ปรากฏการณ์ในโฟโตสเฟียร์ - สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ
 
สารานุกรมไทย
สำหรับเยาวชน  เมนู เล่ม 1
เล่มที่ ๑
เรื่องที่ ๑ ดวงอาทิตย์
เรื่องที่ ๒ อุปราคา
เรื่องที่ ๓ ท้องฟ้ากลางคืน
เรื่องที่ ๔ นก
เรื่องที่ ๕ ปลา
เรื่องที่ ๖ เครื่องจักรกล
เรื่องที่ ๗ พลังงาน
เรื่องที่ ๘ อากาศยาน
เรื่องที่ ๙ ดนตรีไทย
รายชื่อผู้เขียน

สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ / เล่มที่ ๑ / เรื่องที่ ๑ ดวงอาทิตย์ / ปรากฏการณ์ในโฟโตสเฟียร์

 ปรากฏการณ์ในโฟโตสเฟียร์
ปรากฏการณ์ในโฟโตสเฟียร์

ก๊าซในโฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์ แผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดที่เป็นคลื่นวิทยุ รังสี ความร้อน หรืออินฟราเรด แสงสว่างธรรมดา และรังสีอัลตราไวโอเลต แต่รังสีส่วนใหญ่เป็นแสง สว่าง และความร้อน โฟโตสเฟียร์แผ่รังสี ซึ่งเป็น แสงสว่างธรรมดาทุกขนาดคลื่น ซึ่งเมื่อนำแสงจาก ดวงอาทิตย์มาผ่านอุปกรณ์แยกแสงสีหรือสเปกโทรกราฟ (spectrograph) แล้วจะได้สเปกตรัมชนิด สืบเนื่อง (continuous spectrum) ซึ่งมีแสงเฉพาะบางขนาดคลื่นลดน้อยไปเป็นแห่งๆ ทำให้ปรากฏ มีเส้นมืด (dark line หรือ absorption line) อยู่เป็นแห่งๆ บนสเปกตรัมสืบเนื่องนั้น เราเรียกเส้น มืดเหล่านี้อีกชื่อหนึ่งว่า เส้นฟรอนโฮเฟอร์ (fraunhofer line) โดยใช้ชื่อของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมนี (Joseph von Fraunhofer) ผู้ได้ทำการสำรวจเส้นเหล่านี้ อย่างละเอียดถี่ถ้วนเป็นคนแรก

การสำรวจโฟโตสเฟียร์ ทำได้โดยการใช้กล้องโทรทรรศน์ธรรมดา โดยควรมีวิธีการซึ่งลด ความแรงจ้าของแสงอาทิตย์ โดยไม่ลดขนาดของเลนส์หน้ากล้องที่รับแสงให้เล็กลงเพราะจะทำให้ ความละเอียดชัดเจนของภาพลดลงด้วย การนี้อาจใช้กระจกกรองแสงสีดำ (neutral filters) หรือมี วิธีการอื่นๆ อีก อนึ่งในการถ่ายภาพโฟโตสเฟียร์นั้น อาจใช้แก้วกรองแสงสีต่างๆ เช่น แดง เหลือง หรือน้ำเงิน เลือกเอาแต่คลื่นแสง ช่วงที่มีขนาดคลื่นเฉพาะบางส่วน เพื่อความชัดเจนเป็นพิเศษ เพราะลักษณะต่างๆ บนดวงอาทิตย์มีความชัดเจนแตกต่างกันเมื่อสำรวจในแสงที่มีขนาดคลื่นแตก ต่างกัน อย่างไรก็ตาม แสงอาทิตย์ที่ผ่านแก้วกรองแสงสีเช่นนี้มาแล้วก็ยังประกอบด้วย แสงที่มี ความยาวคลื่นต่างๆ จำนวนมากปนกันอยู่ เราเรียกแสงสว่างสีขาว และสีต่างๆ เช่นนี้ว่า แสงสว่างรวม (integrated light) หรือแสงคอนตินูอัม (continuum light) ของดวงอาทิตย์

