จะเกิดอะไรขึ้น? เมื่อ “กำแพงรังสีของโลก” กำลังถูกทำลาย จากสภาวะสภาพอากาศในอวกาศที่รุนแรง

เนื่องจากสภาวะสภาพอากาศในอวกาศที่รุนแรง (Severe Space Weather) โดยเรื่องนี้จะมีความสำคัญกับพวกเราอย่างไรตามมาอ่านกันได้เลย

เมื่อมองดูภาพถ่ายของโลกที่ลอยอยู่ท่ามกลางความมืดมิดในอวกาศ หลายคนอาจคิดว่าโลกของเราโดดเดี่ยวและเดียวดายก็ได้ แต่พื้นที่ใกล้โลกนั้นมีอะไรมากกว่าที่เราเห็น โดยโลกของเราตั้งอยู่ในแถบรังสีแวนอัลเลนอย่างอบอุ่น ซึ่งเป็นบริเวณที่เต็มไปด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนพลังงานสูง แต่ถูกจำกัดด้วยสนามแม่เหล็กของโลก

แถบชั้นนอกส่วนใหญ่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่ได้รับพลังงาน จากกระบวนการที่ขับเคลื่อนโดยดวงอาทิตย์ ในขณะที่โปรตอนจำนวนมากในแถบชั้นใน มีต้นกำเนิดมาจากอนุภาคที่เกิดขึ้นเมื่อรังสีคอสมิกพุ่งชนชั้นบรรยากาศของโลก โดยเป็นเวลากว่าทศวรรษแล้วที่เชื่อกันว่า แถบรังสีแวนอัลเลนนี้ก่อตัวเป็นกำแพงที่ไม่อาจทะลุผ่านได้สำหรับ “อิเล็กตรอนมรณะ” ที่มีความเร็วสูงมาก ป้องกันไม่ให้พวกมันเข้าใกล้โลกมากเกินไป

แต่งานวิจัยตีพิมพ์ในวารสาร Geophysical Research Letters ได้เผยว่า มีหลักฐานใหม่ได้ปรากฏขึ้นว่า ภายใต้สถานการณ์ที่เหมาะสม โลกอาจไม่ปลอดภัยอย่างที่คิดไว้ โดยในช่วงพายุสุริยะรุนแรงที่พัดถล่มโลกในเดือนพฤษภาคม ปี 2024 ดาวเทียมของญี่ปุ่นได้บันทึกการเร่งความเร็วของอิเล็กตรอนในบริเวณนี้ จนมีพลังงานระดับเมกะอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) ซึ่งเป็นบริเวณที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าไม่น่าจะเกิดขึ้นได้

Yoshizumi Miyoshi นักฟิสิกส์อวกาศ จากมหาวิทยาลัยนาโกยา ประเทศญี่ปุ่น ผู้นำการวิจัยครั้งนี้ กล่าวว่า งานวิจัยนี้ แสดงให้เห็นว่ากำแพงกั้นนี้สามารถถูกทำลายได้ภายใต้สภาวะสภาพอากาศในอวกาศที่รุนแรง (Severe Space Weather เกิดจากปรากฏการณ์ทางธรรมชาติบนดวงอาทิตย์ เช่น การลุกจ้าจากดวงอาทิตย์ “Solar Flares” และการปลดปล่อยมวลโคโรนา “Coronal Mass Ejections – CMEs” ซึ่งส่งกระแสพลาสมาและสนามแม่เหล็กพุ่งตรงมายังโลก)

อิเล็กตรอนที่เรียกว่า "อิเล็กตรอนมรณะ" ซึ่งเป็นที่รู้จักกันมานานหลายทศวรรษ เป็นปัญหาใหญ่ในอวกาศระดับต่ำของโลก อนุภาคเหล่านี้สามารถเร่งความเร็วได้เกือบเท่าความเร็วแสงโดยการปฏิสัมพันธ์กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมแม่เหล็กของโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงพายุแม่เหล็กโลก

