เฮอริเคนอวกาศ ปรากฏการณ์ใหม่ที่เพิ่งถูกค้นพบ

          หากพิจารณาจากมุมมองของสิ่งมีชีวิตที่มีวิวัฒนาการระดับสูงอย่างมนุษย์ เราจะพบว่าโลกเป็นสถานที่พิเศษ (สำหรับเรา) เพราะดาวเคราะห์สีฟ้าดวงนี้มีอุณหภูมิที่พอดิบพอดีเนื่องจากโคจรอยู่ในเขตอยู่อาศัย (Habitable Zone) ซึ่งเป็นบริเวณที่ไม่ใกล้และไม่ไกลจากดวงอาทิตย์จนเกินไป นอกจากนี้ โลกยังมีสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการไหลเวียนของโลหะหลอมเหลวในแก่นโลกชั้นนอก (Outer Core) คอยปกป้องโลกจากรังสีกับอนุภาคจากอวกาศ และโลกยังมีมวลมากพอจนสามารถดึงดูดโมเลกุลของอากาศให้เกาะกลุ่มอยู่ด้วยกันโดยไม่ล่องลอยออกไปสู่อวกาศเนื่องจากอิทธิพลของลมสุริยะ (Solar Wind) จากเหตุผลดังกล่าว โลกของเราจึงมีแสงอาทิตย์ อุณหภูมิ น้ำ และอากาศที่พอดิบพอดีต่อการกำเนิด อยู่อาศัย และวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต


          หากพิจารณาให้ดีจะพบว่ามนุษย์และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ “จม” อยู่ภายใต้มหาสมุทรแห่งอากาศ เนื่องจากความหนาแน่นของอากาศมีค่าสูงสุดที่พื้นผิวโลกและเบาบางลงเรื่อยๆ ตามระดับความสูง หากใช้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป็นเกณฑ์ บรรยากาศของโลกสามารถแบ่งออกเป็น

          1. โทรโพสเฟียร์ (Troposphere) เป็นบรรยากาศชั้นล่างสุดที่อยู่ติดกับพื้นผิวโลกและเป็นชั้นที่มีการเคลื่อนไหวของอากาศและปรากฏการณ์ต่างๆ มากที่สุด โดยอุณหภูมิของชั้นนี้จะลดลงประมาณ 6.5 องศาเซลเซียสต่อความสูง 1 กิโลเมตร (Lapse Rate) บรรยากาศชั้นนี้จึงมีพฤติกรรมแบบยิ่งสูงยิ่งหนาว แนวเขตบนสุดของบรรยากาศชั้นนี้เรียกว่า โทรโพพอส (Tropopause)

          2. สตราโตสเฟียร์ (Stratosphere) เป็นชั้นบรรยากาศที่แทบไม่มีการหมุนเวียนของอากาศและปรากฏการณ์เกี่ยวกับฟ้าฝน แต่มีการสะสมตัวของแก๊สโอโซนที่ดูดกลืนรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ บรรยากาศชั้นนี้จึงมีพฤติกรรมแบบยิ่งสูงยิ่งร้อน แนวเขตบนสุดของบรรยากาศชั้นนี้เรียกว่า สตราโตพอส (Stratopause)

          3. เมโซสเฟียร์ (Mesosphere) เป็นชั้นบรรยากาศที่มีไอน้ำน้อย แต่มีผลึกน้ำแข็งที่ก่อตัวจากอนุภาคฝุ่น ในบรรยากาศชั้นนี้ อุณหภูมิจะลดลงตามระดับความสูงหรือยิ่งสูงยิ่งหนาว แนวเขตบนสุดของบรรยากาศชั้นนี้เรียกว่า เมโซพอส (Mesopause)

          4. เทอร์โมสเฟียร์ (Thermosphere) เป็นชั้นบรรยากาศที่ได้รับอิทธิพลจากดวงอาทิตย์ทำให้โมเลกุลของแก๊สแตกตัวเป็นไอออนเนื่องจากการดูดกลืนรังสีอัลตราไวโอเล็ตและรังสีเอกซ์ รวมถึงมีการสะสมความร้อนทำให้บรรยากาศชั้นนี้มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นตามระดับความสูง บริเวณที่มีการแตกตัวเป็นไอออนเรียกว่า ไอโอโนสเฟียร์ (Ionosphere) บรรยากาศชั้นนี้มีบทบาทในการสะท้อนคลื่นวิทยุกลับมายังพื้นผิวโลก รวมถึงมีการพุ่งชนของอนุภาคจากอวกาศกับโมเลกุลและอะตอมของแก๊สภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กโลกทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานแล้วปลดปล่อยพลังงานในรูปของปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ม่านแสง (Aurora)


