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

เพิ่มเติม : เขาใช้อะไรแบ่งโลกเป็นชั้นๆ (เปลือกโลก . เนื้อโลก . แก่นโลก)

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

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

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)

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

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

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

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

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

• จีบให้อ่าน :
• แนวคิดทวีปเคลื่อน (continental drift) ของอัลเฟรด เวเกเนอร์
• แนวคิดพื้นมหาสมุทรแผ่กว้าง (Sea-floor Spreading) ของแฮรีย์ เฮสส์
• แนวคิดของไวน์-แมททิว-มอร์เลย์ (Vine-Matthews-Morley) ของไวน์ แมททิว และมอร์เลย์

3) สนามแม่เหล็ก กับการหาอายุทางธรณีวิทยา

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

ดังนั้นเมื่อสามารถตรวจวัดค่าสนามแม่เหล็กของตัวอย่างได้ เช่น เมื่อนำตัวอย่างหินจากชั้นต่างๆ ของลาวาที่ไหลหลากในภูเขาไฟ ไปประเมินสภาวะแม่เหล็กโลกบรรพกาลและปรับเทียบกับตารางมาตรฐานดังกล่าว จะสามารถหาอายุของการไหลหลากของลาวาในแต่ละเหตุการณ์ได้

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

เพิ่มเติม : การหาอายุทางธรณีวิทยาและโบราณคดีจากสัญญาณสนามแม่เหล็กโลกบรรพกาล

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