อนุภาคเหล่านี้มีพลังงานสูงมากจนสามารถทะลุผ่านเกราะป้องกันของดาวเทียมได้ ซึ่งอาจสร้างความเสียหายให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อคลื่น และลดอายุการใช้งานของยานอวกาศ นอกจากนี้ยังไม่ดีต่อมนุษย์ด้วย เนื่องจากก่อให้เกิดอันตรายจากรังสีในระดับสูงต่อนักบินอวกาศ

แต่ในปี 2014 นักวิจัยได้ค้นพบสิ่งแปลกประหลาดบางอย่าง การสังเกตการณ์จากยานสำรวจแวนอัลเลน (Van Allen Probes) ของนาซา (NASA) เผยให้เห็นขอบเขตที่คมชัดผิดปกติ ซึ่งอยู่ห่างจากศูนย์กลางของดาวเคราะห์ประมาณสามเท่าของรัศมีโลก โดยที่อิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงที่สุดแทบจะไม่สามารถรุกล้ำเข้าไปได้เลย

นักวิทยาศาสตร์อธิบายปรากฏการณ์นี้ว่าเป็น "กำแพงที่ไม่อาจทะลุผ่านได้" เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าภายในบริเวณพลาสมาเย็นที่ล้อมรอบโลก ช่วยกระจายอิเล็กตรอนออกจากวงโคจรที่ถูกกักไว้ ส่งผลให้อิเล็กตรอนพุ่งลงสู่ชั้นบรรยากาศ เมื่อรวมกับการเคลื่อนที่เข้าด้านในอย่างช้า ๆ ของอิเล็กตรอนแล้ว ดูเหมือนว่าจะสร้างกำแพงธรรมชาติที่กั้นพวกมันไว้ไม่ให้เข้ามาใกล้

อย่างไรก็ตาม ตั้งแต่ปี 2018 รอยร้าวก็เริ่มปรากฏให้เห็นในสิ่งที่เรียกว่ากำแพงที่ “ทะลุทะลวงไม่ได้” แล้ว โดยนักวิจัยกล่าวว่า กำแพงดังกล่าวไม่ใช่กำแพงจริง ๆ แต่เป็นภาพลวงตาที่เกิดจากระยะเวลาอันจำกัดของพายุแม่เหล็กโลก อิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงอาจถูกผลักเข้าหาโลก โดยการผันผวนของสนามแม่เหล็กโลก แต่พายุที่ขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ นั้นมักจะสลายไปก่อนที่อิเล็กตรอนจะสามารถเคลื่อนที่ไปได้ไกลกว่านี้

ต่อมาในปี 2024 นักวิจัยที่วิเคราะห์ข้อมูลการสังเกตการณ์ที่บันทึกไว้ระหว่างปี 1996-2006 พบว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากฟ้าผ่า สามารถส่งอิเล็กตรอนอันตรายที่ถูกกักอยู่ในแถบรังสีชั้นในให้พุ่งเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกได้ การสังเกตการณ์เหล่านี้เป็นหลักฐานเพิ่มเติมที่แสดงให้เห็นว่า อิเล็กตรอนที่มีพลังงานระดับเมกะอิเล็กตรอนโวลต์ นั้นมีอยู่แล้วภายในขอบเขตที่เชื่อกันว่าไม่สามารถทะลุผ่านได้

ในเดือนพฤษภาคม ปี 2024 ก็เกิดพายุสุริยะครั้งใหญ่ขึ้น ดวงอาทิตย์ระเบิดออกเป็นชุดของการปะทุและการปล่อยมวลโคโรนา ซึ่งพัดพาพลาสมาที่มีสนามแม่เหล็กหลายพันล้านตันพุ่งทะลุระบบสุริยะ

Miyoshi เผยว่า บนโลก ผลที่เกิดขึ้นคือพายุแม่เหล็กโลกระดับ G5 ซึ่งเป็นระดับที่รุนแรงที่สุดในมาตรวัดพายุแม่เหล็กโลก มีความรุนแรงมากจนสามารถบันทึกผลกระทบได้แม้กระทั่งที่ก้นมหาสมุทร พายุได้ทำให้พลาสมาเย็นในพลาสมาสเฟียร์ของโลกหายไปอย่างมาก ส่งผลให้เกิดสภาพแวดล้อมที่เบาบางผิดปกติ ซึ่งเอื้อต่อการเจริญเติบโตของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่นที่เรียกว่า “คอรัส” (Chorus) โดยเมื่อแปลงเป็นเสียงแล้ว มันฟังดูเหมือนเสียงนกร้อง

และแทนที่จะทำให้อิเล็กตรอนกระจัดกระจายออกไปเหมือนคลื่นอื่น ๆ ทั่วไป คลื่นเหล่านี้กลับดูเหมือนจะเร่งความเร็วอิเล็กตรอนให้มีพลังงานสูงอย่างเหลือเชื่อ ภายในกำแพงที่ "ทะลุผ่านไม่ได้" นั้นเอง โดยหลักฐานดังกล่าวได้มาจากดาวเทียมอาราเสะ (Arase) ของญี่ปุ่น ซึ่งเฝ้าติดตามแถบรังสีมาตั้งแต่ปี 2017

ในช่วงระยะฟื้นตัวของพายุ ดาวเทียมอาราเสะตรวจพบการเพิ่มขึ้นอย่างมากของอิเล็กตรอนความเร็วสูงพิเศษภายในกำแพงพลังงาน ที่ระดับพลังงานประมาณ 3 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ กระแสอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นมากกว่า 5,000 เท่าเมื่อเทียบกับระดับก่อนเกิดพายุ โดยจังหวะเวลาและวิวัฒนาการของการเพิ่มขึ้นนั้นเป็นสิ่งที่น่าสนใจเป็นอย่างยิ่ง

อิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำปรากฏขึ้นเป็นจำนวนมากก่อน ประมาณครึ่งวันต่อมา อิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงกว่าก็เริ่มปรากฏตามมา และประมาณหนึ่งวันหลังจากที่จำนวนอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นครั้งแรก อิเล็กตรอนที่มีพลังงานมากกว่า 3 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ก็เพิ่มจำนวนขึ้นอย่างรวดเร็วเช่นกัน

ลำดับการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ต่อเนื่องนี้บ่งชี้ว่าอิเล็กตรอนไม่ได้ถูกพัดเข้ามาจากที่อื่นเพียงอย่างเดียว แต่พวกมันได้รับพลังงานอยู่ภายในบริเวณที่คิดว่าได้รับการปกป้องนั่นเอง

Miyoshi และเพื่อนร่วมงานพบเบาะแสเพิ่มเติมจากการกระจายตัวของอิเล็กตรอน ซึ่งก่อตัวเป็นยอดแหลมที่ชัดเจนใกล้กับขอบเขตของกำแพงกั้น

รูปแบบดังกล่าวอธิบายได้ยากด้วยการขนส่งเข้าภายในเพียงอย่างเดียว แต่ก็สอดคล้องกับการที่อิเล็กตรอนถูกเร่งความเร็วในบริเวณนั้นก่อนที่จะแพร่กระจายเข้าและออกไปในวงกว้าง

โดยสรุปแล้ว หลักฐานชี้ให้เห็นว่าการลดลงของพลาสมาเย็นได้สร้างสภาวะที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับอิเล็กตรอน ซึ่งโดยปกติแล้วจะพบเห็นได้เฉพาะในบริเวณที่ไกลจากโลกเท่านั้น

และต้องใช้เวลาหลายเดือนกว่าจะฟื้นตัว อาราเสะยังคงสังเกตระดับอิเล็กตรอนความเร็วสูงที่ลดลงเรื่อย ๆ จนถึงเดือนตุลาคมปี 2024 เมื่อพายุสุริยะอีกครั้งพัดกระหน่ำบริเวณใกล้โลก นี่เป็นข้อค้นพบที่บ่งชี้ว่า พลวัตของอวกาศรอบโลกนั้นซับซ้อนกว่าความสงบที่ปรากฏให้เห็นมากนัก

Miyoshi กล่าวทิ้งท้ายว่า การค้นพบนี้เน้นย้ำถึงความจำเป็นในการทำความเข้าใจ และคาดการณ์พฤติกรรมของอิเล็กตรอนพลังงานสูง ภายใต้สภาวะสภาพอากาศในอวกาศที่รุนแรง โดยความรู้ดังกล่าวมีความสำคัญต่อการประเมินความเสี่ยงจากรังสีต่อยานอวกาศ และการปรับปรุงการพยากรณ์สภาพอากาศในอวกาศในอนาคต

หาก “กำแพงรังสีของโลก” ถูกทำลายจะเกิดอะไรขึ้น?

การสูญเสีย "เกราะป้องกันรังสี" หรือสนามแม่เหล็กโลก (Magnetosphere) จะส่งผลกระทบอย่างร้ายแรงต่อโลกและสิ่งมีชีวิตในทุกระดับ โดยสามารถแบ่งผลกระทบออกเป็นระยะต่าง ๆ ได้ดังนี้

ผลกระทบต่อเทคโนโลยีและระบบไฟฟ้า (ทันทีที่เกิดขึ้น)

- ดาวเทียมและระบบสื่อสารพังทลาย: อนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์และพายุสุริยะจะพุ่งชนดาวเทียมโดยตรง ทำให้ระบบอิเล็กทรอนิกส์เสียหาย ระบบนำทาง GPS, การสื่อสาร และการติดตามเที่ยวบินจะใช้งานไม่ได้

- โครงข่ายไฟฟ้าล่มสลายทั่วโลก: พายุสุริยะจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าแรงดันสูงเกินไปในสายส่งบนพื้นดิน ส่งผลให้หม้อแปลงระเบิดและเกิดไฟฟ้าดับเป็นวงกว้าง (คล้ายเหตุการณ์พายุแม่เหล็กโลกถล่มควิเบก ประเทศแคนาดา ในปี 1989)

- แสงออโรราทั่วโลก: แสงเหนือ-แสงใต้จะไม่จำกัดอยู่แค่บริเวณขั้วโลกอีกต่อไป แต่จะมองเห็นได้จากทุกหนแห่งบนท้องฟ้า หรือเปลี่ยนเป็นแสงเรืองรองทั่วชั้นบรรยากาศ

ผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและสภาพแวดล้อม (ระยะกลาง)

- ชั้นบรรยากาศชั้นโอโซนถูกทำลาย: รังสีคอสมิกและอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์จะทะลุทะลวงเข้ามาทำลายชั้นโอโซน ซึ่งเป็นเกราะกรองรังสีอัลตราไวโอเลต (UV)

- ระดับรังสีบนพื้นผิวพุ่งสูงขึ้น: มนุษย์และสัตว์บนพื้นโลกจะได้รับรังสีอันตรายในปริมาณมาก เพิ่มความเสี่ยงของโรคมะเร็ง การกลายพันธุ์ และอาจบีบให้มนุษย์ต้องอพยพไปอาศัยอยู่ในที่หลบภัยใต้ดิน

- สัตว์อพยพสูญเสียการนำทาง: สัตว์ที่อาศัยสนามแม่เหล็กโลกในการบอกทิศทาง เช่น นกอพยพ เต่าทะเล และผึ้ง จะสับสนและไม่สามารถเดินทางหรือผสมพันธุ์ได้อย่างถูกต้อง

ผลกระทบในระยะยาว (มหาวิบัติระดับดาวเคราะห์)

- ชั้นบรรยากาศค่อย ๆ ถูกลมสุริยะพัดหายไป: ในระยะยาว ลมสุริยะจะค่อย ๆ กัดเซาะและพัดพาชั้นบรรยากาศของโลกสู่อวกาศ

- โลกจะกลายเป็นดาวที่ไร้ชีวิต: เมื่อปราศจากชั้นบรรยากาศและน้ำ (ซึ่งอาจระเหยหรือแห้งเหือดไป) พื้นผิวโลกจะค่อย ๆ เปลี่ยนสภาพให้แห้งแล้ง หนาวเย็น และรกร้างคล้ายกับดาวอังคารในปัจจุบัน

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

ที่มาข้อมูล: Geophysical Research Letters

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech