9 เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับแสง 'ออโรรา'

Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ

ในบทความก่อนหน้านี้ ผมได้แนะนำให้รู้จักต้นเหตุของ ‘พายุสุริยะ’ แบบต่างๆ รวมทั้งผลกระทบกันไปแล้ว คราวนี้จะขอพูดถึงเรื่องออโรราซึ่งมีคนสนใจค่อนข้างมากบ้าง

1) ออโรรา คืออะไร?

ออโรรา (aurora) เป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติซึ่งเห็นเป็นแสงสว่างบนท้องฟ้า อาจมีหลากหลายสีสัน มักเกิดในบริเวณแถบขั้วโลกที่มีละติจูดสูง และปรากฏได้ในหลากหลายรูปแบบ เช่น แสงเรืองจางๆ เป็นวงโค้ง หรือ แสงสว่างคล้ายม่านซึ่งกำลังเคลื่อนไหวและเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างรวดเร็ว

หากเกิดทางแถบซีกโลกเหนือ เรียกว่า ออโรรา บอรีอัลลิส (aurora borealis) หรือ ‘แสงเหนือ’

หากเกิดทางแถบซีกโลกใต้ เรียกว่า ออโรรา ออสตราลิส (aurora australis) หรือ ‘แสงใต้’

2) ออโรรา เกิดขึ้นได้อย่างไร?

ออโรราเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคมีประจุ เช่น อิเล็กตรอนและโปรตอน เกิดอันตรกิริยากับอะตอมและโมเลกุลในชั้นบรรยากาศของโลก โดยอนุภาคเหล่านี้ส่วนใหญ่มาจากลมสุริยะ (solar wind) และจากกระบวนการเร่งอนุภาคภายในแมกนีโตสเฟียร์

เมื่อก้อนพลาสมา CME (coronal mass ejection) พุ่งมาถึงโลก อาจทำให้เกิดพายุแม่เหล็กโลก (geomagnetic storm) ซึ่งส่งผลกระทบต่อสนามแม่เหล็กของโลกและช่วยเร่งอนุภาคที่มีอยู่แล้วในแมกนีโตสเฟียร์ เช่น อนุภาคในแถบรังสีแวนอัลเลน (Van Allen Radiation Belts) กระบวนการที่มีบทบาทสำคัญในการเร่งอนุภาค ได้แก่ การเชื่อมต่อเส้นแรงแม่เหล็ก (magnetic reconnection) และ คลื่นอัลฟ์เวน (Alfv{\’e}n wave) ที่ช่วยเร่งอิเล็กตรอนลงสู่ชั้นบรรยากาศ

อนุภาคมีประจุเหล่านี้เคลื่อนที่เป็นลักษณะควงสว่านตามแนวเส้นแรงแม่เหล็กโลกเนื่องจากแรงโลเร็นตซ์ และค่อยๆ เคลื่อนเข้าสู่พื้นที่ใกล้วงแหวนออโรรา (auroral oval) ซึ่งอยู่ใกล้กับบริเวณขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้

ในชั้นบรรยากาศตอนบน โดยเฉพาะชั้นไอโอโนสเฟียร์และเทอร์โมสเฟียร์ มีโมเลกุลและอะตอมของก๊าซ เช่น ออกซิเจนอะตอมเดี่ยว (O) และไนโตรเจน (N2, N) เมื่ออนุภาคมีประจุพุ่งชนก๊าซเหล่านี้ อะตอมหรือโมเลกุลของก๊าซจะเข้าสู่สถานะกระตุ้นชั่วคราว ทำให้อิเล็กตรอนภายในอะตอมหรือโมเลกุลนั้นกระโดดไปอยู่ในระดับพลังงานที่สูงขึ้น และเมื่ออิเล็กตรอนกลับสู่ระดับพลังงานที่ต่ำลง จะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสงที่มีสีต่างๆ เรียกว่า ออโรรา

3) สีสันต่างๆ ของออโรรามีสาเหตุมาจากอะไร?

สีสันต่างๆ ของแสงออโรราเกิดจากอะตอม โมเลกุล และไอออนชนิดต่างๆ ที่อยู่ในชั้นบรรยากาศโลก ณ ระดับความสูงที่แตกต่างกัน ดังนี้ :

สีแดง (เหนือ 200 กิโลเมตร) : เกิดจากการชนของอนุภาคพลังงานสูงกับ ออกซิเจนอะตอมเดี่ยว (O) ที่ความสูงนี้ สีแดงที่เกิดขึ้นจะมีลักษณะ แดงเข้ม และอาจมีความสว่างน้อยเนื่องจากความหนาแน่นของก๊าซที่เบาบาง

สีเขียว (100-300 กิโลเมตร) : เป็นสีที่พบได้บ่อยที่สุด เกิดจากการชนของอนุภาคพลังงานสูงกับ ออกซิเจนอะตอมเดี่ยว (O) โดยตรง ซึ่งกระตุ้นให้ออกซิเจนปล่อยแสงสีเขียวออกมา

สีน้ำเงิน/ม่วง (100-200 กิโลเมตร) : เกิดจากการชนของอนุภาคพลังงานสูงกับ โมเลกุลของไนโตรเจนไอออน (N??)

สีแดง (ต่ำกว่า 100 กิโลเมตร) : เกิดจากการชนของอนุภาคพลังงานสูงกับ โมเลกุลของออกซิเจน (O?) ซึ่งจะปล่อยแสงสีแดงในช่วงความยาวคลื่นที่แตกต่างจากสีแดงของออกซิเจนอะตอมเดี่ยวที่ความสูงมากกว่า

สีที่พบได้ยาก (ความสูงมาก) : ที่ความสูงมากๆ คือหลายร้อยกิโลเมตรขึ้นไป อาจพบสีจากไฮโดรเจน (H) ซึ่งให้แสงสีแดงและสีน้ำเงิน/ม่วงอ่อนๆ และฮีเลียม (He) ซึ่งให้แสงสีขาว/ชมพู อย่างไรก็ตาม ก๊าซเหล่านี้มีความหนาแน่นต่ำมาก และสีที่เกิดจึงมักจะจางและสังเกตได้ยาก

มีข้อสังเกตเรื่องการผสมสีที่น่าสนใจคือ

หากแสงสีแดงจากออกซิเจนอะตอมเดี่ยว (ที่ความสูงต่างๆ) ทับซ้อนกับแสงสีน้ำเงินจากไนโตรเจนไอออน จะปรากฏเป็นสีม่วง หรือบางครั้งอาจเห็นเป็นสีชมพูเด่นชัด

หากแสงสีแดงจากออกซิเจนอะตอมเดี่ยวทับซ้อนกับแสงสีเขียวอมเหลืองจากออกซิเจนอะตอมเดี่ยวที่ความยาวคลื่นต่างกัน อาจเห็นเป็นสีส้ม

น่ารู้ด้วยว่าออโรราสามารถเกิดขึ้นได้ที่ความสูงเกิน 400 กิโลเมตร และสีหลักที่คาดว่าจะพบคือ สีแดงเข้ม เนื่องจากการเปล่งแสงของออกซิเจนอะตอมเดี่ยวซึ่งมีอยู่มากในระดับความสูงดังกล่าว อย่างไรก็ตาม ออโรราในบริเวณนี้มักจะมีความสว่างน้อยกว่าเนื่องจากความหนาแน่นของก๊าซที่เบาบางมาก

4) ผู้ที่ต้องการไปชมแสงออโรราต้องรู้อะไรบ้าง?

คนที่ต้องการไปดูแสงเหนือหรือแสงใต้ต้องพิจารณาปัจจัยหลายอย่าง ได้แก่ ทั้งปัจจัยทางภูมิศาสตร์ เวลา สภาพอากาศ และดัชนีทางวิทยาศาสตร์ที่บ่งบอกถึงความแรงของกิจกรรมบนดวงอาทิตย์ ซึ่งขอแบ่งอธิบายในข้อย่อย 5-8 ดังนี้

5) สถานที่ชมออโรรา

ละติจูดสูง : แสงออโรรามักเกิดขึ้นในบริเวณใกล้ขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้ ซึ่งหมายถึงละติจูดที่สูง (ประมาณ 60 ถึง 75 องศา) สำหรับแสงเหนือ สถานที่ที่เหมาะสม เช่น ไอซ์แลนด์, ตอนเหนือของแคนาดา, อะแลสกา, นอร์เวย์, สวีเดน, ฟินแลนด์ และรัสเซีย สำหรับแสงใต้ สถานที่ที่เหมาะสม เช่น ตอนใต้ของออสเตรเลีย, นิวซีแลนด์, อาร์เจนตินา และแอนตาร์กติกา

วงแหวนออโรรา (Auroral Oval) : ควรทำความเข้าใจเกี่ยวกับตำแหน่งของวงแหวนออโรรา ซึ่งเป็นบริเวณที่มีโอกาสเห็นแสงออโรรามากที่สุด วงแหวนนี้ไม่ได้อยู่คงที่ แต่จะขยายและหดตัวตามความแรงของกิจกรรมทางแม่เหล็กโลก

6) ช่วงเวลาที่เหมาะสมในการชมออโรรา

กลางคืน : แสงออโรราจะมองเห็นได้ชัดเจนที่สุดในเวลากลางคืนที่ท้องฟ้ามืดสนิท

ฤดูหนาว : ในซีกโลกเหนือ ช่วงเดือนกันยายนถึงเมษายนเป็นช่วงที่เหมาะสมที่สุด เนื่องจากกลางคืนมีเวลายาวนาน

ช่วงเวลาที่มืดที่สุด : โดยทั่วไปประมาณ 21:00 น. ถึง 03:00 น. ตามเวลาท้องถิ่น เป็นช่วงที่มีโอกาสเห็นออโรรามากที่สุด

