สนามแม่เหล็กโลก – สลับขั้ว? : ฟิสิกส์ในชีวิตประจำวัน /อนาคต

1.บทนำ

เมื่อประมาณ 2 ปีที่แล้วมีการพูดถึงเรื่องสนามแม่เหล็กโลกกำลังจะสลับขั้วกันมากพอสมควร [1-3] ได้ยินข่าวนี้แล้วหลายคนคงกังวลใจ เพราะสนามแม่เหล็กโลกมีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตบนโลกหลายด้าน เพื่อช่วยผ่อนคลายการจินตนาการทางร้ายจนไกลเกินไปจึงอยากจะขอเพิ่มเติมข้อมูลเรื่องสนามแม่เหล็กโลกและเสนอมุมมองอีกด้านหนึ่ง

2.โครงสร้างภายในของโลก

โครงสร้างภายในของโลกแบ่งอย่างคร่าวๆออกเป็น 3 ชั้น (รูปที่ 1) คือ 1) ชั้นเปลือกโลก (crust) ที่ซึ่งสิ่งมีชีวิตใช้เป็นที่อาศัย เป็นชั้นที่มีความหนาประมาณ 5-8 กิโลเมตร (ที่ใต้ท้องมหาสมุทร) หรือ 8-40 กิโลเมตรบนบก 2) ชั้นเนื้อโลก (mantle) ที่มีความหนา 2,897 กิโลเมตร ตรงขอบด้านบนติดกับชั้นที่ 1 มีอุณหภูมิประมาณ 871 เซลเซียส ส่วนที่ขอบด้านล่างติดกับชั้นที่ 3 มีอุณหภูมิประมาณ 2,200 เซลเซียส และ 3) ชั้นแกนโลก (core) ที่มีรัศมี 3,471 กิโลเมตร ซึ่งจากการศึกษาวิเคราะห์ทางด้านธรณีฟิสิกส์อย่างละเอียดที่ผ่านมาทำให้เชื่อได้ว่าสสารในชั้นนี้มี 2 สถานะที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน คือชั้นแกนโลกส่วนนอก (outer core) ที่เป็นของเหลว กับชั้นแกนโลกส่วนใน (inner core) ที่เป็นของแข็ง เนื่องจากชั้นแกนโลกนี้เองที่เป็นต้นตอสำคัญของเรื่องที่เรากำลังพูดถึงกัน จึงขอขยายความต่ออีกเล็กน้อย

แกนโลกส่วนนอกเป็นชั้นที่มีความหนาประมาณ 2,200 กิโลเมตร เนื่องจากมีอุณหภูมิอยู่ระหว่าง 2,200-5,200 เซลเซียส สสารทั้งหลายจึงเป็นของเหลว นั่นคือเป็นเหล็กเหลวที่มีธาตุที่เบากว่าเช่นนิกเกิล, ซิลิกอนและกำมะถันผสมอยู่ด้วย ทั้งนี้เพราะในขั้นตอนที่โลกค่อยๆเย็นตัวลงเมื่อหลายพันล้านปีก่อน พวกธาตุหนักเช่นเหล็กจะจมลงสู่แกนกลางและพวกธาตุที่เบากว่าจะลอยขึ้นสู่ผิวโลก

แต่แกนโลกส่วนในจะเป็นก้อนเหล็กแข็งที่มีรัศมีประมาณ 1,270 กิโลเมตร (เล็กกว่าดวงจันทร์เล็กน้อย) ที่อาจมีนิเกิลและโคบอลต์ปะปนอยู่ด้วย ถึงแม้ชั้นในสุดของโลกนี้จะมีอุณหภูมิสูงถึง 5,200 เซลเซียส แต่เนื่องจากมีความดันสูงมากด้วย คือมากกว่าความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเลถึง 3.6 ล้านเท่า ลูกบอลเหล็กยักษ์นี้จึงดำรงสภาพเป็นก้อนเหล็กแข็ง แทนที่จะเป็นของเหลว เนื่องจากโลกเย็นตัวลงอย่างช้าๆตลอดเวลา ขนาดของแกนโลกส่วนในจึงใหญ่ขึ้นประมาณ 1 มิลลิเมตรทุกปี นักวิทยาศาสตร์ประเมินว่ากว่าแกนโลกจะกลายเป็นก้อนกลมแข็งทั้งหมดจะต้องใช้เวลาประมาณ 9.1 หมื่นล้านปี

รูปที่ 1 โครงสร้างภายในของโลก รัศมีเฉลี่ยของโลกคือ 6,378 กิโลเมตร โดยมีความหนาแน่น 5.51 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร นั่นคือสูงกว่าความหนาแน่นของธาตุซิลิกอนประมาณ 2.4 เท่า ซิลิกอนเป็นธาตุที่มีอยู่มากเป็นอันดับสองในเปลือกโลก รองจากออกซิเจน ส่วนเหล็กซึ่งเป็นธาตุที่เสถียรที่สุดกว่าธาตุใดๆ มีความหนาแน่น 7.874 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร โดยมีจุดหลอมเหลวที่ 1,538 เซลเซียส (ที่มารูป: https://www.forbes.com/sites/trevornace/2016/01/16/layers-of-the-earth-lies-beneath-earths-crust/#7301f47441d7)

3.การเกิดสนามแม่เหล็กโลก

ปัจจุบันมนุษย์สามารถมองเห็นวงแหวนของดาวเสาร์ที่อยู่ไกลออกไป 1.2 พันล้านกิโลเมตรได้อย่างชัดเจน แถมยังส่งยานอวกาศไปสำรวจถึงที่มาแล้วด้วย (โครงการยานสำรวจ Cassini) แต่สิ่งที่อยู่ใต้เท้าของเราลึกลงไป 3,000 กิโลเมตรกลับมีความรู้น้อยมาก นักวิทยาศาสตร์ยังคงขาดความรู้ที่ถ่องแท้ว่าสนามแม่เหล็กโลก (geomagnetic field) เกิดขึ้นได้อย่างไร ได้แต่คาดคะเนและสร้างเป็นทฤษฎี ที่มีด้วยกันหลายทฤษฎี แต่ที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดคือทฤษฎีไดนาโม (Dynamo Theory) ซึ่งสรุปอย่างง่ายได้ดังต่อไปนี้

มวลสารในชั้นแกนโลกส่วนนอกซึ่งส่วนใหญ่เป็นเหล็กเหลวมีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลาอย่างมีความสลับซับซ้อนสูงมาก แต่อย่างน้อยก็มีที่มาจากสาเหตุสำคัญ 2 ประการ

ประการแรกเป็นเรื่องของอุณหภูมิที่แตกต่างกันมากระดับ 3,000 เซลเซียส ระหว่างขอบนอก (ที่อยู่ติดกับชั้นเนื้อโลก) และขอบใน (ที่อยู่ติดกับแกนโลกส่วนใน) ของแกนโลกส่วนนอก เป็นธรรมดาที่มวลสารที่ร้อนจะขยายตัวทำให้มีความหนาแน่นน้อยลงจึงลอยขึ้น ส่วนมวลสารที่เย็นกว่ามีความหนาแน่นมากกว่าจะจมลงไปแทนที่ เกิดเป็นกระแสไหลวนของเหล็กเหลวระหว่างขอบนอกกับขอบในของชั้นแกนโลกส่วนนอก  เรียกว่าเป็น convection current ที่เกิดขึ้นทั่วทั้งทรงกลมแกนโลก

ประการที่สองเป็นเรื่องของการหมุนรอบตัวเองอยู่ตลอดเวลาของโลก สายธารเหล็กเหลวที่มีการเคลื่อนที่อยู่ใน convection current จึงถูกกระทำด้วยแรงคอริออลิส (Coriolis force) โดยจะมีผลในทิศทางตรงกันข้ามระหว่างซีกโลกเหนือกับซีกโลกใต้ (การที่มองเห็นจากเบื้องสูงว่าพายุที่เกิดเหนือเส้นศูนย์สูตรหมุนวนทวนเข็มนาฬิกา ส่วนพายุในซีกโลกใต้หมุนวนตามเข็มนาฬิกา ก็เป็นผลมาจากแรงคอริออลิส) การเคลื่อนที่ลัพธ์ของ convection current ของเหล็กเหลวจึงมีลักษณะเป็นเกลียว ขนานกับแกนหมุนของโลก การเคลื่อนที่ของสายธารเหล็กเหลวดังกล่าวจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลกได้ต้องมีอีกองค์ประกอบสำคัญ นั่นคือสนามแม่เหล็กจากภายนอก (เป็นเพียงแนวความคิดหนึ่ง บางสำนักเชื่อในเรื่องของ self-excited dynamo action) กล่าวคือ ณ เวลาก่อนมีสนามแม่เหล็กโลก มีสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ดำรงอยู่แล้ว เมื่อเหล็กเหลว (ซึ่งเป็นตัวนำไฟฟ้าอย่างดี) ในสายธาร convection current เคลื่อนที่ตัดสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในสายธารเหล็กเหลว คล้ายกับเรื่อง Faraday’s disk dynamo ดังแสดงในรูปที่ 2 กระแสไฟฟ้าที่ไหลเป็นเกลียวเหมือนกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลในขดลวดโซลินอยด์ (solenoid) ที่มีจำนวนมากมายหลายขดในชั้นแกนโลกส่วนนอก เมื่อรวมกันเข้าก็คือต้นตอของสนามแม่เหล็กโลก ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 2 แผนภาพแสดงการทำงานของไดนาโมแบบแผ่นกลมตัวนำไฟฟ้าที่ไมเคิล ฟาราเดย์คิดค้นขึ้นเมื่อปีพ.ศ. 2364 ซึ่งต่อมาเรียกกันว่า Faraday’s disk dynamo โดยเมื่อหมุนแผ่นกลมทองแดง (copper disk) ซึ่งเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีมากตัดสนามแม่เหล็กถาวรดังรูป จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นในทิศรัศมีของแผ่นกลมทองแดง ซึ่งถ้านำมิเตอร์ไปต่อดังรูป กระแสไฟฟ้า I จะวิ่งออกมาทำให้เข็มของมิเตอร์เบนไปได้ การสาธิตนี้ของฟาราเดย์อธิบายถึงผลของปรากฏการณ์ Electromagnetic Induction และถือได้ว่าเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเครื่องแรกของโลก (ดัดแปลงจาก: http://www.zamandayolculuk.com/faradaydisk.htm)

รูปที่ 3 (ซ้าย)  ภาพวาดแสดงเฉพาะส่วนแกนโลก เกลียวสีฟ้าแสดงถึงการเคลื่อนที่ของเหล็กเหลวในซีกโลกเหนือกับซีกโลกใต้ในชั้นแกนโลกส่วนนอก  การหมุนวนของเหล็กเหลวในลักษณะนี้เกิดผลลัพธ์คล้ายกับรูปที่ 3(ขวา) คือเมื่อมีกระแสไฟฟ้า I วิ่งในขดลวดโซลินอยด์ในทิศทางดังรูป จะมีสนามแม่เหล็ก B เกิดขึ้นในแบบที่เส้นแรงแม่เหล็ก (เส้นสีเขียว) มีลักษณะและทิศทางดังรูป จะเห็นได้ว่าความเข้มสนามแม่เหล็กข้างในขดลวดโซลินอยด์มีค่าสูงกว่าข้างนอกขดลวดมาก มีการประเมินว่าค่าเฉลี่ยความเข้มสนามแม่เหล็กในแกนโลกมีค่าประมาณ 25 เกาส์ (Gauss หรือ G) หรือ 2.5 x 10⁶ nT ซึ่งสูงกว่าค่าเฉลี่ยของความเข้มสนามแม่เหล็กที่ผิวโลกประมาณ 50 เท่า

(ที่มารูป: http://uclmagneticfields.weebly.com/origin–earths-inner-core.html และ https://brilliant.org/wiki/magnetic-field-lines/)

4.การสลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลก

Carl Friedrich Gauss นักฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ชาวเยอรมันเป็นผู้ที่เริ่มต้นวัดความเข้มสนามแม่เหล็กโลก ตั้งแต่เมื่อ 184 ปีมาแล้ว โดยหลังจากนั้นก็มีการวัดซ้ำมาเรื่อย จนสมัยปัจจุบันพัฒนาขึ้นมากระดับใช้ดาวเทียมในการวัดเช่นดาวเทียม Ørsted เป็นต้น สนามแม่เหล็กโลกตามตำแหน่งต่างๆที่ผิวโลกไม่ได้มีค่าเท่ากันและเท่าเดิมตลอดเวลา แต่มีค่าอยู่ระหว่าง 25,000-65,000 นาโนเทสลา (2.5 x 10⁴-6.5 x 10⁴ nT) หรือ 0.25-0.65 เกาส์ (แม่เหล็กของเครื่อง MRI มีความแรงโดยเฉลี่ย 1.5 เทสลา หรือ 1.5 x 10⁹ nT) การแปรเปลี่ยนของสนามแม่เหล็กโลกแบบสุดขั้วเกิดขึ้นได้ และเชื่อกันว่าได้เคยเกิดขึ้นแล้วหลายครั้งในประวัติศาสตร์อันยาวนานของโลก การแปรเปลี่ยนดังกล่าวนี้แบ่งออกเป็น 2 แบบคือแบบชั่วคราว (excursion) กับแบบถาวร (reversal)

การเกิดการสลับขั้วแบบถาวรครั้งล่าสุดเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 770,00-780,000 ปีล่วงมาแล้ว (เกิดขึ้นก่อนการถือกำเนิดของบรรพบุรุษมนุษย์ปัจจุบันประมาณ 6 แสนปี) อ้างถึงเหตุการณ์ครั้งนั้นในชื่อว่า Matuyama – Brunhes geomagnetic reversal นั้นคือตั้งตามชื่อผู้ค้นพบคือ Motonori Matuyama กับ Bernard Brunhes นักธรณีฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่นและฝรั่งเศสตามลำดับ จากการพิเคราะห์จากหลักฐานทางธรณีวิทยาประเมินว่ากระบวนการสลับขั้วครั้งนี้กินเวลารวมทั้งสิ้นประมาณ 2 หมื่นปี [4] นั่นคือไม่ได้เกิดขึ้นแบบปุบปับ แต่กินเวลาหลายชั่วอายุคน ส่วนการเกิดการสลับขั้วแบบชั่วคราว 2 ครั้งล่าสุดเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 34,000 กับ 41,000 ปีมาแล้ว ซึ่งเรียกกันว่า Mono Lake excursion (MLE) กับ Laschamp excursion ตามลำดับ (ธารลาวา Laschamp อยู่ในเขตท้องที่ Clermont-Ferrand ทางตอนกลางของประเทศฝรั่งเศส)

จากการที่ตรวจพบว่าความเข้มสนามแม่เหล็กโลกอ่อนค่าลงในอัตรา 5% ต่อศตวรรษนับตั้งแต่มีการวัดโดยตรงที่เริ่มมาตั้งแต่ปีพ.ศ. 2383 และการตรวจพบว่ามีพื้นที่บริเวณหนึ่งเหนือมหาสมุทนแอตแลนติกตอนใต้ดังแสดงในรูปที่ 4 มีค่าความเข้มสนามแม่เหล็กโลกอ่อนกว่าตำแหน่งอื่นๆเป็นพิเศษ ซึ่งเรียกความผิดปกติที่บริเวณนี้ว่า South Atlantic Anomaly หรือ SAA ทำให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนให้ข้อสรุปว่านับแต่นี้ไปโลกกำลังย่างก้าวเข้าสู่ช่วงการสลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลก

รูปที่ 4 ภาพแผนที่ความเข้มสนามแม่เหล็กที่ผิวโลกของปีพ.ศ. 2555 (ระดับความเข้มดูตามแถบสีด้านล่าง ในหน่วยนาโนเทสลา หรือ nT) บริเวณตอนใต้ของทวีปแอฟริกาถึงทวีปอเมริกาใต้ที่มีความเข้มสนามแม่เหล็กโลกต่ำระดับสีน้ำเงิน-ฟ้าคือบริเวณ SAA  ซึ่งมีการตรวจพบเป็นครั้งแรกเมื่อปีพ.ศ. 2501  จุดสีขาวทั้งหลายแสดงตำแหน่งที่เกิดปัญหาชั่วคราวขึ้นกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนดาวเทียม TOPEX/Poseidon จะเห็นว่าเกิดขึ้นบ่อยเป็นพิเศษเมื่อโคจรเข้ามาอยู่ในบริเวณ SAA ที่รังสีคอสมิคทะลุผ่านเข้ามาได้มากกว่าบริเวณอื่นๆ ดาวเทียม TOPEX/Poseidon เป็นดาวเทียมขององค์การอวกาศ NASA ของสหรัฐอเมริการ่วมกับ CNES ของฝรั่งเศส เพื่อการถ่ายภาพทำแผนที่พื้นผิวมหาสมุทร ถูกส่งขึ้นสู่วงโคจรที่ระดับความสูง 1,340 กิโลเมตร เมื่อเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2535 และภารกิจสิ้นสุดเมื่อเดือนมกราคม พ.ศ. 2549 (ที่มารูป: https://www.esa.int/spaceinimages/Images/2012/09/South_Atlantic_Anomaly)

แต่มีนักธรณีฟิสิกส์กลุ่มหนึ่งที่เห็นแย้ง [5] โดยการคำนวณจากแบบจำลองที่ใช้ข้อมูลจำนวนมากที่รวบรวมมาจากตะกอนใต้ท้องทะเล กับธารลาวา เพราะในลาวามีแร่เหล็กปะปนอยู่ด้วย ตอนลาวาค่อยๆแข็งตัวแร่เหล็กเหล่านี้จะเรียงตัวตามแนวสนามแม่เหล็กโลก การค้นพบหลักฐานของปรากฏการณ์การสลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลกเป็นครั้งแรกเมื่อปีพ.ศ. 2449 ก็เกิดจากการที่ Bernard Brunhes สังเกตุเห็นการเรียงตัวในหินลาวาทางตอนใต้ของฝรั่งเศสกลับทิศกับสนามแม่เหล็กโลกในปัจจุบัน (แต่กว่าวงการวิทยาศาสตร์จะยอมรับเรื่องนี้ก็ต้องใช้เวลาถึง 50 ปี) และสนับสนุนโดยข้อมูลปริมาณไอโซโทปเบอริลเลียม-10 กับ คลอรีน-36 ในชั้นน้ำแข็งลึกบนเกาะกรีนแลนด์ ด้วยเมื่อสนามแม่เหล็กโลกอ่อนค่าลง รังสีคอสมิคทะลุเข้ามาชนบรรยากาศของโลกได้มากขึ้น ผลของการชนทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ผลิตไอโซโทปเบอริลเลียม-10 กับ คลอรีน-36 มากกว่าปกติ (ไอโซโทปที่เสถียรและพบมากที่สุดในธรรมชาติของธาตุเบอริลเลียมกับคลอรีนคือ Be-9 และ Cl-35 ตามลำดับ) นำมาสร้างลักษณะสนามแม่เหล็กโลกทั้งก่อนและตรงช่วงเวลาของ MLE กับ Laschamp excursion (คณะผู้วิจัยมีแนวคิดว่าการศึกษาจากเหตุการณ์ที่ใหม่กว่าจะมีความแม่นยำของข้อมูลสูงกว่า) แล้วนำมาเทียบกับลักษณะสนามแม่เหล็กโลกในปัจจุบัน ซึ่งพบว่ามีความแตกต่างกันมาก คณะนักวิจัยกลุ่มนี้จึงสรุปว่าการลดลงของสนามแม่เหล็กโลกที่กำลังเกิดขึ้นอยู่นี้จะไม่มีชะตากรรมบั้นปลายเป็นการเกิด excursion หรือ reversal นั่นคือถึงจุดๆหนึ่งก็จะกลับฟื้นคืนสภาพเอง ทำให้สบายใจได้เปลาะหนึ่งว่าไม่ต้องห่วงเรื่องที่จะเกิดการแปรเปลี่ยนสนามแม่เหล็กโลกแบบสุดขั้ว แต่ก็บอกไม่ได้แน่ชัดว่า SAA จะหยุดขยายวงและฟื้นคืนสภาพเมื่อใด แม้มีขนาดอย่างเช่นทุกวันนี้ก็ได้ก่อให้เกิดปัญหาทางไฟฟ้าขึ้นแล้วกับดาวเทียมวงโคจรต่ำที่เคลื่อนผ่านบริเวณ SAA นี้ (รูปที่ 4)

คงพอช่วยให้หายปริวิตกถึงอนาคตของหลานๆเหลนๆไปได้ ส่วนปัญหา SAA คงยังอยู่ไปอีกสักพักใหญ่ๆ ก็ต้องเรียนรู้และปรับตัวให้อยู่กับปัญหาได้อย่างดีที่สุด เช่นปกป้องหัวใจสำคัญของระบบอิเล็กทรอนิกส์บนดาวเทียมหรือยานอวกาศ คือส่วนไมโครชิป (microchip) ทั้งหลายให้มีโอกาสถูกชนด้วยอนุภาคต่างๆในรังสีคอสมิคน้อยที่สุด หรืออาจใช้วิธีปิดระบบชั่วคราวเมื่อโคจรเข้ามาอยู่ในย่านนี้ เช่นที่ทำกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (Hubble space telescope), หาวิธีชดเชยการเสื่อมสภาพเร็วกว่ากำหนดของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ของดาวเทียมหรือยานอวกาศ และ ไม่ให้มนุษย์อวกาศออกไปอยู่นอกตัวยานเมื่อโคจรอยู่ในบริเวณ SAA เป็นต้น

เอกสารอ้างอิง

1. วิมุติ วสะหลาย, “สนามแม่เหล็กโลกพลิก อาจมาเร็วกว่าที่คิด”, สมาคมดาราศาสตร์ไทย, 25 ก.ย. 2557, ที่เว็บไซต์ http://thaiastro.nectec.or.th/news/233/.

2. “ปรากฏการณ์อันตราย เมื่อสนามแม่เหล็กโลกสลับขั้ว”, วันที่ 1 กุมภาพันธ์ 2560 – 17:42 น., ที่เว็บไซต์ https://www.matichon.co.th/lifestyle/news_448608.

3. “สนามแม่เหล็กโลกกำลังอ่อนแรงลง”, 12 ธันวาคม 2561, ที่เว็บไซต์ https://stem.in.th/earthmagshieldweaken/.

4. B. S. Singer, B. R. Jicha, N. Mochizuki and R. S. Coe, “Synchronizing volcanic, sedimentary, and ice core records of Earth’s last magnetic polarity reversal”, Science Advances 5, 2019, ที่เว็บไซต์ https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw4621.

5. M. Brown, M. Korte, R. Holme, I. Wardinski and S. Gunnarson, “Earth’s magnetic field is probably not reversing”, PNAS

และ

http://thep-center.org/src2/views/daily-life.php?article_id=34