การเกิดสนามแม่เหล็กบนโลก

จากการศึกษาโครงสร้างภายในโลก นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า แก่นโลกชั้นนอก (outer core) มีสถานะเป็นของเหลว และมีธาตุเหล็กซึ่งเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี เป็นองค์ประกอบสำคัญของแก่นโลก และเนื่องจากการหมุนรอบตัวเองของโลก ทำให้ของเหลวในแก่นโลกชั้นนอกไหลเวียน (Jacobson, 1975) และผลิตสนามแม่เหล็ก (magnetic field) ตามหลักการพื้นฐานที่นำเสนอโดยไมเคิล ฟาราเดย์ (Faraday M.) นักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ

การแบ่งชั้นต่างๆ ของโลกตามคุณสมบัติทางกายภาพ (คลื่นไหวสะเทือน)

เพิ่มเติม : เขาใช้อะไรแบ่งโลกเป็นชั้นๆ (เปลือกโลก . เนื้อโลก . แก่นโลก)

ปัจจุบันขั้วแม่เหล็ก (magnetic pole) เบี่ยงเบนออกจากขั้วโลกทางภูมิศาสตร์ (geographic pole) ทำมุมประมาณ 11o โดยมีเส้นแรงแม่เหล็กวิ่งออกจากขั้วแม่เหล็กใต้ และโค้งกลับพุ่งเข้าไปในขั้วแม่เหล็กเหนือ ซึ่งความเข้มของสนามแม่เหล็กจะมีค่าสูงที่สุดที่ผิวโลก และลดลงเมื่ออยู่สูงขึ้นไปในอากาศ

แบบจำลองสนามแม่เหล็กของโลก

จากการสังเกตของนักวิทยาศาสตร์พบว่าปัจจุบัน ดวงอาทิตย์มีจุดที่มีแสงสว่างน้อยและมีอุณหภูมิต่ำกระจายอยู่ตามพื้นที่ต่างๆ ของดวงอาทิตย์ เรียกว่า จุดดับบนดวงอาทิตย์ (Sunspot) ซึ่งจากการศึกษาพบว่าจุดดับเหล่านี้ ทำให้เกิดการแปรปรวนของสนามแม่เหล็ก เกิด เปลวสุริยะ (Solar Flare) และเกิด พายุสุริยะ (Solar Wind) ฟุ้งออกมา ซึ่งเมื่อพายุสุริยะเดินทางเข้าปะทะกับโลกที่มีสนามแม่เหล็กห่อหุ้มอยู่ ทำให้สนามแม่เหล็กโลกเปลี่ยนแปลงไปจากสภาวะปกติ และเป็นสาเหตุของการเกิดปรากฏการณ์ แสงเหนือ-แสงใต้ (Aurora) ที่มีลักษณะเป็นลำแสงหลากหลายสีคล้ายม่านอยู่เหนือพื้นโลกประมาณ 100-300 กิโลเมตร ซึ่งสามารถพบในพื้นที่ใกล้กับขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้

จุดดับบนดวงอาทิตย์และปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้อง

หลักฐานทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน บ่งชี้ว่าสนามแม่เหล็กโลก (Earth’s magnetic field) มีการเปลี่ยนแปลงสลับขั้วเหนือ-ใต้ หลายครั้ง ตลอดช่วงอายุของโลก

นอกจากนี้พายุสุริยะยังส่งผลกระทบเป็นบริเวณกว้างต่อการดำรงชีวิตของมนุษย์ เช่น สัญญาณโทรทัศน์ โทรศัพท์ และระบบนำร่องของเครื่องบินหรือเรือเดินสมุทรอาจถูกรบกวน หากในบริเวณนั้นได้รับพายุสุริยะความเข้มข้นสูง หรืออาจส่งผลต่อระบบกระแสไฟฟ้า เช่น กรณีเหตุการณ์ไฟดับทางตะวันออกของประเทศแคนาดา ในวันที่ 14 เดือนมีนาคม พ.ศ. 2532 ซึ่งนักวิทยาศาสตร์สรุปว่ามีสาเหตุมาจากพายุสุริยะ

