แสงเหนือแสงใต้ เกิดขึ้นแบบสมมาตรกันหรือไม่ เพราะอะไร

เป็นเวลาหลายปีที่นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าแสงออโรราที่เราเห็นรอบขั้วโลกเหนือนั้นเหมือนกันกับที่เราเห็นที่รอบขั้วโลกใต้ จึงให้ความรู้สึกเหมือนว่าแสงออโรราทั้งสองฟากฝั่งนั้นเป็นดั่งกระจกเงาของกันและกันอยู่ตลอดเวลา

แต่เมื่อมีการศึกษาแสงแปลกประหลาดเหล่านี้มากยิ่งขึ้น ในปี 2009 นักวิทยาศาสตร์ก็ได้ค้นพบว่าแสงออโรรานั้นสามารถเห็นได้ในลักษณะที่แตกต่างกันโดยไม่จำเป็นต้องเหมือนกันเป๊ะเสมอไป รวมถึงยังมีรูปร่างที่แตกต่างกัน และยังเกิดในสถานที่ที่แตกต่างกันอีกด้วย ซึ่งการเกิดของปรากฎการณ์นี้เราเรียกว่า ความไม่สมมาตร

แต่ก่อนที่เราจะไปหาสาเหตุของความไม่สมมาตรนั้น เรามาทำความเข้าใจกับสาเหตุของการเกิดขึ้นของแสงออโรรากันก่อนว่าเกิดขึ้นได้ยังไง

การเกิดขึ้นของแสงออโรรา

อย่างที่เรารู้กันว่าโลกไม่ได้มีแค่เพียงชั้นบรรยากาศที่คอยช่วยปกป้องเราจากหินอวกาศที่พุ่งใส่อยู่ทุกวัน แต่โลกของเรายังมีสนามแม่เหล็กที่เป็นเสมือนโล่ขนาดใหญ่คอยปกป้องเราจากรังสีที่เป็นอันตรายจากดวงอาทิตย์อีกด้วย ลักษณะของสนามแม่เหล็กโลกเป็นเหมือนม่านที่มองไม่เห็นแต่ห่อหุ้มโลกของเราไว้อยู่ตลอดเวลา มีรูปทรงรีไม่สมมาตรและมีความเข้มของสนามอ่อนกำลังลงเรื่อย ๆ เมื่อห่างออกจากโลกหรือห่างจากแหล่งกำเนิดมากขึ้น

แสงใต้ (Aurora Australis) ถ่ายโดยดาวเทียม IMAGE ที่มา – NASA

ดวงอาทิตย์นั้นมีการปล่อยแรงสนามแม่เหล็กออกมาเรียกว่า สนามแม่เหล็กระหว่างดาวเคราะห์ (Interplanetary Magnetic Field: IMF) ซึ่งเป็นส่วนประกอบของสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ (Solar Magnetic Field) โดย IMF นั้นมีลักษณะแผ่ออกมาจากชั้นโคโรนาของดวงอาทิตย์วนเป็นเกลียวเหมือนก้นหอย (เรียกกันว่า The Parker Spiral) โดยมีลมสุริยะเป็นตัวเหนี่ยวนำ

ลักษณะของ The Parker Spiral ที่มา – J. R. Jokipii มหาวิทยาลัยแอริโซนา

ด้านที่โลกหันหน้าเข้าหาดวงอาทิตย์นั้นจะต้องเผชิญหน้ากับ IMF ทำให้สนามแม่เหล็กโลกด้านกลางวันมีความกว้างน้อยกว่าสนามแม่เหล็กโลกด้านกลางคืน ลมสุริยะที่ปะทะเข้ากับโลกด้วยความเร็ว 400-750 กิโลเมตรต่อวินาทีนั้นสามารถทำให้สนามแม่เหล็กโลกเชื่อมเข้าด้วยกันกับ IMF จนเกิดกระบวนการเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็กเรียกว่า Magnetic Reconnection จากนั้นลมสุริยะจะฉีกเส้นสนามทั้งคู่ออกพร้อมกัน และใช้แรงลมที่มีลากเส้นสนามไปทางด้านกลางคืนของโลกตามทางที่ลมสุริยะไป

เส้นสนามแม่เหล็กที่ถูกลากมาอีกด้านนึงของโลกโดยลมสุริยะจะมีลักษณะคล้ายหางทอดตัวยาวออกไปไกลจากตัวโลกอย่างน้อยสองล้านกิโลเมตรเรียกว่า the Magnetotail หางต่างขั้วนี้เมื่อถูกแรงกดจากลมสุริยะมาก ๆ เข้า มันจะเริ่มเคลื่อนที่ขนานกันและบีบเข้าหากันมากขึ้นเรื่อย ๆ จนเกิดกระบวนการเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็กอีกครั้งแต่ครั้งนี้เกิดขึ้นที่หางของสนามแม่เหล็กโลก ในที่นี้ขอเรียกสั้น ๆ ว่า tail reconnection

บริเวณกรอบสี่เหลี่ยมทั้งสองกรอบในรูปเป็นบริเวณที่เกิด Magnetic Reconnection ขึ้น ที่มา – NASA

พลังงานที่เกิดจากปรากฎการณ์นี้จะเร่งความเร็ว รวมทั้งเร่งอนุภาคที่มีประจุ (โปรตอนและอิเล็กตรอน) ที่อยู่รอบ ๆ เส้นสนามแม่เหล็กโลกให้เคลื่อนที่ถอยกลับไปยังโลกด้วยความเร็วสูง โดยวิ่งไปตามเส้นสนามแม่เหล็กโลกเข้าสู่บริเวณขั้วโลก จนเกิดเป็นวงแสงออโรราสีสวยงามรอบ ๆ ขั้วโลก

เพราะเส้นสนามแม่เหล็กอาจจะไม่ใช่เส้นสนามแม่เหล็กเดิมที่ไปบรรจบกันเสมอไป นักวิทยาศาสตร์จึงคิดว่าเส้นสนามแม่เหล็กที่เชื่อมใหม่นี้อาจจะไม่ได้อยู่ในแนวสมมาตร มีองศาบิดเบี้ยวไปจากเดิม และไปพบกันในบริเวณที่แตกต่าง เราจึงคิดสรุปได้ว่า tail reconnection ทำให้เกิดความแตกต่างของแสงออโรร่าในซีกโลกเหนือและซีกโลกใต้

ความจริงของความไม่สมมาตรที่เกิดขึ้น

ตอนนี้งานวิจัยที่ออกมาใหม่ในวารสารการวิจัยธรณีฟิสิกส์ หมวดฟิสิกส์อวกาศของสมาคมธรณีฟิสิกส์อเมริกัน (the American Geophysical Union : AGU) ได้อธิบายความไม่สมมาตรนี้ว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร และเพราะเหตุใดแสงออโรร่าจึงเกิดในลักษณะที่แตกต่างกันรอบ ๆ ขั้วโลกของเรา

พวกเขาพบว่าเมื่อสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ที่มาในรูปแบบของ IMF ได้เดินทางมาถึงโลกนั้นมีองศาปะทะแตกต่างกันกับสนามแม่เหล็กโลก โดยทิศทางของสนามจะชี้ไปทางทิศตะวันออกและทิศตะวันตก พอมาเจอกันกับสนามแม่เหล็กของโลกที่มีทิศทางของสนามไปทางทิศเหนือและทิศใต้ เมื่อเกิด Magnetic Reconnection กันของทั้งสองสนาม องศาปะทะที่ไม่ลงรอยกันจึงนำไปสู่การโหลดแรงดันแบบไม่สมมาตรบนสนามแม่เหล็กของโลก และเป็นเพราะการปะทะที่เข้ากันไม่ได้ก็เลยต้องมีการบิดเบี้ยวของสนามแม่เหล็ก การบิดเบี้ยวของสนามแม่เหล็กนี้จึงอธิบายได้ว่าทำไมแสงออโรร่าบางครั้งอาจเกิดได้ในรูปร่างที่แตกต่างกัน และปรากฎในบริเวณต่าง ๆ รอบขั้วโลกทั้งสอง

ซึ่งทฤษฎีนี้ขัดแย้งกับทฤษฎีที่เรากล่าวไว้ก่อนหน้านี้เกี่ยวกับความไม่สมมาตรของสนามแม่เหล็กโลก ที่บอกไว้ว่า tail reconnection เป็นสาเหตุของการเกิดแสงออโรราในรูปแบบที่แตกต่างกันบนท้องฟ้า แต่งานวิจัยใหม่นี้พบว่าในความเป็นจริงแล้วกระบวนการ tail reconnection นี้ช่วยลดความไม่สมมาตรของสนามแม่เหล็กโลกได้

ทีมงานวิจัยได้ตรวจสอบภาพถ่ายหลาย ๆ ภาพของแสงออโรราแบบอสมมาตรจากกล้องของดาวเทียม IMAGE และดาวเทียม Polar ที่ถ่ายจากซีกโลกเหนือและซีกโลกใต้ตามลำดับ คอยเฝ้าดูภาพพัฒนาการของแสงออโรราเป็นเวลาหลายเดือนพร้อมนำมาวิเคราะห์ทุกครั้ง จากนั้นก็นำเอาข้อมูลที่ได้ไปเชื่อมโยงกับพฤติกรรมของหางของสนามแม่เหล็กโลก

ภาพบันทึกเหตุการณ์ในวันที่ 15 พฤศจิกายน 2545 ภาพ A แสดงให้เห็นถึงแสงออโรราทางซีกโลกเหนือ (A1) และทางซีกโลกใต้ (A2) ในช่วงที่เริ่มมีแสงออโรราเกิดขึ้น ภาพ B แสดงให้เห็นถึงแสงออโรราทางซีกโลกเหนือ (B1) และทางซีกโลกใต้ (B2) ในช่วงหลังจากเกิดพายุแม่เหล็กขนาดย่อม

งานวิจัยใหม่แสดงให้เห็นว่าความไม่สมมาตรของแสงออโรราจะลดลงเมื่อมีการเกิดของ tail reconnection อย่างต่อเนื่อง แต่ความไม่สมมาตรก็ยังคงมีอยู่แม้ว่าจะมี tail reconnection เกิดขึ้นเพียงเล็กน้อยหรือไม่เกิดขึ้นเลย

หางของสนามแม่เหล็กที่ถูกบีบอย่างต่อเนื่องจากลมสุริยะและ IMF ถูกบีบแบบไม่เสมอต้นเสมอปลายในเรื่องของทิศทางบีบ และเกิดแรงกดดันที่หางแตกต่างกัน จึงทำให้เกิดความแตกต่างของแสงออโรราที่ขั้วโลกทั้งสองซีก แรงดันของการบีบนั้นจึงขึ้นอยู่กับทิศทางของ IMF นั้นเอง

การศึกษาเรื่องนี้สามารถอธิบายได้ทั้งสองอย่างว่าความไม่สมมาตรสามารถเกิดและลดหายไปได้ยังไง อย่างแรกคือองศาปะทะของ IMF ต่อสนามแม่เหล็กโลกไม่ลงรอยกันจึงก่อให้เกิดความไม่สมมาตร อย่างสองคือ tail reconnection ช่วยลดความไม่สมมาตรนี้ได้ แต่ก็ยังมีรายละเอียดส่วนอื่นอีกค่อนข้างเยอะมาก และไม่ซับซ้อนจนยากเกินไป จึงเป็นเรื่องที่เราสามารถพอทำความเข้าใจได้

นักบินอวกาศ Scott Kelly โพสต์รูปภาพของแสงออโรราที่ถ่ายจากสถานีอวกาศนานาชาติลง Twitter ที่มา – NASA

นอกจากนี้ การศึกษาเรื่องนี้ไม่เพียงแต่อธิบายว่าทำไมแสงเหนือและแสงใต้ปรากฎบนท้องฟ้าตอนกลางคืนในลักษณะที่แตกต่างกัน แต่มันยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจปฏิสัมพันธ์ระหว่างโลกและดวงอาทิตย์ได้ดีขึ้นอีกด้วย

สุดท้ายแล้ว ความรู้นี้ยังมีความสำคัญในการทำนายตำแหน่งและพยากรณ์เวลาของสิ่งที่จะเกิดขึ้นจากภัยพิบัติทางอวกาศในอนาคตได้อย่างแม่นยำ เพราะทุก ๆ เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์นั้นไม่ว่าจะเป็น ลมสุริยะ เปลวสุริยะ หรือการปลดปล่อยก้อนมวลสารจากโคโรนา ทั้งหมดนี้สามารถสร้างความเสียหายให้กับโลกของเราได้อย่างน่าเหลือเชื่อและเป็นอันตรายต่อร่างกายของเราเป็นอย่างมาก เช่น ทำให้กริดไฟฟ้าเสียหาย ดาวเทียมในวงโคจรโลกเสียหาย และเป็นอันตรายต่อนักบินอวกาศที่กำลังปฏิบัติงานนอกยาน การรู้ล่วงหน้าเพียงไม่กี่ชั่วโมงอย่างน้อย ๆ ก็ช่วยให้เราสามารถเตรียมตัวตั้งรับได้อย่างทันท่วงที

อ้างอิง

Study presents surprising explanation for differences in Southern and Northern Lights