โครงสร้างของดวงอาทิตย์ แต่ละ ชั้น มี ลักษณะ อย่างไร

สารบัญ Show

โครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์
ชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์
ดวงอาทิตย์

ที่มา	คอลัมน์ ฟิสิกส์ธรรมดาสาระมันส์
ผู้เขียน	อาจวรงค์ จันทมาศ
เผยแพร่	วันที่ 16 เมษายน 2560

เนื่องในโอกาสที่เดือนเมษายนเป็นเดือนแห่งความร้อนของประเทศไทยเรา ผมเลยเขียนเรื่องความน่าสนใจของดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นสิ่งที่เราสามารถสังเกตเห็นได้ประจำบนท้องฟ้า เผื่อท่านใดสนใจศึกษาดวงอาทิตย์จะได้รับความรู้และลืมความร้อนลงได้บ้าง

โครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์

โครงสร้างของดวงอาทิตย์สามารถแบ่งได้สามชั้นตามลักษณะการเกิดและถ่ายเทพลังงาน อย่างไรก็ตาม แต่ละชั้นไม่ได้มีรอยต่อที่ชัดเจนอย่างในภาพ
1.แก่น (Core) เป็นบริเวณใจกลางดวงอาทิตย์ที่เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันซึ่งจะหลอมนิวเคลียสของไฮโดรเจนให้กลายเป็นฮีเลียม แล้วปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งจะแผ่ออกมายังผิวของดวงอาทิตย์
2.บริเวณการแผ่รังสี (Radiative Zone) เป็นบริเวณถัดออกมาจากแก่นซึ่งจะรับพลังงานจากแก่นแล้วถ่ายเทพลังงานสู่ด้านนอกด้วยการแผ่รังสี แม้จะเป็นการถ่ายเทพลังงานด้วยกระบวนการแผ่รังสี แต่พลังงานดังกล่าวไม่ได้พุ่งออกมาเป็นเส้นตรงเพราะระหว่างทางมันจะถูกดูดกลืนและสะท้อนโดยอนุภาคต่างๆในดวงอาทิตย์ทำให้กว่ามันจะเคลื่อนออกจากบริเวณนี้ได้ก็กินเวลานับแสนปี
3.บริเวณการพาความร้อน (Convective Zone) เป็นชั้นนอกสุดของดวงอาทิตย์ซึ่งจะถ่ายเทพลังงานออกสู่พื้นผิวดวงอาทิตย์ด้วยการเคลื่อนไหวของแก๊ส

ชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์

ชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์มีทั้งหมดสามชั้นได้แก่

1. ผิวชั้นนอกสุดของดวงอาทิตย์ที่เราสังเกตเห็นว่ามีการเปล่งแสงออกมานั้นเป็นส่วนหนึ่งของบรรยากาศชั้น โฟโตสเฟียร์ (Photosphere) ซึ่งกินอาณาบริเวณจากผิวของดวงอาทิตย์ลึกลงไปน้อยกว่า 500กิโลเมตร บรรยากาศชั้นนี้มีอุณหภูมิราว 5,800 K

เราต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ที่ติดตั้งแผ่นกรองแสงแบบไมราหรือแบล็กโพลีเมอร์ (blackpolymer) ที่มีคุณภาพดีจึงจะสามารถสังเกตพื้นผิวของดวงอาทิตย์ได้อย่างปลอดภัยต่อสายตา ซึ่งผิวมีโครงสร้างให้สังเกตได้ดังนี้

จุดบนดวงอาทิตย์ (Sun spot) เป็นผิวดวงอาทิตย์ส่วนที่ที่มีอุณหภูมิราว 4,000 K ซึ่งต่ำกว่าส่วนอื่นๆของผิวดวงอาทิตย์ ส่งผลให้เมื่อมองผ่านแผ่นกรองแสงแล้วมันจะปรากฏมืดกว่าบริเวณอื่นๆ

– หากทำการสังเกตตำแหน่งจุดบนดวงอาทิตย์ติดต่อกันหลายวัน เราจะสามารถหานำการเปลี่ยนตำแหน่งมาคำนวณหาอัตราการหมุนของดวงอาทิตย์ที่ละติจูดต่างๆได้
– จำนวนจุดบนดวงอาทิตย์มีการเปลี่ยนแปลงเป็นคาบทุกๆ 11 ปี บางช่วงเวลาจุดบนดวงอาทิตย์อาจปรากฏมากกว่า 100จุด ในขณะที่บางช่วงอาจปรากฏให้สังเกตเห็นได้น้อยมากหรือไม่มีเลย การนับจุดบนดวงอาทิตย์ว่ามีมากน้อยแค่ไหนเป็นวิธีง่ายๆที่ใช้ในการอธิบายว่าดวงอาทิตย์ในขณะนั้นมีความ active แค่ไหน
– จุดบนดวงอาทิตย์มีขนาดแตกต่างกันไป ตั้งแต่ขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางราวๆ 16 กิโลเมตร จนถึงขนาดมหึมาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 160,000 กิโลเมตร(ใหญ่กว่าโลกของเราเสียอีก)

แต่โดยทั่วไปจุดบนดวงอาทิตย์มักจะมีขนาดใหญ่พอๆกับโลก การสังเกตจุดบนดวงอาทิตย์ด้วยการฉายภาพของดวงอาทิตย์ลงบนฉากจะทำให้เราสามารถนำมาคำนวณหาขนาดของจุดบนดวงอาทิตย์ได้

เกาะติดทุกสถานการณ์จาก
Line @Matichon ได้ที่นี่

- - ดวงอาทิตย์

ดวงอาทิตย์

ภาพที่ 1 ดวงอาทิตย์

ดวงอาทิตย์ (The Sun) คือดาวฤกษ์ที่อยู่ตรงศูนย์กลางของระบบสุริยะ มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.4 ล้านกิโลเมตร หรือ 109 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางโลก อยู่ห่างจากโลก 149,600,000 กิโลเมตร หรือ 1 หน่วยดาราศาสตร์ (AU) ดวงอาทิตย์มีมวลมากกว่าโลก 333,000 เท่า แต่มีความหนาแน่นเพียง 0.25 เท่าของโลก เนื่องจากมีองค์ประกอบเป็นไฮโดรเจน 74% ฮีเลียม 25% และธาตุชนิดอื่น 1% (ข้อมูลเพิ่มเติม NASA Sun Fact Sheet)

โครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์

แก่นปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (Fusion core) อยู่ที่ใจกลางของดวงอาทิตย์ถึงระยะ 25% ของรัศมี แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ทำให้มวลสารของดาวกดทับกันจนอุณหภูมิที่ใจกลางสูงถึง 15 ล้านเคลวิน จุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันหลอมอะตอมของไฮโดรเจนให้กลายเป็นฮีเลียม และปลดปล่อยพลังงานออกมา
โซนการแผ่รังสี (Radiative zone) อยู่ที่ระยะ 25 - 70% ของรัศมี พลังงานที่เกิดขึ้นจากแก่นปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถูกนำขึ้นสู่ชั้นบนโดยการแผ่รังสีด้วยอนุภาคโฟตอน
โซนการพาความร้อน (Convection zone) อยู่ที่ระยะ 70 - 100% ของรัศมี พลังงานที่เกิดขึ้นไม่สามารถแผ่สู่อวกาศได้โดยตรง เนื่องจากมวลของดวงอาทิตย์เต็มไปด้วยแก๊สไฮโดรเจนซึ่งเคลื่อนที่หมุนวนด้วยกระบวนการพาความร้อน พลังงานจากภายในจึงถูกพาออกสู่พื้นผิวด้วยการหมุนวนของแก๊สร้อนดังภาพที่ 2

ภาพที่ 2 โครงสร้างของดวงอาทิตย์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ทำให้มวลสารของดาวกดทับกันที่แก่นกลางของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิสูงถึง 15 ล้านเคลวิน เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน - โปรตอน (P-P chain) โดยโปรตอนของไฮโดรเจน 6 ตัว รวมตัวกันเป็นฮีเลียม 1 อะตอม และโปรตอนของไฮโดรเจน 2 ตัว ดังภาพที่ 3

ภาพที่ 3 ปฏิกิริยาแบบลูกโซ่โปรตอน - โปรตอน (P-P chain)

อย่างไรก็ตามในการหลอมรวมอะตอมไฮโดรเจน 6 ตัว (6 mp) ให้เป็นอะตอมของฮีเลียม (1 mHe + 2mp) นั้น มวลสารส่วนหนึ่งได้เปลี่ยนรูปเป็นพลังงาน ตามสมการ E = mc2 ของ อัลเบิร์ต ไอสไตน์ ดังนี้