7) สภาพอากาศที่ทำให้มีสิทธิ์เห็นออโรราชัดเจน

ท้องฟ้าปลอดโปร่ง : ต้องตรวจสอบพยากรณ์อากาศและเลือกคืนที่ท้องฟ้าเปิด ไม่มีเมฆบดบัง

ไม่มีแสงรบกวน : ควรอยู่ในที่มืดสนิท หลีกเลี่ยงแสงจากเมืองหรือแสงจันทร์รบกวน

8) ดัชนีทางวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับออโรรา

ดัชนีสภาพอวกาศ (Space Weather Indices) ที่เกี่ยวข้องกับออโรราที่สำคัญ ได้แก่

– ดัชนี Kp (Planetary K-index) : เป็นดัชนีที่วัดความแรงของกิจกรรมทางแม่เหล็กโลกในช่วง 3 ชั่วโมง มีค่าตั้งแต่ 0 ถึง 9 ค่าที่สูงขึ้นหมายถึงกิจกรรมทางแม่เหล็กโลกที่แรงขึ้น และมีโอกาสเห็นแสงออโรราได้ในละติจูดที่ต่ำลง

– Kp 0-2 : กิจกรรมสงบ แสงออโรราจำกัดอยู่ในบริเวณละติจูดสูงมาก

– Kp 3-4 : กิจกรรมปานกลาง มีโอกาสเห็นแสงออโรราในละติจูดที่ต่ำลงมาเล็กน้อย

– Kp 5 : เกิดพายุแม่เหล็กโลกเล็กน้อย (G1) มีโอกาสเห็นแสงออโรราในละติจูดกลาง (เช่น ตอนใต้ของสแกนดิเนเวีย, ตอนเหนือของสกอตแลนด์)

– Kp 6 : เกิดพายุแม่เหล็กโลกปานกลาง (G2) มีโอกาสเห็นแสงออโรราในละติจูดที่ต่ำลงอีก (เช่น ตอนเหนือของอังกฤษ, ตอนใต้ของสแกนดิเนเวีย)

– Kp 7 : เกิดพายุแม่เหล็กโลกแรง (G3) มีโอกาสเห็นแสงออโรราในละติจูดที่ต่ำลงไปอีก (เช่น ตอนใต้ของสแกนดิเนเวีย, ตอนกลางของสกอตแลนด์)

– Kp 8-9 : เกิดพายุแม่เหล็กโลกที่รุนแรงมาก (G4-G5) มีโอกาสเห็นแสงออโรราในละติจูดที่ต่ำมาก (อาจเห็นได้ถึงตอนใต้ของยุโรปหรือตอนกลางของสหรัฐอเมริกา)

– ความเร็วลมสุริยะ (Solar Wind Speed) : ลมสุริยะคือกระแสของอนุภาคมีประจุที่พัดมาจากดวงอาทิตย์ ความเร็วที่สูงขึ้นของลมสุริยะสามารถเพิ่มโอกาสในการเกิดแสงออโรรา

– ความหนาแน่นของอนุภาคในลมสุริยะ (Solar Wind Density) : จำนวนอนุภาคต่อหน่วยปริมาตรที่สูงขึ้นสามารถนำไปสู่แสงออโรราที่สว่างขึ้น

– สนามแม่เหล็กระหว่างดาวเคราะห์ (Interplanetary Magnetic Field, IMF) : โดยเฉพาะอย่างยิ่งองค์ประกอบ Bz ของ IMF หากมีทิศทางลงใต้ (southward) จะทำให้เกิดการเชื่อมต่อกับสนามแม่เหล็กโลกได้ง่ายขึ้น ซึ่งนำไปสู่กิจกรรมทางแม่เหล็กโลกที่แรงขึ้นและโอกาสเห็นแสงออโรรามากขึ้น

9) แหล่งข้อมูลสำหรับตรวจสอบดัชนีทางวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวกับออโรรามีอะไรบ้าง?

ขอแนะนำ NOAA Space Weather Prediction Center (SWPC) ที่ https://www.swpc.noaa.gov/products/planetary-k-index

นอกจากเรื่องแสงออโรราแล้ว บนฟ้ายังอาจมีสีสันที่เกิดจากปรากฏการณ์อื่นๆ ได้อีก เช่น skyglow และ airglow ถ้าสนใจก็ตามไปอ่านบทความเรื่อง “แสงสีเขียวปริศนาเกิดจากปรากฏการณ์ ‘Skyglow’ และชวนรู้จัก ‘Airglow’ & ‘Aurora'” ได้ที่ https://www.matichonweekly.com/column/article_727565

https://twitter.com/matichonweekly/status/1552197630306177024

อ่านข่าวต้นฉบับได้ที่ : 9 เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับแสง ‘ออโรรา’

ติดตามข่าวล่าสุดได้ทุกวัน ที่นี่
– Website : https://www.matichon.co.th/weekly