Geomagnetic Storm เมื่อพายุสุริยะสร้างความปั่นป่วนกับสนามแม่เหล็กโลก

ถึงแม้ตามข่าวต่าง ๆ ที่มีการพูดถึงเกี่ยวกับพายุสุริยะ มักจะเขียนประโยคปิดท้ายว่า พายุสุริยะจะไม่ทำอันตรายกับมนุษย์ที่อยู่อาศัยบนโลก และไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับพายุสุริยะที่กำลังจะเกิดขึ้น เพราะโลกของเรามีสนามแม่เหล็กและชั้นบรรยากาศคอยปกป้องอยู่อย่างเสมออยู่แล้ว

พายุสุริยะตามปกติจะไม่ได้ทำให้เกิดอันตรายกับกิจกรรมของมนุษย์บนโลก ทำไมเรายังคงเห็นข่าวเกี่ยวกับพายุสุริยะลูกใหม่ที่จะปรากฏขึ้นมาที่มันจะมาพร้อมกับหายนะของอารยธรรมมนุษย์ หรือจริง ๆ สิ่งที่ข่าวเหล่านั้นมีส่วนที่เป็นจริงอยู่ ที่ว่าอารยธรรมของมนุษย์จะถึงกัลปาวสานจากพายุสุริยะ มาทำความรู้จัก Geomagnetic Storm พายุสนามแม่เหล็กโลก เพื่อจะได้ไม่ตื่นตระหนกและตกเป็นเหยื่อของพวกโรคจิต

พายุสุริยะ เป็นอีกหนึ่งปรากฏการณ์อวกาศที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ และไร้ซึ่งทางที่จะหนี ตราบใดที่โลกยังคงโคจรรอบดวงอาทิตย์ และเหมือนกับทุกทีและทุกข่าว ที่กล่าวว่า “ดวงอาทิตย์ ปลดปล่อยมวลสารออกมาตลอดเวลาอยู่แล้ว พายุสุริยะเป็นเพียงปรากฏการณ์ที่มวลสารเหล่านั้นปลดปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์มากกว่าปกติ แต่ทั้งหมดเกิดขึ้นตามวัฏจักรของดวงอาทิตย์ที่เกิดขึ้นทุก 11 ปี ที่จะสลับระหว่างช่วงที่ดวงอาทิตย์มีกิจกรรมบนพื้นผิวมากที่สุดหรือเรียกว่า Solar Maximum สลับกับช่วงที่ดวงอาทิตย์มีกิจกรรมบนพื้นผิวน้อยที่สุดหรือที่เรียกว่า Solar Minimum ซึ่งวัฏจักรนี้เป็นวัฏจักรปกติที่ไม่ได้มีอันตรายอะไร”

น่าเบื่อมั้ย น่าเบื่อเนอะ มาอ่านอะไรที่น่าสนุกบ้างดีกว่า เรามักจะได้ยินคำกล่าวว่าจุดดำบนดวงอาทิตย์คือ “สัญญาณบ่งบอกกิจกรรมบนพื้นผิวของดวงอาทิตย์” แต่ ทำไมละ?

สิ่งที่เราต้องทำความเข้าใจอย่างแรกคือดวงอาทิตย์นั้นเป็นสถานที่ที่ร้อนสุด ๆ ร้อนจนอะตอมต่าง ๆ ในนั้นสูญเสียอิเล็กตรอนและกลายสภาพเป็นทะเลพลาสม่า เมื่อมันไม่มีอิเล็กตรอน สภาพภายในทะเลพลาสม่าจึงกลายเป็นทะเลแห่งความยุ่งเหยิงที่มีประจุ และด้วยความที่ดวงอาทิตย์ใหญ่มาก จึงเกิดการแบ่งชั้นภายในดวงอาทิตย์ ทำให้โครงสร้างภายในดวงอาทิตย์นั้นไม่มีความเป็นเนื้อเดียวกัน (Non-Homogenuos)

ดวงอาทิตย์จะมีชั้นภายในเนื้อในชั้นหนึ่งเรียกว่า Convection Zone หรือ ชั้นที่มีการถ่ายเทความร้อน พลาสม่าร้อนที่อยู่ใกล้กับแกนกลางจะพยายามเบียดตัวของมันเองขึ้นไปชั้นที่สูงกว่า ซึ่งระหว่างที่มันลอยตัวสูงขึ้นมันจะคอย ๆ แผ่ความร้อนออก จนเมื่อมันเย็นตัวลงมันก็จะค่อย ๆ จมลงสู่ชั้นที่ใกล้กับแกนกลางของดวงอาทิตย์อีกครั้ง วนเป็นวัฏจักรเช่นนี้ คล้ายกับ Lava Lamp

การลอยขึ้นและจมลงนี้เหมือนจะเป็นกระบวนการปกติ แต่อย่าลืมว่าสิ่งที่ลอยขึ้นลงนั้นไม่ใช่น้ำแต่มันคือพลาสม่าที่มีประจุ การลอยขึ้นและจมลงจนหมุนเวียนเป็นวัฏจักรนี้เป็นกระบวนการที่เหมือนกับการหมุนของไดนาโมและมันได้สร้างสนามไฟฟ้าขึ้นมา เราเรียกกระบวนการนี้ว่า Solar Dynamo นี่คือปัจจัยที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กภายในดวงอาทิตย์

อีกสิ่งหนึ่งที่เราทราบนั้นคือดวงอาทิตย์นั้นมีการหมุนรอบตัวเอง ซึ่งเมื่อดวงอาทิตย์ที่เป็นแก๊สร้อนจัดหมุน กลุ่มแก๊สที่อยู่บริเวณเส้นศูนย์สูตร (กลางดวงอาทิตย์) จะเคลื่อนที่เร็วกว่ากลุ่มแก๊สที่อยู่เหนือจากเส้นศูนย์สูตร ขั้วสนามแม่เหล็กที่แต่แรกนั้นเป็นสนามแม่เหล็กที่หมุนวนขนาดใหญ่ที่วางตัวแนวเหนือใต้จากบนลงล่าง พอการที่บริเวณเส้นศูนย์สูตรของดวงอาทิตย์เคลื่อนที่เร็วกว่ามันจึงลากเส้นสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ไปพร้อมกับการหมุนของตัวมันเอง สนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์จึงค่อย ๆ มีการบิดเบี้ยวและเกิดเป็นจุดตัดของสนามแม่เหล็กที่ขั้วเหนือและขั้วใต้นั้นปรากฏให้เห็นบริเวณเส้นศูนย์สูตรของดวงอาทิตย์

และด้วยความที่พื้นผิว (Photosphere) ของดวงอาทิตย์นั้นเป็นทะเลพลาสม่า และพลาสม่านั้นหมายถึงสิ่งที่มีประจุ สนามแม่เหล็กที่จากเดิมราบเรียบ พอการวางตัวของสนามแม่เหล็กจึงเปลี่ยนไป สนามแม่เหล็กที่บิดเบี้ยวจึงทำให้การไหลของพลาสม่าภายในดวงอาทิตย์บิดเบี้ยวตามไปด้วย และจุดที่สนามแม่เหล็กขั้วเหนือและใต้กระจุกตัว พลาสม่าก็จะถูกเหนี่ยวนำให้ไหลไปตามเส้นสนามแม่เหล็กที่บิดเบี้ยวนั้นด้วย ลอยตัวขึ้นไปแผ่ความร้อนเหนือ Photosphere ของดวงอาทิตย์ ทำให้บริเวณ Photosphere ที่แต่ก่อนนั้นทำหน้าที่แผ่กระจายความร้อนออกจากเนื้อในดาวมีอุณหภูมิที่ลดลง เกิดเป็นจุดที่ Photosphere เย็นลง และทำให้เรามองเห็นเป็นจุดที่สว่างน้อยกว่าบริเวณอื่น หรือที่เราเรียกว่า จุดดำบนดวงอาทิตย์

