Ruengwit

เเสง
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^-10เมตร 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