ระบบสุริยะจักรวาล

ลำดับตอนที่ #6 : สนามแม่เหล็กโลก

สนามแม่เหล็กโลกเกิดได้อย่างไร

       ตามที่ทราบกันแล้วว่า แกน(core)ของโลกนั้นร้อนมาก (อุณหภูมิประมาณ 5000 องศา F) สารประกอบภายในแกนโลกจึงกลายเป็นของเหลว แกนโลก แบ่งได้เป็นสองส่วน ส่วนนอกหรือ แกนนอก(outer core) กับส่วนใน หรือ แกนใน(inner core) ซึ่งมีรัศมีประมาณ ๒๒๐๐ กิโลเมตร แกนในสุดนั้น แม้จะร้อนมาก แต่เนื่องจากความกดดันภายในโลกเพิ่มขึ้น เมื่อเข้าไปภายในลึกขึ้นตามส่วน แกนใน จึงได้รับความกดดันสูงมากๆ โลหะร้อนเหลวนั้นจึงกลับกลายเป็นของแข็ง โดยแกนในนี้ประกอบด้วยธาตุเหล็กผสมอยู่อย่างน้อยๆ 90% ส่วนแกนนอกมีสถาพเป็นของเหลวที่ยังไหลไปไหลมาได้ แต่เชื่อว่ามันไหลไม่สม่ำเสมอ เพราะมีองค์ประกอบที่ต่างกันไปบ้าง และจากหลักฐานข้อมูลทางธรณีฟิสิกส์ที่วัดได้มา ก็ยืนยันว่าส่วนประกอบและอัตราการไหลนั้นไม่สม่ำเสมอจริง
        การหมุนตัวของโลก ก็มีส่วนส่งผลให้เกิดการเคลื่อนของของเหลวภายในแกนนอก โดยมีผลให้มันพยายามเคลื่อนไปรอบๆแกนในที่เป็นของแข็ง แต่สภาพบางส่วนก็มีการไหลวนเป็นกะเปาะเฉพาะที่ เนื่องจาก ส่วนบนๆของแกนนอกที่ติดกับเปลือกโลกเย็นตัวลงด้วยการถ่ายเทความร้อนให้เปลือกโลก จึงมีน้ำหนักมากขึ้น เลยจมลงทำให้เกิดกระแสวนตามลง ของเหลวส่วนล่างของแกนนอกที่ติดกับแกนในเสียแร่ธาตุหนักๆ ซึ่งถูกดึงดูดให้ไปเกาะติดกับแกนใน จึงพลอยโดนแรงอัดที่เพิ่มมากขึ้น จากการเคลื่อนตัวเข้าลึกขึ้นจนถูกอัดให้แข็งตัวขึ้น ส่วนที่เหลืออยู่หลังจากเสียธาตุหนักไปแล้ว ก็เบาลงลอยตัวขึ้นมา เกิดเป็นกระแสวนขึ้น การไหลที่ไม่สม่ำเสมอเท่ากันตลอดนึ้ ทำให้กระแสวนบางแห่งแยกเป็นอิสระจากกัน

         ภาพจำลองโดยสถาบันวิจัย Los Alametos แสดงการเคลื่อนตัวของส่วนที่เหลวและไหลมากที่สุดของแกนนอก(สีเหลือง) ลูกกลมตาข่ายสีแดงคือแกนในที่เป็นของแข็ง ลูกกลมตาข่ายสีน้ำเงิน คือแกนนอกทั้งหมด และเนื่องจากแร่ธาตุที่เป็นส่วนประกอบสำคัญของแกนนอกนี้ เป็นธาตุโลหะประเภทที่เป็นตัวนำไฟฟ้า เมื่อมันไหลไปไหลมา จึงเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น ตามหลักของฟาราเดย์ เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหล สนามแม่เหล็กก็เกิดขึ้นมา เป็นของคู่กัน สนามแม่เหล็กของโลกจึงเกิดขึ้นได้ด้วยประการฉะนี้ แม้ว่าการไหลของแกนนอกจะไม่สม่ำเสมอ หากมีเป็นกะเปาะๆแยกจากกัน แต่ผลรวมของกำลังสนามเมื่อประกอบกันแล้ว ทำให้ดูคล้ายๆว่าเป็นอันหนึ่งอันเดียวกันขึ้นมา เนื่องจากความที่ไหลไม่สม่ำเสมอ ทำให้ขั้วสนามเปลี่ยนแปลงอยู่ได้บ้าง แต่อิทธิพลหลักที่ครอบงำสถานะของสนาม ก็คือทิศทางการหมุนตัวของโลก แกนของแม่เหล็กโลกจึงอยู่ไม่ไกลจากแกนทางภูมิศาสตร์เท่าไหร่ ประมาณว่าแม่เหล็กโลก(geomagnetism) เอียงทำมุมจากแกนทางภูมิศาสตร์ประมาณ 11 องศา

    แต่ก็ใช่ว่า ค่ามุมของความเบี่ยงเบนจากแกนโลก ( magnetic declination) ที่ประมาณว่าเป็น ๑๑ องศานี้ จะเป็นค่าตายตัวเสมอไป สนามแม่เหล็กมีการเคลื่อนตัวเฉไฉไปตามเวลา และค่ามุมเบี่ยงเบนของขั้วแม่เหล็กนี้ก็ใช่ว่าจะสม่ำเสมือนกันทั่วโลก เนื่องมาจากองค์ประกอบที่ไม่สม่ำเสมอภายในดังกล่าวข้างต้น แต่ละภูมิภาคบนโลก ก็ยังได้ค่าที่ต่างกันดังจะเห็นได้จากแผนผังแสดงมุมเบี่ยงเบนของแกนแม่เหล็กจากแกนภูมิศาสตร์ของทั้งโลก ซึ่งมีค่าแตกต่างกันไปในต่างภูมิภาค

      ผลที่ได้ก็คือ เมื่อใช้เข็มทิศที่วางตัวเหนือใต้ไปตามแกนแม่เหล็กโลก เข็มทิศจะไม่ชี้ไปทางทิศเหนือตรงเผงเสมอไป จากค่าตามแผนผังข้างบน ในกรุงมอสโคว์ เข็มทิศจะเบี่ยงไปทางขวา ๑๐ องศา ในขณะที่ ที่กรุงลอนดอน เข็มทิศจะเบี่ยงไปทางซ้าย ประมาณ ๑๑ องศา และที่กรุงจาร์กาต้า เข็มทิศจะชี้ที่ทิศเหนือพอดี ที่กรุงเทพฯเข็มทิศก็จะใกล้เคียงกับทิศเหนือมากนัก แต่ถ้าต้องการหาทิศอย่างแม่นยำ เช่น เพื่อใช้ในการนำร่องเครื่องบิน หรือการเดินเรือ ก็ต้องหาค่าที่เที่ยงตรงจริงๆ มีองค์กรนานาชาติที่รับผิดชอบติดตามค่ามุมนี้ในภูมิภาคต่างๆบนโลก ในปัจจุบัน มีองค์กรในหลายๆประเทศ ที่จัดหาซอฟแวร์ให้บริการออนไลน์ได้ทันที แต่เป็นที่น่าเสียดายว่า บริการเช่นนี้ยังไม่มีให้เราคนไทยได้หาทิศทางที่แม่นยำได้ในบ้านเมืองของเราเอง ผู้เขียนเองก็ไม่ทราบว่า องค์กรใดในบ้านเรามีหน้าที่รับผิดชอบตอบข้อสงสัยให้ชาวบ้านได้การเฉไฉของแท่งแม่เหล็ก(สมมติ)นี้ คงมิได้มีสาเหตุมาจากกลไก(mechanism)การหมุนตัวของโลกเป็นหลัก อย่างที่เคยเข้าใจกันมา แต่คงมีสาเหตุมาจากการไหลที่ไม่เป็นทิศเป็นทางอย่างคงที่ กระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการไหลวนของแกนนอกจะไหลเป็นกะเปาะเป็นแห่งๆบ้าง วนกันไปคนละทิศบ้าง และส่วนหนึ่งพยายามจะวนรอบๆแกนในบ้าง ผลรวมของกระแสบางครั้งก็หักล้างกัน บางครั้งก็ส่งเสริมกัน จึงทำให้ดูเหมือนว่าแกนแม่เหล็กสมมตินี้มันไม่อยู่กับที่ ในบางครั้ง การเคลื่อนไหวเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจมีผลถึงจุดที่ทำให้สนามแม่เหล็กโลกกลับขั้วได้

     ถ้ามองแม่เหล็กโลกแบบความเข้าใจเก่าๆที่คิดว่า แม่เหล็กโลกเป็นแท่งแม่เหล็กเดี่ยวๆแล้ว ก็จะทำให้ไม่อาจเข้าใจพฤติกรรมของสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนทิศอยู่ตลอดเวลาได้ ด้วยเหตุที่ แท้จริงแล้วมันเป็นเรื่อง thermodynamics ที่สลับซับซ้อนมาก การทำ mathematical model ขึ้นมาเพื่อศึกษาทำความเข้าใจ ก็เป็นได้ด้วยความยากลำบากแสนสาหัส อันเนื่องมาจาก หนึ่ง ความเข้าใจสภาพภายในของโลก เรายังมีไม่พอ หลายๆอย่างก็ต้องเดากัน ส่วนอีกประการหนึ่งนั้น เรื่องคำนวณหาสมการมาใส่ ให้สอดคล้องกับปรากฏการณ์ธรรมชาตินี่ไม่ใช่เรื่องเล็กๆ แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ทำมาเลียนแบบการเกิดสนามแม่เหล็กโลก ก็ไม่เคยได้รับการยกย่องมานาน ว่ากันว่า คนทำด้านนี้เอาหัวชนฝาเป็นที่หัวเราะเยาะของคนอื่นกันมาช้านาน จนกระทั่ง เมื่อปี 1995 นี้เองเป็นครั้งแรกในโลกที่มีคนทำ model สำเร็จที่ให้ผลใกล้เคียงกับพฤติกรรมการ "กลับขั้ว" ของแม่เหล็กโลกเป็นครั้งแรก คือ Gary Glatzmaier แห่งสถาบัน Los Alametos และ Paul Roberts จาก UCLA

     ทั้งสองท่านศึดษาคิดต้นหาสมการต่างๆมาจำลองแบบสนามแม่เหล็กโลกอยู่นานนับหลายๆปี เมื่อคิดได้แล้ว ยังต้องใช้เวลาอยู่สองปี เขียนบทความทำเรื่องขออนุมัติจากสถาบันต่างๆที่เป็นเจ้าของซุปเปอร์คอมพิวเตอร์มาใช้ในการคำนวณ เนื่องจากสมการเหล่านี้ต้องใช้เวลาคำนวณเกินกว่าที่สมองคน หรือเครื่องคอมพิวเตอร์ธรรมดาจะทำได้ไหว ในที่สุดก็ได้ใช้เครื่อง CRAY ถึงสองเครื่อง เครื่องหนึ่งจากที่ Pittsberg อีกเครื่องหนึ่งที่ Los Alamos วิ่งคู่ขนานกันอยู่เกือบปี รวมแล้วใช้เวลากว่าสองพันชั่วโมงของ CPU กว่าสนามแม่เหล็กมันจะกลับตัวขึ้นมา โดยการเลียนปรากฏการณ์ของโลกว่า แกนนอกแกนในมันมีสภาพเช่นนี้ เวลาผ่านไปเท่านี้ ตามสมการมันจะเกิดอย่างนี้ หากเร่งเวลาให้ผ่านไปเร็วกว่าความเป็นจริงเป็นอย่างมาก ที่วิ่งไปอยู่เป็นเวลาร่วมปี ก็เห็นว่า ขั้วมันใกล้จะกลับตัวทีไร ก็จะบิดกลับไปอย่างเดิมทุกที ไม่ได้กลับขั้วจริงๆกันสักที เครื่อง CRAY วิ่งมาได้เกือบปีจนเกือบจะหมดเวลาที่ได้รับอนุมัติมาให้ใช้เครื่องแล้ว แทบท้อใจไปตามๆกัน แต่อยู่มาวันหนึ่ง ขั้วมันก็กลับขึ้นมา จึงแตกตื่นกันใหญ่

       เพราะนี่เป็นครั้งแรกในโลกที่มีผู้เลียนแบบการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลก ที่เป็นปริศนาดำมืดมานานได้เป็นผลสำเร็จ ก็เพิ่งจะไม่กี่สิบปีมานี้เอง ที่นักวิทยาศาสตร์ตระหนักถึงความสลับซับซ้อนของสนามแม่เหล็กโลกว่า มันยากแก่การเข้าใจขนาดไหน เพราะเรายังไม่สามารถเจาะเข้าไปดูแกนโลกให้เห็นจริงได้ ส่วนตัวสนามแม่เหล็กนอกโลกนั้น จะศึกษาได้ก็เมื่อขึ้นไปชั้นบรรยากาศสูงไปวัดดูเท่านั้น การศึกษาพวกนี้ มีขึ้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างจรวดให้ขึ้นไปสูงเหนือ ๑๐๐ ไมล์ขึ้นไป ซึ่งก็เพิ่งจะเริ่มทำกันอย่างจริงจังเมื่อสมัยหลังสงครามโลกครั้งที่สองนี่เอง