xs
xsm
sm
md
lg

เหตุใดและเมื่อไรที่ขั้วแม่เหล็กโลกกลับทิศ

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน

ปกหนังสือ The Spinning Magnet: The Electromagnetic Force That Created the Modern World amd Could Destroy It โดย  Alanna Mitchell
เรื่องเล่าเกี่ยวกับคนที่ประดิษฐ์ “เข็มทิศ” ได้เป็นคนแรกเป็นชาวจีนเมื่อประมาณ 2,634 ปีก่อนคริสตกาล ซึ่งได้ทำขึ้นเพื่อถวายแด่จักรพรรดิจีนในการต่อสู้ข้าศึก ขณะที่หมอกลงจัดจนพระองค์ทรงไม่สามารถเห็นตำแหน่งที่ตั้งและจำนวนข้าศึกได้ แต่ “เข็มทิศ” ดังกล่าวก็ไม่มีใครพบเป็นหลักฐานที่เป็นรูปธรรม จนกระทั่งถึง ค.ศ.1089 วิศวกรจีนชื่อ Shen Kua จึงได้ชื่อว่าเป็นบุคคลแรกที่ประดิษฐ์เข็มทิศ โดยได้บรรยายวิธีสร้างสิ่งประดิษฐ์ของเขาว่า ได้นำเข็มเย็บผ้ามารูดไปบนแท่งแม่เหล็กไปในทิศเดียวหลายครั้ง แล้วแขวนเข็มด้วยเส้นด้ายให้มันสามารถหมุนได้รอบตัวโดยเสรี และได้เห็นว่า เข็มจะชี้ทิศใต้เสมอ (ในยุโรปนิยมเรียกทิศที่เข็มชี้ว่า ทิศเหนือ) ในความเป็นจริง ตัวเข็มวางตัวในแนวเหนือและใต้

ลุถึงปี 1150 บรรดาพ่อค้า และนักเดินทางชาวจีนต่างได้ใช้เข็มทิศของ Shen Kua ในการเดินทางข้ามทะเลทราย และทุ่งหญ้ากว้างใหญ่ในเอเชียกลางเพื่อทำธุรกิจค้าขายและสำรวจ แม้แต่กัปตันเรือเดินทะเลก็ต้องพึ่งพาอาศัยเข็มทิศของ Shen Kua เพื่อใช้บอกทิศทางที่เรือจะต้องเดินทางขณะที่คนบนเรือมองไม่เห็นฝั่งเลย การรู้ความเร็วของเรือ ทิศที่เรือกำลังมุ่งหน้า และระยะเวลาที่เรือเดินทาง ทำให้กัปตันสามารถรู้ตำแหน่งที่เรืออยู่ ณ เวลานั้นได้

ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาคนจีนก็นิยมเดินทางเรือ เพื่อค้าขายกับผู้คนในดินแดนต่างๆ ที่อยู่ทางใต้ อันได้แก่ เวียตนาม ฟิลิปปินส์ เกาะสุมาตราและเกาะชวา บางคนได้บุกเข้าไปจนถึงมหาสมุทรอินเดีย เพื่อพบปะกับชาวอาหรับ การติดต่อทำให้ชาวอาหรับได้รู้จักใช้เข็มทิศด้วย จากนั้นก็ได้ส่งต่อความรู้นี้ไปยังชาวยุโรปอีกทอดหนึ่ง ในตำราวิทยาศาสตร์มีคำว่า Zoron และ Aphron ซึ่งปราชญ์เยอรมัน Albertus Magnus ใช้ในการเขียนตำราแม่เหล็กซึ่งคำทั้งสองนี้แปลว่า ขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้ตามลำดับ
โครงสร้างภายนอกและภายในของโลก (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Kelvin13)
ลุถึงปี 1218 บาทหลวง Jacques de Vitry แห่งดินแดน Palestine ได้เอ่ยถึงความจำเป็นของการมีเข็มทิศเพื่อใช้ในการเดินทางในทะเลของนักเดินเรืออาหรับ ซึ่งได้ประสบความสำเร็จในการทำแผนที่ชายทะเลของอินเดียทั้งประเทศให้ Vasco da Gama ได้ใช้เดินทางในปี 1498

พัฒนาการของเข็มทิศโดยชาวยุโรปเองได้เกิดขึ้นในคริสต์ศตวรรษที่ 13 โดย Petrus Peregrinus ชาวฝรั่งเศสได้นำเข็มทิศวางบนท่อนไม้ที่ลอยอยู่บนน้ำ เข็มทิศจึงสามารถหมุนได้รอบตัวเหมือนดังเข็มที่ถูกแขวนโดยเส้นด้าย และ Paregrinus ได้กำหนดมุมที่เข็มหมุนไปเป็นองศา

ในปี 1558 John Dee ซึ่งเป็นนักภูมิศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ในรัชสมัยสมเด็จพระนางเจ้า Elizabeth ที่ 1 แห่งอังกฤษได้ปรับปรุงเข็มทิศให้มีความเสถียร และประสิทธิภาพมากขึ้น เพื่อให้สามารถบอกทิศได้อย่างมั่นคงและช่วยในการเดินทางเรือระหว่างอังกฤษกับรัสเซีย

ในความพยายามจะตอบคำถามว่า สนามแม่เหล็กโลกถือกำเนิดจากสาเหตุใด เราต้องรู้ว่า นักธรณีวิทยาได้แบ่งโครงสร้างภายในของโลกออกเป็นชั้นๆ คือ ชั้นนอกสุดเป็นเปลือกโลก (crust) ที่มีความหนาตั้งแต่ 3-120 กิโลเมตรซึ่งอยู่ใต้มหาสมุทรและภูเขาตามลำดับ ใต้เปลือกโลกเป็นชั้นกลาง (mantle) ที่หนาประมาณ 2,600 กิโลเมตร และมีความหนาแน่นมาก เพราะตรงบริเวณรอยต่อระหว่าง mantle กับ crust มีสมบัติยืดหยุ่น ดังนั้น เปลือกโลกจึงเคลื่อนที่ได้ (นี่คือสาเหตุหนึ่งของการเกิดแผ่นดินไหว) ใต้ mantle คือ บริเวณแกนกลาง (core) ซึ่งประกอบด้วยส่วนที่เป็น outer core ที่หนา 2,200 กิโลเมตรประกอบด้วยเหล็กและนิกเกิล กับชั้นในสุด (inner core) เป็นเหล็กที่หนา 2,500 กิโลเมตร และมีความดัน 3.6 ล้านเท่าของบรรยากาศ โดยชั้น outer core มีเหล็กเหลวและการไหลวนของเหล็กเหลวในชั้น outer core ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลกที่มีลักษณะเสมือนว่า เกิดจากแท่งแม่เหล็กที่มี 2 ขั้ว คือ ขั้วเหนือกับขั้วใต้

แต่ขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็กโลกกับขั้วเหนือและขั้วใต้ของโลกมิได้ชี้ทิศเดียวกัน ในขณะที่ขั้วเหนือและขั้วใต้ของโลกไม่เปลี่ยนตำแหน่ง เพราะมันเป็นจุดรวมของเส้นแวงทุกเส้น แต่ขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็กโลกสามารถเคลื่อนที่ได้

ประวัติการศึกษาสนามแม่เหล็กโลกระบุว่า ในปี 1831 นักสำรวจชื่อ James Clerk Ross ได้พบตำแหน่งที่ขั้วเหนือของแม่เหล็กโลกอยู่คือในเขต Arctic

ลุถึงปี 1904 Roald Amundsen ได้สำรวจพบว่าขั้วเหนือของแม่เหล็กโลกได้เลื่อนตำแหน่งไปจากที่ๆ Ross เคยพบตามเส้นทางการเคลื่อนที่ผ่านเกาะ Prince of Wales จึงเป็นที่คาดหวังว่า ขั้วเหนือของแม่เหล็กโลกจะเดินทางจาก Canada ถึง Siberia ในปี 2050 ด้วยความเร็ว 40 กิโลเมตร/ปี คิดเป็นระยะทางประมาณ 1,000 กิโลเมตร

ในอดีตเมื่อ 180 ปีก่อนนี้ Carl Friedrich Gauss นักฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ชาวเยอรมันได้เคยวัดค่าความเข้มสนามแม่เหล็กโลก ในประเทศเยอรมนีเป็นครั้งแรก การวัดค่าสนามในสถานที่เดียวกันในปัจจุบัน แสดงให้เห็นว่า ค่าที่ Gauss วัดได้สูงกว่าค่าปัจจุบันประมาณ 10% นั่นคือ ความเข้มของสนามแม่เหล็กโลกได้ลดลง แต่ไม่ได้ลดลงอย่างสม่ำเสมอ คือ มีความแปรปรวนบ้าง แต่ก็นับว่าน้อยมาก เมื่อเปรียบเทียบกับค่าเฉลี่ย

ซึ่งถ้าการลดความเข้มของสนามนี้ดำเนินไปเรื่อยๆ วันหนึ่งสนามแม่เหล็กโลกจะมีความเข้มเท่ากับศูนย์ คือ ไม่มีสนาม จากนั้น สนามแม่เหล็กโลกก็จะกลับทิศ คือ ขั้วเหนือจะเปลี่ยนไปเป็นขั้วใต้ และขั้วใต้จะกลับไปเป็นขั้วเหนือ (เข็มทิศที่เคยชี้ทิศเหนือ ก็จะชี้ทิศใต้แทน)

นักธรณีวิทยา Bernard Brunhes ได้พบว่า เหตุการณ์กลับทิศของขั้วแม่เหล็กโลก ได้เกิดขึ้นในครั้งสุดท้ายเมื่อ 780,000 ปีก่อนจากการศึกษาสภาพแม่เหล็กของหินภูเขาไฟ และก่อนที่จะมีการกลับทิศอย่างสมบูรณ์ คือในช่วงเวลา10,000 ปีที่โลกจะไม่มีสนามแม่เหล็กที่จะป้องกันโลกให้ปลอดจากการถูกโจมตีด้วยรังสีคอสมิกในลมสุริยะที่สามารถทำอันตรายชีวิตได้

ดังได้กล่าวแล้วว่า ในชั้น outer core มีเหล็กเหลวที่อยู่ใต้โลกลงไปประมาณ 3,000 กิโลเมตร และเหล็กเหลวในบริเวณนี้มีความหนาแน่นไม่สม่ำเสมอ ส่วนที่อยู่ลึกมากจะมีความหนาแน่นมาก และส่วนที่อยู่ตื้นจะมีความหนาแน่นน้อย ความแตกต่างของออุณหภูมิและความหนาแน่นทำให้เหล็กเหลวเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 1 มิลลิเมตร/วินาทีตัดสนามแม่เหล็กโลกซึ่งมีผลทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าขับดันให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่สามารถสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นมาต่อต้าน หรือเสริมสนามแม่เหล็กโลกได้ เพราะการไหลเกิดขึ้นได้หลายทิศทาง ความเข้มสนามแม่เหล็กโลกจึงมีค่าไม่คงตัว
แบบจำลองเข็มทิศยุคราชวงศ์ฮั่น
คำถามที่ทุกคนสนใจ คือ ขั้วแม่เหล็กโลกจะกลับทิศเมื่อใด เราจะรู้ได้อย่างไรว่ามันกลับทิศ เหตุใดขั้วแม่เหล็กจึงกลับทิศ การกลับทิศจะเกิดบ่อยเพียงใด และสิ่งมีชีวิตจะได้รับผลกระทบมากเพียงใด จากการกลับทิศ

ในการศึกษาชั้นหินที่อยู่ใต้มหาสมุทรซึ่งอาจอยู่ซ้อนกันหลายชิ้น นักธรณีวิทยาได้พบว่า ชั้นหินมักมีสารแม่เหล็ก ซึ่งจะถูกสนามแม่เหล็กโลกกระทำ จนมีโมเมนต์แม่เหล็ก การเห็นทิศของโมเมนต์ชี้ไปคนละทาง ขณะชั้นหินถือกำเนิดแสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กโลกได้กลับทิศหลายหมื่นครั้งแล้ว ตั้งแต่เมื่อโลกถือกำเนิด เช่นเมื่อ 312-262 ล้านปีก่อน และเมื่อ 118-83 ล้านปีคือในยุค Cretaceus สนามก็ได้กลับทิศอีกครั้งหนึ่ง

การกลับทิศครั้งสุดท้ายได้เกิดขึ้นเมื่อ 780,000 ปีก่อน และนักธรณีฟิสิกส์คาดว่า การกลับทิศจะเกิดในทุก 300,000 ปี โดยเฉลี่ย ตัวเลข 780,000 ปี แสดงว่าเวลาของการกลับทิศได้ล่วงเลยมานานมากแล้ว และในอดีตความพยายามจะกลับทิศได้เกิดขึ้นโดยประมาณ 10 ครั้ง แต่ก็ยังทำไม่ได้ จนกระทั่งวันนี้นักธรณีฟิสิกส์ก็ไม่สามารถรู้ล่วงหน้าได้ว่า เหตุการณ์กลับทิศจะเกิดขึ้นเมื่อใด

เพื่อจะให้สามารถพยากรณ์เหตุการณ์สนามกลับทิศได้ดีขึ้น นักธรณีฟิสิกส์จึงได้สร้างแบบจำลองของโลกขึ้นในห้องทดลอง และใช้โลหะเหล็กที่เป็น sodium, gallium และปรอทเหลวแทนเหล็กเหลวในชั้น outer core ของโลก เพราะสารเหล่านี้มีคุณสมบัติใกล้เคียงกันเพื่อศึกษาการสร้างสนามแม่เหล็กเวลาของเหลวนี้ไหล แต่โลกจำลองในห้องทดลองมีขนาดเล็กกว่าโลกจริงมาก สภาพนำไฟฟ้าของของเหลวที่ใช้ก็ไม่เหมือนสภาพนำไฟฟ้าของเหล็กเหลวจริง ปริมาณของของเหลวก็ไม่มากเท่าปริมาณเหล็กจริง และความเร็วของของเหลวก็ไม่เท่าความเร็วของเหล็กเหลวจริง ตัวเลขที่ได้จากการวัดในห้องทดลองจึงมีค่าน้อยมาก จนไม่สามารถทำนายเวลาที่ขั้วแม่เหล็กโลกจะกลับทิศได้ ดังนั้น เราจึงยังไม่ทราบว่า สนามแม่เหล็กโลกจะกลับทิศเมื่อใด
Roald Amundsen
สำหรับผลกระทบที่จะเกิดเมื่อสนามแม่เหล็กโลกกลับทิศ คือ ความเข้มของสนามจะลดลงๆ ความเข้มของรังสีคอสมิกที่มาจากอวกาศจะมากขึ้น อนุภาคจะผ่านเข้ามาสู่บรรยากาศโลกได้ง่ายขึ้น เพราะความเข้มสนามแม่เหล็กโลกที่ต่อต้านมันมีค่าน้อยลง ดังนั้นคนบนโลกจะเห็นแสงเหนือ-แสงใต้มากขึ้น และบ่อยขึ้นและสัตว์ที่ต้องใช้สนามแม่เหล็กโลกในการนำทาง หาอาหาร และอพยพก็จะประสพภาวะหลงทิศ นอกจากนี้การคมนาคมสื่อสารบนโลกก็จะถูกกระทบกระเทือน เพราะกระแสอนุภาคที่กระหน่ำจากนอกโลกจะทำให้การขนส่งไฟฟ้าถูกตัดขาด และสำหรับประเด็นสุขภาพของมนุษย์ที่จะได้รับผลจากการเปลี่ยนทิศของสนามแม่เหล็กโลกนั้น ยังไม่มีคำตอบที่แน่ชัด เพราะยังไม่มีใครเคยทดลองเรื่องนี้เลย

เมื่อเดือนกุมภาพันธ์ปีกลายนี้ Alanna Mitchell ได้เรียบเรียงหนังสือชื่อ The Spinning Magnet: The Electromagnetic Force That Created the Modern World amd Could Destroy It จัดพิมพ์โดย Dutton ปี 2018 ผู้ประพันธ์ได้กล่าวถึงประวัติความเป็นมาของวิทยาการเรื่องแม่เหล็กว่า ในปี 1269 (ยุคสมเด็จพระเจ้ารามคำแหงมหาราช) นักปราชญ์ฝรั่งเศส ซึ่งเป็นนักรบครูเสดด้วย นามว่า Petrus Peregrinus de Maricourt ได้เรียบเรียงหนังสือชื่อ Epistle on the Magnet ว่าด้วยสนามแม่เหล็กโลก (ในเวลานั้นคนจีนรู้เรื่องเข็มทิศและสนามแม่เหล็กโลกแล้ว) จนกระทั่งถึงคริสต์ศตวรรษที่ 16 William Gilbert ซึ่งเป็นทั้งนักดาราศาสตร์และแพทย์ในสมเด็จพระนางเจ้า Elizabeth ที่ 1 ได้แต่งตำรา De Magnete ขึ้น ด้าน Henry Gellibrand ได้ทำการทดลองที่แสดงให้เห็นว่า สนามแม่เหล็กโลก ณ สถานที่ต่างๆ บนโลกมีค่าไม่คงตัว คือ ขึ้นกับเวลา จากนั้น Edmond Halley ผู้มีชื่อเสียงจากการพบดาวหาง Halley ก็ได้สร้างแผนที่สนามแม่เหล็กโลกโดยการลากเส้น contour ผ่านสถานที่ต่างๆ บนผิวโลกที่มีความเข้มของสนามแม่เหล็กเท่ากัน

ในเวลาต่อมานักวิทยาศาสตร์คนสำคัญที่ได้สร้างผลงานด้านแม่เหล็กคือ Benjamin Franklin, André-Marie Ampere, Hans Christian Oersted, Michael Faraday และ James Clerk Maxwell ซึ่งทุกคนเป็นผู้ชาย แต่ก็มีผู้หญิงคนหนึ่งชื่อ Inge Lehmann ซึ่งในปี 1936 ได้พบว่า แก่นกลาง (inner core) ของโลกเป็นของแข็ง

ในบทท้ายๆ ของเรื่อง Mitchell ได้บรรยายผลกระทบที่เกิดจากการเลื่อนตัวของเปลือกทวีป (plate tectonics) โดยใช้หลักฐานที่ปรากฏในหินเมื่อมีการกลับทิศของขั้วแม่เหล็กโลก และผลกระทบที่จะเกิดขึ้นต่อสรรพสิ่งเมื่อขั้วแม่เหล็กโลกได้กลับทิศจริง

สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์


กำลังโหลดความคิดเห็น...