ออโรรา (ดาราศาสตร์)

ความหมายของชื่อออโรรา

ออโรราตามประวัตินั้นมีชื่อมากมายหลายชื่อ  ชื่อวิทยาศาสตร์ของปรากฏการณ์นี้ คือ ออโรรา บอเรลลีส (Aurora Borealis) ซึ่งเป็นภาษาละติน แปลเป็นภาษาไทยได้ว่า รุ่งอรุณสีแดงแห่งทิศเหนือ ซึ่งตั้งชื่อโดย กาลิเลโอ กาลิเลอิ (Galileo Galilei) (ค.ศ. 1564 – 1642) 
คำว่า "Aurora Borealis" แปลว่า "แสงเหนือ" (Northern Light) ส่วน "Aurora Australis" แปลว่า "แสงใต้" (Southern Light) และคำว่า "Aurora Polaris" แปลว่า "แสงขั้วโลก" ใช้เรียกทั้งแสงเหนือและแสงใต้

สถานที่ปรากฏออโรรา

บริเวณที่เกิดออโรราเป็นบริเวณรูปไข่ (Oval-shape region) รอบๆ ขั้วแม่เหล็กของโลก โดยรูปไข่จะเบ้ไปทางด้านกลางคืนของโลก
เมื่อออโรราสงบ  รูปไข่จะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3000 กิโลเมตร แต่เมื่อเกิดออโรรารุนแรงขึ้น  รูปไข่จะกว้างขึ้นกว่า 4000 หรือ 5000 กิโลเมตร เนื่องจากขั้วแม่เหล็กเหนือของโลกอยู่ทางตอนเหนือของแคนาดา ออโรรา โบเรลลีส (Aurora Borealis) จึงพบมากที่เส้นรุ้ง (Latitude) ที่มีประชากรอาศัยมากในซีกโลก (hemisphere) ตะวันตก ส่วนออโรราออลเตรลีส (Aurora Australis) สามารถมองเห็นได้จากเกาะทัชมาเนีย (Tasmania) และทางตอนใต้ของนิวซีแลนด์

เสียงของออโรรา

มีข้อโต้เถียงกันมานานเกี่ยวกับเสียงของออโรราว่ามันสามารถได้ยินโดยผู้สำรวจบนพื้นโลกหรือไม่  คลื่นเสียงนั้นมีความถี่ประมาณ 340 เมตรต่อวินาทีในอากาศบนระดับพื้นโลก  แต่ที่ความสูง 80 ถึง 500 กิโลเมตร ซึ่งเป็นบริเวณที่ออโรราปรากฏนั้นอยู่ใกล้สุญญากาศมาก  ทำให้เป็นเป็นไปไม่ได้ที่จะเกิดเสียงขึ้น กระนั้น ก็มีรายงานมากมายว่าได้ยินเสียงระหว่างเกิดออโรรา 
เสียงที่ได้ฟังนั้น ไม่ใช่เป็นเสียงที่บันทึกจากออโรราโดยตรง แต่เป็นเสียงที่บันทึกจาก แมกนีโตมิเตอร์ (Magnetometer) เสียงที่เปลี่ยนไปคือการเปลี่ยนไปของสนามแม่เหล็กซึ่งเกิดจากอนุภาคสุริยะ (Solar Particles)

แหล่งที่มาและระดับพลังงานของอนุภาค

ออโรราที่ปรากฏนั้นเกิดจากอนุภาคมีพลังงานเคลื่อนที่ตามเส้นสนามแม่เหล็กมาจากเมกนีโตเทล (Magnetotail) มาสู่บรรยากาศชั้นบน  อนุภาคส่วนใหญ่คืออิเล็กตรอน แต่โปรตอนและไอออนอื่น ก็อาจพบได้
เมื่ออนุภาคมีประจุ (Charged Particles) พุ่งมาจาก แมกนีโทสเฟียร์ (Magnetosphere) มาสู่บรรยากาศชั้นบน จะเกิดการชนกับแก๊สที่ไม่มีความสำคัญอะไรที่นั่น
อนุภาคออโรราเป็นเพียงหนึ่งในหลายอนุภาคมีประจุที่กระหน่ำมายังโลก  รวมถึงอนุภาคที่มีพลังงานฟลักซ์มหาศาลในช่วง พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (GeV) หรือล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) อย่างเช่น รังสีคอสมิค (Cosmic Rays)  อนุภาคจากแถบกัมมันตรังสี (Radiation Belt) พลังงานสูง และอนุภาคสุริยะ (Solar Energetic Particles)  ส่วนอนุภาคออโรรานั้นเกิดขึ้นในแผ่นพลาสมาแม่เหล็ก (Magnetospheric Plasma Sheet) และมีพลังงานอยู่ในช่วง 1 ถึง 10 พันอิเล็กตรอนโวลต์ (keV) แต่บางทีอาจมีพลังงานมากถึง 100 พันอิเล็กตรอนโวลต์ (keV)  และอนุภาคพลังงานต่ำ เช่น ลมสุริยะที่เข้าสู่แมกนีโตสเฟียร์ทาง ซีกโลกกลางวัน (Dayside Cusp ) ใกล้กับขั้วแม่เหล็กโลก เป็นต้น
ความลึกที่อนุภาคเหล่านี้จะเจาะเข้าไปในชั้นบรรยากาศ ขึ้นอยู่กับพลังงานของมัน ยิ่งพลังงานมากยิ่งเข้าได้ลึก รังสีคอสมิค สามารถเดินทางไปถึงชั้นบรรยากาศโทรโพสเฟียร์  (Troposphere) หรืออาจลึกไปถึงพื้นโลก  อนุภาคจากแถบกัมมันตรังสีและอนุภาคสุริยะพลังงานสูง เข้ามาได้ถึงชั้นสตราโตสเฟียร์ (Stratosphere) และชั้นมีโซสเฟียร์ (Mesosphere) ส่วนออโรรานั้นมาได้แค่ชั้นเทอร์โมสเฟียร์ (Thermosphere) ซึ่งสูงประมาณ 100 กิโลเมตร นั่นทำให้ออโรราเกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศนี้

สีของออโรรา

ดวงอาทิตย์ปล่อยแสงทุกสีที่มองเห็นได้ออกมาก ทำให้เราเห็นแสงอาทิตย์เป็นสีขาว  ส่วนสเปคตรัมของออโรรา ก่อนจะศึกษารายละเอียด เราต้องรู้เรื่อง สาเหตุการเกิดแสงก่อน
ในบรรยากาศประกอบด้วยไนโตรเจน และ ออกซิเจน เป็นหลัก อนุภาคของแก๊สเหล่านี้จะปลดปล่อยโฟตอนซึ่งมีความยาวคลื่นคงที่  
เมื่ออนุภาคมีประจุไฟฟ้า  กระตุ้นแก๊สในบรรยากาศ  อิเล็กตรอนจะเริ่มเคลื่อนที่รูปนิวเคลียสในวงโคจรที่เปลี่ยนแปลงไป เพราะมีพลังงานเหลือเฟือ  อนุภาคที่ถูกกระตุ้นจะไม่เสถียรและจะปลดปล่อย 
พลังงานออกมาในรูปของแสง เรียกว่าแสงนี้ว่า ออโรรา
แสงสีเขียวเข้ม  เกิดที่ความสูง (Altitudes) ที่ 120 ถึง 180 กิโลเมตร  แสงเหนือสีแดงปรากฏที่ความสูงที่สูงกว่า  ส่วนสีฟ้า และม่วงปรากฏที่ความสูงต่ำกว่า 120 กิโลเมตร  เมื่อเกิดพายุสุริยะ 000   แสงสีแดงจะปรากฏที่ความสูงตั้งแต่ 90 ถึง 100 กิโลเมตร
เมื่อออโรราจางลง มันจะปรากฏเป็นสีขาวเมื่อมองด้วยตาเปล่า  เมื่อมันสว่างขึ้น สีจึงมองเห็นขึ้นมา และสีเขียวซีดที่เป็นเอกลักษณ์ของมันจะมองเห็นขึ้นมา
เมื่อมีความหนาแน่นมากขึ้น ในบริเวณที่ต่ำลงมาจะมองเห็นเป็นสีเขียวสด และ สีแดงจางๆ จะมองเห็นที่ความสูงมากๆ
เหนือชั้นบรรยากาศขึ้นไป 100 กิโลเมตร ประกอบด้วยโมเลกุลไนโตรเจนและออกซิเจนเป็นส่วนใหญ่ ซึ่ง ไนโตเจนจะมีมากที่ความสูง 10 กิโลเมตร และออกซิเจน มีมากที่ 200 กิโลเมตร  เส้นกราฟสีเขียวแสดงความหนาแน่นของก๊าซออกซิเจนและสีม่วงแสดงความหนาแน่นของก๊าซไนโตรเจน ณ ความสูงต่าง ๆ ในชั้นบรรยากาศเทอโมสเฟียร์ เมื่ออะตอมออกซิเจนถูกกระตุ้น  มันจะปล่อยแสงมากมายหลายสีออกมาก แต่สีที่ที่ส ว่างที่สุดคือที่แดงและสีเขียว

ความสูงของออโรรา (จากพื้นโลก)

ตั้งแต่ปี 1915 เป็นต้นมา  ความสูงของออโรราเป็นที่โต้เถียงกันในวงการวิทยาศาสตร์    จนในปี ค.ศ. 1910 – 1940 คาร์ล  สตอร์เมอร์ (Carl Størmer) ได้ใช้หลักการพาราแล็กซ์ (Parallax) ในการวัดขนาด     นักสำรวจ 2 คนที่ความสูง 50 ถึง 100 กิโลเมตรโดยใช้ภาพออโรรา 2 ภาพที่ถ่ายในเวลาเดียวกัน  และใช้แผนที่ดวงดาว  อ่านขนาดมุม และคำนวณหาความสูง
ภาพพาราแล็กซ์กว่า 20000  ภาพ ทำให้สตอร์เมอร์คำนวณความสูงของออโรราอย่างแม่นยำ  ออโรราในยามค่ำคืนจะพบที่ความสูง 90 ถึง 150 กิโลเมตร  มีบางส่วนที่อาจแผ่กว้างถึง 500 กิโลเมตร  แต่โดยเฉลี่ย มีความสูงที่ 100 ถึง 120  กิโลเมตร
เราใช้เครื่องวัดแสง ที่เรียกว่า ออโรรา โฟโตมิเตอร์ (Aurora Photometre)

ออโรราในดาวดวงอื่น

นอกจากออโรราจะปรากฏในโลกแล้ว ยังปรากฏในดาวเคราะห์ดวงอื่นที่มีชั้นบรรยากาศและสนามแม่เหล็ก  ทั้งออโรราของดาวพฤหัสและดาวเสาร์ปล่อยอะตอมในบรรยากาศที่ถูกกระตุ้นโดยพลังงาน  อนุภาคมีประจุล้วนเกิดจากแมกนีโตสเฟียร์ของดาวนั้นๆ  แมกนีโตสเฟียร์จึงต่างจากโลกมาก  รวมทั้งสีและการปรากฏของออโรราก็ไม่เหมือนกับในโลก  แต่รูปไข่ยังเหมือนกับโลกอยู่  การเกิดออโรราจึงเหมือนกันทั้งระบบสุริยะจักรวาล
นอกจากนี้ ยังมีออโรราของดวงจันทร์  ดาวศุกร์และดาวอังคารอีกด้วย

ดวงอาทิตย์ กับ ออโรรา

ดวงอาทิตย์ ก็มีชั้นบรรยากาศ และ สนามแม่เหล็กเช่นกัน ชั้นบรรยากาศประกอบด้วยไฮโดรเจน ซึ่งตัวมันเองก็ประกอบด้วยอนุภาคย่อย: โปรตอน กับ อิเล็กตรอน  อนุภาคเหล่านี้  ถูกเผาไหม้โดยดวงอาทิตย์
ลมสุริยะเหล่านี้มักจะถูกผลักเมื่อมาชนกับสนามแม่เหล็กโลก และเปลี่ยนรูปร่าง  เหมือนกับเราเปลี่ยนรูปร่างของฟองสบู่เมื่อเราเป่าบนพื้นผิวมัน  เราเรียกบริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลงนี้ว่า เม็กนีโตสเฟียร์ (Magnetosphere)  โดยปรากฏการณ์จะเกิดในด้านกลางวันของโลก  ซึ่งลมสุริยะจะพัดมาเฉพาะทางนี้ และจะเรียวตรงเป็นหางเหมือนรอยน้ำหลังเรือแล่น เราเรียกมันว่า เม็กนีโทเทล (Magneto tail) และแน่นอน มันชี้ไปด้านตรงข้ามดวงอาทิตย์
เมื่อเกิดการบีบอัดกับสนามแม่เหล็กโลกต้องใช้พลังงาน เหมือนกับเราต้องใช้พลังงานในการกดลูกโป่งที่มีลมอยู่ข้างใน  กระบวนการทั้งหมดยังไม่เป็นที่รู้แน่ชัด  แต่มีชั้นเม็กนีโตสเฟียร์  ซึ่งเป็นที่ที่ลมสุริยะถูกบีบอัด และ อนุภาคมีประจุก็แผ่ไปทุกที่ในสนาม  อนุภาคสุริยะจากลมสุริยะ มักจะกลับเข้าสู่หางของ เม็กนีโทสเฟียร์และพุ่งตรงไปยังดวงอาทิตย์ และจากนั้น ถ้าเงื่อนไขนี้ถูกต้อง  ความกดดันจากลมสุริยะก็จะทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้า ความต่างศักย์นี้ จะผลักอิเล็กตรอน (ซึ่งมีแสงสว่าง) พุ่งสู่ขั้วแม่เหล็กโลก ด้วยความเร็วที่สูง เหมือนอิเล็กตรอนในโทรทัศน์ ที่พุ่งตรงมาชนกับจอภาพ มันเคลื่อนไปตามสนามอย่างเร็วสู่พื้นโลก ทั้งเหนือและใต้  จนกระทั่งอิเล็กตรอนจำนวนมหาศาลถูกผลักลงสู่ชั้นบรรยากาศข้างบน คือ ชั้น ไอโนโนสเฟียร์ (Ionosphere)  ในชั้นนี้  อิเล็กตรอนจะพุ่งเข้าชนกับอะตอม ซึ่งทำให้อะตอมของแก๊สเกิดพลังงาน และปล่อยทั้งแสง และ อิเล็กตรอนตัวอื่นอีก และทำให้เกิดแสงในชั้นบรรยากาศนี้และชักนำให้เหมือนตอนที่มันพุ่งเข้ามา  เพราพลังงานเหล่านี้ กลายเป็นส่วนหนึ่งของออโรรา  ออโรรา มีลักษณะคล้ายกับ นีออน เว้นแต่ออโรรา เกิดกับแก๊สในชั้น ไอโอโนสเฟียร์  แทนที่จะเกิดในหลอดแก้ว  และกระแสวิ่งกลับเข้าออกระหว่างสนามแม่เหล็ก แทนที่จะเป็น ลวดตะกั่ว