมกล่าวอ้าง ซึ่งหากสนามแม่เหล็กโลกอยู่ในสภาวะค่อนข้างคงที่เป็นเวลา 100,000 ถึง 1,000,000 ปีจะเรียกว่า ครอน (Chron) แต่ถ้าสนามแม่เหล็กโลกอคงสภาพค่อนข้างคงที่เป็นเวลามากกว่า 10,000,000 ปีก็จะเรียกว่า ซูเปอร์ครอน (Superchron)


          คราวนี้ ผู้อ่านหลายท่านอาจมีคำถามว่าระหว่างที่สนามแม่เหล็กโลกกำลังกลับขั้วจะมีอะไรเกิดขึ้นบ้าง? ผลการศึกษาจากแบบจำลองที่เรียกว่า Glatzmaier-Roberts Geodynamo พบว่าในระหว่างที่สนามแม่เหล็กโลกกำลังกลับขั้ว ขั้วแม่เหล็กเดิมจะอ่อนกำลังลง มีการเปลี่ยนตำแหน่ง รวมถึงมีขั้วแม่เหล็กขนาดเล็กโผล่ขึ้นมาอีกหลายแห่ง ก่อนที่สนามแม่เหล็กโลกจะจัดรูปตัวเองแล้วกลับมาแข็งแกร่งดังเดิมในภายหลัง ด้วยเหตุนี้ ผลการศึกษาในปัจจุบันจึงเชื่อว่าแม้สนามแม่เหล็กโลกจะมีการกลับขั้ว อ่อนแอลง และแตกแยกออกเป็นขั้วแม่เหล็กย่อยจำนวนมาก แต่ก็ไม่มีช่วงเวลาไหนเลยที่โลกปราศจากสนามแม่เหล็ก นอกจากนี้ การกลับขั้วดังกล่าวก็ไม่สัมพันธ์กับภัยพิบัติบนโลกอย่างน้ำท่วม ดินถล่ม หลุมยุบ แผ่นดินไหว และสึนามิแต่อย่างใด!


          เราทุกคนทราบดีว่าโลกของเรามีแหล่งความร้อนใต้พิภพ (Geothermal Heat Source) และแก่นโลกชั้นนอกมีเหล็กหลอมเหลวร้อนซึ่งเป็นกลไกที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลกที่เป็นเกราะคุ้มครองโลกจากรังสีและอนุภาคที่มาจากอวกาศ โดยความร้อนภายในโลกเกิดจากความร้อนตกค้างตอนที่โลกถือกำเนิด ความร้อนจากแรงเสียดทานขณะที่วัสดุความหนาแน่นสูงจมตัว และความร้อนจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี ซึ่งคำตอบเหล่านี้มาจากการศึกษาแบบจำลองของการกำเนิดโลกและแบบจำลอง Bulk Silicate Earth (BSE) ซึ่งนักวิทยาศาสตร์พบว่าชั้นแมนเทิลกับเปลือกโลกจะเป็นแหล่งสะสมของหินที่อุดมไปด้วยธาตุ (Lithophile) ในขณะที่แก่นโลกจะเป็นแหล่งสะสมของธาตุที่อุดมไปด้วยเหล็ก (Siderophile) คำถามมีอยู่ว่าหากเวลาผ่านไปเนิ่นนานจนแก่นโลกเย็นตัวลง สนามแม่เหล็กโลกจะมีสภาพเป็นอย่างไร?


          จากคำถามดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์จึงใช้องค์ความรู้ทางธรณีฟิสิกส์ การถ่ายเทความร้อน และฟิสิกส์อนุภาคในการศึกษาการไหลของความร้อน (Heat Flow) ที่แผ่ออกมาจากใต้พื้นผิวโลก รวมถึงอนุภาคในกลุ่มนิวทริโน (Neutrino) และแอนตินิวทริโน (Antineutrino) ที่เป็นผลผลิตจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีซึ่งเรียกว่า ธรณีนิวทริโน (Geoneutrino) โดยใช้เครื่องตรวจวัด Kamioka Liquid-scintillator Anti-Neutrino Detector (KamLAND) ซึ่งมีลักษณะคล้ายบอลลูนขนาดใหญ่ที่บรรจุของเหลว (น้ำและน้ำมัน) และมีหลอดทวีคูณโฟตอน (Photomultiplier Tube) ในการตรวจวัดสัญญาณแสงที่เกิดจากอันตรกิริยาของนิวทริโนกับของเหลว ซึ่งบนโลกของเรามีเครื่องตรวจวัดนิวทริโนอยู่หลายแห่ง โดย KamLAND อยู่ที่ประเทศญี่ปุ่น, Borexino อยู่ที่ประเทศอิตาลี, DUNE อยู่ที่ประเทศสหรัฐอเมริกา, JUNO อยู่ที่ประเทศจีน และอื่นๆ


          โดยปกติแล้ว นิวทริโนเป็นอนุภาคมูลฐาน (Elementary Particle) ที่แทบไม่ทำอันตรกิริยากับอะไรเลยนอกจากแรงอย่างอ่อน (Weak Force) แรงโน้มถ่วง (Gravity) และอนุภาคภายในอะตอม นิวทริโนเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุทางไฟฟ้า มีสปินเท่ากับครึ่งของจำนวนเต็ม มีมวลน้อยจนเกือบจะเป็นศูนย์ และเคลื่อนที่ทะลุผ่านสิ่งต่างๆ อย่างรวดเร็ว นิวทริโนถูกแบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ อิเล็กตรอนนิวทริโน (Electron Neutrino) มิวออนนิวทริโน (Muon Neutrino) และทาวนิวทริโน (Tau Neutrino) ซึ่งมีปฏิอนุภาค (Antiparticle) เป็นของตัวเอง หากนิวทริโนมีแหล่งกำเนิดจากดวงอาทิตย์จะเรียกว่า สุริยะนิวทริโน (Solar Neutrino) หรือหากมีแหล่งกำเนิดจากบรรยากาศก็จะเรียกว่า บรรยากาศนิวทริโน (Atmospheric Neutrino) ซึ่งการเปลี่ยนแปลงจากอนุภาคหนึ่งไปเป็นอีกอนุภาคหนึ่งและให้ผลผลิตเป็นอนุภาคย่อยจะนิยมแสดงด้วยแผนภาพของไฟน์แมน (Feynman Diagram)

            ผลการศึกษาในปัจจุบันบอกเราว่าความร้อนใต้พื้นโลกยังคงทำหน้าที่ของมันได้เป็นอย่างดี เพราะโลกของเราสูญเสียความร้อนไปกับการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาในอัตราที่ช้ามากๆ ซึ่งอัตราการเย็นตัว (Cooling Rate) ดังกล่าวไม่ใช่เรื่องที่น่ากังวล แต่นักวิทยาศาสตร์ก็มีการทำนายว่าหากแก่นโลกของเราเย็นตัวลงจนความร้อนส่วนใหญ่หายไป กิจกรรมทางธรณีวิทยาจะลดต่ำลง สนามแม่เหล็กโลกจะอ่อนแอลง และอาจทำให้บรรยากาศโลกถูกกัดเซาะโดยลมสุริยะ (Solar Wind Erosion) จนแห้งผากคล้ายกับดาวอังคาร อย่างไรก็ตาม หากยังไม่มีหลักฐานทางวิทยาศาสตร์ที่บ่งชี้ว่าแก่นโลกเข้าขั้นวิกฤตก็ขอให้ทุกท่านใช้ชีวิตอย่างปกติสุขกันต่อไป จะได้ไม่เสียสุขภาพจิตเวลามีข่าววิทยาศาสตร์เทียม (Pseudoscience) ที่พร่ำบอกว่าโลกของเรากำลังจะหายนะ แต่ไม่เคยเกิดขึ้นจริงเลยสักที

 

เอกสารและสิ่งอ้างอิง

• หนังสือ ธรณีวิทยากายภาพ โดย ลัลนา ปริญญาปริวัฒน์
• หนังสือ ธรณีฟิสิกส์เพื่อการสำรวจใต้ผิวดิน โดย เพียงตา สาตรักษ์
• หนังสือ ชำแหละวิทยาศาสตร์จอมปลอม โดย บัญชา ธนบุญสมบัติ
• https://www.scientificamerican.com/article/why-is-the-earths-core-so/?fbclid=IwAR1SCVqwIhwxRTxDNgQ4tOXgMRBF-lT_0TP2OO7HmHGrv1LYQp1MemMNp5w
• https://newscenter.lbl.gov/2011/07/17/kamland-geoneutrinos/?fbclid=IwAR2h51rFtFo0HxWodAVuzJ5iTvI4eft6_enZ1CPmhIEMXI0tuu15CiOc_IQ
• https://neutrinos.fnal.gov/sources/geoneutrinos/
• https://newscenter.lbl.gov/2011/07/17/kamland-geoneutrinos/
• https://science.howstuffworks.com/science-vs-myth/what-if/what-if-earths-core-cooled-down.htm?fbclid=IwAR37FTW4dXQ-7KguNqt7glmMYMB5EuUu5IUXFQZMSRyPHhlosKXxRixZYv4