ใครใช้สนามแม่เหล็กโลก นกพิราบ

สนามแม่เหล็ก กับการพิสูจน์การเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลก

ในเวลาเดียวกัน ทีมนักวิทยาศาสตร์ (Cox และคณะ, 1967) จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ค้นพบว่าตลอดช่วงอายุของโลก สนามแม่เหล็กโลก เคยกลับขั้วไป-มาหลายครั้ง (magnetic reversal) และหินที่เกิดขึ้นในแต่ละยุคสามารถกักเก็บสภาวะที่แตกต่างกันของสนามแม่เหล็กโลกในขณะนั้นได้ (remnant magnetization) ซึ่งเมื่อนักวิทยาศาสตร์นำตัวอย่างหินมาวิเคราะห์ก็สามารถสกัดสัญญาณของสนามแม่เหล็กโลกได้ว่า เป็นแบบภาวะปกติหรือตรงกันข้าม

การกลับขั้วสนามแม่เหล็กโลก (Cox และคณะ, 1967)

สนามแม่เหล็กโลกในปัจจุบันเส้นแรงแม่เหล็กวิ่งจากขั้วแม่เหล็กโลกใต้ อ้อมไปยังขั้วแม่เหล็กโลกเหนือ เรียกว่า ขั้วแม่เหล็กปกติ (normal polarity) ส่วนในอดีตเส้นแรงแม่เหล็กโลกเคยวิ่งจากขั้วแม่เหล็กโลกเหนือไปยังขั้วแม่เหล็กโลกใต้ เรียกว่า ขั้วแม่เหล็กโลกย้อนกลับ (reverse polarity) 

ไวน์จึงคิดว่าถ้าแนวคิดพื้นมหาสมุทรแผ่กว้างมีอยู่จริง สัญญาณของสนามแม่เหล็กโลกของแต่ละฝั่งของสันเขากลางมหาสมุทรควรมีการสลับขั้วไป-มา และจะต้องสมมาตรกันในทั้ง 2 ฝั่งของสันเขา และเมื่อเข้าไปปรึกษากับ ดรัมมอนด์ แมททิว (Drummond Matthews) ซึ่งเป็นอาจารย์ที่ปรึกษา วิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเขาจึงเริ่มต้นขึ้น

ไวน์และแมททิวแล่นเรือตัดขวางแนวสันเขากลางมหาสมุทรแอตแลนติกและเจาะสำรวจเพื่อเก็บตัวอย่าง ซึ่งผลจากการเจาะสำรวจในแต่ละตำแหน่งทำให้พวกเขาได้ตัวอย่างมา 2 ชนิด คือ 1) หินบะซอลต์ ซึ่งเป็นหินที่เกิดจากการเย็นตัวของแมกมาและน่าจะเป็นหินฐานของมหาสมุทร และ 2) ชั้นตะกอนดินที่ยังไม่แข็งตัวซึ่งปกคลุมอยู่ด้านบนของหินบะซอลต์ และเมื่อตัวอย่างกลับมาถึงมหาวิทยาลัย การวิเคราะห์และแปลความเกี่ยวกับตัวอย่างที่เก็บมาทำให้พวกเขาพบประเด็นการวิจัยที่น่าสนใจเกินคาด

แนวการเจาะสำรวจตัดขวางสันเขากลางมหาสมุทรแอตแลนติก และลักษณะของตัวอย่างที่พบในแต่ละจุดสำรวจ