ทฤษฎีการเกิดบิดเบี้ยวของสนามแม่เหล็กและการจุดดำบนดวงอาทิตย์นั้นมีชื่อว่า Babcock Model สิ่งที่ควรรู้คือสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์นั้นแข็งแกร่งมาก ต่อให้มีมวลสะสมเหนือ Photosphere มากแค่ไหน มันก็จะไม่หลุดจากสนามแม่เหล็กตรงนั้นได้ แต่การที่มวลสารเหล่านั้นจะหลุดออกมาจนกลายเป็นสิ่งที่เราเรียกว่าพายุสุริยะได้นั้นมันจะเกิดจากการที่เส้นสนามแม่เหล็กที่อยู่ใกล้กันเกิดการพาดผ่านแล้วเกี่ยวสนามแม่เหล็กทั้งสองเข้าด้วยกัน เกิดเป็นปรากฏการณ์ Magnetic Reconection หรือ Parker-Sweet reconnection ที่สนามแม่เหล็กเกิดการผนวกกัน เกิดเป็นแกนแนวสนามแม่เหล็กใหม่ที่แยกออกจากกัน สนามแม่เหล็กที่แยกจากกันจะดีดตัวของมันเองแผ่ขยายออกไปนอกอวกาศซึ่งถูกปล่อยออกไปพร้อมกับมวลสารที่ถูกกักเก็บอยู่ภายในสนามแม่เหล็ก เกิดเป็นปรากฏการณ์ Coronal Mass Ejection หรือ CME ที่ปลดปล่อยมวลสารเหล่านี้ออกนอกอวกาศเป็นพร้อมกับสนามแม่เหล็กที่เข้มข้น

การดีดตัวของ CME ส่วนใหญ่ ปลายหางของสนามแม่เหล็กจะยังมีส่วนที่เชื่อมติดกับสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์อยู่ ดังนั้นเราสามารถกล่าวได้ว่าสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์นั้นกว้างใหญ่มาก แต่ก็มีการปลดปล่อยสนามแม่เหล็กที่ตัวก้อนของสนามแม่เหล็กหลุดออกจากเส้นสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ด้วย ซึ่งถึงแม้ก้อนพลังงาน CME จะหลุดออกจากดวงอาทิตย์ นั้นไม่ได้หมายความว่าสนามแม่เหล็กภายในนั้นจะหายไปจากก้อน CME ตัวของสนามแม่เหล็กมันจะยังคงอยู่ในก้อน CME ด้วยสิ่งที่เรียกว่า Frozen in flux ตามทฤษฎีของ Alfvén

พายุสุริยะกับสนามแม่เหล็กโลก

อย่างที่บอกกันไปแล้วว่า ดวงอาทิตย์ปลดปล่อยมวลสารของมันอยู่ต่อเนื่องตลอดเวลา เราเรียกการปลดปล่อยนี้ว่า ลมสุริยะ ซึ่งการปลดปล่อยนี้มีทำให้สภาพอวกาศภายในระบบสุริยะของเราปกติ สสารจากภายนอกระบบสุริยะยากที่จะเดินทางเข้ามาถึงภายในระบบสุริยะได้เพราะเกราะป้องกันที่เรียกว่าลมสุริยะนี้ ทำให้สภาพแวดล้อมภายในนี้ปลอดภัย แค่บางครั้งดวงอาทิตย์ก็ปลดปล่อยมวลออกมารุนแรงมากกว่าปกติที่เรียกว่า พายุสุริยะ

และลมสุริยะที่ไหลออกมาจากดวงอาทิตย์อย่างต่อเนื่องนี้ก็ผลักดันสนามแม่เหล็กของโลกให้มีการบิดเบี้ยวเป็นดังภาพ Infographic ที่เรามักเห็นกันที่ด้านไกลจากดวงอาทิตย์สนามแม่เหล็กจะถูกยืดออกเป็นหางที่ยาวทอดออกไปในอวกาศ ซึ่งจะมีจุดตัดของสนามแม่เหล็กบริเวณขั้วเหนือและใต้ที่เป็นเหมือนช่องโหว่ของสนามแม่เหล็กที่อนุภาคต่าง ๆ จะถูกดักและเร่งตามสนามแม่เหล็กและพุ่งเข้าไปชนชั้นบรรยากาศบริเวณนั้นได้ ซึ่งกลายมาเป็นแสงที่ปรากฏเหนือท้องฟ้าในยามค่ำคืนที่เราเรียกว่าแสงออโรรา

สนามแม่เหล็กโลกที่แข็งแรงเมื่อเจอกับ CME ก็อาจทำให้สนามแม่เหล็กโลกบิดเบี้ยวไปตามแนวแรงของสนามแม่เหล็กภายในก้อน CME ได้ ทำให้สนามแม่เหล็กยืดออกและบิดเบี้ยว ช่องว่างสนามแม่เหล็กโลกจึงใหญ่ขึ้นเปิดโอกาสให้อนุภาคจากดวงอาทิตย์และ CME จึงไหลเข้ามาชนชั้นบรรยากาศโลกมากยิ่งขึ้นในละติจูดที่ต่ำลง

ซึ่งในครั้งที่การระเบิดของ CME นั้นรุนแรงมากมหาศาลจนทำให้สนามแม่เหล็กของโลกถูกบีบอัดอย่างรุนแรง หางของสนามแม่เหล็กโลกที่ต้องวกกลับเข้ามายังขั้วโลกจะเกิดการทอดตัวยาวออกห่างจากโลก เมื่อถึงจุดหนึ่งพลังงานสะสมที่หางมากเกินไปและเกิด Magnetic Reconnection มวลสารที่อยู่ที่หางจะหลุดออกจากเส้นสนามแม่เหล็กโลก เส้นสนามแม่เหล็กในส่วนที่ยังอยู่กับโลกจะทำตัวคล้ายกับสปริงที่ดีดตัวกลับเข้าสู่แนวเส้นแรงเดิมอย่างรวดเร็ว กวาดเอาอนุภาคพลังงานสูงต่าง ๆ กลับเข้ามาชนโลก สิ่งที่เราเรียกว่า Geomagnetic storm จึงได้ถือกำเนิดขึ้น

ถึงแม้ว่าความรุนแรงของอนุภาคที่พุ่งเข้าชนโลกไม่ว่าจะมาจากกรณีที่เลวร้ายแค่ไหน มันก็ไม่ส่งผลต่อกิจกรรมของชีวิตอยู่ดีเพราะโลกของเรายังมีเกราะป้องกันที่เรียกว่าชั้นบรรยากาศอยู่ ซึ่งพลังงานต่อให้สูงแค่ไหนก็ตามไม่มีทางพุ่งเข้ามาชนจนสร้างผลกระทบต่อชีวิตบนโลกได้อย่างแน่นอน (DNA พัง หรือ Mutation นั้นอีกเรื่อง) แต่สิ่งที่น่ากลัวนั้นคือตัวสนามแม่เหล็กที่ถูกดีดกลับมา

ระบบเครือข่ายไฟฟ้าในปัจจุบันนั้นใช้เป็นระบบไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) และกระแสไฟฟ้าสลับเหล่านี้ถูกส่งผลสายไฟฟ้าที่ยาวข้ามพาดผ่านหลายพื้นที่บนโลก และเมื่อเกิดการระเบิดของ Geomagnetic Storm สนามแม่เหล็กของโลกที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วจะเหนี่ยวนำกระแสภายในสายไฟฟ้า สร้างไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เข้าไปยังสายไฟฟ้า เครือข่ายระบบไฟฟ้ากระแสสลับที่ถูกออกแบบมาเพื่อการทำงานของกระแสสลับเมื่อได้รับไฟฟ้ากระแสตรงปริมาณมหาศาลก็ย่อมเกิดความเสียหาย ยังไม่รวมสิ่งต่าง ๆ ที่จะเกิดขึ้นจากการที่เกิดการเหนี่ยวนำอีก ทั้ง Eddy Current ที่สร้างความร้อนให้กับระบบไฟฟ้า และ Leakage flux ที่เกิดขึ้นในระบบหม้อแปลงไฟฟ้า

