ดวงอาทิตย์

ดวงอาทิตย์

ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ระดับกลางๆ ซึ่งเราไม่อาจมีชีวิตอยู่ได้หากขาดพลังงานจากดวงอาทิตย์ไป

ดวงอาทิตย์ประกอบด้วยสสารเป็นมวลกว่า 99.8%ของมวลระบบสุริยะ ซึ่งมวลระบบสุริยะที่เหลือส่วนใหญ่อยู่กับดาวพฤหัสบดี ดวงอาทิตย์มีองค์ประกอบหลักเป็นไฮโดรเจน (75%) และฮีเลียม (24%) นอกจากนั้น ยังมีออกซิเจน คาร์บอน นีออนและเหล็ก

ดวงอาทิตย์กำเนิดจากเมฆฝุ่นแก๊สขนาดใหญ่ ซึ่งยุบตัวลงภายใต้ความโน้มถ่วงของตัวเอง ระหว่างที่เมฆฝุ่นแก๊สยุบตัวลงก็เกิดความร้อนและความดันมหาศาล และเมื่ออุณหภูมิที่ใจกลางดวงอาทิตย์เพิ่มขึ้นจนถึง 1 ล้านองศาเซลเซียส จะเริ่มเกิดการจุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ซึ่งทำให้ดวงอาทิตย์ผลิตแสง ความร้อน และพลังงานได้ด้วยตัวมันเอง โดยพลังงานจากใจกลางดวงอาทิตย์ใช้เวลาประมาณ 50 ล้านปีในการเดินทางจากใจกลางถึงพื้นผิวดวงอาทิตย์ และใช้เวลาอีกราว 8 นาทีกว่าแสงจากดวงอาทิตย์จะเดินทางมาถึงโลก

นักดาราศาสตร์ได้คำนวณไว้ว่าดวงอาทิตย์มีอายุประมาณ 4,500 ล้านปี และจะยังคงแผ่พลังงานเช่นนี้ต่อไปอีก 5,000 ล้านปี ก่อนที่เชื้อเพลิงจะหมดลงและเผชิญกับการหมดอายุขัยอย่างสงบ ดวงอาทิตย์เป็นสถานที่ที่คุกรุ่นมาก อย่างที่คุณเห็นในอนิเมชันจากยาน SOHO และเห็นได้ถึงความเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ในแต่ละวันแต่ละปี กิจกรรมต่างๆบนดวงอาทิตย์นี้เป็นผลมาจากการโค้งงอและบิดตัวของเส้นแรงแม่เหล็กในชั้นบรรยากาศดวงอาทิตย์ ซึ่งส่งผลให้เกิดจุดบนดวงอาทิตย์ (Sunspots) และเปลวสุริยะ (Solar flares)

อนิเมชันแสดงดวงอาทิตย์
Credit:SOHO

โครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์

• แก่นปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (Fusion core)​ อยู่ที่ใจกลางของดวงงอาทิตย์ถึงระยะ 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 

โครงสร้างของดวงอาทิตย์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน 

แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ทำให้มวลสารของดาวกดทับกันที่แก่นกลางของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิสูงถึง 15 ล้านเคลวิน  เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน - โปรตอน (P-P chain) โดยโปรตอนของ

ไฮโดรเจน 6 ตัว รวมตัวกันเป็นฮีเลียม 1 อะตอม และโปรตอนของ

ไฮโดรเจน 2 ตัว ดังภาพ

โฟโตสเฟียร์

โฟโตสเฟียร์ (Photosphere) เป็นส่วนพื้นผิวของดวงอาทิตย์ที่เรามองเห็น มีสถานะเป็นก๊าซร้อน “โฟโต”แปลว่า แสง “สเฟียร์” แปลว่า ทรงกลม ดังนั้น “โฟโตสเฟียร์” จึงแปลว่า “ทรงกลมแสง” ใต้ชั้นโฟโตสเฟียร์ลงไปก๊าซอัดตัวกันแน่น จนแสงไม่สามารถโผล่ขึ้นมาได้ แสงอาทิตย์ที่เรามองเห็นมาจากชั้นโฟโตสเฟียร์ซึ่งมีความหนาเพียง 400 กิโลเมตร มีอุณหภูมิประมาณ 5,800 เคลวิน (0 เคลวิน = -273°C) โฟโตสเฟียร์ประกอบด้วย “แกรนูล” (Granule) ซึ่งเป็นเซลล์ของก๊าซร้อนหมุนวนพาความร้อน (convection) จากเบื้องล่างขึ้นมา แล้วเย็นตัวจมลง แกรนูลแต่ละเซลล์มีขนาดประมาณ 1,000 กิโลเมตร มีอายุนานประมาณ 15 นาที ถ้าเราสังเกตดวงอาทิตย์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสง เราจะสังเกตเห็นว่า ผิวของดวงอาทิตย์นั้นไม่ราบเรียบ แต่ประกอบด้วยเซลล์เล็กๆ จำนวนมากคล้ายกับผิวของลูกบาสเกตบอล

จุดดวงอาทิตย์ แกรนูล บนชั้นโฟโตสเฟียร์

จุดดวงอาทิตย์

เมื่อดูดวงอาทิตย์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสง เราจะมองเห็นจุดสีคล้ำบนโฟโตสเฟียร์ซึ่งเรียกว่า “จุดดวงอาทิตย์” (Sunspots) มีมากมายหลายจุด มากบ้าง น้อยบ้าง เปลี่ยนแปลงไป บางครั้งก็เกิดขึ้นนานนับเดือน จุดเหล่านี้มีขนาดประมาณโลกของเราหรือใหญ่กว่า จุดเหล่านี้มิได้มืด แต่มีความสว่างประมาณ 10 เท่าของดวงจันทร์เต็มดวง มีอุณหภูมิประมาณ 4,500 เคลวิน

การหมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วที่แตกต่าง ทำให้เกิดจุดบนดวงอาทิตย์

จุดดวงอาทิตย์เกิดจากการที่สนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์บิดเบือน เนื่องจากดวงอาทิตย์มีสถานะเป็นก๊าซ แต่ละส่วนหมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วไม่เท่ากัน (Differential rotation) กล่าวคือ ในการหมุนหนึ่งรอบ บริเวณใกล้เส้นศูนย์สูตรจะใช้เวลา 25 วัน ในขณะที่บริเวณใกล้ขั้วทั้งสองใช้เวลานานถึง 36 วัน ความแตกต่างในการหมุนรอบตัวเองเช่นนี้ มีผลทำให้สนามแม่เหล็กบิดเบือน ในบริเวณที่สนามแม่เหล็กมีกำลังสูง เส้นแรงแม่เหล็กจะกักอนุภาคก๊าซร้อนที่พุ่งขึ้นมาไว้ มิให้ออกนอกเขตของเส้นแรง เมื่อก๊าซร้อนเย็นตัวลงก็จะจมลง ณ ตำแหน่งเดิม ทำให้เรามองเห็นเป็นสีคล้ำ เพราะบริเวณนั้นจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าบริเวณโดยรอบ

กราฟแสดงวัฎจักรของจุดดวงอาทิตย์ทุกๆ 11 ปี

จุดดวงอาทิตย์มักปรากฏให้เห็นในบริเวณละติจูดที่ 30 องศาเหนือและใต้ และมักปรากฏให้เห็นเป็นคู่เช่นเดียวกับขั้วแม่เหล็ก จุดดวงอาทิตย์มีปรากฏให้เห็นมากเป็นวัฏจักรทุกๆ 11 ปี ดังที่แสดงในกราฟในภาพที่ 7

พวยก๊าซ และการประทุจ้า

ก๊าซร้อนบนดวงอาทิตย์พุ่งตัวสูงเหนือชั้นโฟโตสเฟียร์ขึ้นมาหลายหมื่นกิโลเมตร เรียกว่า “พวยก๊าซ”(Prominences) มันเคลื่อนที่เข้าสู่อวกาศด้วยความเร็ว 1,000 กิโลเมตร/วินาที หรือ 3.6 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง ในบางครั้งมีการระเบิดใหญ่กว่าเรียกว่า “การประทุจ้า” (Solar flare) ทำให้เกิดประจุ (ion) พลังงานสูง แผ่รังสีเอ็กซ์ และอุลตราไวโอเล็ต ซึ่งเรียกว่า “พายุสุริยะ” เข้าสู่บรรยากาศชั้นบนของโลก และทำความเสียหายให้แก่ระบบโทรคมนาคม เช่น การสื่อสารผ่านดาวเทียม

โครโมสเฟียร์

โครโมสเฟียร์ (Chromosphere) เป็นบรรยากาศชั้นกลางของดวงอาทิตย์ โคโมสเฟียร์แปลว่า “ทรงกลมสี”เพราะเราสามารถมองเห็นมันได้เป็นสีแดงตามขอบของดวงอาทิตย์ ขณะที่เกิดสุริยุปราคาเต็มดวง หรือมองดูด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสงไฮโดรเจน-อัลฟา โครโมสเฟียร์มีความหนาประมาณ 2,000 กิโลเมตร และมีอุณหภูมิเกือบ 25,000 เคล-วิน

การประทุจ้า (มุมบนซ้าย) พวยก๊าซ เหนือชั้นโครโมสเฟียร์ [ที่มา: NASA]