อย่างที่เล่าไปในตอนต้นว่า Cox และคณะ (1967) ศึกษาและพบองค์ความรู้ใหม่ที่บอกว่าในอดีต สนามแม่เหล็กโลกเคยกลับขั้วไป-มาหลายครั้ง (magnetic reversal) ซึ่งจากการตรวจสอบตัวอย่างหินบะซอลต์ที่เก็บมาได้ ไวน์และแมททิวพบว่าหินบะซอลต์มีการกลับขั้วสนามแม่เหล็กไป-มา หลายครั้งจริงๆ และถ้าพับครึ่งบริเวณสันเขากลางมหาสมุทรจะพบว่าพฤติกรรมการกลับขั้วของทั้ง 2 ฝั่งซ้าย-ขวานั้นสมมาตรกัน

แบบจำลองแสดงการกลับขั้วสนามแม่เหล็กโลกไป-มา ซึ่งถูกบันทึกไว้ในหินบะซอลต์ที่ ไวน์และแมททิวเก็บมาจากพื้นมหาสมุทร

จากทั้ง่ 4 ประเด็นที่ไวน์และแมททิวค้นพบ พวกเขาจึงสรุปผลการศึกษาวิจัยว่า 1) มีการเกิดขึ้นใหม่ของพื้นมหาสมุทรอยู่ตลอดเวลาในบริเวณสันเขากลางมหาสมุทร และ 2) แนวคิดทวีปเคลื่อนของอัลเฟรด เวเกเนอร์ และแนวคิดพื้นทะเลแผ่กว้างของแฮรีย์ เฮส นั้นถูกต้องและเป็นจริง

ในปี พ.ศ. 2506 ไวน์และแมททิวได้ตีพิมพ์ผลการศึกษาของพวกเขา (Vine and Matthews, 1963) และในเวลาไล่เรี่ยกัน มอร์เลย์ (Lawrence Whitaker Morley) นักธรณีวิทยาชาวแคนาดา ก็ตีพิมพ์ผลการศึกษาคล้ายๆ กันในปี พ.ศ. 2507 (Morley and Larochelle, 1964) แต่จริงๆ แล้วในแวดลงการทำวิจัยก็รู้กันว่าทั้งสองทีมนี้มีแนวคิดเดียวกันและทำงานวิจัยคล้ายกันมาตั้งแต่ต้น ดังนั้นเพื่อเป็นการให้เกียรติเพื่อนร่วมสายด้านการวิจัย สังคมวิทยาศาสตร์จึงเรียกงานชิ้นนี้ว่า แนวคิดของไวน์-แมททิว-มอร์เลย์ (Vine-Matthews-Morley) ซึ่งถือเป็นผลการศึกษาวิจัยที่ช่วยตอบโจทย์และข้อสงสัยเกี่ยวกับการเคลื่อนตัวของทวีปต่างๆ ของโลกได้เป็นอย่างดี

เพิ่มเติม : ไวน์ . แมททิว . มอร์เลย์

สนามแม่เหล็ก กับการศึกษาภูมิศาสตร์บรรพกาล

นอกจากนี้นักธรณีวิทยายังพบว่าหินต่างๆ ที่อยู่บนพื้นโลกสามารถเก็บบันทึกหรือสต๊าฟ สัญญาณของสนามแม่เหล็กโลกในขณะที่หินนั้นเกิดขึ้นได้ (แมกมาเย็นตัวกลายเป็นหิน) ซึ่งนอกจากหินจะบันทึกสภาวะความเป็น ขั้วแม่เหล็กปกติ หรือ ขั้วแม่เหล็กย้อนกลับ ที่มีประโยชน์อย่างมากในการศึกษาด้านธรณีแปรสัณฐาน และการกำหนดอายุสมบูรณ์ทางวิทยาศาสตร์ นอกจากนี้หินต่างๆ ยังบันทึกในรูปแบบของ 1) แนวเส้นแรงแม่เหล็กโลกที่เอียงเททำมุมกับพื้นผิวโลก ในพื้นที่ต่างๆ ในช่วงเวลานั้นด้วย หรือที่เรียกว่า มุมเอียง (inclination) และ 2) มุมเบี่ยง (declination) ซึ่งหมายถึง มุมที่แนวเส้นแรงแม่เหล็กนั้นเบี่ยงเบนไปจากทิศเหนือ