          บริเวณที่อยู่เหนือเทอร์โมสเฟียร์เรียกว่า เอกโซสเฟียร์ (Exosphere) ซึ่งอากาศจะค่อยๆ เบาบางลงแล้วกลืนหายไปกับอวกาศ ดังนั้น ขอบเขตของบรรยากาศโลกจึงไม่มีเส้นแบ่งที่ชัดเจน บริเวณถัดออกไปอีกจะเรียกว่า แมกเนโตสเฟียร์ (Magnetosphere) ซึ่งเป็นอาณาเขตที่อนุภาคมีประจุจากอวกาศจะเคลื่อนที่อยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กโลก อย่างไรก็ตาม แมกเนโตสเฟียร์ไม่ถูกจัดว่าเป็นชั้นบรรยากาศ


          โทรโพสเฟียร์เป็นชั้นบรรยากาศที่สัมพันธ์กับวิถีชีวิตของมนุษย์และสิ่งแวดล้อมมากที่สุด เพราะการไหลเวียนของลมจะช่วยถ่ายเทหรือเกลี่ยมวลและพลังงานบนพื้นผิวโลกให้เข้าสู่สภาวะสมดุล แต่เมื่อใดที่บนผิวน้ำทะเลมีหย่อมความกดอากาศต่ำ ความชื้น และอุณหภูมิที่เหมาะสม พายุเฮอริเคน (Hurricane) ก็จะก่อตัวขึ้นโดยมีพฤติกรรมเป็นไปตามวัฏจักรคาร์โนต์ (Carnot Cycle) แต่เมื่อไม่นานมานี้ นักวิทยาศาสตร์พบว่าที่บรรยากาศระดับสูงจนเกือบถึงอวกาศก็สามารถเกิดเฮอริเคนได้เช่นกัน!


          เรื่องมีอยู่ว่าคณะวิจัยนำโดย Qing-He Zhang ได้ตีพิมพ์ผลการศึกษาลงในวารสาร Nature Communications โดยพวกเขาได้นำข้อมูลของดาวเทียม DMSP (Defense Meteorological Satellite Program) ที่ถูกบันทึกไว้เมื่อปี ค.ศ. 2014 มาวิเคราะห์ย้อนหลัง (Retrospective Analysis) แล้วพบว่าบริเวณขั้วโลกระหว่างชั้นไอโอโนสเฟียร์ซึ่งสูงจากพื้นผิวโลกประมาณ 100 กิโลเมตรกับชั้นแมกเนโตสเฟียร์ซึ่งสูงจากพื้นผิวโลกประมาณ 860 กิโลเมตรมีการหมุนวนเป็นเกลียวของกลุ่มแก๊สที่มีสภาพเป็นไอออนหรือที่เรียกว่า พลาสมา (Plasma) ตามทิศทวนเข็มนาฬิกา โดยกลุ่มพลาสมาดังกล่าวมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1,000 กิโลเมตรและหมุนด้วยความเร็วประมาณ 2,100 เมตรต่อวินาที คณะวิจัยเรียกปรากฏการณ์ดังกล่าวว่า เฮอริเคนอวกาศ (Space Hurricane)


          สิ่งที่น่าสนใจก็คือเฮอริเคนอวกาศมีโครงสร้างคล้ายกับเฮอริเคนบนพื้นผิวโลก แต่มิได้ทำให้เกิดกระแสลมที่พัดกระโชกหรือสายฝนที่ตกกระหน่ำเหมือนเฮอริเคนที่เราคุ้นชิน แต่ทำให้เกิดม่านแสงที่สุกสว่างสวยงามบนท้องฟ้าและเกิดการเร่งพลังงานของอนุภาคมีประจุอย่างอิเล็กตรอนให้มีค่าถึง 10 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์แล้วเคลื่อนที่พุ่งขึ้นไปด้านบน ก่อนจะตกกลับลงมาในฐานะหยาดน้ำฟ้าอิเล็กตรอน (Electron Precipitation)           คณะวิจัยเชื่อว่าเฮอริเคนอวกาศน่าจะเกิดจากการถ่ายเทพลังงานระหว่างลมสุริยะกับบรรยากาศโลกผ่านกระบวนการเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็กโลก (Magnetic Reconnection) และภาวะไม่เสถียรแบบเคลวิน-เฮล์มโฮลตซ์ (Kelvin-Helmholtz Instability หรือ KHI) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ทำให้เกิดแรงเฉือน (Shear Force) ภายในของไหลที่กำลังเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน แต่มีอัตราเร็วแตกต่างกัน ความแตกต่างของอัตราเร็วที่ทำให้เกิดแรงเฉือนบริเวณผิวสัมผัสของของไหลเรียกว่า ขอบเขตการเฉือน (Shear Boundary) ซึ่งจะทำให้เกิดกระแสไหลวนปั่นป่วน (Turbulent Eddies) และทำให้ของไหลม้วนเป็นเกลียว ปรากฏการณ์ดังกล่าวถูกตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ 2 ท่านคือ Lord Kelvin และ Hermann von Helmholtz ซึ่งเราสามารถสังเกตปรากฏการณ์ KHI บนโลกได้จากเมฆเกลียวคลื่นที่เรียกว่า Kelvin-Helmholtz Wave Cloud

          นอกจากนี้ คณะวิจัยยังสร้างแบบจำลองสองมิติและสามมิติในคอมพิวเตอร์เพื่อตรวจสอบพฤติกรรมของเฮอริเคนอวกาศแล้วพบว่าปรากฏการณ์ดังกล่าวสามารถเกิดขึ้นได้แม้ในช่วงเวลาที่ลมสุริยะและพายุสนามแม่เหล็กโลก (Geomagnetic Storm) มีค่าค่อนข้างคงที่ กล่าวคือความผันผวนของลมฟ้าอวกาศ (Space Weather) มีผลต่อการเกิดเฮอริเคนอวกาศค่อนข้างน้อย นักฟิสิกส์อวกาศจึงเชื่อว่าเฮอริเคนอวกาศน่าจะเกิดขึ้นค่อนข้างบ่อยเหนือพื้นผิวโลกและดาวดวงอื่นๆ ที่มีสนามแม่เหล็ก มิใช่ปรากฏการณ์หายากแต่อย่างใด


          อย่างไรก็ตาม เฮอริเคนอวกาศที่ตรวจพบเหนือพื้นผิวโลกในครั้งนี้คงสภาพอยู่เป็นระยะเวลานานประมาณ 8 ชั่วโมงก่อนจะสลายตัวไป โดยนักฟิสิกส์อวกาศคาดการณ์ว่าจะสามารถนำเฮอริเคนอวกาศมาทำนายความแปรปรวนของลมฟ้าอวกาศและผลกระทบที่มีต่อระบบนำร่องของดาวเทียมจากการรบกวนคลื่นความถี่ต่ำพิเศษ (Ultra-Low Frequency หรือ ULF) ซึ่งจะต้องทำการศึกษาเพิ่มเติมในอนาคต


          การค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ในครั้งนี้เป็นตัวอย่างที่แสดงให้เห็นว่าโลกและอวกาศภายนอกยังมีหลายสิ่งหลายอย่างที่เรายังไม่รู้จัก ซึ่งเครื่องมือที่สามารถค้นหาและศึกษาปรากฏการณ์เหล่านั้นได้ดีที่สุดก็คือความรู้ทางวิทยาศาสตร์
เอกสารและสิ่งอ้างอิง

• [1] หนังสือ อุตุนิยมวิทยาเบื้องต้น โดย รังสรรค์ อาภาคัพภะกุล
• [2] หนังสือ อุตุนิยมวิทยา โดย โครงการตำราวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์มูลนิธิ สอวน.
• [3] https://www.nature.com/articles/s41467-021-21459-y?fbclid=IwAR0iA9J57zSyY96f9_M58_QtXP8n_Uny3UCbvrS8OYYSSUaP-tLqLflQ6AM
• [4] https://phys.org/news/2021-03-space-hurricane.html?fbclid=IwAR1_YCOiZIHmHPjQYuRXGhvA5Kq7pVI59oNFepYkQBFxdVqgv5gnJ9U6uqA
• [5] https://phys.org/news/2017-09-solar-impacts-giant-space-hurricanes.html?fbclid=IwAR3BhkcgbIgP7n2O5zbejRGZBO4J9hw_PVvhw6w1WH66FXPwKvGKolwxUQk
• [6] http://www.ces.fau.edu/nasa/module-2/atmosphere/earth.php
• [7] https://epod.usra.edu/blog/2019/05/kelvin-helmholtz-clouds-observed-over-helena-valley-montana.html