E = mc2

E = พลังงานซึ่งเปลี่ยนรูปมาจากมวลสาร มีหน่วยเป็นจูล

m = มวลสาร มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)

c = ความเร็วแสง = 300,000,000 เมตรต่อวินาที

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

กำหนดให้ 1 mp = 1.675 x 10-27 kg
1 mHe = 6.643 x 10-27 kg

ดังนั้น 6 mp = 6 x (1.675 x 10-27) kg = 10.044 x 10-27 kg ......(1)

1 mHe + 2 mp = (6.643 x 10-27) + 2 x (1.674 x 10-27) kg = 9.991 x 10-2 ......(2)

มวลที่หายไป (1) - (2) = 0.053 x 10-27 กิโลกรัม

พลังงานที่เกิดขึ้นจากมวลที่หายไป

       E = mc2
         = (0.053 x 10-27 กิโลกรัม)(3 x 108 เมตร/วินาที)2
          = 4.77 x 10-12 จูล

ในปัจจุบันดวงอาทิตย์มีกำลังส่องสว่าง 3.9 x 1026ล้านวัตต์ทำให้ทราบว่าทุกๆ 1 วินาทีดวงอาทิตย์เผาไหม้ไฮโดรเจนจำนวน 600,000 ล้านกิโลกรัมให้กลายเป็นฮีเลียมนักวิทยาศาสตร์คำนวณอัตราการเผาไหม้กับปริมาณไฮโดรเจนและฮีเลียมที่มีอยู่บนดวงอาทิตย์ ทำให้ทราบว่าดวงอาทิตย์มีอายุประมาณ 4,600 ล้านปีมาแล้วและยังคงเหลือไฮโดรเจนให้เผาไหม้ต่อไปได้อีก 5,000 ล้านปี

โฟโตสเฟียร์

โฟโตสเฟียร์ (Photosphere) คือบรรยากาศชั้นล่างสุดของดวงอาทิตย์ ซึ่งเรามองเห็นเมื่อมองดูจากโลก โฟโตแปลว่า แสง สเฟียร์แปลว่าทรงกลมดังนั้น โฟโตสเฟียร์จึงแปลว่าทรงกลมแสง ใต้ชั้นโฟโตสเฟียร์ลงไปแก๊สร้อนอัดตัวกันแน่นจนแสงไม่สามารถทะลุขึ้นมาได้แสงอาทิตย์ที่เรามองเห็นมาจากชั้นโฟโตสเฟียร์ ซึ่งมีความหนาเพียง 400 กิโลเมตรมีอุณหภูมิประมาณ 5,800 เคลวิน โฟโตสเฟียร์ประกอบด้วย "แกรนูล" (Granule)ซึ่งเป็นเซลล์ของแก๊สร้อนหมุนวนด้วยการพาความร้อน (Convection cell) จากเบื้องล่างขึ้นมาเมื่อเย็นแล้วตัวจมลงดังภาพที่ 4 แกรนูลแต่ละเซลล์มีขนาดประมาณ 1,000 กิโลเมตรมีอายุนานประมาณ 15 นาที ถ้าสังเกตดวงอาทิตย์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสง จะสังเกตเห็นว่าผิวของดวงอาทิตย์ประกอบด้วยเซลล์เล็กๆจำนวนมากคล้ายกับผิวของลูกบาสเกตบอล

ภาพที่ 4 จุดดวงอาทิตย์แกรนูล บนชั้นโฟโตสเฟียร์

พื้นผิวของโฟโตสเฟียร์มีจุดสีคล้ำเรียกว่า "จุดดวงอาทิตย์" (Sunspots) ซึ่งมีขนาดและจำนวนเปลี่ยนแปลงไปในแต่ละวัน จุดขนาดใหญ่อาจปรากฏให้เห็นนานหลายวัน แต่จุดเล็กๆ อาจมีอายุเพียงวันเดียว จุดเหล่านี้มีขนาดประมาณโลกของเราหรือใหญ่กว่า จุดดวงอาทิตย์ไม่ได้มืดสนิทแต่มีความสว่างประมาณ 10 เท่าของดวงจันทร์เต็มดวง และมีอุณหภูมิต่ำกว่าพื้่นผิวทั่วไปบนโฟโตสเฟียร์ประมาณ 1,000 เคลวิน

