ดวงอาทิตย์กับการสื่อสารด้วยคลื่นวิทยุ

ขอบคุณภาพประกอบจาก NASA

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต HS0DJU 

ดาวฤกษ์ (star) ที่ใหญ่ที่สุดและใกล้ตัวเราที่สุด เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานมหาศาลที่ช่วยให้ชีวิตบนดาวเคราะห์ (planet) อย่างโลกของเราดำรงอยู่ได้ ก็คือดวงอาทิตย์ในสุริยจักรวาลของเรานี้เอง จริงๆ แล้วดวงอาทิตย์เป็นเหมือนผู้ให้ทั้งคุณและโทษ แน่นอนว่าสิ่งมีชีวิตบนโลกของเราคงอยู่ไม่ได้ถ้าไม่มีดาวฤกษ์ดวงนี้ สิ่งมีชีวิตก็อยู่ไม่ได้ แต่ขณะเดียวกันด้วยพลังงานอันมหาศาลของดวงอาทิตย์ ก็สามารถเป็นภัยต่อสิ่งมีชีวิตได้เช่นกัน ยังโชคดีที่โลกของเรามีระบบป้องกันตัวเองอยู่บ้าง ทำให้เกิดสมดุลที่เรายังมีชีวิตกันอยู่ได้อย่างทุกวันนี้

ดวงอาทิตย์กับระบบสื่อสาร

นานๆ ครั้ง เราคงเคยได้ยินข่าวว่าการสื่อสารผ่านดาวเทียมบ้าง ด้วยคลื่นวิทยุบนพื้นโลกบ้าง อาจจะถูกรบกวนจากปรากฏการณ์ต่างๆ บนดวงอาทิตย์ โดยบางช่วงของปีอาจจะจะเกิดปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ เรียกว่า “พายุสุริยะ” ซึ่งจะรบกวนการสื่อสารของเรา บางครั้งรุนแรงขนาดทำให้กระแสไฟฟ้าในบางเมืองขัดข้องเลยก็เคยเกิดขึ้น เราค่อยๆ มาดูกันว่าคืออะไรนะครับ

Solar Flare หรือเปลวสุริยะ

เป็นการปล่อยพลังงานออกมาของดวงอาทิตย์เป็นระยะๆ จะเห็นเป็นเปลวพุ่งเหนือผิวดวงอาทิตย์

ภาพที่ 1 Solar Flare หรือเปลวสุริยะ
เกิดควบคู่กับบริเวณ Sunspot หรือจุดดับ
บนดวงอาทิตย์ (ที่จริงไม่ดับ เพียงแต่
ร้อนน้อยกว่าบริเวณรอบๆ เท่านั้น) จึงเห็น
ว่าสีไม่สุกสว่างเท่าบริเวณอื่น  บริเวณจุด
ดับนี้มีสนามแม่เหล็กสูงมาก จะเห็นว่า
เปลวจะโค้งวกกลับไปตามเส้นแรงแม่เหล็ก

ในภาพที่ 1 เปลวพวกนี้เรียกว่า Flare ซึ่งจะเกิดบริเวณใกล้ๆ กับ sun spot ซึ่งก็เกิดเป็นคู่ๆ (ดูภาพที่ 16 และคำอธิบายประกอบภาพในบทความเรื่อง ผลของชั้นบรรยากาศต่อการสื่อสารย่าน HF) สิ่งที่ตามมาคือ Solar flare แพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสารพัดความถี่ออกมาทั้ง RF ไปยันช่วงความถี่ของรังสีแกมม่าโน่นแหละ

ภาพที่ 2 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในความถี่ต่างๆ
จะเห็นว่ากว้างมาก โดยแสงที่ตาเรามองเห็น
ได้ เป็นส่วนเล็กๆ ส่วนหนึ่งด้วย

จะเห็นว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ออกมาจากดวงอาทิตย์กินแถบความถี่กว้างมหาศาลมาก ท่านพระอาทิตย์เรียกได้ว่าเหมาเกือบหมด แต่ ที่มันมีผลกับการสื่อสารย่าน HF ของเราก็คือจาก UV และ X-ray จากดวงอาทิตย์  โดยส่วน UV ปลายๆ (เรียกว่า Extreme UV หรือ EUV) กับ X-ray แรงๆ ที่มาจากพระอาทิตย์เพราะมีเปลวหรือ flare นี้ ทำให้โมเลกุลของแก๊สในบรรยากาศชั้น F และ D-layer ของโลกแตกตัวเป็นอิเล็กตรอนกับโปรตรอนหนาแน่นมากๆ  ถ้าหนาแน่นระดับพอดีคือหนาเฉพาะในชั้น F จะเป็นผลดี แต่ถ้าประจุอิสระในชั้น D หนาแน่นมากไปด้วย ชั้น D จะดูดกลืนพลังงานของคลื่นวิทยุย่าน HF ไว้เสียหมดก่อนที่จะขึ้นไปถึงชั้น E และ F แล้วสะท้อนลงมา เรียกว่าถูกเตะตัดขาเสียก่อนก็ว่าได้  เมื่อเกิดเหตุการณ์แบบนั้นนรุนแรงมากจะเรียกว่า HF blackout คือการสื่อสารย่าน HF ไม่สามารถใช้งาน (จากการสะท้อนชั้นบรรยากาศ) ได้ 

ลมสุริยะ (Solar Wind)

โดยทั่วไปมักเกิด Solar Flare ก่อน ถ้า Solar flare รุนแรงก็อาจจะเกิด CME หรือ Coronal Mass Ejection ตามมา CME คือการที่ดวงอาทิตย์ปล่อยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าความเร็วสูงมากออกมาด้วยการเร่งของสนามแม่เหล็กขนาดมหาศาลของดวงอาทิตย์ ก็จะเป็นลมสุริยะหรือเรียกว่า Solar Wind (ถ้าลมแรงๆ ก็เป็นพายุสุริยะล่ะ)  

