ดวงอาทิตย์


ดวงอาทิตย์ (The Sun) คือดาวฤกษ์ที่อยู่ตรงศูนย์กลางของระบบสุริยะ มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.4 ล้านกิโลเมตร หรือ 109 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางโลก อยู่ห่างจากโลก 149,600,000 กิโลเมตร หรือ 1 หน่วยดาราศาสตร์ (AU)  ดวงอาทิตย์มีมวลมากกว่าโลก 333,000 เท่า แต่มีความหนาแน่นเพียง 0.25 เท่าของโลก เนื่องจากมีองค์ประกอบเป็นไฮโดรเจน 74% ฮีเลียม 25% และธาตุชนิดอื่น 1% (ข้อมูลเพิ่มเติม NASA Sun Fact Sheet) 

ภาพที่ 1 ดวงอาทิตย์

โครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์  

ภาพที่ 2 โครงสร้างของดวงอาทิตย์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน 

แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ทำให้มวลสารของดาวกดทับกันที่แก่นกลางของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิสูงถึง 15 ล้านเคลวิน  เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน - โปรตอน (P-P chain) โดยโปรตอนของไฮโดรเจน 6 ตัว รวมตัวกันเป็นฮีเลียม 1 อะตอม และโปรตอนของไฮโดรเจน 2 ตัว ดังแสดงในภาพที่ 3 

ภาพที่ 3 ปฏิกิริยาแบบลูกโซ่โปรตอน - โปรตอน (P-P chain)

อย่างไรก็ตามในการหลอมรวมอะตอมไฮโดรเจน 6 ตัว (6 mp) ให้เป็นอะตอมของฮีเลียม (1 mHe + 2mp) นั้น มวลสารส่วนหนึ่งได้เปลี่ยนรูปเป็นพลังงาน ตามสมการ E = mc2 ของ อัลเบิร์ต ไอสไตน์ ดังนี้ 

          E =  mc2

          E = พลังงานซึ่งเปลี่ยนรูปมาจากมวลสาร มีหน่วยเป็นจูล

          m = มวลสาร มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)

          c  = ความเร็วแสง = 300,000,000 เมตรต่อวินาที

ปฏิกริยา P-P chain ณ ใจกลางของดวงอาทิตย์ ทำให้โปรตอนของไฮโดรเจน (mp) จำนวน 6 ตัว กลายเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม (mHe) จำนวน 1 ตัว และโปรตอนของไฮโดรเจน (mp) จำนวน 2 ตัว อยากทราบว่า มวลสารที่หายไป เปลี่ยนเป็นพลังงานจำนวนเท่าไร

          กำหนดให้   1 mp = 1.675 x 10-27 kg

                        1 mHe = 6.643 x 10-27 kg 

          ดังนั้น        6 mp = 6 x (1.675 x 10-27) kg =  10.044 x 10-27 kg ......(1)

             1 mHe + 2 mp = (6.643 x 10-27) + 2 x (1.674 x 10-27) kg = 9.991 x 10-2 ......(2)

          มวลที่หายไป (1) - (2) = 0.053 x 10-27 กิโลกรัม  

          พลังงานที่เกิดขึ้นจากมวลที่หายไป  

        E = mc2

           = (0.053 x 10-27 กิโลกรัม)(3 x 108 เมตร/วินาที)2 

           = 4.77 x 10-12 จูล 


ในปัจจุบันดวงอาทิตย์มีกำลังส่องสว่าง 3.9 x 1026 ล้านวัตต์ ทำให้ทราบว่า ทุกๆ 1 วินาที ดวงอาทิตย์ฟิวชันไฮโดรเจนจำนวน 600,000 ล้านกิโลกรัมให้กลายเป็นฮีเลียม นักวิทยาศาสตร์คำนวณอัตราการเผาไหม้ กับปริมาณไฮโดรเจนและฮีเลียมที่มีอยู่บนดวงอาทิตย์ทำให้ทราบว่าดวงอาทิตย์มีอายุประมาณ 4,600 ล้านปีมาแล้ว และยังคงเหลือไฮโดรเจนให้เผาไหม้ต่อไปได้อีก 5,000 ล้านปี


โฟโตสเฟียร์

โฟโตสเฟียร์ (Photosphere) คือบรรยากาศชั้นล่างสุดของดวงอาทิตย์ ซึ่งเรามองเห็นจากโลก  โฟโตแปลว่า แสง  สเฟียร์แปลว่า ทรงกลม ดังนั้น โฟโตสเฟียร์จึงแปลว่า ทรงกลมแสง  ใต้ชั้นโฟโตสเฟียร์ลงไปก๊าซร้อนอัดตัวกันแน่น จนแสงไม่สามารถทะลุขึ้นมาได้ แสงอาทิตย์ที่เรามองเห็นมาจากชั้นโฟโตสเฟียร์ ซึ่งมีความหนาเพียง 400 กิโลเมตร มีอุณหภูมิประมาณ 5,800 เคลวิน  โฟโตสเฟียร์ประกอบด้วย "แกรนูล" (Granule) ซึ่งเป็นเซลล์ของแก๊สร้อนหมุนวนด้วยการพาความร้อน (Convection cell) จากเบื้องล่างขึ้นมาเมื่อเย็นแล้วตัวจมลงดังภาพที่ 4 แกรนูลแต่ละเซลล์มีขนาดประมาณ 1,000 กิโลเมตร มีอายุนานประมาณ 15 นาที  ถ้าสังเกตดวงอาทิตย์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสง  จะสังเกตเห็นว่า ผิวของดวงอาทิตย์ประกอบด้วยเซลล์เล็กๆ จำนวนมากคล้ายกับผิวของลูกบาสเกตบอล

ภาพที่ 4 จุดดวงอาทิตย์ แกรนูล บนชั้นโฟโตสเฟียร์

พื้นผิวของโฟโตสเฟียร์มีจุดสีคล้ำเรียกว่า "จุดดวงอาทิตย์" (Sunspots) ซึ่งมีขนาดและจำนวนเปลี่ยนแปลงไปในแต่ละวัน จุดขนาดใหญ่อาจปรากฏให้เห็นนานหลายวัน แต่จุดเล็กๆ อาจมีอายุเพียงวันเดียว จุดดวงอาทิตย์ส่วนใหญ่มีขนาดใหญ่กว่าโลก จุดดวงอาทิตย์ไม่ได้มืดสนิทแต่มีความสว่างประมาณ 10 เท่าของดวงจันทร์เต็มดวง  และมีอุณหภูมิต่ำกว่าบรรยากาศชั้นโฟโตสเฟียร์ประมาณ 1,000 เคลวิน

ภาพที่ 5 การเบี่ยงเบนของสนามแม่เหล็กบนดวงอาทิตย์

จุดดวงอาทิตย์เกิดจากการที่สนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์เบี่ยงเบน เนื่องจากดวงอาทิตย์มีสถานะเป็นพลาสมา (ก๊าซร้อนอุณหภูมิสูงมากจนประจุหลุดออกมา) แต่ละส่วนของดวงอาทิตย์หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วไม่เท่ากัน (Differential rotation) กล่าวคือ ในการหมุนหนึ่งรอบ บริเวณเส้นศูนย์สูตรจะใช้เวลา 25 วัน ในขณะที่บริเวณขั้วทั้งสองใช้เวลานานถึง 36 วัน ความแตกต่างเช่นนี้มีผลทำให้สนามแม่เหล็กเบี่ยงเบน   ในบริเวณที่สนามแม่เหล็กมีกำลังสูง เส้นแรงแม่เหล็กจะกักอนุภาคของก๊าซร้อนที่พุ่งขึ้นมา ไม่ให้ออกนอกเขตของเส้นแรง เมื่อก๊าซร้อนเย็นตัวลงก็จะจมลงที่ตำแหน่งเดิมทำให้เรามองเห็นเป็นสีคล้ำ เพราะบริเวณนั้นมีอุณหภูมิต่ำกว่าพื้นที่ส่วนใหญ่ของดวงอาทิตย์   จุดดวงอาทิตย์มักปรากฏให้เห็นในบริเวณละติจูดที่ 30 องศาเหนือและใต้ และมักปรากฏให้เห็นเป็นคู่เช่นเดียวกับขั้วแม่เหล็ก จุดดวงอาทิตย์มีปรากฏให้เห็นมากเป็นวัฏจักร (Solar cycle) ทุกๆ 11 ปี ดังที่แสดงในกราฟในภาพที่ 6

ภาพที่ 6 กราฟแสดงวัฎจักรการเกิดจุดดวงอาทิตย์

โครโมสเฟียร์

โครโมสเฟียร์ (Chromosphere) เป็นบรรยากาศชั้นกลางของดวงอาทิตย์  โคโมสเฟียร์แปลว่า ทรงกลมสี เราสามารถมองเห็นเป็นพวยแก๊สสีแดงตามขอบของดวงอาทิตย์ ขณะที่เกิดสุริยุปราคาเต็มดวง หรือมองดูด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสงไฮโดรเจน - อัลฟา   โครโมสเฟียร์มีความหนาประมาณ 2,000 กิโลเมตร และมีอุณหภูมิเกือบ 25,000 เคลวิน  โดยปกติเรามองไม่เห็นโครโมสเฟียร์เนื่องจากโฟโตสเฟียร์ ซึ่งเป็นบรรยากาศชั้นล่างมีความสว่างกว่ามาก 

พื้นผิวของดวงอาทิตย์เต็มไปด้วยแก๊สร้อนซึ่งประทุอยู่ตลอดเวลา เมื่อแก๊สร้อนบนดวงอาทิตย์พุ่งตัวสูงเหนือชั้นโครโมสเฟียร์ขึ้นมาหลายหมื่นกิโลเมตร  "พวยก๊าซ" (Prominences) จะเคลื่อนที่เข้าสู่อวกาศด้วยความเร็ว 1,000 กิโลเมตร/วินาที หรือ 3.6 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง  ในบางครั้งมีการระเบิดใหญ่กว่าเรียกว่า การลุกจ้า (Solar flare) ทำให้เกิดกลุ่มอนุภาคพลังงานสูงเรียกว่า "พายุสุริยะ" (Solar storm) ซึ่งสามารถสร้างความเสียหายให้แก่ดาวเทียมและยานอวกาศ เมื่อพายุสุริยะปะทะกับพื้นผิวโลกอาจทำให้ไฟฟ้าลัดวงจรหรือระบบคมนาคมขัดข้องได้ 

ภาพที่ 7 พวยก๊าซบนชั้นโครโมสเฟียร์ 

คอโรนา 

คอโรนา (Corona) เป็นบรรยากาศชั้นบนสุด สามารถมองเห็นได้เป็นวงแสงสีขาว เมื่อเกิดสุริยุปราคาเต็มดวงดังแสดงในภาพที่ 8  คอโรนาเปลี่ยนแปลงรูปทรงตามสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ คอโรนามีความเบาบางมากแต่มีอุณหภูมิสูงถึง 2 ล้านเคลวิน อะตอมจึงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก อย่างไรก็ตามบริเวณคอโรนาไม่มีความร้อนสูงเนื่องจากมีอนุภาคอยู่เบาบางมาก   ในบางครั้งดวงอาทิตย์มี "การปล่อยมวลจากคอโรนา" (Colona Mass Ejection เขียนย่อว่า CME) ออกไปในอวกาศ  ซึ่งถ้าอนุภาคประจุ CME มีความหนาแน่นและเดินทางมาสู่โลก ก็จัดเป็นพายุสุริยะเช่นกัน 

ภาพที่ 8 คอโรนา

ลมสุริยะ  

ดวงอาทิตย์เป็นก้อนก๊าซซึ่งมีอุณหภูมิสูงจนอะตอมของไฮโดรเจนสูญเสียอิเล็กตรอนกลายเป็นประจุทุกๆ วินาที เราเรียกสถานะนี้ว่า "พลาสมา" (Plasma)  ดวงอาทิตย์ปลดปล่อยมวลสู่อวกาศในรูปของลมสุริยะ (Solar Wind)  ลมสุริยะไม่ใช่กระแสลมในบรรยากาศ  แต่เป็นกระแสอนุภาคพลังงานสูง ซึ่งเกิดจากก๊าซร้อนของดวงอาทิตย์สูญเสียประจุสู่ห้วงอวกาศ ในรูปของโปรตอน อิเล็กตรอน และอนุภาคอื่นๆ ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 450 กิโลเมตร/วินาที โดยจะใช้เวลาในการเดินทางถึงโลกประมาณ 4 วัน ในขณะที่รังสีจากดวงอาทิตย์ใช้เวลาเดินทางถึงโลกเพียง 8 นาทีครึ่ง  โดยปกติลมสุริยะไม่มีความรุนแรงมากนัก  แต่ในบางครั้งที่ดวงอาทิตย์มีการลุกจ้า (Solar Flare) หรือการปล่อยก้อนมวลจากคอโรนา (CME) ออกมาจำนวนมากจนกลายเป็นพายุสุริยะ (Solar Storm)   อนุภาคเหล่านี้อาจสร้างความเสียหายแก่ดาวเทียม ยานอวกาศ ระบบสื่อสารโทรคมนาคมและระบบไฟฟ้า รวมทั้งทำลายโครงสร้าง DNA ของสิ่งมีชีวิต  ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงส่งยานอวกาศ SOHO ขึ้นไปเฝ้าสังเกตการเปลี่ยนแปลของดวงอาทิตย์ เพื่อการแจ้งเตือนและพยากรณ์สภาพอวกาศ (Space weather) 

ภาพที่ 9  สนามแม่เหล็กโลก

เมื่ออนุภาคพลังงานสูงในลมสุริยะมีความเร็วเหนือเสียงปะทะกับสนามแม่เหล็กโลก (Magnetosphere) จะเกิดช็อคเวฟ และลดความเร็วลง อนุภาคประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปตามเส้นแรงแม่เหล็กซึ่งล้อมรอบโลก  อนุภาคบางส่วนถูกกักไว้ในเส้นแรงแม่เหล็กใน "แถบแฟนอัลเลน" (Van Allen belts) ซึ่งมีสองชั้น สูงเหนือพื้นผิวโลกประมาณ 2,000 – 5,000 กิโลเมตร และ 13,000 – 19,000 กิโลเมตร ดังแสดงในภาพที่ 9  แถบแฟนอัลเล็นชั้นในเต็มไปด้วยอนุภาคโปรตอนพลังงานสูง ส่วนแถบชั้นนอกเป็นอนุภาคโปรตอนและอิเล็กตรอนพลังงานต่ำ  ลมสุริยะมีคุณสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม เมื่อมันเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กโลก อนุภาคโปรตอนและอิเล็กตรอนความเร็วสูงพุ่งชนบรรยากาศชั้นบนของโลก เมื่ออะตอมของแก๊สในชั้นบรรยากาศดูดกลืนพลังงานเหล่านี้ ก็จะแผ่รังสีออกมามองเห็นเป็นแสงสว่างเรียกว่า "แสงเหนือแสงใต้" (Aurora) ในบริเวณรอบขั้วแม่เหล็กโลก ดังภาพที่ 10

ภาพที่ 10  แสงเหนือ