ภาพที่ 5 การเบี่ยงเบนของสนามแม่เหล็กบนดวงอาทิตย์

จุดดวงอาทิตย์เกิดจากการที่สนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์เบี่ยงเบนเนื่องจากดวงอาทิตย์มีสถานะเป็นแก๊ส แต่ละส่วนของดวงอาทิตย์หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วไม่เท่ากัน (Differential rotation) กล่าวคือในการหมุนหนึ่งรอบบริเวณเส้นศูนย์สูตรจะใช้เวลา 25 วันในขณะที่บริเวณขั้วทั้งสองใช้เวลานานถึง 36 วันความแตกต่างเช่นนี้มีผลทำให้สนามแม่เหล็กเบี่ยงเบน ในบริเวณที่สนามแม่เหล็กมีกำลังสูงเส้นแรงแม่เหล็กจะกักอนุภาคแก๊สร้อนที่พุ่งขึ้นมาไว้ไม่ให้ออกนอกเขตของเส้นแรง เมื่อแก๊สร้อนเย็นตัวลงก็จะจมลงที่ตำแหน่งเดิมทำให้เรามองเห็นเป็นสีคล้ำเพราะบริเวณนั้นมีอุณหภูมิต่ำกว่าพื้นที่ส่วนใหญ่ของดวงอาทิตย์ จุดดวงอาทิตย์มักปรากฏให้เห็นในบริเวณละติจูดที่ 30 องศาเหนือและใต้ และมักปรากฏให้เห็นเป็นคู่เช่นเดียวกับขั้วแม่เหล็ก จุดดวงอาทิตย์มีปรากฏให้เห็นมากเป็นวัฏจักร (Solar cycle) ทุกๆ 11 ปี ดังที่แสดงในกราฟในภาพที่ 6

ภาพที่ 6 กราฟแสดงวัฎจักรการเกิดจุดดวงอาทิตย์

โครโมสเฟียร์

โครโมสเฟียร์ (Chromosphere) เป็นบรรยากาศชั้นกลางของดวงอาทิตย์ โคโมสเฟียร์แปลว่าทรงกลมสี เราสามารถมองเห็นเป็นพวยแก๊สสีแดงตามขอบของดวงอาทิตย์ขณะที่เกิดสุริยุปราคาเต็มดวงหรือมองดูด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสงไฮโดรเจน - อัลฟา โครโมสเฟียร์มีความหนาประมาณ 2,000 กิโลเมตรและมีอุณหภูมิเกือบ 25,000 เคลวิน โดยปกติเรามองไม่เห็นโครโมสเฟียร์เนื่องจากโฟโตสเฟียร์ซึ่งเป็นบรรยากาศชั้นล่างมีความสว่างกว่ามาก

ภาพที่ 7 พวยแก๊สบนชั้นโครโมสเฟียร์

พวยแก๊ส และการลุกจ้า

พื้นผิวของดวงอาทิตย์เต็มไปด้วยแก๊สร้อนซึ่งประทุอยู่ตลอดเวลา เมื่อแก๊สร้อนบนดวงอาทิตย์พุ่งตัวสูงเหนือชั้นโครโมสเฟียร์ขึ้นมาหลายหมื่นกิโลเมตร "พวยแก๊ส" (Prominences) จะเคลื่อนที่เข้าสู่อวกาศด้วยความเร็ว 1,000 กิโลเมตร/วินาที หรือ 3.6 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง ในบางครั้งมีการระเบิดใหญ่กว่าเรียกว่า การลุกจ้า (Solar flare) ทำให้เกิดกลุ่มอนุภาคพลังงานสูงเรียกว่า "พายุสุริยะ" (Solar storm) ซึ่งสามารถสร้างความเสียหายให้แก่ดาวเทียมและยานอวกาศ เมื่อพายุสุริยะปะทะกับพื้นผิวโลกอาจทำให้ไฟฟ้าลัดวงจรหรือระบบคมนาคมขัดข้องได้

คอโรนา

คอโรนา (Corona) เป็นบรรยากาศชั้นบนสุดสามารถมองเห็นได้เป็นวงแสงสีขาวเมื่อเกิดสุริยุปราคาเต็มดวงเท่านั้นดังภาพที่ 8 คอโรนามีรูปทรงตามสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์คอโรนามีความเบาบางมากแต่มีอุณหภูมิสูงถึง 2 ล้านเคลวินอะตอมจึงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก อย่างไรก็ตามบริเวณคอโรนาไม่มีความร้อนสูงเนื่องจากมีแก๊สอยู่เบาบางมาก ในบางครั้งดวงอาทิตย์มี "การปล่อยก้อนมวลจากคอโรนา" (Colona Mass Ejection เขียนย่อว่า CME) สู่อวกาศ ซึ่งถ้าอนุภาคประจุของ CME มีความหนาแน่นและเดินทางมาสู่โลกก็จัดเป็นพายุสุริยะเช่นกัน

ภาพที่ 8 คอโรนา

ลมสุริยะ

ดวงอาทิตย์เป็นก้อนแก๊สซึ่งมีอุณหภูมิสูงจนอะตอมของไฮโดรเจนสูญเสียอิเล็กตรอนกลายเป็นประจุทุกๆ วินาที เราเรียกสถานะนี้ว่า "พลาสมา" (Plasma) ดวงอาทิตย์ปลดปล่อยมวลสู่อวกาศในรูปของลมสุริยะ (Solar Wind) ลมสุริยะไม่ใช่กระแสลมในบรรยากาศ แต่เป็นกระแสอนุภาคพลังงานสูงซึ่งเกิดจากแก๊สร้อนของดวงอาทิตย์สูญเสียประจุสู่ห้วงอวกาศในรูปของโปรตอนอิเล็กตรอนและอนุภาคอื่นๆ ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 450 กิโลเมตร/วินาทีโดยจะใช้เวลาในการเดินทางถึงโลกประมาณ 4 วัน ในขณะที่รังสีจากดวงอาทิตย์ใช้เวลาเดินทางถึงโลกเพียง 8 นาทีครึ่ง โดยปกติลมสุริยะไม่มีความรุนแรงมากนัก แต่ในบางครั้งที่ดวงอาทิตย์มีการลุกจ้า (Solar Flare) หรือการปล่อยก้อนมวลจากคอโรนา (CME) ออกมาจำนวนมากจนกลายเป็นพายุสุริยะ (Solar storm) อนุภาคเหล่านี้อาจสร้างความเสียหายแก่ดาวเทียม ยานอวกาศ ระบบสื่อสารโทรคมนาคมและระบบไฟฟ้า รวมทั้งทำลายโครงสร้าง DNA ของสิ่งมีชีวิต ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงส่งยานอวกาศ SOHO ขึ้นไปเฝ้าสังเกตการเปลี่ยนแปลของดวงอาทิตย์ เพื่อการแจ้งเตือนและพยากรณ์สภาพอวกาศ (Space weather)

ภาพที่ 9 สนามแม่เหล็กโลก

เมื่ออนุภาคพลังงานสูงในลมสุริยะมีความเร็วเหนือเสียงปะทะกับสนามแม่เหล็กโลก (Magnetosphere) จะเกิดช็อคเวฟและลดความเร็วลง ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปตามเส้นแรงแม่เหล็กซึ่งล้อมรอบโลก อนุภาคบางส่วนถูกกักไว้ในเส้นแรงแม่เหล็กใน "แถบแฟนอัลเลน" (Van Allen belts) ซึ่งมีสองชั้นอยู่สูงเหนือพื้นผิวโลกประมาณ 2,000 – 5,000 กิโลเมตร และ 13,000 – 19,000 กิโลเมตร ดังภาพที่ 9 แถบแฟนอัลเล็นชั้นในเต็มไปด้วยอนุภาคโปรตอนพลังงานสูง ส่วนแถบชั้นนอกเป็นอนุภาคโปรตอนและอิเล็กตรอนพลังงานต่ำ ลมสุริยะมีคุณสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม เมื่อมันเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กโลก อนุภาคโปรตอนและอิเล็กตรอนความเร็วสูงพุ่งชนบรรยากาศชั้นบนของโลก เมื่ออะตอมของแก๊สในชั้นบรรยากาศได้ดูดกลืนพลังงานเหล่านี้ก็จะแผ่รังสีออกมามองเห็นเป็นแสงสว่างเรียกว่า "แสงเหนือแสงใต้" (Aurora) ในบริเวณรอบขั้วแม่เหล็กโลกดังภาพที่ 10

ภาพที่ 10 แสงเหนือ บริเวณใกล้ขั้วโลกเหนือ