Astrophysics

เื่ชื่อได้ว่าใครหลายคนคงเคยฝันอยากไปประเทศในแถบขั้วโลก เพื่อชมพระอาทิตย์เที่ยงคืน รวมทั้งปรากฎการณ์ม่านแสงบนฟากฟ้า ที่เรียกว่า แสงเหนือแสงใต้(Aurora)  เป็นแน่   แท้จริงแล้วปรากฎการณ์นี้เป็นผลกระทบอันเนื่องมาจากสภาพอวกาศ ปรากฎการณ์เชิงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นที่ดวงอาทิตย์  ลมสุริยะ และปรากฏการณ์เชิงแม่เหล็กของสนามแม่เหล็กโลกเอง  
 


 

แสงเหนือแสงใต้ในบริเวณขั้วโลกเหนือ Credit:Tom Eklund


 แสงเหนือแสงใต้เกิดจากอะไรนั้น ความรู้ปัจจุบันเราทราบสาเหตุว่าเกิดจากการชนของอนุภาคมีประจุกับโมเลกุลหรืออะตอมของก๊าซในชั้นบรรยากาศโลก แล้วเกิดการถ่ายเทปลดปล่อยพลังงานในรูปคลื่ื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา จนเห็นเป็นแสงบนท้องฟ้านั่นเอง

 อนุภาคมีประจุมาจากไหนกัน?     แต่เดิมนักวิทยาศาสตร์พบจากลมสุริยะ(Solar Wind) ซึ่งประกอบไปด้วยอิเลคตรอน(electron) โปรตอน(proton) หรือไออน(ion) ธาตุหนักอื่นๆ  

source:http://science.nasa.gov/newhome/headlines/ast28oct98_1.htm
ภาพด้านบนแสดงเส้นสนามแม่เหล็กโลก เมื่อได้รับอิทธิพลจาก "ลมสุริยะ" ครับ ก็จะเกิดแนวปะทะของลมสุริยะกับสนามแม่เหล็กโลก  คล้ายกับแนวปะทะของลมดาวฤกษ์(Stellar wind) กับ ลมสุริยะ(solar wind) ที่เคยอธิบายไว้ใน entry ของเขตของระบบสุริยะ

 สังเกตบริเวณที่เรียกว่า polar cusp ที่เป็นช่องเปิดของสนามแม่เหล็กโลก(เส้นสีแดง)  ด้านซ้ายมือที่มีเส้นลูกศรสีเหลืองพุ่งเข้าไปในบริเวณที่แรเงาด้วยเส้นสีขาว     บริเวณนี้อนุภาคมีประจุ(charged particles)ของลมสุริยะ อย่างเ่ช่น อิเลคตรอน กับโปรตอน  สามารถเล็ดลอดผ่านเข้ามาในชั้นบรรยากาศโลกได้ครับ

ส่วนแหล่งอนุภาคอีกกลุ่มหนึ่งที่ทำให้เกิดแสงเหนือแสงใต้ ล่าสุดเมื่อ 26 กุมภาพันธ์ 2551 หรือต้นปีนี้เอง กองดาวเทียม THEMIS  ได้พบปรากฎการณ์ magnetic reconnection(ลิงค์ไป entry เก่าที่เคยพูดถึงเรื่องนี้) ในบริเวณหางสนามแม่เหล็กโลก(magnetotail) ทำให้เกิด substorm   ดังภาพข้างล่าง

 

Credit: NASA/Goddard Space Flight Center- Conceptual Image Lab 

 แสดงลมสุริยะที่บีบเส้นสนามแม่เหล็กด้านหลังโลกที่ยาวยื่นออกไปเหมือนหาง   เมื่อเส้นสนามแม่เหล็กโลกถูกบีบเข้าหากันจนเกิด magnetic reconnection พลังงานที่เกิดจากปรากฏการณ์นี้จะเร่งความเร็ว  รวมทั้งผลักดันให้อนุภาคที่ถูกกักไว้ในภายในสนามแม่เหล็กโลกเคลื่อนที่กลับไปหาโลกด้วยความเร็วสูง  โดยวิ่งไปตามเส้นสนามแม่เหล็กเข้าสู่บริเวณขั้วโลก จนเกิดแสงเหนือแสงใต้ เป็นวงแสงรอบๆ ขั้วโลก

 

เมื่ออนุภาคมีประจุเข้ามาในชั้นบรรกาศโลกแล้ว เกิดอะไรขึ้น?

