‘แสงออโรรา’ ปรากฏการณ์จากพายุแม่เหล็กโลก มีกี่สี แตกต่างกันอย่างไร?

“แสงออโรรา” (Aurora) หรือที่รู้จักกันในชื่อ “แสงเหนือ”​และ “แสงใต้” เป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่งดงามที่สุด นักท่องเที่ยวจากทั่วโลกต่างเดินทางไปเยี่ยมชมแสงสีสันต่าง ๆ ที่เต้นระบำบนท้องฟ้ายามค่ำคืน โดยปรากฏการณ์นี้เป็นผลลัพธ์ของกระบวนการทางฟิสิกส์ที่ซับซ้อน เริ่มต้นจากดวงอาทิตย์และเดินทางผ่านอวกาศเป็นระยะทางกว่า 145 ล้านกม.ก่อนจะมาถึงโลก 

การเกิดแสงออโรรา

“ดวงอาทิตย์” ปล่อยกระแสอนุภาคสุริยะที่เรียกว่า “ลมสุริยะ” ออกมาอย่างต่อเนื่องด้วยความเร็วประมาณ 1.6 ล้านกม. ต่อชั่วโมง ในบางช่วงเวลาจะเกิดการระเบิดที่รุนแรงบนพื้นผิวดวงอาทิตย์จากบริเวณที่เรียกว่า “จุดมืด” ซึ่งเป็นพื้นที่ที่มีสนามแม่เหล็กเข้มข้นสูงกว่าปกติถึง 1,000 เท่า ความเข้มข้นของสนามแม่เหล็กในบริเวณนี้ ขัดขวางไม่ให้ความร้อนภายในดวงอาทิตย์ขึ้นมาถึงพื้นผิว ส่งผลให้จุดเหล่านี้มีอุณหภูมิต่ำกว่าพื้นที่รอบข้างและปรากฏเป็นจุดสีเข้ม

“การพ่นมวลโคโรนา” (Coronal Mass Ejection หรือ CME) การระเบิดที่ปล่อยกลุ่มก้อนพลาสมาและสนามแม่เหล็กขนาดมหึมาออกมาสู่อวกาศ เป็นกิจกรรมสำคัญที่ขับเคลื่อนออโรรา โดยเมื่ออนุภาคเหล่านี้เคลื่อนที่เข้าใกล้โลก สนามแม่เหล็กโลกจะทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกัน และดึงดูดอนุภาคที่มีประจุให้ไหลไปตามเส้นแรงแม่เหล็กมุ่งหน้าไปยังขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้

เมื่ออนุภาคพลังงานสูงพุ่งชนกับอะตอมและโมเลกุลในชั้นบรรยากาศโลก จะทำให้อนุภาคเหล่านี้ร้อนขึ้น จนเรืองแสงออกมา โดยอะตอมที่ได้รับพลังงานส่วนเกินจากการชน มันจะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของอนุภาคแสงที่เรียกว่า “โฟตอน” (Photons) และเมื่อมีการปลดปล่อยโฟตอนพร้อมกันเป็นจำนวนมหาศาล จึงเกิดเป็นแสงออโรราที่เรามองเห็น

ขณะเดียวกัน ลมสุริยะจะลากเส้นสนามแม่เหล็กโลกให้ยืดออกไปทางด้านมืดจนเกิดเป็น “หางแม่เหล็ก” (Magnetotail) เมื่อเส้นสนามแม่เหล็กที่ถูกยืดออกเกิดความไม่เสถียรและขาดออกจากกัน มันจะดีดตัวกลับและเร่งความเร็วของอนุภาคให้พุ่งเข้าสู่บรรยากาศโลกที่ความสูงประมาณ 12,875 กม.เหนือพื้นผิว กระบวนการนี้ทำให้เกิดการถ่ายโอนพลังงานอย่างต่อเนื่องคล้ายกับเกมพินบอล จนกระทั่งอนุภาคเหล่านั้นชนเข้ากับก๊าซในชั้นบรรยากาศระดับต่ำลงมา

สีสันของแสงออโรราถูกกำหนดโดยชนิดของก๊าซที่ทำปฏิกิริยาและระดับความสูงที่เกิดการชน หากเป็นก๊าซออกซิเจนถูกกระตุ้นที่ระดับความสูงระหว่าง 97-240 กม. จะให้แสงสีเขียว แต่ถ้าออกซิเจนถูกกระตุ้นที่ระดับความสูงมากกว่า 240 กม. ขึ้นไปซึ่งมีความหนาแน่นต่ำ แสงจะปรากฏเป็นสีแดงเข้ม ซึ่งเป็นสีที่หาดูได้ยากกว่า และมักเห็นได้เฉพาะในช่วงที่มีกิจกรรมสุริยะรุนแรงเท่านั้น

ในส่วนของก๊าซไนโตรเจนจะให้สีในโทนสีน้ำเงิน ม่วง หรือสีชมพู โดยแสงสีน้ำเงินและม่วงมักปรากฏให้เห็นที่ระดับความสูงมากกว่า 97 กม.ขึ้นไป ในขณะที่สีชมพูมักจะเกิดขึ้นที่ระดับความสูงต่ำกว่า 97 กม.ลงมา 

ความแตกต่างของสีเหล่านี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุได้ว่า มีกิจกรรมเกิดขึ้นที่ระดับความสูงใดในชั้นบรรยากาศ ทั้งนี้เลนส์กล้องมักจะมีความไวต่อแสงมากกว่าดวงตามนุษย์ ทำให้ภาพถ่ายออโรรามักดูสดใสกว่าสิ่งที่มองเห็นด้วยตาเปล่า
 

ผลกระทบจากออโรรา

โดยปรกติแล้ว แสงเหนือจะมองเห็นได้เฉพาะบริเวณใกล้กับ “วงกลมอาร์กติก” (Arctic Circle) หรือในกรณีของแสงเหนือใต้ ก็จะมองเห็นได้รอบ ๆ ทวีปแอนตาร์กติกา แต่สำหรับช่วงที่สิ้นสุด “วัฏจักรสุริยะ” (Solar cycle) วัฏจักรการเปลี่ยนแปลงกิจกรรมของดวงอาทิตย์ ซึ่งมีรอบระยะเวลาประมาณ 11 ปี และเป็นช่วงที่จุดดับดวงอาทิตย์และเปลวสุริยะที่ทรงพลัง จะทำให้สามารถมองเห็นได้ไกลขึ้น

ตัวอย่างเช่นในปี 2024 เกิดพายุแม่เหล็กโลกระดับ 5 ซึ่งรุนแรงที่สุดในรอบ 20 ปี ทำให้สามารถมองเห็นออโรราได้ไกลถึงรัฐฟลอริดา บาฮามาส และอินเดีย นับเป็นการกระจายตัวที่กว้างขวางที่สุดในรอบ 500 ปี

เคที เฮอร์ลิงชอว์ นักวิจัยระบุว่า “เมื่อมีพลังงานสุริยะเข้ามามากขึ้น วงรีออโรราที่ขั้วเหนือและขั้วใต้จะขยายตัวออก”

แสงออโรราไม่เป็นอันตรายต่อมนุษย์ที่อยู่บนพื้นดิน เนื่องจากชั้นบรรยากาศโลกทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันรังสีให้แก่เรา แต่พายุแม่เหล็กโลก ซึ่งเป็นสาเหตุการเกิดออโรราเป็นอันตรายต่อนักบินอวกาศเนื่องจากรังสีโดยตรง อีกทั้งพายุเหล่านี้ยังสามารถส่งผลกระทบต่อเทคโนโลยีสมัยใหม่ เช่น รบกวนการทำงานของดาวเทียม ระบบนำทาง GPS และการสื่อสารผ่านโทรศัพท์มือถือ รวมถึงมีความเสี่ยงที่จะทำให้ระบบโครงข่ายไฟฟ้าขัดข้อง

ประวัติศาสตร์โลกเคยบันทึกว่าออโรราและพายุสุริยะเคยส่งผลกระทบต่อโลกมาแล้ว เช่น เหตุการณ์คาร์ริงตันในปี 1859 พายุสุริยะขนาดใหญ่ส่งผลกระทบต่อระบบโทรเลขและสัญญาณรถไฟ เพื่อประเมินความรุนแรงและการบิดเบี้ยวของสนามแม่เหล็กโลก นักวิทยาศาสตร์ได้วัดความแรงของพายุแม่เหล็กโลกตั้งแต่ระดับ 0-5 ดังนั้นการศึกษาออโรราจึงช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจ “สภาพอากาศอวกาศ” และสามารถวางแผนป้องกันความเสียหายต่อโครงสร้างพื้นฐาน

นอกจากนี้ ออโรรายังสามารถส่งผลกระทบต่อชั้นโอโซนในบริเวณขั้วโลก นูรา ปาร์ตามีส นักฟิสิกส์บรรยากาศ ระบุว่าอนุภาคโปรตอนพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์สามารถทำให้เกิดการสูญเสียโอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์ได้ถึง 50-70% ในบางกรณี แม้ว่าความเสียหายนี้จะสามารถฟื้นฟูเองได้ตามธรรมชาติภายในเวลาไม่กี่สัปดาห์ แต่ชั้นโอโซนก็มีความสำคัญอย่างยิ่งในการปกป้องโลกจากรังสีที่เป็นอันตรายของดวงอาทิตย์

ปรากฏการณ์ออโรราไม่ได้จำกัดอยู่เพียงแค่บนโลกเท่านั้น เมื่อเดือนมีนาคม 2024 ยาน Perseverance ของนาซา ตรวจพบออโรราสีเขียว ที่เกิดจากพายุสุริยะ บนพื้นผิวดาวอังคารเป็นครั้งแรก เนื่องจากดาวอังคารไม่มีสนามแม่เหล็กครอบคลุมทั้งดวงเหมือนโลก แสงออโรราบนดาวอังคารจึงมีลักษณะแผ่กระจายไปทั่วท้องฟ้า

ภาพจำลองปรากฏการณ์ออโรราบนดาวอังคาร
เครดิตภาพ: NASA/JPL-Caltech/Cornell Univ./Arizona State Univ/E. W. Knutsen

การค้นพบออโรราบนดาวอังคารช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจสภาพแวดล้อมบนดาวเพิ่มมากขึ้น เพื่อเตรียมความปลอดภัยให้แก่นักบินอวกาศในอนาคต โดยเคที สแตค มอร์แกน จากนาซา ระบุว่า “ความเข้าใจเกี่ยวกับออโรราและสภาวะรอบดาวอังคารมีความสำคัญยิ่ง ในขณะที่เราเตรียมการส่งนักสำรวจที่เป็นมนุษย์ไปยังที่นั่นอย่างปลอดภัย”

ในขณะเดียวกัน แสงออโรราสร้างแรงบันดาลใจและตำนานมากมายมานานกว่า 3,000 ปี ชาวนอร์สโบราณเชื่อว่าแสงเหล่านี้คือ เงาสะท้อนจากชุดเกราะของเหล่านักรบวัลคีรี หรือเป็นสะพานไบฟรอสต์ที่เชื่อมโลกมนุษย์กับดินแดนของเทพเจ้า ขณะที่ชาวฟินแลนด์เรียกมันว่า “ไฟจิ้งจอก” (Fire Fox) โดยจินตนาการถึงสุนัขจิ้งจอกในตำนานที่วิ่งสะบัดหางจนเกิดเป็นไฟบนท้องฟ้า ส่วนบางวัฒนธรรมเชื่อว่าแสงเหล่านี้เป็นวิญญาณของบรรพบุรุษที่ควรค่าแก่การเคารพ

แสงออโรรา จึงเป็นปรากฏการณ์ที่เป็นทั้งความงดงามทางธรรมชาติและตัวบ่งชี้กิจกรรมอันทรงพลังของดวงอาทิตย์ แม้จะมีศักยภาพในการรบกวนระบบสื่อสารและชั้นโอโซน แต่การวิจัยออโรราก็เป็นกุญแจสำคัญในการพัฒนาความปลอดภัยของเทคโนโลยีและการสำรวจอวกาศในอนาคต ตราบใดที่มีการเฝ้าระวังที่เหมาะสม มนุษย์บนพื้นดินก็ยังคงสามารถชื่นชมของขวัญจากดวงอาทิตย์ชิ้นนี้ได้อย่างปลอดภัย

 

ที่มา: BBC, DW, Sky at Night Magazine, The Washington Post