ดวงอาทิตย์


ภาพที่ 1 ดวงอาทิตย์

       ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้โลกของเรามากที่สุด มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นก๊าซไฮโดรเจน ที่ใจกลางของดวงอาทิตย์ มีอุณหภูมิและแรงดันสูงมาก จนทำให้ก๊าซไฮโดรเจนหลอมรวมกันเป็นก๊าซฮีเลียม และแผ่พลังงานออกมาอย่างมหาศาล เป็นความร้อนและแสงสว่าง เราเรียกปฏิกิริยานี้ว่า "ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน"  พลังงานความร้อน และแสงสว่าง จากดวงอาทิตย์นี้เอง ที่เอื้อให้เกิดสิ่งมีฃีวิตบนโลกของเรา

โครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์ ประกอบไปด้วย
         1. แกนกลาง มีอุณหภูมิสูงกว่า 15 ล้านเคลวิน
         2. โชนการแผ่รังสี พลังงานความร้อนถ่ายทอดออกสู่ส่วนนอกในรูปแบบคลื่น
         3. โซนการพาความร้อน อยู่เหนือโซนการแผ่รังสี พลังงานความร้อนในโซนนี้ถูกถ่ายทอดออกสู่ส่วนนอก โดยการเคลื่อนที่ของก๊าซ
         4. โฟโตสเฟียร์ เป็นพื้นผิวของดวงอาทิตย์ อยู่เหนือโซนการพาความร้อน เราสังเกตพื้นผิวส่วนนี้ได้ในช่วงคลื่นแสง มีอุณหภูมิประมาณ 5,500 เคลวิน
         5. โครโมสเฟียร์ เป็นบริเวณที่อยู่เหนือขึ้นมาจากชั้นโฟโตสเฟียร์ มีอุณหภูมิสูงประมาณ 10,000 เคลวิน
         6. คอโรนา เป็นบรรยากาศชั้นนอกสุดของดวงอาทิตย์แผ่ออกไปในอวกาศหลายล้านกิโลเมตร มีอุณหภูมิสูงมากกว่า 1 ล้านเคลวิน


ภาพที่ 2 โครงสร้างของดวงอาทิตย์
คลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว

องค์ประกอบของดวงอาทิตย์

     ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุด และเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญที่สุดของโลก ดวงอาทิตย์มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.4 ล้านกิโลเมตร อยู่ห่างจากโลก 150 ล้านกิโลเมตร มีองค์ประกอบเป็นไฮโดรเจน 74% ฮีเลียม 25% และธาตุชนิดอื่น 1% โครงสร้างของดวงอาทิตย์แบ่งออกเป็น 3 ส่วน คือ
           แก่นปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (Nuclear burning core) มีขนาดประมาณ 25% ของรัศมี เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิวชัน เผาไหม้ไฮโดรเจนให้กลายเป็นฮีเลียม มวลบางส่วนได้เปลี่ยนเป็นพลังงาน มีอุณหภูมิสูงถึง 15 ล้านเคลวิน
           โซนการแผ่รังสี (Radiative zone) อยู่ที่ระยะ 25-70% ของรัศมี พลังงานที่เกิดขึ้นจากแก่นปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถูกนำขึ้นสู่ชั้นบนโดยการแผ่รังสีด้วยอนุภาคโฟตอน
           โซนการพาความร้อน (Convection zone) อยู่ที่ระยะ 70-100% ของรัศมี พลังงานจากภายในถูกพาออกสู่พื้นผิว ด้วยการหมุนวนของก๊าซร้อน


ภาพที่ 3  โครงสร้างของดวงอาทิตย์

          อย่างไรก็ตาม พลังงานที่ถูกผลิตขึ้นจากแก่นปฏิกรณ์นิวเคลียร์ต้องใช้เวลาเดินทางนานถึง 170,000 ปี กว่าจะขึ้นสู่พื้นผิวของดวงอาทิตย์ และจะต้องใช้เวลาเดินทางอีก 8 นาที (ด้วยความเร็วแสง 300,000 กิโลเมตร/วินาที) กว่าจะถึงโลก

ใจกลางของดวงอาทิตย์
          อุณหภูมิ ณ ใจกลางของดวงอาทิตย์สูงหลายล้านเคลวิน ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน (P-P chain) โดยโปรตอนของไฮโดรเจน 6 ตัว รวมตัวกันเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม 1 ตัว และโปรตอนของไฮโดรเจนอีก 2 ตัว (6 mp = 1 mHe + 2 mp ดูภาพที่ 2 ประกอบ) มวลสารส่วนหนึ่งเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานจำนวนมหาศาล ตามสมการ มวล-พลังงาน ของ อัลเบิร์ต ไอสไตน์ (Albert Einstein)


ภาพที่ 4  ปฏิกิริยาแบบลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน (P-P chain)
คลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว

สมการ มวล-พลังงาน ของไอสไตน์ (Einstein’s mass-energy equation)

E    =    mc2
E = จำนวนพลังงานซึ่งเปลี่ยนรูปมาจากมวลสาร มีหน่วยเป็นจูล (J)
m = มวลสาร มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)
C = ความเร็วแสง = 300,000,000 เมตรต่อวินาที (m/s)

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

กำหนดให้:
6 mp
  = 1 mHe + 2 mp
mp
  = 1.674 x 10-27 kg
1 mHe
  = 6.643 x 10-27 kg

หามวลที่หายไป:
          6 mp = 6 x (1.674 x 10-27) kg = 10.044 x 10-27kg ……(1)
1 mHe + 2 mp = (6.643 x 10-27) + 2 x (1.674 x 10-27) kg= 9.991 x 10-27kg ……(2)
          (1) - (2) = (10.044 x 10-27) - (9.991 x 10-27) kg = 0.053 x 10-27 kg

พลังงานที่เกิดขึ้นจากมวลที่หายไป:
          E = mc2
          E = (0.053 x 10-27 kg) (3 x 108 m/s)2
             = (0.053 x 10-27 kg) (9 x 1016 m/s)
             = 4.77 x 10-12 Joule

หมายเหตุ: พลังานที่เกิดขึ้นในแต่ละวินาทีบนดวงอาทิตย์ = (4.77 x 10-12 ) x 1034 = 4.77 x 1022 Joule

ตัวอย่างที่ 2: ไฮโดรเจน 1 kg ถูกเปลี่ยนเป็นฮีเลียม 0.993 kg อยากทราบว่ามวลที่หายไป 0.007 kg เปลี่ยนเป็นพลังงานจำนวนเท่าไร

          E = mc2
          E = (0.007 kg) (3 x 108 m/s)2
             = (0.007 kg) (9 x 1016 m/s)
             = 6.3 x 1014 Joule

หมายเหตุ: เปรียบเทียบได้เท่ากับพลังงานที่ได้จากการเผาไหม้ถ่านหินจำนวน 20,000 ตัน หรือ 20 ล้านกิโลกรัม

          ในปัจจุบันดวงอาทิตย์มีกำลังส่องสว่าง 3.9 x 1026 ล้านวัตต์ ทำให้ทราบว่า ทุกๆ 1 วินาที ดวงอาทิตย์เผาไหม้ไฮโดรเจน จำนวน 600,000 ล้านกิโลกรัม นักวิทยาศาสตร์คำนวณอัตราการเผาไหม้ กับปริมาณไฮโดรเจนและฮีเลียมที่มีอยู่บนดวงอาทิตย์ ทำให้ทราบว่า ดวงอาทิตย์มีอายุประมาณ 4,600 ล้านปีมาแล้ว และยังคงเหลือไฮโดรเจนให้เผาไหม้ได้ต่อไปอีก 5,000 ล้านปี

โฟโตสเฟียร์
          โฟโตสเฟียร์ (Photosphere) เป็นส่วนพื้นผิวของดวงอาทิตย์ที่เรามองเห็น มีสถานะเป็นก๊าซร้อน “โฟโต” แปลว่า แสง “สเฟียร์” แปลว่า ทรงกลม ดังนั้น “โฟโตสเฟียร์” จึงแปลว่า “ทรงกลมแสง” ใต้ชั้นโฟโตสเฟียร์ลงไปก๊าซอัดตัวกันแน่น จนแสงไม่สามารถโผล่ขึ้นมาได้ แสงอาทิตย์ที่เรามองเห็นมาจากชั้นโฟโตสเฟียร์ซึ่งมีความหนาเพียง 400 กิโลเมตร มีอุณหภูมิประมาณ 5,800 เคลวิน (0 เคลวิน = -273°C) โฟโตสเฟียร์ประกอบด้วย “แกรนูล” (Granule) ซึ่งเป็นเซลล์ของก๊าซร้อนหมุนวนพาความร้อน (convection) จากเบื้องล่างขึ้นมา แล้วเย็นตัวจมลง แกรนูลแต่ละเซลล์มีขนาดประมาณ 1,000 กิโลเมตร มีอายุนานประมาณ 15 นาที ถ้าเราสังเกตดวงอาทิตย์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสง เราจะสังเกตเห็นว่า ผิวของดวงอาทิตย์นั้นไม่ราบเรียบ แต่ประกอบด้วยเซลล์เล็กๆ จำนวนมากคล้ายกับผิวของลูกบาสเกตบอล


ภาพที่ 5  จุดดวงอาทิตย์ แกรนูล บนชั้นโฟโตสเฟียร์

จุดดวงอาทิตย์
          เมื่อดูดวงอาทิตย์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสง เราจะมองเห็นจุดสีคล้ำบนโฟโตสเฟียร์ซึ่งเรียกว่า “จุดดวงอาทิตย์” (Sunspots) มีมากมายหลายจุด มากบ้าง น้อยบ้าง เปลี่ยนแปลงไป บางครั้งก็เกิดขึ้นนานนับเดือน จุดเหล่านี้มีขนาดประมาณโลกของเราหรือใหญ่กว่า จุดเหล่านี้มิได้มืด แต่มีความสว่างประมาณ 10 เท่าของดวงจันทร์เต็มดวง มีอุณหภูมิประมาณ 4,500 เคลวิน


ภาพที่ 6  การหมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วที่แตกต่าง ทำให้เกิดจุดบนดวงอาทิตย์

          จุดดวงอาทิตย์เกิดจากการที่สนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์บิดเบือน เนื่องจากดวงอาทิตย์มีสถานะเป็นก๊าซ แต่ละส่วนหมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วไม่เท่ากัน (Differential rotation) กล่าวคือ ในการหมุนหนึ่งรอบ บริเวณใกล้เส้นศูนย์สูตรจะใช้เวลา 25 วัน ในขณะที่บริเวณใกล้ขั้วทั้งสองใช้เวลานานถึง 36 วัน ความแตกต่างในการหมุนรอบตัวเองเช่นนี้ มีผลทำให้สนามแม่เหล็กบิดเบือน ในบริเวณที่สนามแม่เหล็กมีกำลังสูง เส้นแรงแม่เหล็กจะกักอนุภาคก๊าซร้อนที่พุ่งขึ้นมาไว้ มิให้ออกนอกเขตของเส้นแรง เมื่อก๊าซร้อนเย็นตัวลงก็จะจมลง ณ ตำแหน่งเดิม ทำให้เรามองเห็นเป็นสีคล้ำ เพราะบริเวณนั้นจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าบริเวณโดยรอบ


ภาพที่ 7  กราฟแสดงวัฎจักรของจุดดวงอาทิตย์ทุกๆ 11 ปี

          จุดดวงอาทิตย์มักปรากฏให้เห็นในบริเวณละติจูดที่ 30 องศาเหนือและใต้ และมักปรากฏให้เห็นเป็นคู่เช่นเดียวกับขั้วแม่เหล็ก จุดดวงอาทิตย์มีปรากฏให้เห็นมากเป็นวัฏจักรทุกๆ 11 ปี ดังที่แสดงในกราฟในภาพที่ 7

พวยก๊าซ และการประทุจ้า
          ก๊าซร้อนบนดวงอาทิตย์พุ่งตัวสูงเหนือชั้นโฟโตสเฟียร์ขึ้นมาหลายหมื่นกิโลเมตร เรียกว่า “พวยก๊าซ” (Prominences) มันเคลื่อนที่เข้าสู่อวกาศด้วยความเร็ว 1,000 กิโลเมตร/วินาที หรือ 3.6 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง ในบางครั้งมีการระเบิดใหญ่กว่าเรียกว่า “การประทุจ้า” (Solar flare) ทำให้เกิดประจุ (ion) พลังงานสูง แผ่รังสีเอ็กซ์ และอุลตราไวโอเล็ต ซึ่งเรียกว่า “พายุสุริยะ” เข้าสู่บรรยากาศชั้นบนของโลก และทำความเสียหายให้แก่ระบบโทรคมนาคม เช่น การสื่อสารผ่านดาวเทียม

โครโมสเฟียร์
          โคโมสเฟียร์ (Chromosphere) เป็นบรรยากาศชั้นกลางของดวงอาทิตย์ โคโมสเฟียร์แปลว่า “ทรงกลมสี” เพราะเราสามารถมองเห็นมันได้เป็นสีแดงตามขอบของดวงอาทิตย์ ขณะที่เกิดสุริยุปราคาเต็มดวง หรือมองดูด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสงไฮโดรเจน-อัลฟา โครโมสเฟียร์มีความหนาประมาณ 2,000 กิโลเมตร และมีอุณหภูมิเกือบ 25,000 เคลวิน


ภาพที่ 8  การประทุจ้า (มุมบนซ้าย) พวยก๊าซ เหนือชั้นโครโมสเฟียร์ [ที่มา: NASA]

คอโรนา
          คอโรนา (Corona) เป็นบรรยากาศชั้นบนสุด สามารถมองเห็นได้เป็นแสงสีขาว เฉพาะเวลาที่เกิดสุริยุปราคาเต็มดวงมาก โดยมีรูปทรงสอดคล้องกับสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ คอโรนามีอุณหภูมิสูงกว่า 1 ล้านเคลวิน ทำให้อะตอมเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก อย่างไรก็ตามบริเวณคอโรนามิได้มีความร้อนสูง เนื่องจากมีก๊าซอยู่เบาบางมาก


ภาพที่ 9  คอโรนา

คำเตือน! ห้ามมองดูดวงอาทิตย์โดยตรงจากกล้องสองตาหรือกล้องโทรทรรศน์ หรือด้วยตาเปล่า เพราะพลังงานของแสงอาทิตย์ จะทำให้ตาบอดได้ ควรสังเกตดวงอาทิตย์ทางอ้อมโดยใช้ฉากหรือกระดาษสีขาว รับภาพของดวงอาทิตย์ จากกล้องส่องทางไกล หรือ กล้องโทรทรรศน์