เรื่องจริงของพายุสุริยะ

ตอนที่ 1
แทบทุกครั้งที่เวลาผ่านมาถึงช่วงที่มีวันที่หรือเลขปีสวย ๆ ดูเหมือนจะต้องเกิดกระแส "โลกแตก" ขึ้นเสมอ ๆ ในช่วงใกล้ปี พ.ศ. 2543 หรือ ค.ศ. 2000 อย่างในตอนนี้ก็เช่นกัน มีข่าวลือสารพัดว่าในปี 2000 จะเกิดภัยพิบัติต่าง ๆ นานา ไม่ว่าจะเป็นน้ำท่วมโลก โลกแตกตามคำทำนายของโหรชื่อดัง วาระสุดท้ายของโลกตามคำภีร์ แกรนครอส แกรนคอนจังก์ชัน ปัญหา Y2K ฯลฯ ข่าวที่ลือกันนี้ บางเรื่องก็มีส่วนจริงและชวนคิด และอีกหลายเรื่องก็เพ้อเจ้อถึงขั้นไร้สาระเลยทีเดียว


หนึ่งในเรื่องสยองขวัญเหล่านี้ที่ได้ยินหนาหูในช่วงปีที่ผ่านมาก็คือ พายุสุริยะถล่มโลก ซึ่งกล่าวกันว่าจะเกิดในปี พ.ศ.2543 หรือ ค.ศ. 2000 ปีอาถรรพ์ยอดนิยม บางกระแสว่าพายุสุริยะนี้อาจคุกคามสิ่งมีชีวิตบนโลก หรือทำร้ายนักบินอวกาศถึงขั้นเสียชีวิต อาจทำให้ไฟดับทั้งประเทศ ฯลฯ เราน่าถือโอกาสนี้มาทำความรู้จักกับพายุสุริยะกันเสียเลย ว่ามันคืออะไร น่ากลัวอย่างที่ลือกันหรือไม่

ก่อนหน้านี้เพียงไม่กี่สิบปี นักวิทยาศาสตร์เคยเชื่อว่า สูงขึ้นไปเหนือชั้นบรรยากาศของโลก คืออวกาศ ความว่างเปล่า ปราศจากสสารใด ๆ มีเพียงรังสีในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มาจากดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ต่าง ๆ เท่านั้น จนกระทั่งเมื่อ 4 ทศวรรษที่ผ่านมา ยุคอวกาศได้เริ่มต้นขึ้น นักดาราศาสตร์จึงได้ทราบว่า เหนือบรรยากาศโลกขึ้นไปในอวกาศ รวมถึงบริเวณระบบสุริยะชั้นใน ถูกปกคลุมไปด้วยอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ หรือกล่าวได้ว่า ในบริเวณรัศมี 150 ล้านกิโลเมตรจากดวงอาทิตย์ ที่โลกโคจรอยู่นี้ยังอยู่ในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ โลกเรามิได้โคจรไปในอวกาศอันว่างเปล่าอย่างที่คาดคิดกัน
อนุภาคพลังงานสูงที่ถูกพัดมาจากดวงอาทิตย์นั้น อยู่ในรูปของอนุภาคประจุไฟฟ้า เช่นอิเล็กตรอนและโปรตอน เราเรียกสายธารของอนุภาคที่ถูกพัดมาจากดวงอาทิตย์อย่างต่อเนื่องนี้ว่า ลมสุริยะ (solar wind) และในบางครั้ง ลมสุริยะก็อาจทวีความรุนแรงกว่าปกติหลายเท่า ดังที่หลายคนเรียกว่า พายุสุริยะ (solar storm)

แม้ในปัจจุบันนักดาราศาสตร์ยังไม่เข้าใจถึงกลไกและปรากฏการณ์ต่าง ๆ บนดวงอาทิตย์ถ่องแท้นัก แต่อย่างน้อยก็ได้ทราบอย่างแน่นอนแล้วว่า ปรากฏการณ์หลายอย่างบนดวงอาทิตย์ มีความสัมพันธ์กับลมสุริยะและมีความสัมพันธ์กับปรากฏการณ์บางอย่างบนโลก ปรากฏการณ์ที่ดูจะมีความใกล้ชิดกับลมสุริยะมากอย่างเห็นได้ชัดที่สุดก็คือ จุดดำ และ แฟลร์ ดังนั้น หากจะรู้จักลมสุริยะ เราจำเป็นต้องรู้จักกับจุดดำและแฟลร์เสียก่อน

รู้จักกับจุดดำ
จุดดำบนดวงอาทิตย์ (sunspot) เป็นปรากฏการณ์บนพื้นผิวดวงอาทิตย์ที่สังเกตได้ง่ายที่สุด จึงไม่น่าแปลกใจที่มันจะถูกค้นพบมาตั้งแต่สมัยของกาลิเลโอแล้ว จุดดำบนดวงอาทิตย์เมื่อมองผ่านแผ่นกรองแสงจะมีลักษณะเป็นจุดสีดำขึ้นประปรายอยู่บนผิวหน้าของดวงอาทิตย์ คล้ายกับดวงอาทิตย์ตกกระ ซึ่งสามารถมองเห็นได้ง่าย ๆ โดยการใช้ฉากรับภาพจากกล้องโทรทรรศน์หรือกล้องสองตา
จุดดำบนดวงอาทิตย์เกิดขึ้นที่ชั้นโฟโตสเฟียร์ เช่นเดียวกับ แกรนูล (ลักษณะที่เป็นเม็ด คล้ายฟองที่เดือนพล่านบนผิวของดวงอาทิตย์) ขนาดของจุดดำมีตั้งแต่เท่ากับแกรนูลฟองเดียว หรืออาจจะใหญ่กว่านั้น และอาจมีการรวมกลุ่มกันเป็นกระจุกจนมีพื้นที่หลายพันล้านตารางกิโลเมตร โครงสร้างของจุดดำบนดวงอาทิตย์มิได้มีลักษณะดำมืดแต่เพียงอย่างเดียว หากพิจารณาดูดี ๆ แล้ว จะพบว่าแต่ละจุดจะมีลักษณะซ้อนกันสองชั้น โดย จุดดำชั้นใน (umbra) จะมีสีดำเข้ม ส่วนจุดดำชั้นนอก (penumbra) ซึ่งล้อมรอบอยู่จะมีลักษณะจางกว่าและมีริ้วลายเป็นเส้นในแนวรัศมี ดูเผิน ๆ แล้วจุดดำของดวงอาทิตย์จะคล้ายกับลูกตาดำของคน โดยจุดดำชั้นในแทนรูม่านตาส่วนชั้นนอกแทนม่านตา โดยทั่วไปแล้วพื้นที่ส่วนจุดดำชั้นนอกมักมีพื้นที่มากกว่า บางครั้งอาจมากถึง 80% ของพื้นที่จุดดำทั้งหมด บริเวณจุดดำชั้นนอกเป็นบริเวณที่มีการไหลของแก๊สจากบริเวณจุดดำชั้นในไปสู่พื้นที่นอกจุดดำ เมื่อแก๊สไหลออกไปนอกจุดดำชั้นนอกแล้วก็จะเปลี่ยนทิศพุ่งขึ้นตั้งฉากกับผิวของดวงอาทิตย์จนถึงชั้นโครโมสเฟียร์ (บรรยากาศที่อยู่เหนือพื้นผิวของดวงอาทิตย์) หลังจากนั้นจึงย้อนกลับพุ่งลงในใจกลางของจุดดำอีกครั้งเป็นวัฏจักรต่อไป

การกระจายตัวของจุดดำนั้น มักพบว่าจุดดำมักเกิดขึ้นเป็นคู่หรือรวมกลุ่มเป็นกระจุกใหญ่จำนวนมาก ๆ แต่จุดดำคู่จะพบได้มากกว่า ส่วนจุดดำที่ขึ้นเดี่ยว ๆ จะไม่พบมากนัก นอกจากนี้ยังพบว่าจุดดำบนดวงอาทิตย์มีการเกิดขึ้นและสลายตัวตลอดเวลา โดยปรกติแล้วจุดดำแต่ละจุดจะมีอายุประมาณไม่เกินสองสัปดาห์ แต่ก็อาจมีบางจุดที่มีอายุยาวนานนับเดือนก็เป็นได้

ถึงแม้ว่าจุดดำชั้นในจะเป็นบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำที่สุดบนดวงอาทิตย์จนมองเห็นเป็นสีดำสนิท แต่มันก็ยังมีอุณหภูมิสูงถึง 4,000 เคลวิน ในความเป็นจริง แก๊สที่มีอุณหภูมิขนาดนี้จะมีความสว่างมาก แต่สาเหตุที่เราเห็นเป็นสีดำนั้นเนื่องจากพื้นผิวของดวงอาทิตย์โดยรอบจุดดำหรือโฟโตสเฟียร์มีความสว่างมากกว่ามาก เพราะมีอุณหภูมิสูงถึง 6,000 เคลวินนั่นเอง ดังนั้นคำว่า "จุดดำ" คงจะไม่ตรงตามความจริงเท่าใดนัก เพราะจุดมันไม่ดำจริง ๆ ส่วนบริเวณจุดดำชั้นนอกนั้นมีอุณหภูมิต่ำกว่าโฟโตสเฟียร์เพียงเล็กน้อย คือประมาณ 5,600 เคลวิน

ในขณะที่ความสว่างของจุดดำบนดวงอาทิตย์จะน้อยกว่าที่อื่น ๆ แต่สนามแม่เหล็กบริเวณนี้กลับมีความเข้มข้นสูงมาก เราพบว่าสนามแม่เหล็กจะมีทิศจะพุ่งออกจากจุดดำพร้อม ๆ กับนำเอาแก๊สร้อนจัดจากภายใต้พื้นผิวดวงอาทิตย์ขึ้นมาด้วย สนามแม่เหล็กที่จุดดำอาจมีความเข้มสูงถึง 0.2 - 0.4 เทสลา (1 เทสลาเท่ากับ 10,000 เกาสส์) รูปร่างและทิศทางของสนามแม่เหล็กจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับลักษณะของกลุ่มของจุดดำเหล่านี้ กล่าวคือ บริเวณที่มีจุดดำเป็นคู่ สนามแม่เหล็กจะพุ่งขึ้นออกจากจุดดำจุดหนึ่งสู่บรรยากาศชั้นบนเหนือโฟโตสเฟียร์ แล้วเลี้ยวโค้งวกกลับลงสู่จุดดำอีกจุดหนึ่งที่อยู่คู่กัน จุดดำสองจุดนี้จึงมีขั้วแม่เหล็กที่ตรงข้ามกันเสมอ เหมือนกับแม่เหล็กแบบเกือกม้าที่ติดอยู่บนผิวดวงอาทิตย์ เราเรียกสนามแม่เหล็กรูปร่างแบบนี้ว่า สนามแม่เหล็กแบบ ไบโพลาร์ (bipolar)
บริเวณที่มีจุดดำรวมกลุ่มกันเป็นกระจุกขนาดใหญ่จะมีรูปร่างของสนามแม่เหล็กที่ซับซ้อนมากขึ้น แต่ยังคงเป็นสนามแม่เหล็กปิดเช่นเดียวกับสนามแม่เหล็กแบบไบโพลาร์ ส่วนจุดดำที่เป็นจุดเดียวโดด ๆ ไม่รวมกลุ่มหรือเข้าคู่กับจุดดำอื่น ๆ สนามแม่เหล็กจะพุ่งออกจากจุดดำชั้นในและสาดออกไปสู่อวกาศโดยไม่วกกลับเข้ามา เรียกว่าเป็นสนามแม่เหล็กเปิด ซึ่งเป็นช่องทางที่มวลสารจำนวนมากดวงอาทิตย์พุ่งทะลักสู่อวกาศ และเป็นส่วนหนึ่งของการเกิดลมสุริยะ

สนามแม่เหล็กแบบไบโพลาร์บนดวงอาทิตย์มีลักษณะเฉพาะที่น่าสนใจอย่างหนึ่งคือ ทุก ๆ คู่ของจุดดำจะเรียงกันในแนวนอนเกือบขนานกับเส้นศูนย์สูตรของดวงอาทิตย์ เนื่องจากดวงอาทิตย์มีการหมุนรอบตัวเองด้วย ดังนั้นจุดดำสองจุดในแต่ละคู่จึงมีชื่อเรียกว่า จุดนำ และ จุดตาม เรามักพบว่าจุดนำของแต่ละคู่มักจะอยู่ใกล้เส้นศูนย์สูตรมากกว่าจุดตามเล็กน้อย นอกจากนี้ยังพบว่า สนามแม่เหล็กแบบไบโพลาร์ที่เกิดขึ้นในซีกดาวเดียวกันจะมีทิศทางตรงกันทั้งหมด และทิศทางของสนามแม่เหล็กของซีกเหนือและซีกใต้ของดวงอาทิตย์จะตรงข้ามกันเสมออีกด้วย
นอกจากจุดดำบนดวงอาทิตย์ที่มักอยู่รวมกันเป็นกระจุกแล้ว ปรากฏการณ์ต่าง ๆ บนดวงอาทิตย์เช่นแฟลร์ หรือการลุกจ้าอย่างรุนแรง แฟกคิวลา เพลจ ก็มักเกิดบริเวณใกล้ ๆ กับกระจุกของจุดดำอีกเหมือนกัน

วัฏจักรแห่งสุริยะ
ปริมาณของจุดดำบนดวงอาทิตย์บางช่วงเวลาอาจมีเป็นจำนวนมาก แต่บางช่วงอาจจะไม่มีเลยแม้แต่จุดเดียว ความผันแปรนี้เป็นการผันแปรที่เป็นวัฏจักร มีคาบค่อนข้างสม่ำเสมอ อยู่ในช่วง 8 ปี ถึง 16 ปี มีค่าเฉลี่ย 11.1 ปี คาบนี้เรียกว่า วัฏจักรของดวงอาทิตย์ (solar cycle) หรือ วัฏจักรของจุดดำ (sunspot cycle) หากเราเขียนแผนภูมิแสดงความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนจุดดำบนดวงอาทิตย์กับเวลา โดยให้เวลาอยู่ในแนวนอน และจำนวนจุดดำเป็นแนวตั้ง จะพบว่ารูปกราฟที่ได้คล้ายกับคลื่นรูปฟันเลื่อย โดยช่วงขาขึ้น (จากช่วงที่มีจุดดำน้อยที่สุดไปสู่ช่วงที่มีจุดดำมากที่สุด) จะชันกว่าช่วงขาลงเล็กน้อย โดยเฉลี่ยแล้วช่วงขาขึ้นจะใช้เวลาประมาณ 4.8 ปี ส่วนขาลงใช้เวลาประมาณ 6.2 ปี