จากการศึกษาโดย NOAA Ampere หรือ กระแสไฟฟ้าในระบบเครือข่ายไฟฟ้าแรงสูงในช่วงที่เกิด Geomagnetic Storm สามารถมีกระแสที่สูงขึ้นมากถึงหนึ่งล้านแอมแปร์ ซึ่งด้วยกระแสที่สูงมากระดับนั้นสามารถทำลายหม้อแปลงไฟฟ้าขนาดใหญ่ให้พังในเวลาอันรวดเร็ว กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ คือสิ่งที่น่ากลัวที่สุดของ Geomagnetic Storm

โลกในปัจจุบันพึ่งพาไฟฟ้าในการดำเนินกิจกรรมต่าง ๆ การขาดพลังงานไฟฟ้าในชีวิตจะกลายเป็นปัญหาที่ใหญ่ในระดับโลกทันที ซึ่งสิ่งนี้เคยเกิดขึ้นมาแล้วในปี 1989 ที่ Montreal, Quebec กระแสไฟฟ้าดับทั่วเมืองเนื่องจาก Geomagnetic Storm และสร้างความเดือดร้อนให้กับประชาชนราว 6 ล้านคนไม่มีกระแสไฟฟ้าใช้ในค่ำคืนฤดูหนาวที่หนาวเหน็บ ซึ่งการซ่อมแซมระบบไฟฟ้าจากความเสียหายในครั้งนี้ทำให้รัฐบาลแคนาดาสูญเงินไปมากถึง 10 ล้านดอลลาร์แคนาดาเพื่อให้ระบบไฟฟ้ากลับมาใช้งานได้ดังเดิม

Geomagnetic Storm เป็นสิ่งที่หลีกหนีไม่ได้ แต่เราสามารถลดความเสียหายที่จะเกิดขึ้นได้ ด้วยการออกแบบระบบส่งกำลังไฟฟ้าที่ชาญฉลาด ที่สามารถตัดการทำงานของการจ่ายกระแสไฟฟ้าในช่วงเวลาที่ CME เคลื่อนที่ผ่านโลก เพราะว่าก่อนการระเบิดของ CME นั้นจะมีเหตุการณ์แจ้งเตือนเราก่อนเสมอ ทั้งเรื่องจำนวนของจุดดำบนดวงอาทิตย์ การสะสมมวลในชั้นโคโรน่าของดวงอาทิตย์ อีกทั้งเมื่อเกิดการระเบิด เราสามารถมองเห็นแสงการระเบิดที่ลุกสว่างจ้าได้จากกล้องสำรวจดวงอาทิตย์ที่จะทำการแจ้งเตือนเราและคำนวนระยะเวลาที่ CME จะเดินทางมาถึงโลก และเมื่อ CME คือก้อนมวลขนาดใหญ่นั้นหมายความว่าต้องใช้เวลาร่วมหลายชั่วโมงถึงหลักวันในการเดินทางจากดวงอาทิตย์มาถึงโลก ดังนั้นช่วงเวลาที่เรามองเห็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเรามีเวลาตั้งหลักหลายชั่วโมงและมากพอที่กลุ่มกิจการไฟฟ้าจะเตรียมตัวทันกับการรับมือ CME

สรุปต้องกลัว CME ครั้งใหญ่มั้ย

คำตอบคือ ไม่ คนที่ต้องกลัวคือคนที่ทำงานการไฟฟ้า เพราะ”เมื่อระบบไฟฟ้ามันล่ม พวกเขาจะโดนด่า” ในเมื่อปัจจุบันเรามีระบบเครือข่ายการเตือนภัยทางสภาพอวกาศที่ทันสมัย มียานสำรวจดวงอาทิตย์ที่คอยมองดวงอาทิตย์ทุกวันและตลอดเวลา มีโซเชียลมีเดียที่ทั้งให้ความรู้ประชาชนและแจ้งเตือนภัยตลอดเวลา ถ้าการไฟฟ้าไม่รู้ ก็สมควรโดนด่าแล้ว

แล้วถามว่าประเทศไทยน่ากลัวมั้ย? ก็ไม่ เพราะประเทศไทยเป็นประเทศที่อยู่ในตำแหน่งที่มีความเข้มของสนามแม่เหล็กมากที่สุดในโลก และต่อให้น่ากลัว การไฟฟ้าก็ควรเป็นคนจัดการไม่ใช่ประชาชนที่ไม่มีความรู้เรื่องไฟฟ้ากำลัง

โครงการดาวเทียม Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) ทำการสังเกตและเก็บข้อมูลดวงอาทิตย์ การศึกษาและเฝ้าระวังภัยจากดวงอาทิตย์ก็ส่วนหนึ่งของภารกิจ SOHO ซึ่งตัวดาวเทียมก็ดำเนินงานมาตั้งแต่ 1996 แล้ว ดาวเทียมยังคงทำหน้าที่ในการแจ้งเตือนและเฝ้าระวังภัยจากการปะทุของ CME ให้กับมนุษย์ ซึ่งจะเห็นได้ว่าการลงทุนในความรู้นั้นเป็นการลงทุนที่ใช้เงินทุนน้อยกว่าการลงทุนในการแก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้นไปแล้วเสมอ เพราะตลอดการทำงาน 28 ปีของ SOHO ยังใช้เงินในโครงการนี้น้อยกว่าทั้งการซ่อมบำรุงและความเสียหายต่อเศรษฐกิจตอนเมื่อเหตุการณ์ไฟดับครั้งใหญ่ของคิวเบกที่ไม่ได้สร้างความเสียหายต่อระบบไฟฟ้าของรัฐคิวเบกเพียงอย่างเดียวแต่มันส่งผลทำให้เกิดความเสียหายทางเศรษฐกิจ ตลาดหุ้นไม่สามารถเปิดการซื้อขายได้จากการที่กระแสไฟฟ้าดับ และที่สำคัญที่สุดคือมันสร้างความเดือดร้อนให้กับประชาชนนับไม่ถ้วน

ดังนั้นหากเทียบกันแล้วยังไงการลงทุนทางองค์ความรู้ย่อมเป็นการลงทุนที่คุ้มค่าที่สุด เพราะมันไม่ได้แค่รู้แล้วจบสิ้นไป แต่มันสามารถต่อยอดองค์ความรู้เหล่านั้น ความรู้ที่ถึงแม้ว่าเราไม่รู้ว่าเราจะรู้ไปทำไม อย่างเช่น การเจอจุดดำบนดวงอาทิตย์ของกาลิเลโอเมื่อ 400 ปีก่อน ที่ตัวกาลิเลโอก็ไม่รู้ว่ารู้ไปทำไม มาช่วยทำให้มนุษย์ของเราในวันนี้ใช้ในการคาดการณ์การเกิดขึ้นของพายุสุริยะและป้องกันตัวของพวกเราเองจากการสูญสิ้นอารยธรรมจากพายุสุริยะ ซึ่งคงเป็นสิ่งที่กาลิเลโอไม่มีทางคิดฝันถึงอย่างแน่นอน

ขอบคุณนาวิน งามภูพันธ์ ในการร่วมถกปัญหา Coronal Mass Ejection โครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์ ทฤษฎีการถ่ายโอนความร้อน การเกิดขึ้นของสนามแม่เหล็กดวงอาทิตย์ และ Geomagnetic Storm มา ณ ที่นี้ด้วย

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co