สเปกตรัมของดวงอาทิตย์ เกิดจากแสงสว่างสีขาวของดวงอาทิตย์ส่องผ่านช่องแคบยาวของเครื่องสเปกโทรกราฟ แล้วถูกแยกออกเป็นแถบสีรุ้ง และแสดงเส้นมืดฟรอนโฮเฟอร์ ที่เห็นได้ชัดเจนในอุปกรณ์ขนาดเล็ก กราฟข้างบนแสดงความเข้มของแสงซึ่งมีสีต่างกัน
โฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์แสดงลักษณะที่สำคัญดังต่อไปนี้
๑. มืดคล้ำที่ขอบดวง (darkening of the limb)
๒. เป็นดอกดวงโดยทั่วไป (granulation)
๓. การเกิดและวิวัฒนาการของกลุ่มจุด (sunspots)
๔. แฟคิวเล หรือบริเวณสว่างผิดปกติ (faculae)
โครงสร้างของก๊าซในระดับโครโมสเฟียร์ของดวงอาทิตย์ แสดงให้เห็นลักษณะการเรียงตัวเป็นตาข่ายโครโมสเฟียร์ (cromospheric network)ถ่ายภาพด้วยกล้องสำรวจดวงอาทิตย์ของภาควิชาฟิสิกส์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

จากแผนภาพแสดงภายในดวงอาทิตย์ แสดงลักษณะบางประการดังกล่าวอย่างชัดเจน ใน ภาพนี้ดวงอาทิตย์ปรากฏสว่างที่กลางดวง และความสว่างนั้นลดน้อยลงที่ใกล้ขอบ ลักษณะเช่นนี้ ของดวงอาทิตย์เป็นหลักฐานยืนยันว่า ดวงอาทิตย์ไม่ใช่ก้อนทรงกลมที่เป็นของแข็งหรือของเหลวที่ทึบต่อรังสี แต่เป็นก้อนก๊าซซึ่งมีความโปร่งต่อรังสีพอประมาณ ก๊าซในโฟโตสเฟียร์มีอุณหภูมิสูงขึ้น ในระดับลึกลงไป เมื่อเรามองดูตรงกลางดวงอาทิตย์นั้น ลำแสงจากดวงอาทิตย์ผ่านโฟโตสเฟียร์ขึ้น มาในแนวตั้งฉาก แต่เมื่อเรามองดูตรงขอบดวง ลำแสงจะต้องเดินเฉียงผ่านบรรยากาศ นับว่าต้อง เคลื่อนที่ผ่านโฟโตสเฟียร์แต่ละชั้น เป็นระยะทางมากกว่า แสงสว่างที่กลางดวงจึงออกมาจากระดับ ที่ลึกกว่า และร้อนกว่าแสงสว่างที่มาจากบริเวณใกล้ขอบดวง ดังนั้นกลางดวง จึงปรากฏสว่างกว่าที่ ขอบดวง

ในภาพถ่ายกลุ่มจุด เมื่อพิจารณาดูบริเวณนอกกลุ่มจุด จะเห็นพื้นผิวโฟโตสเฟียร์ มีลักษณะเป็นดอกดวงคล้ายเม็ดสาคู ในปัจจุบัน มีการติดตามศึกษาธรรมชาติของดอกดวง (granules) ในโฟโตสเฟียร์อย่างละเอียดถี่ถ้วน โดยการถ่ายภาพยนตร์ ทั้งด้วยกล้องโทรทรรศน์ซึ่งตั้ง อยู่บนภาคพื้นดินและกล้องโทรทรรศน์ซึ่งส่งขึ้นไปกับบอลลูน เพื่อให้อยู่สูง พ้นจากการรบกวน ของบรรยากาศส่วนใหญ่ที่ห่อหุ้มพื้นผิวโลก

ดอกดวงเหล่านี้ มีขนาดเล็กใหญ่แตกต่างกัน ตั้งแต่ ๓๕๐ กิโลเมตร ถึง ๑,๘๐๐ กิโลเมตร คิดว่าเฉลี่ยประมาณ ๑,๐๐๐ กิโลเมตร ปรากฏขึ้นในโฟโตสเฟียร์ แล้วก็ค่อยๆ เปลี่ยนแปลงลักษณะ ไปและสลายตัวเลือนลางหายไปในที่สุด แล้วดอกดวงใหม่ก็ปรากฏขึ้นแทนที่ ผลัดเปลี่ยนเวียนกัน ไปไม่หยุดนิ่ง วัดอายุเฉลี่ยได้ประมาณ ๖ นาที ถ้านับจำนวนในภาพถ่ายหนึ่งๆ แล้วคำนวณดู จะ ได้ปริมาณดอกดวงทั้งพื้นผิวดวงอาทิตย์ในขณะใดขณะหนึ่งประมาณสามล้านเม็ดในปีที่มีจุดบนดวง อาทิตย์มากที่สุด และเข้าใจว่าลดลงเป็นราวสองล้านเม็ดในปีที่ดวงอาทิตย์มีจุดน้อยที่สุด

บริเวณกลางดวงมีความสว่างประมาณ ๑.๓ เท่าของขอบเขตระหว่างดอกดวง จากนี้คำนวณ ได้ว่า อุณหภูมิสูงกว่ากันประมาณ ๓๐๐ องศาเซลเซียส ที่ตรงกลางดอกดวงปรากฏว่าเนื้อสารพลุ่ง ขึ้นมาด้วยความเร็วเฉลี่ย ๙๐๐ เมตรต่อวินาที

ลักษณะดังกล่าวข้างบนทำให้มีผู้สันนิษฐานว่า ดอกดวงเหล่านี้ คือส่วนยอดของลำก๊าซ ร้อนซึ่งพลุ่งขึ้นมาคายความร้อน โดยการแผ่รังสีออกไปในอวกาศ เมื่อเย็นตัวลงแล้วก็กลับจมลง สู่ภายในดวงอาทิตย์อีกในบริเวณรอบๆ ดอกดวง ซึ่งปรากฏเห็นเป็นขอบเขตที่มืดกว่า ดังนั้น ปรากฏการณ์นี้จึงเป็นหลักฐานแสดงว่า ดวงอาทิตย์มีการถ่ายเทพลังงานจากระดับลึกภายในออกมา สู่ระดับสูงกว่าในโฟโตสเฟียร์ โดยการพาความร้อน (convection) นั่นเอง

ดังที่ได้กล่าวมาแล้วว่าในการสำรวจโฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์นั้น จำเป็นต้องมีวิธีการลด ความสว่างลง เป็นต้นว่าโดยการใช้กระจกกรองแสงสีดำ หรือฉายภาพจากกล้องโทรทรรศน์ออกมา ติดจอเป็นดวงใหญ่ ในการนี้เราจะได้เห็นว่า ในบางบริเวณบนตัวดวงอาทิตย์นั้นมีความสว่างน้อย กว่าพื้นผิวดวง หรือโฟโตสเฟียร์โดยทั่วไป อาณาบริเวณเหล่านี้ปรากฏเป็นจุดมืดและเขตมัวมักรวม ตัวกันอยู่เป็นหย่อมๆ นี่คือ กลุ่มจุดของดวงอาทิตย์ (sunspot groups) ซึ่งตามเหตุผลที่กล่าวมานี้ จะเห็นได้ว่าไม่ใช่บริเวณที่ดวงอาทิตย์มืดดับไป หากแต่สว่างน้อยกว่าโฟโตสเฟียร์ทั่วไป

จุดของดวงอาทิตย์ (sunspot) ขนาดปานกลางมีองค์ประกอบสองส่วนกล่าวคือ บริเวณ กลางซึ่งปรากฏคล้ายมืดทีเดียว เรียกว่า บริเวณมืด (umbra) มีความสว่างราว ๒๗ เปอร์เซ็นต์ของ โฟโตสเฟียร์ รอบๆ บริเวณมืดนี้ มีอาณาเขตที่ไม่มืดทีเดียวล้อมอยู่ เรียกว่า บริเวณมัว (penumbra) มีความสว่าง ๗๘ เปอร์เซ็นต์ของผิวโฟโตสเฟียร์ เมื่อพิจารณาดูโดยละเอียดเห็นได้ว่าบริเวณมัว มีโครงสร้างเป็นเส้นบางๆ เรียงเป็นแถวและแผ่กระจายจากบริเวณมืดซึ่งอยู่ตรงกลางออกมาโดย รอบ จุดขนาดเล็กบางจุด มีแต่บริเวณมืดไม่มีบริเวณมัว กลุ่มจุดซึ่งมีทั้งบริเวณมืดขนาดต่างๆ อยู่ ใกล้ชิดรวมกันเป็นกระจุก มักมีบริเวณมัวร่วมกัน

กลุ่มจุดขนาดใหญ่ ปรากฏบนพื้นผิว (โฟโตสเฟียร์) ของดวงอาทิตย์ในปลายเดือนมีนาคม พ.ศ. ๒๕๑๑ ถ่ายไว้โดยกล้องโทรทรรศน์ของหอดูดาว ที่ท้องฟ้าจำลอง กรุงเทพมหานคร ในภาพนี้จะเห็นบริเวณมืดล้อมรอบด้วยบริเวณมัวอย่างชัดเจน จุดขนาดเล็กมีแต่บริเวณมืดไม่มีบริเวณมัว ที่กลางจุดใหญ่ จะเห็นมีเส้นสว่างคล้ายแถบผ้า ลอยตัวอยู่เหนือบริเวณมืด เป็นลักษณะที่เรียกว่า สะพานสว่าง (light bridge) ยังไม่มีการศึกษากันละเอียดให้รู้ว่า เป็นอะไร มีคุณสมบัติอย่างไรแน่ นอกบริเวณกลุ่มจุดพื้นผิวของดวงอาทิตย์ทั่วไป มีลักษณะเป็นดอกดวงคล้ายเม็ดสาคู เม็ดดอกดวงนี้ มีขนาดเฉลี่ย ๑,๐๐๐ กิโลเมตร จึงอาจเทียบส่วนได้ว่า กลุ่มจุดตามภาพนี้ แผ่ขยายกินที่ยาวมากกว่าแสนกิโลเมตร
ความแตกต่างในความสว่างของลักษณะบนดวงอาทิตย์นี้ เกิดขึ้นเพราะความแตกต่างของ อุณหภูมิ กล่าวมาแล้วว่าโฟโตสเฟียร์ มีอุณหภูมิเฉลี่ย ๖,๐๐๐ องศาสัมบูรณ์ บริเวณมืดจะมีอุณหภูมิ ๔,๔๐๐ องศาสัมบูรณ์ และบริเวณมัวมีอุณหภูมิ ๕,๗๐๐ องศาสัมบูรณ์

จุดและกลุ่มจุดไม่ใช่สิ่งที่ปรากฏอยู่คงที่บนดวงอาทิตย์ ดังเช่นที่หลุมบ่อและภูเขาปรากฏ อยู่บนพื้นผิวดวงจันทร์ ความจริงจุดและกลุ่มจุดเหล่านี้เปลี่ยนรูปร่าง ขนาด ลักษณะและจำนวน อยู่ทุกขณะ จึงเป็นปรากฏการณ์ซึ่งเกิดขึ้น แล้วมีการเปลี่ยนแปลงไปสู่ความเสื่อมสลาย มีจุดใหม่ กลุ่มใหม่ เกิดขึ้นในตำแหน่งใหม่ วนเวียน เปลี่ยนกันอยู่เสมอ

ในปัจจุบัน นักดาราศาสตร์ สามารถทำการวัดความเข้มของสนามแม่เหล็ก ของวัตถุซึ่ง แผ่รังสีให้แสงสว่าง เช่น ดวงอาทิตย์ ได้โดยการวิเคราะห์ แสงที่มาจากวัตถุนั้น ในการนี้เขาจึง สามารถวัดความเข้มของสนามแม่เหล็กในโฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์ได้ และก็ได้พบว่าบริเวณมืด ของจุดแต่ละจุด ทำตัวเหมือนขั้วแม่เหล็ก ซึ่งหันออกมาตั้งฉากกับพื้นผิวดวงอาทิตย์ มีความเข้ม หรือความแรงมากน้อยตามขนาดคือพื้นที่ของบริเวณมืดนั้น ในกลุ่มจุดหนึ่งๆ จะประกอบด้วยจุด ซึ่งมีทั้งขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็ก และอาจมีความเข้มตั้งแต่ ๑,๓๐๐ เกาส์ถึง ๓,๕๐๐ เกาส์ หรือในบางกรณีอาจมากกว่านั้น การค้นพบสนามแม่เหล็กในบริเวณจุดและกลุ่มจุดของดวงอาทิตย์ ทำให้เกิดข้อสันนิษฐานในปัจจุบันว่า เส้นแรงแม่เหล็กซึ่งพุ่งผ่านโฟโตสเฟียร์นี้ มีอำนาจกีดกัน การถ่ายเทพลังงานความร้อนจากภายในขึ้นมายังระดับพื้นผิว จึงทำให้อุณหภูมิและความสว่างใน บริเวณนั้นลดลง ปรากฏให้เห็นเป็นจุดและกลุ่มจุดขึ้น

กลุ่มจุดบนดวงอาทิตย์เป็นแหล่งเกิดปรากฏการณ์น่าสนใจหลายประการ ทั้งในโฟโตสเฟียร์ โครโมสเฟียร์ และคอโรนาของดวงอาทิตย์ การลุกจ้า หรือการระเบิด (flare) บนดวงอาทิตย์ก็เกิด ขึ้นในบริเวณกลุ่มจุด เชื่อว่าสนามแม่เหล็กมีบทบาทสำคัญในการก่อให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆ ของ กลุ่มจุด และโดยทั่วไปบนดวงอาทิตย์

กลุ่มจุดปรากฏใกล้ขอบดวงอาทิตย์จะเห็นแฟคิวเลเป็นเกล็ดสว่าง กระจัดกระจายอยู่ในบริเวณใกล้จุดเป็นหย่อมๆ โดยเฉพาะเห็นชัดเจนที่กลุ่มจุดใกล้ขอบดวง ที่กลุ่มจุดห่างขอบดวงก็ปรากฏว่ามี แต่ไม่สว่างชัดเจนเท่า (ภาพถ่ายที่หอดูดาว ท้องฟ้าจำลองกรุงเทพมหานคร)

ในบริเวณกลุ่มจุดซึ่งอยู่ใกล้ขอบดวงอาทิตย์ดังเช่นในภาพบนนี้ เราจะสังเกตเห็นเกล็ดสว่าง กระจัดกระจายอยู่รวมกันเป็นหย่อมๆ สิ่งนี้มีชื่อเรียกว่า แฟคิวเล เกล็ดสว่างของแฟคิวเล มี อุณหภูมิสูงกว่าโฟโตสเฟียร์ประมาณ ๙๐๐ องศา และมีขนาดเฉลี่ยใหญ่กว่าขนาดของดอกดวงเล็ก น้อย คือ ประมาณ ๑,๒๐๐ กิโลเมตร กลุ่มจุดทุกกลุ่มมีแฟคิวเล เกิดอยู่ด้วยเสมอไป แต่เมื่อ กลุ่มจุดอยู่ในบริเวณกลางดวงจะมองเห็นแฟคิวเลไม่ชัดเจน เพราะโฟโตสเฟียร์สว่างขึ้น ลักษณะ ปรากฏของแฟคิวเลมีขอบดวง ทำให้น่าสันนิษฐานว่ามันลอยอยู่ในระดับสูงกว่าโฟโตสเฟียร์เล็กน้อย ได้มีการวัดพื้นที่บนดวงอาทิตย์ที่ปกคลุมด้วยแฟคิวเล พบว่าโดยเฉลี่ยแล้ว แฟคิวเลคลุมพื้นที่ ประมาณ ๔ เท่าของกลุ่มจุดซึ่งมันล้อมรอบเกี่ยวข้องอยู่

คาบของการหมุนรอบตัวของดวงอาทิตย์วัดจากการเคลื่อนที่ของจุด
หัวข้อก่อนหน้า หัวข้อถัดไป