ภาพที่ 3 ภาพถ่ายเมื่อวันที่ 22 กันยายน 2011
ดย Jean-Pierre Brahic แสดงให้เห็น Solar flare
รุนแรงบริเวณ sunspot 1302 (ภาพของโลกถูก
เพิ่มลงไปเพื่อการเปรียบเทียบขนาดเท่านั้น)

ถ้าเราจะบอกว่าลมสุริยะเกิดขึ้นเพราะดวงอาทิตย์ "เก็บกด" ก็ว่าได้  เมื่อดวงอาทิตย์สะสมพลังงานไว้มากเข้า เมื่อถึงจุดหนึ่งมันก็ระเบิดพลังงานออกมา  ปล่อยมารร้าย  เอ๊ย ปล่อย พลาสมา ออกมา พลาสมาคืออนุภาคมีประจุ เกิดเมื่ออะตอมของธาตุได้รับพลังงานมาก ชิ้นส่วนของมันก็แตกออกจากกันเป็น อิเล็กตรอน โปรตรอน อนุภาคแอลฟา และสารพัดอย่างออกมา อนุภาคพวกนี้มีประจุไฟฟ้า ก็วิ่งๆๆๆๆ ตามเส้นแรงแม่เหล็กของดวงอาทิตย์มายังโลกด้วยความเร็วมหาศาล 

ภาพที่ 4 ลมสุริยะ (Solar Wind) คือปรากฏการณ์
ที่ดวงอาทิตย์ปล่อยอนุภาคมีประจุออกมารอบตัว
ส่วนหนึ่งจะวิ่งมาตามสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์
(ที่กำลังมหาศาล) มายังโลกของเรา โลกเรามีสนาม
แม่เหล็กที่คอยลดพลังงานและเบี่ยงเบนอนุภาค
เหล่านี้ลง เป็นการปกป้องตัวเองด้วย

พายุแม่เหล็กโลก (Geomagnetic storm)

เกิดเมื่อลมสุริยะรุนแรงกว่าปกติ ทำให้เหล่าอนุภาคมีประจุไฟฟ้า (ทั้งประจุบวกและลบ) ที่ปล่อยจากดวงอาทิตย์ (เรียกรวมๆ ว่า Coronal Discharge) มีจำนวนมากและพลังงานสูงวิ่งมาถึงโลก ประจุพวกนี้มีความเร็วสูงมากคือใช้เวลา 1-2 วันเท่านั้นก็มาถึงโลกแล้ว (อนุภาคพวกนี้ มีประจุไฟฟ้า และเรารู้อยู่แล้วว่าประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่จะทั้งสร้างสนามแม่เหล็ก)  ผลคือสนามแม่เหล็กโลกโดยรวมจะกระเพื่อม วูบวาบ คือถูกรบกวน   จึงมีผลกับ HF ความถี่ต่ำๆ การรบกวนของอนุภาคจากดวงอาทิตย์ที่กระทบสนามแม่เหล็กโลกจะทำให้เห็นเป็น ออโรรา ที่ขั้วโลกได้ 

ภาพที่ 5 ภาพจำลองการรบกวนสนนามแม่เหล็กโลก

ภาพที่ 6 ออโรรา (Aurora) 

ออโรราหรือปรากฏการณ์เรืองแสงเหล่านี้เกิดจากอนุภาคจากดวงอาทิตย์ทำปฏิกริยากับโมเลกุลของแก๊สในชั้นบรรยากาศโลก ทำให้เกิดการเรืองแสง ถ้าแก๊สเป็นออกซิเจนจะได้แสงสีเขียวและแดง ถ้าเป็นไนโตรเจนก็จะเกิดแสงสีน้ำเงินและม่วง เป็นต้น 

สรุปภาพรวม

ในการสื่อสารย่าน HF ความถี่ราว 14-30MHz ถ้าดวงอาทิตย์ปล่อยพลังงานออกมาพอสมควร (คือ มี sun spot มาก มีพลังงานออกมาในระดับที่เรียกว่า "เกิด Flare อ่อนๆ" จะทำให้ชั้นบรรยากาศ F ของโลกแตกตัวเป็นประจุอิสระมาก และทำหน้าที่สะท้อนคลื่นได้ดี  แต่ถ้ารุนแรงเกินไป ชั้น D ก็จะแข็งแรงและดูดซึมพลังงานไปเสียหมดก่อนคลื่นจะเดินทางขึ้นไปถึงชั้น F ได้ ด้านความถี่ 3-10 MHz นั้น ต้องระวังเรื่องความปั่นป่วนของสนามแม่เหล็กโลกแทน ถ้ารุนแรงมากจะไม่ดีต่อความถี่ช่วงนี้เพราะ D layer ที่หนาแน่นแข็งแรงก็จะดูดกลืนความถี่ช่วงนี้ได้มากกว่าช่วงที่สูงกว่าด้วยซ้ำไป  นั่นคือ

1. เราอยากได้ Sun spot จำนวนมาก 
2. เกิดการปล่อยพลังงานออกมา ระดับ flare แต่ไม่รุนแรง
3. ไม่ชอบ flare รุนแรงระดับพายุสุริยะ โดยเฉพาะไม่ต้องการ CME

การสื่อสารช่วงความถี่ HF จึงเป็นภาพรวมของหลายสิ่งอย่างผสมกันค่อนข้างซับซ้อน  ความสนุกของเราอาจจะอยู่ตรงนี้ก็ได้นะครับ

73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต)