เรียนรู้

สนามแม่เหล็กโลก และการใช้ประโยชน์

0) กำเนิดสนามแม่เหล็กโลก

จากการศึกษาโครงสร้างภายในโลก นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า แก่นโลกชั้นนอก (outer core) มีสถานะเป็นของเหลว และมีธาตุเหล็กซึ่งเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี เป็นองค์ประกอบสำคัญของแก่นโลก และเนื่องจากการหมุนรอบตัวเองของโลก ทำให้ของเหลวในแก่นโลกชั้นนอกไหลเวียน (Jacobson, 1975) และสร้าง สนามแม่เหล็ก (Earth’s magnetic field) ตามหลักการพื้นฐานที่นำเสนอโดยไมเคิล ฟาราเดย์ (Faraday M.) นักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ

การแบ่งชั้นต่างๆ ของโลกตามคุณสมบัติทางกายภาพ (แบ่งจากคลื่นไหวสะเทือน)

เพิ่มเติม : เขาใช้อะไรแบ่งโลกเป็นชั้นๆ (เปลือกโลก . เนื้อโลก . แก่นโลก)

ปัจจุบัน ขั้วแม่เหล็กโลก (magnetic pole) เบี่ยงเบนออกจาก ขั้วโลกทางภูมิศาสตร์ (geographic pole) ทำมุมประมาณ 11o โดยมีเส้นแรงแม่เหล็กวิ่งออกจากขั้วแม่เหล็กใต้ และโค้งกลับพุ่งเข้าไปในขั้วแม่เหล็กเหนือ ซึ่งความเข้มของสนามแม่เหล็กจะมีค่าสูงที่สุดที่ผิวโลก และลดลงเมื่ออยู่สูงขึ้นไปในอากาศ

แบบจำลองเส้นแรงสนามแม่เหล็กของโลก

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 บ่งชี้ว่า สนามแม่เหล็กโลก (Earth’s magnetic field) มีการสลับขั้วเหนือ-ใต้ หลายครั้ง ตลอดช่วงอายุของโลก

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

1) สนามแม่เหล็ก กับการพิสูจน์ว่าแผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่

สืบเนื่องจากทีมนักวิทยาศาสตร์ (Cox และคณะ, 1967) จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ค้นพบว่าตลอดช่วงอายุของโลก สนามแม่เหล็กโลกเคยกลับขั้วไป-มาหลายครั้ง (magnetic reversal) โดยสนามแม่เหล็กโลกในปัจจุบันเส้นแรงแม่เหล็กวิ่งจากขั้วแม่เหล็กโลกใต้ อ้อมไปยังขั้วแม่เหล็กโลกเหนือ เรียกว่า ขั้วแม่เหล็กปกติ (normal polarity) ส่วนในอดีตเส้นแรงแม่เหล็กโลกเคยวิ่งจากขั้วแม่เหล็กโลกเหนือไปยังขั้วแม่เหล็กโลกใต้ เรียกว่า ขั้วแม่เหล็กโลกย้อนกลับ (reverse polarity)

การกลับขั้วสนามแม่เหล็กโลก (Cox และคณะ, 1967)

จากองค์ความรู้การศึกษาทางธรณีวิทยาในปัจจุบันพบว่า หินที่เกิดขึ้นในแต่ละยุคหรือช่วงเวลา สามารถกักเก็บสภาวะที่แตกต่างกันของสนามแม่เหล็กโลกในขณะนั้นได้ (remnant magnetization) ซึ่งเมื่อนักธรณีวิทยานำตัวอย่างหินมาวิเคราะห์ด้วยกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ จะสามารถสกัดและอ่านสัญญาณสนามแม่เหล็กโลกได้ว่า หินก้อนนั้นๆ มีสภาวะความเป็นแม่เหล็ก แบบภาวะปกติหรือตรงกันข้าม

เมื่อประมาณ 50 ปีก่อน มีกลุ่มนักวิทยาศาสตร์พยายามที่จะบอกว่า แผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่ได้ (อัลเฟรด เวเกเนอร์ (Alfred Wegener)) และ กลไกหลักที่ทำให้แผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่นั้น เกิดจากการที่มีแผ่นเปลือกโลกเกิดขึ้นใหม่บริเวณสันเขากลางมหาสมุทรและดันแผ่นเก่าให้เคลื่อนที่ออกไปในด้านข้าง (แฮรีย์ เฮสส์ (Harry Hess))

ในเวลาต่อมามีนักธรณีวิทยา 2 คน คือ เฟรเดริก ไวน์ (Frederick Vine) และ ดรัมมอนด์ แมททิว (Drummond Matthews) พยายามที่จะพิสูจน์แนวคิดการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลกดังกล่าว โดยมีสมมุติฐานที่ว่า ถ้ามีแผ่นเปลือกโลกเกิดขึ้นใหม่บริเวณสันเขากลางมหาสมุทรจริงๆ พื้นมหาสมุทรในแต่ละที่ควรจะมีอายุแตกต่างกัน และสัญญาณของสนามแม่เหล็กโลกของแต่ละฝั่งของสันเขากลางมหาสมุทรก็ควรมีการสลับขั้วไป-มา และจะต้องสมมาตรกันในทั้ง 2 ฝั่งของสันเขา จากการแล่นเรือตัดขวางแนวสันเขากลางมหาสมุทรแอตแลนติกและเจาะสำรวจเพื่อเก็บตัวอย่าง ผลจากการเจาะสำรวจในแต่ละตำแหน่งทำให้พวกเขาได้ตัวอย่างหินบะซอลต์ ซึ่งเป็นหินที่เกิดจากการเย็นตัวของแมกมาและน่าจะเป็นหินฐานของมหาสมุทร

แนวการเจาะสำรวจตัดขวางสันเขากลางมหาสมุทรแอตแลนติก และลักษณะของตัวอย่างที่พบในแต่ละจุดสำรวจ สีขาวคือชั้นตะกอนดินอ่อน ส่วนสีดำคือหินบะซอลต์ ซึ่งเป็นพื้นมหาสมุทรที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเกิดขึ้นมาอยู่ตลอดเวลา

อย่างที่เล่าไปในตอนต้นว่า Cox และคณะ (1967) ศึกษาและพบองค์ความรู้ใหม่ที่บอกว่าในอดีต สนามแม่เหล็กโลกเคยกลับขั้วไป-มาหลายครั้ง (magnetic reversal) ซึ่งจากการตรวจสอบตัวอย่างหินบะซอลต์ที่เก็บมาได้ ไวน์และแมททิวพบว่าหินบะซอลต์มีการกลับขั้วสนามแม่เหล็กไป-มา หลายครั้งจริงๆ และถ้าพับครึ่งบริเวณสันเขากลางมหาสมุทรจะพบว่าพฤติกรรมการกลับขั้วของทั้ง 2 ฝั่งซ้าย-ขวานั้นสมมาตรกัน ผลการศึกษานี้ทำให้ไวน์และแมททิวสรุปว่า มีการเกิดขึ้นใหม่ของพื้นมหาสมุทรอยู่ตลอดเวลาในบริเวณสันเขากลางมหาสมุทร ซึ่งเป็นกลไกหลักสำคัญที่ช่วยผลักดันให้แผ่นด้านข้างมีการเคลื่อนที่ออกไป และนี่ก็คือตัวอย่างประโยชน์ของสนามแม่เหล็กโลกที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการพิสูจน์ว่าแผ่นเปลือกโลกมีการเคลื่อนที่จริง และศาสตร์ด้าน ธรณีแปรสัณฐาน (tectonics) เป็นจริง

แบบจำลองแสดงการกลับขั้วสนามแม่เหล็กโลกไป-มา ซึ่งถูกบันทึกไว้ในหินบะซอลต์ที่ ไวน์และแมททิวเก็บมาจากพื้นมหาสมุทร

เพิ่มเติม : ไวน์ . แมททิว . มอร์เลย์

2) สนามแม่เหล็ก กับการศึกษาภูมิศาสตร์บรรพกาล

นอกจากนี้นักธรณีวิทยายังพบว่า นอกจากหินจะบันทึกสภาวะความเป็น ขั้วแม่เหล็กปกติ หรือ ขั้วแม่เหล็กย้อนกลับ ซึ่งมีประโยชน์อย่างมากในการศึกษาด้านธรณีแปรสัณฐาน หินต่างๆ ยังสามารถบันทึกและนำมาศึกษาสัญญาณสนามแม่เหล็กโลกในรูปแบบของ 1) มุมเอียง (inclination) หรือที่เรียกว่า แนวเส้นแรงแม่เหล็กโลกที่เอียงเททำมุมกับพื้นผิวโลก ในพื้นที่ต่างๆ และ 2) มุมเบี่ยง (declination) ซึ่งหมายถึง มุมที่แนวเส้นแรงแม่เหล็กนั้นเบี่ยงเบนไปจากทิศเหนือ

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

ในกรณีของ 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) จึงเป็นสิ่งที่ยืนยันว่าแผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่ได้จริง และสนามแม่เหล็กโลกก็มีประโยชน์อย่างมากในการพิสูจน์สมมุติฐานนั้น

เพิ่มเติม : ปรากฏการณ์ขั้วโลกพเนจร กับการศึกษาภูมิศาสตร์บรรพกาล

แบบจำลองแสดงสภาพ ภูมิศาสตร์บรรพกาล (paleogeography) ในแต่ละช่วงเวลาของโลก ซึ่งศึกษาและแปลความโดยใช้ ปรากฏการณ์ขั้วโลกหลงทาง (polar wandering) เป็นแนวทางหลักในการศึกษา

3) สนามแม่เหล็ก กับการหาอายุทางธรณีวิทยา

Xxxxxxxxxxxx

อย่างที่กล่าวในข้างต้น ว่าสนามแม่เหล็กโลกนั้นมีการกลับขั้วไป-มาอยู่ตลอดเวลาทางธรณีกาล (Cox และคณะ, 1967) นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก จึงได้ร่วมกันศึกษาวิจัยและสร้างตารางมาตรฐานการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กขึ้น และหาอายุตัวอย่างดังกล่าวด้วยวิธีการหาอายุแบบอื่นๆ ทำให้ปัจจุบัน มี ตารางมาตรฐานสภาวะแม่เหล็กโลก ที่คล้ายกับแถบบาร์โคดของสินค้า ซึ่งในแต่ละช่วงของตารางจะมีอายุกำกับอยู่

ตัวอย่าง ตารางมาตรฐานสภาวะแม่เหล็กโลก ในช่วง (ซ้าย) มหายุคมีโซโซอิก-ซีโนโซอิก (ขวา) สมัยไมโอซีน-สมัยไพลสโตซีน (Cande และ Kent, 1995) สีดำ คือ ขั้วแม่เหล็กปกติ (normal polarity) ส่วน สีขาว คือ หรือ ขั้วแม่เหล็กย้อนกลับ (reverse polarity)

ดังนั้นเมื่อสามารถตรวจวัดค่าสนามแม่เหล็กของตัวอย่างได้ เช่น เมื่อนำตัวอย่างหินจากชั้นต่างๆ ของลาวาที่ไหลหลากในภูเขาไฟ ไปประเมินสภาวะแม่เหล็กโลกบรรพกาลและปรับเทียบกับตารางมาตรฐานดังกล่าว จะสามารถหาอายุของการไหลหลากของลาวาในแต่ละเหตุการณ์ได้

หลักการหาอายุจากสภาวะแม่เหล็กโลกบรรพกาล กับการศึกษาทางธรณีวิทยา

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

หลักการหาอายุจากสภาวะแม่เหล็กโลกบรรพกาล กับการศึกษาทางโบราณคดี

เพิ่มเติม : การหาอายุทางธรณีวิทยาและโบราณคดีจากสัญญาณสนามแม่เหล็กโลกบรรพกาล

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

Share: