สนามแม่เหล็กของโลก คืออะไร มีความสำคัญอย่างไรบ้าง

เราคงเคยเรียนลูกเสือ กันมาบ้าง ในการเดินทางไกล นอกจากจะต้องเตรียมอาหารและน้ำดื่มให้พร้อม แล้ว สิ่งหนึ่งที่จะช่วยให้ไปถึงจุดหมายได้อย่างถูกต้องไม่หลงทาง ก็ คือ แผนที่ แต่แผนที่เพียงอย่างเดียวก็คงช่วยอะไรเราไม่ได้ ถ้าเราไม่รู้ทิศ ทาง ดังนั้น ของสำคัญอีกอย่างหนึ่งที่เราจะต้องมีติดตัวไปด้วยก็คือ เข็ม ทิศ (Compass) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้กันมาตั้งแต่อดีตกาล เข็มทิศอันแรกถูก ประดิษฐ์ขึ้นในประเทศจีน สมัยราชวงศ์ฮั่น ในช่วงพุทธศตวรรษที่ 15 แต่เข็ม ทิศทำงานได้อย่างไร ทำไมจึงชี้ไปในทิศทางเดิม บอกทิศเหนือเสมอ

ถ้าเราเอาแท่งแม่เหล็ก อันเล็กๆมาแขวนไว้กับเส้นด้ายให้แกว่งได้อย่างอิสระ เราจะพบว่า แท่งแม่ เหล็กจะชี้ไปในทิศทางเดิมเสมอ ไม่ว่าในตอนเริ่มต้นเราจะหมุนให้มันวาง ตัวอย่างไรก็ตาม หลักการนี้ถูกนำมาใช้ในการสร้างเข็มทิศ การที่แท่งแม่เหล็ก วางตัวในแนวเดิมเสมอนี้ เกิดขึ้นเนื่องจากการที่โลกประพฤติตัวเป็นเสมือน แท่งแม่เหล็กขนาดใหญ่ และสร้างสนามแม่เหล็กครอบคลุมโลกไว้ เนื่องจากโดยทั่ว ไปแล้วสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของประจุ ดังนั้น สนามแม่เหล็ก โลก (Earth’s Magnetic Field) ก็น่าจะเกิดขึ้นจากกาเคลื่อนที่ของประจุเช่น กัน 

ที่แก่นโลก ซึ่งประกอบ ไปด้วยเหล็กและนิเกิลเหลว มีการหมุนอยู่ตลอดเวลา การหมุนนี้ทำให้เกิดกระแส ของอิเล็กตรอนเหมือนกับเป็นไดนาโมหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และนี่เองที่น่าจะ เป็นสาเหตุที่ทำให้โลกมีสนามแม่เหล็ก อย่างไรก็ดี ในปัจจุบัน เราก็ยังไม่ เข้าใจกระบวนการเกิดสนามแม่เหล็กโลกดีนัก ทั้งนี้เนื่องจาก เราพบว่า หิน อัคนี (Igneous rock) ซึ่งเกิดจากการแข็งตัวของลาวา ที่มีองค์ประกอบของโลหะ อยู่ โลหะเหล่านี้จะวางตัวตามแนวเส้นแรงแม่เหล็กขณะที่ค่อยๆเย็นตัวลง จึง เป็นเสมือนเข็มทิศที่ชี้แสดงทิศทางของสนามแม่เหล็กโลก เราเรียกหินเหล่านี้ ว่าเป็น ฟอสซิลแม่เหล็ก (Magnetic fossils)

และพบว่า ฟอสซิลแม่ เหล็กที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาต่างๆกันตลอดหลายล้านปีที่ผ่านมา ชี้ทิศทางสนาม แม่เหล็กที่แตกต่างกันไป บางครั้งก็สลับกับทิศทางในปัจจุบัน ซึ่งจะเกิดการ สลับเช่นนี้ตลอดเวลา
สนามแม่เหล็กโลกมีลักษณะเหมือนกับสนามแม่เหล็กทั่วๆไป คือ ประกอบไปด้วยขั้ว แม่เหล็กสองขั้ว คือ ขั้วเหนือและขั้วใต้ และมีเส้นแรงแม่เหล็กชี้จากขั้ว เหนือใต้ไปขั้วใต้ โดยที่ขั้วแม่เหล็กโลกจะสลับกับขั้วโลกทาง ภูมิศาสตร์ หรือขั้วโลกตามแกนหมุน คือ ขั้วใต้ของแม่เหล็กจะอยู่ทางซีกโลก เหนือ ในขณะที่ขั้วเหนืออยู่ทางซีกโลกใต้ (ทำให้ขั้วเหนือของแม่เหล็กในเข็ม ทิศชี้ไปยังทางเหนือ)

และขั้วแม่เหล็กโลกไม่ ได้อยู่ในตำแหน่งเดียวกันกับขั้วเหนือและขั้วใต้ทางภูมิศาสตร์ แต่จะอยู่ ห่างออกมาประมาณ 12 องศา นั่นหมายถึง ถ้าเราเดินตามทิศเหนือของเข็มทิศไป เรื่อยๆ เราจะเดินไปไม่ถึงขั้วโลกเหนือ แต่จะหยุดอยู่ห่างจากขั้วโลกเหนือ ถึง 12 องศาหรือประมาณ 1,330 กิโลเมตรเลยทีเดียว โดยขั้วใต้แม่เหล็กจะอยู่ ในพื้นที่ทางตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศแคนาดา ส่วยขั้วเหนือแม่เหล็กจะ อยู่ในทวีปแอนตาร์กติกา

นอกจากนั้น เรายังจะพบ ว่า เมื่อเราเข้าใกล้ขั้วเหนือแม่เหล็กมากขึ้น เข็มทิศของเราจะชี้เอียงลง สู่พื้นดินมากขึ้นเรื่อยๆ จนในที่สุด เมื่อเรายืนอยู่เหนือขั้วเหนือแม่ เหล็ก เข็มทิศของเราจะวางตัวในแนวดิ่งตั้งฉากกับพื้น ทั้งนี้เพราะสนามแม่ เหล็กจะชี้เข้าสู่ขั้วแม่เหล็กที่อยู่ใต้พื้นโลกลงไป

สนาม แม่เหล็กโลกมีความสำคัญอย่างมากในการปกป้องโลกนี้ไว้จากการถูกทำลายจาก อวกาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จากดวงอาทิตย์ ทั้งนี้เนื่องจาก ดวงอาทิตย์ไม่ได้ ปลดปล่อยพลังงานออกมาเฉพาะในช่วงคลื่นแสงที่มองเห็น (Visible light) เท่า นั้น แต่ยังปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอนในทุกความยาวคลื่น รวมทั้งอนุภาค ที่มีประจุในรูปของลมสุริยะ (Solar Wind) ตลอดเวลา ลมสุริยะจะมีอนุภาค ประมาณ 5-10 อนุภาคต่อลูกบาศก์เซนติเมตร และมีความเร็วสูงกว่า 500 กิโลเมตร ต่อวินาที

อนุภาคพลังงานสูงเหล่า นี้อาจทำลายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ และทำความเสียหายให้กับโลกได้เมื่อ ตกกระทบลงบนพื้นโลก แต่อนุภาคเหล่านี้ไม่สามารถมาถึงโลกได้ เพราะสนามแม่ เหล็กโลกจะจับและกักอนุภาคเหล่านี้ไว้ เมื่อลมสุริยะเข้ามาปะทะกับสนามแม่ เหล็กโลกจะเกิดการเบี่ยงเบนออกคล้ายกับน้ำที่ปะทะกับหัวเรือ เราจึงเรียก พื้นผิวที่ลมสุริยะเบี่ยงเบนออกนี้ว่า Bow shock ในแนว หลัง Bow shock นี้ จะเรียกว่า แมกนีโทสเฟียร์ (Magnetosphere) ในแมก นีโทสเฟียร์นี้ อนุภาคต่างที่ทะลุผ่านแนว Bow shock มาได้จะถูกกักไว้ ด้วย คุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้า

กล่าวคือ อนุภาคที่มี ประจุจะถูกแรงกระทำจากสนามแม่เหล็กให้เคลื่อนที่หมุนวนไปตามเส้นแรงแม่ เหล็ก กลับไปมาระหว่างขั้วเหนือและขั้วใต้แม่เหล็ก บริเวณที่อนุภาคถูกกัก ไว้นี้เรียกว่าวงแหวนแวนอัลเลน (van Allen’s belt) ตามชื่อเจมส์  แวน อัล เลน (James van Allen) นักวิทยาศาสตร์ที่ทำวิจัยเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กโลก ร่วมกับโครงการแอ็กพลอเลอร์วัน (Explorer 1) ซึ่งเป็นดาวเทียมดวงแรกของ ประเทศสหรัฐอเมริกา ในปี ค.ศ. 1958 และได้ค้นพบวงแหวนนี้ ซึ่งมีทั้งสิ้น สองบริเวณอยู่ภายในแมกนีโทสเฟียร์ ล้อมอยู่รอบโลกคล้ายกับโดนัทสองชิ้นซ้อน กัน

โดยมีโลกอยู่ที่รูตรง กลาง วงแหวนชั้นใน (Inner belt) มีศูนย์กลางอยู่ที่ประมาณ 3,000 กิโลเมตร จากพื้นดิน และหนาประมาณ 5,000 กิโลเมตร ส่วนวงแหวนชั้นนอก (Outer belt) จะ อยู่สูงจากพื้นโลก 15,000-20,000 กิโลเมตร และหนา ประมาณ 6,000-10,000 กิโลเมตร

ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ ที่เกิดขึ้นจากการที่อนุภาคจากลมสุริยะปะทะเข้ากับแมกนีโทสเฟียร์ก็คือ ออโร รา (Aurora) หรือ แสงเหนือแสงใต้ (Northern and Southern light) โดยเกิดจาก การที่อนุภาคจากลมสุริยะปะทะกับไอออนของธาตุในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟีย ร์ (Ionosphere) เมื่ออนุภาคเหล่านี้ชนกันก็จะเกิดการถ่ายเทพลังงาน และปลด ปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอน ซึ่งรวมทั้งแสงในช่วงที่มองเห็น ปรากฏให้ เห็นเป็นแถบสีสวยงามบนท้องฟ้า ที่ระดับความสูง 80-160 กิโลเมตร แต่เราไม่ สามารถมองเห็นออโรราได้ในประเทศไทย เพราะอนุภาคจากลมสุริยะจะสามารถผ่านเข้า มาถึงบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ได้เฉพาะในบริเวณสนามแม่เหล็ก