ตำแหน่งการเกิดของจุดดำก็มีลักษณะน่าสนใจอีกเช่นกัน หลังจากที่ดวงอาทิตย์เพิ่งพ้นจากช่วงต่ำสุดมาและกำลังจะเริ่มวัฏจักรใหม่ จุดดำจะเกิดขึ้นที่บริเวณละติจูดประมาณ 35 องศาทั้งซีกเหนือและซีกใต้ หลังจากนั้น จุดดำก็จะเลื่อนไหลไปรอบ ๆ ดวงอาทิตย์ตามการหมุนรอบตัวเองของดวงอาทิตย์ พร้อม ๆ กับเคลื่อนเข้าหาเส้นศูนย์สูตรอย่างช้า ๆ แต่ก็ไปไม่ถึงเส้นศูนย์สูตรเพราะจุดดำนั้นสลายตัวไปเสียก่อน จุดดำที่เกิดขึ้นในรุ่นต่อ ๆ มาก็จะเกิดขึ้นอีกที่ละติจูดเริ่มต้นต่ำกว่าระดับของจุดดำรุ่นที่แล้วเล็กน้อย แล้วก็เคลื่อนเข้าหาเส้นศูนย์สูตรในลักษณะเดียวกัน จุดเริ่มต้นของการเกิดจุดดำจะเปลี่ยนตำแหน่งเช่นนี้เรื่อย ๆ จนกระทั่งใกล้ถึงช่วงต่ำสุดของดวงอาทิตย์ ซึ่งเมื่อถึงช่วงนี้ละติจูดเฉลี่ยของจุดดำจะอยู่ประมาณ 7 องศา (เหนือและใต้) เท่านั้น หากเราสังเกตตำแหน่งของจุดดำทุก ๆ จุดอย่างต่อเนื่องและยาวนานพอ แล้วนำตำแหน่งของจุดดำมาเขียนเป็นแผนภูมิ โดยให้แกนนอนเป็นเวลา และแกนตั้งเป็นละติจูดของจุดดำ แผนภูมิที่ได้จะมีลักษณะเหมือนกับใบมะกอก หรือผีเสื้อมาเกาะเรียงต่อ ๆ กัน แผนภูมินี้จึงมีเชื่อเรียกเฉพาะว่า แผนภูมิรูปผีเสื้อ (butterfly diagram)


ดังทีกล่าวมาแล้วว่า สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นที่บริเวณจุดดำบนดวงอาทิตย์จะมีทิศทางเดียวกันในแต่ละซีกดาว แต่ทิศทางของสนามแม่เหล็กนี้จะไม่คงทิศเดิมตลอดไป เพราะทุก ๆ ครั้งที่ถึงช่วงต่ำสุด (sunspot minimum) นั้น จะมีการสลับขั้วของสนามแม่เหล็กทั้งซีกเหนือและซีกใต้ของดวงอาทิตย์ สนามแม่เหล็กในจุดดำของชุดใหม่จะมีทิศทางตรงข้ามกับชุดเดิม ดังนั้น วัฏจักรของสนามแม่เหล็กบนจุดดำของดวงอาทิตย์จึงเป็นสองเท่าของวัฏจักรของจุดดำ คือประมาณ 22.2 ปี
จากการสำรวจดวงอาทิตย์ของนักดาราศาสตร์อย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน นักดาราศาสตร์ยังได้พบว่า ปรากฏวัฏจักรที่ยาวประมาณ 80 ปีซ้อนอยู่บนคาบ 11.1 ปีนี้อีกด้วย นอกจากนี้วัฏจักรของจุดดำบนดวงอาทิตย์ก็ไม่ได้เกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอมาตลอด ในปี ค.ศ. 1645 ถึง 1715 วัฏจักรของดวงอาทิตย์ได้หยุดชะงักไปนานถึง 70 ปี เป็นช่วงที่รู้จักกันในชื่อของ ช่วงต่ำสุดมอนเดอร์ (Maunder minimum) ซึ่งในช่วงเวลาดังกล่าวแทบจะไม่มีจุดดำเกิดขึ้นเลย

(โปรดติดตามตอนต่อไป)