อนุภาคที่ลอดเข้ามาได้   จะชนกับโมเลกุลหรืออะตอมของก๊าซในชั้นบรรยากาศ   การชนของอนุภาคนั้นจะถ่ายทอดพลังงานให้อิเลคตรอนที่อยู่ในโมเลกุลหรืออะตอม ได้รับพลังงานแล้วเปลี่ยนระดับพลังงานขึ้นสู่สถานะกระุตุ้น(excited state) ดังภาพ a และ b ข้างล่าง


credit:Thompson Higher Education
จากนั้นเมื่ออิเลคตรอนคายพลังงานออกมาเพื่อกลับสู่สถานะเดิม(ในภาพ c)  พลังงานที่ออกมานั้นจะอยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังงานสอดคล้องกับผลต่างของระดับพลังงานของทั้งสองสถานะ   สมมติว่า Ei คือ พลังงานของสถานะเดิม  ส่วน Ee คือพลังงานของสถานะกระตุ้น  ก็จะได้  Ee-Ei  =  hf  = hc/lamda โดย h คือค่าคงที่ของพลังค์  ส่วน f คือความถี่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า   c คือความเร็วแสงในสุญญากาศ และ  lamda คือความยาวคลืื่น   (ทบทวนอย่างง่ายๆ ได้ใน ฟิสิกส์ระดับ ม.ปลาย เรื่องฟิสิกส์อะตอมเด้อ)   โดยความถี่นี้หากเป็นความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านที่ตามนุษย์มองเห็นหรือ visible light เราก็จะมองเห็นได้เป็น "แสงเหนือแสงใต้"(Aurora) 
ทีนี้สีสันของแสงเหนือแสงใต้ที่พบส่วนใหญ่  จะเป็นสีเขียว กับสีแดง นั่นก็เพราะว่าช่วงความถี่หรือความยาวคลื่นของสีเขียวกับสีแดงนั้นสอดคล้องกับผลต่างของระดับพลังงานภายในโมเลกุลของก๊าซอย่างออกซิเจน(Oxygen)  กับ ไนโตรเจน(Nitrogen) ที่มีอยู่มากภายในชั้นบรรยากาศของโลกนั่นเอง
 
credit:NCAR/HAO

กราฟแสดงความเข้มของแสงความยาวคลื่นต่างๆ ที่เปล่งออกมาจากอะตอมออกซิเจนในชั้นบรรยากาศโลก  ขณะที่เกิดแสงเหนือแสงใต้     ความยาวคลื่นประมาณ 6200 อังสตรอม  กับเีขียว 5500 อังสตรอม จะเข้มข้นกว่าสีอื่นๆ ก็เลยเห็นแสงนี้เป็นสีเขียวๆแดงๆดังภาพ (Edit เพิ่มเติม หน่วย อังสตรอม(Angstrom) ก็คือ  10-10 เมตร  หรือ 0.0000000001 เมตร หรือ 0.1 นาโนเมตร)
 
credit:NCAR/HAO

กราฟแสดงความเข้มของแสงความยาวคลื่นต่างๆ  ของโมเลกุลไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศโลก จะเห็นว่าแสงสีแดงกับน้ำเงินจะเข้มเป็นพิเศษ แต่เมื่อมองในตอนกลางคืน สีแดงย่อมเห็นได้ชัดกว่าน้ำเงินที่มักจะกลืนไปกับท้องฟ้าสีดำเบื้องหลัง
 
 credit:MSIS E-90 Model/NCAR/HAO 
กราฟแสดงความหนาแน่นของออกซิเจนกับไนโตรเจนที่ระดับความสูงเหนือพื้นดิน  จะเห็นว่าออกซิเจนโดดเด่นมากในระดับความสูงประมาณ 200 กิโลเมตร  เมื่อออกซิเจนมีมากก็จะให้แสงเหนือแสงใต้สีเขียว  แต่ที่ระดับ 100 กิโลเมตร ออกซิเจนจะลดความหนาแน่นลง  ไนโตรเจนมีมากกว่า  ดังนั้นในระดับความสูงนี้ จะมีแสงเหนือแสงใต้สีแดงปรากฎชัดกว่าสีเขียว
ดังนั้นสีสันของแสงเหนือแสงใต้นี้ จึงบ่งบอกว่าเกิดการชนระหว่างอนุภาคพลังงานสูงกับอะตอมหรือโมเลกุลที่ระดับความสูงใดบ้างเช่นกัน  นอกจากนี้จำนวนครั้งของการเกิดแสงเหนือแสงใต้ ก็ย้อนรอยไปถึงความรุนแรง ของปรากฎการณ์ทางสภาพอวกาศที่ส่งผลกระทบต่อโลกได้ครับ จะเรียกว่าเป็นความงามที่อยู่เบื้องหน้า อันตรายก็ไม่ปาน
อ้างอิง
http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/Magnetosphere/tour/tour_earth_magnetosphere_09.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Aurora_Borealis