ค่อยๆ พินิจพิเคราะห์รูปนี้ เดี๋ยวจะเข้าใจ มุมเอียง (inclination)และ มุมเบี่ยง (declination) (ที่มา : https://digilander.libero.it)

ซึ่งในกรณีของ มุมเอียง (inclination) ตัวอย่างเช่น 1) หินที่อยู่ในบริเวณขั้วโลกใต้ เส้นแรงแม่เหล็กจะชี้ขึ้นฟ้าตั้งฉาก 90 องศา กับพื้นผิวโลกหรือกับชั้นหินในบริเวณนั้น หรือ 2) หินที่อยู่ในบริเวณซีกโลกเหนือ เส้นแรงแม่เหล็กที่ถูกสต๊าฟไว้จะพุ่งปักลงพื้นผิวโลกหรือตั้งฉาก 90 องศา กับชั้นหินตรงนั้น หรือ 3) หินที่อยู่ในบริเวณเส้นศูนย์สูตร เส้นแรงแม่เหล็กจะวางตัวขนานกับพื้นผิวโลกหรือขนานไปกับตัวเรา โดยหากเราซึ่งเป็นผู้สังเกตหันหน้าไปทางทิศใต้ ในกรณีนี้ เส้นแรงแม่เหล็กจะพุ่งเข้าหาเราด้านหน้าในแนวขนาน ส่วนถ้าเราหันหน้าไม่ทางทิศเหนือ เส้นแรงแม่เหล็กจะเสียบเข้าตรงๆ ทางด้านหลัง (ทะลุถึงหัวใจ) หรือจะให้ยกตัวอย่างอีกที หากเราหันหน้าไปทางทิศตะวันออก เส้นแรงแม่เหล็กก็จะพุ่งเสียบชายโครงด้านขวา หากเราหันหน้าไปทางทิศตะวันตก เส้นแรงแม่เหล็กก็จะเสียบชายโครงด้านซ้าย ตามลำดับ หรือในกรณีที่ 4) หินที่อยู่ในบริเวณซีกโลกใต้ เส้นแรงแม่เหล็กจะพุ่งเฉียงขึ้นฟ้า และกรณีที่ 5) หินที่อยู่ในบริเวณซีกโลกเหนือ เส้นแรงแม่เหล็กก็จะกดหัวลง ประมาณนี้

(ก) แนวคิดตำแหน่งของหินตามมุมเอียงเทของเส้นแรงแม่เหล็ก (ข) แบบจำลองขั้วโลกเคลื่อนที่ (ค) แบบจำลองแผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่ (Pan, 1968)

จากการศึกษาชุดหินทั้งในทวีปอเมริกาเหนือและทวีปเอเชีย (แผ่นยูเรซีย) นักวิทยาศาสตร์พบว่าหินในแต่ละชุด ตำแหน่งของหินที่วิเคราะห์มีระยะขจัดและทิศทางที่แตกต่างกันในแต่ละช่วงอายุเมื่อเปรียบเทียบกับขั้วแม่เหล็กโลกในอดีต (รูปกลาง) ซึ่งจากการแปลความแบบแฟร์ๆ เป็นเหตุเป็นผลแบบวิทยาศาสตร์ก็สามารถแปลความได้ว่า 1) หินนั้นอยู่ตำแหน่งเดิม คงที่มาตั้งแต่เกิดหินนั้นขึ้น แต่ตลอดระยะเวลาที่ผ่านมาขั้วโลกมีการเปลี่ยนตำแหน่งอยู่ตลอดเวลา หรือ 2) หินหรือพื้นแผ่นดินแถบนั้นอาจมีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา ในขณะขั้วโลกนั้นคงที่เช่นเดิม ไม่เคยเปลี่ยนแปลง ซึ่งปรากฏการณ์ดังกล่าว เรียกว่า ปรากฏการณ์ขั้วโลกเลื่อนตำแหน่ง หรือ ขั้วโลกพเนจร หรือ ขั้วโลกหลงทาง (polar wandering)

อย่างไรก็ตามข้อมูลสนามแม่เหล็กบรรพกาลที่ได้จากชุดหินในแต่ละอายุในทวีปอเมริกาเหนือและทวีปเอเชียแสดงตำแหน่งของขั้วโลกคนละตำแหน่งกัน ถึงแม้ว่าหินจะมีอายุเดียวกัน ซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่ในเวลาเดียวกัน (หินอายุเดียวกัน) จะมีขั้วโลก (เหนือหรือใต้) 2 ขั้วในเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์จึงสรุปว่าขั้วโลกนั้นคงที่ เพียงแต่แผ่นเปลือกโลกมีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา (Steinberger และ Torsvik, 2008) จึงทำให้หินในแต่ละพื้นที่นั้นแสดงสัญญาณหรือเส้นแรงสนามแม่เหล็กโลกแตกต่างกัน และไม่ตรงตามตำแหน่งที่หินนั้นอยู่ในปัจจุบัน 

ซึ่งในเวลาต่อมา ผลจากการศึกษา 1) อายุ 2) มุมเอียง (inclination) และ 3) มุมเบี่ยง (declination) ของหินในพื้นที่ต่างๆ ทั่วโลก นักธรณีวิทยาสามารถสร้างแบบจำลองตำแหน่งของทวีปต่างๆ ในแต่ละช่วงเวลา หรือที่เรียกว่า ภูมิศาสตร์บรรพกาล (paleogeography) (Pan, 1968) ได้ดังรูปด้านล่าง และจากการค้นพบ ปรากฏการณ์ขั้วโลกหลงทาง (polar wandering) จึงเป็นหลักฐานยืนยันว่า

ตลอดจน ทฤษฎีธรณีแปรสัณฐาน (tectonic) นั้นเป็นจริง

เพิ่มเติม : ปรากฏการณ์ขั้วโลกพเนจร กับการศึกษาภูมิศาสตร์บรรพกาล

สนามแม่เหล็ก กับการหาอายุทางธรีวิทยา

ปัจจุบันขั้วแม่เหล็ก (magnetic pole) เบี่ยงเบนออกจากขั้วโลกทางภูมิศาสตร์ (geographic pole) ทำมุมประมาณ 11o โดยมีเส้นแรงแม่เหล็กวิ่งออกจากขั้วแม่เหล็กใต้ และโค้งกลับพุ่งเข้าไปในขั้วแม่เหล็กเหนือ ซึ่งความเข้มของสนามแม่เหล็กจะมีค่าสูงที่สุดที่ผิวโลก และลดลงเมื่ออยู่สูงขึ้นไปในอากาศ 

เมื่อประมาณ 50 ปีก่อน ทีมนักวิทยาศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ (Cox และคณะ, 1967) ค้นพบว่าตลอดช่วงอายุของโลก สนามแม่เหล็กโลก เคยกลับขั้วไป-มาหลายต่อหลายครั้ง (magnetic reversal) และหินที่เกิดขึ้นในแต่ละยุคสามารถกักเก็บสภาวะที่แตกต่างกันของสนามแม่เหล็กโลกในขณะนั้นได้ (remnant magnetization) ซึ่งเมื่อนักวิทยาศาสตร์นำตัวอย่างหินมาวิเคราะห์ก็สามารถสกัดสัญญาณของสนามแม่เหล็กโลกได้ว่า เป็นแบบ ขั้วแม่เหล็กปกติ (normal polarity) ซึ่งหมายถึงขั้วแม่เหล็กโลกที่เหมือนกับปัจจุบัน หรือ ขั้วแม่เหล็กย้อนกลับ (reverse polarity) ซึ่งหมายถึงขั้วแม่เหล็กโลกที่ตรงข้ามกับปัจจุบัน

อย่างที่กล่าวในข้างต้น ว่าสนามแม่เหล็กโลกนั้นมีการกลับขั้วไป-มาอยู่ตลอดเวลาทางธรณีกาล (Cox และคณะ, 1967) นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก จึงได้ร่วมกันศึกษาวิจัยและสร้าง ตารางมาตรฐานการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กขึ้น และหาอายุตัวอย่างดังกล่าวด้วยวิธีการหาอายุแบบอื่นๆ ทำให้ปัจจุบัน มีตารางมาตรฐานสภาวะแม่เหล็กโลก ที่คล้ายกับแถบบาร์โคดของสินค้า ซึ่งในแต่ละช่วงของตารางจะมีอายุกำกับอยู่

ตัวอย่างตารางมาตรฐานสภาวะแม่เหล็กโลกในช่วง (ซ้าย) มหายุคมีโซโซอิก-ซีโนโซอิก (ขวา) สมัยไมโอซีน-สมัยไพลสโตซีน (Cande และ Kent, 1995) สีดำ คือ ขั้วแม่เหล็กปกติ (normal polarity) ส่่วน สีขาว คือ หรือ ขั้วแม่เหล็กย้อนกลับ (reverse polarity)

ดังนั้นเมื่อสามารถตรวจวัดค่าสนามแม่เหล็กของตัวอย่างได้ เช่น เมื่อนำตัวอย่างหินจากชั้นต่างๆ ของลาวาที่ไหลหลากในภูเขาไฟ ไปประเมินสภาวะแม่เหล็กโลกบรรพกาลและปรับเทียบกับตารางมาตรฐานดังกล่าว จะสามารถหาอายุของการไหลหลากของลาวาในแต่ละเหตุการณ์ได้ ตัวอย่างเช่น ในปี ค.ศ. 1984 นักวิทยาศาสตร์ (Heller และ Tungsheng) ใช้การลำดับชั้นของสนามแม่เหล็กบรรพกาลในการหาอายุชั้นหินในประเทศจีน ซึ่งวิธีการลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลสามารถใช้แบ่งโซนอายุของหินชั้นต่างๆ ได้ นอกจากนี้ในปี ค.ศ. 1988 นักวิทยาศาสตร์ (McNeill) ใช้การลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลเพื่อบอกอายุในช่วงสมัยไมโอซีน-สมัยไพลสโตซีน ของหินปูนในหมู่เกาะบาฮามาส โดยวิเคราะห์จากแร่แมกนิไทต์ที่ตกสะสมตัวอยู่ร่วมกับแร่คาร์บอเนตในระหว่างการเกิดหินปูน เป็นต้น

หลักการหาอายุจากสภาวะแม่เหล็กโลกบรรพกาล กับการศึกษาทางธรณีวิทยา

หรือในทางโบราณคดี หากนักวิทยาศาสตร์ประเมินสภาวะแม่เหล็กโลกบรรพกาลกับตัวอย่างภาชนะดินเผา หรือวัตถุต่างๆ ทางโบราณคดีที่เคยได้รับความร้อน ผลของสภาวะแม่เหล็กโลกแสดงถึงสภาวะแม่เหล็กโลกเมื่อภาชนะดังกล่าวถูกเผาครั้งสุดท้าย ซึ่งเทียบเคียงได้กับอายุของแหล่งโบราณคดี เช่นในเศษภาชนะดินเผาตรงกับแนวขั้วแม่เหล็กโลกที่บันทึกไว้ในปี พ.ศ. 2123 ก็แสดงว่าภาชนะดินเผานั้นทำขึ้นในปี พ.ศ. 2123 เป็นต้น

หลักการหาอายุจากสภาวะแม่เหล็กโลกบรรพกาล กับการศึกษาทางโบราณคดี

เพิ่มเติม : การหาอายุทางธรณีวิทยาและโบราณคดีจากสัญญาณสนามแม่เหล็กโลกบรรพกาล

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth

Share: