ดวงอาทิตย์

 

 

 

                                                      
                                                                ภาพที่ 1 ดวงอาทิตย์

           ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้โลกของเรามากที่สุด  มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นก๊าซไฮโดรเจน ที่ใจกลางของดวงอาทิตย์อุณหภูมิและแรงดันสูงมาก จนทำให้ก๊าซไฮโดรเจนหลอมรวมกันเป็นก๊าซฮีเลียม และแผ่พลังงานออกมาอย่างมหาศาลเป็นความร้อนและแสงสว่าง  เรียกปฏิกิริยานี้ว่า “ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน”  พลังงานความร้อนและแสงสว่างจากดวงอาทิตย์นี้เองที่เอื้อให้เกิดสิ่งมีฃีวิตบนโลกของเรา

โครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์ ประกอบไปด้วย
           1. แกนกลาง มีอุณหภูมิสูงกว่า 15 ล้านเคลวิน
           2. โซนการแผ่รังสี  พลังงานความร้อนถ่ายทอดออกสู่ส่วนนอกในรูปแบบคลื่น
           3. โซนการพาความร้อน อยู่เหนือโซนการแผ่รังสี  พลังงานความร้อนในโซนนี้ถูกถ่ายทอดออกสู่ส่วนนอกโดยการเคลื่อนที่ของก๊าซ
           4. โฟโตสเฟียร์ เป็นพื้นผิวของดวงอาทิตย์ อยู่เหนือโซนการพาความร้อน  เราสังเกตพื้นผิวส่วนนี้ได้ในช่วงคลื่นแสง มีอุณหภูมิประมาณ 5,500 เคลวิน
           5. โครโมสเฟียร์ เป็นบริเวณที่อยู่เหนือขึ้นมาจากชั้นโฟโตสเฟียร์ มีอุณหภูมิสูงประมาณ 10,000 เคลวิน
           6. คอโรนา เป็นบรรยากาศชั้นนอกสุดของดวงอาทิตย์แผ่ออกไปในอวกาศหลายล้านกิโลเมตร มีอุณหภูมิสูงมากกว่า 1 ล้านเคลวิน
                                                    
                                                    ภาพที่ 2 โครงสร้างภายในดวงอาทิตย์

องค์ประกอบของดวงอาทิตย์
           ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุด และเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญที่สุดของโลก ดวงอาทิตย์มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.4 ล้านกิโลเมตร อยู่ห่างจากโลก 150 ล้านกิโลเมตร มีองค์ประกอบเป็นไฮโดรเจน 74% ฮีเลียม 25% และธาตุชนิดอื่น 1% โครงสร้างของดวงอาทิตย์แบ่งออกเป็น 3 ส่วน คือ 

           • แก่นปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (Nuclear burning core) มีขนาดประมาณ 25% ของรัศมี  เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิวชัน เผาไหม้ไฮโดรเจนให้เป็นกลายเป็นฮีเลียม มวลบางส่วนได้เปลี่ยนเป็นพลังงาน มีอุณหภูมิสูงถึง 15 ล้านเคลวิน
           • โซนการแผ่รังสี (Radiative zone) อยู่ที่ระยะ 25-70% ของรัศมี พลังงานที่เกิดขึ้นจากแก่นปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถูกนำขึ้นสู่ชั้นบนโดยการแผ่รังสีด้วยอนุภาคโฟตอน 
           • โซนการพาความร้อน (Convection zone) อยู่ที่ระยะ 70-100% ของรัศมี  พลังงานจากภายในถูกพาออกสู่พื้นผิว ด้วยการหมุนวนของก๊าซร้อน
                     
                                    ภาพที่ 3  โครงสร้างของดวงอาทิตย์

           อย่างไรก็ตาม พลังงานที่ถูกผลิตขึ้นจากแก่นปฏิกรณ์นิวเคลียร์ต้องใช้เวลาเดินทางนานถึง 170,000 ปี กว่าจะขึ้นสู่พื้นผิวของดวงอาทิตย์  และจะต้องใช้เวลาเดินทางอีก 8 นาที (ด้วยความเร็วแสง 300,000 กิโลเมตร/วินาที) กว่าจะถึงโลก

ใจกลางของดวงอาทิตย์ 
           อุณหภูมิ ณ ใจกลางของดวงอาทิตย์สูงหลายล้านเคลวิน ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน (P-P chain) โดยโปรตอนของไฮโดรเจน 6 ตัว รวมตัวกันเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม 1 ตัว และโปรตอนของไฮโดรเจนอีก 2 ตัว (6 mp = 1 mHe + 2 mp  ดูภาพที่ 2 ประกอบ)  มวลสารส่วนหนึ่งเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานจำนวนมหาศาล ตามสมการ มวล-พลังงาน ของ อัลเบิร์ต ไอสไตน์ (Albert  Einstein) 
                               
                             ภาพที่ 4  ปฏิกิริยาแบบลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน (P-P chain)

สมการมวล-พลังงาน ของไอสไตน์ (Einstein’s mass-energy equation)

                                           E   =  mc2

           E =   จำนวนพลังงานซึ่งเปลี่ยนรูปมาจากมวลสาร  มีหน่วยเป็นจูล (J)
           m =   มวลสาร มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)
           C =   ความเร็วแสง = 300,000,000 เมตรต่อวินาที (m/s)

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

กำหนดให้:
           6 mp =  1 mHe + 2 mp
           mp =  1.674 x 10-27 kg                              
           1 mHe =  6.643 x 10-27 kg

หามวลที่หายไป:
           6 mp =  6 x (1.674 x 10-27) kg                              = 10.044 x 10-27kg            ……(1)
           1 mHe + 2 mp =  (6.643 x 10-27) + 2 x (1.674 x 10-27) kg   = 9.991 x 10-27kg  ……(2)
        (1) - (2) =  (10.044 x 10-27) - (9.991 x 10-27) kg        = 0.053 x 10-27  kg

พลังงานที่เกิดขึ้นจากมวลที่หายไป:
           E =   mc2
           E =   (0.053 x 10-27  kg) (3 x 108  m/s) 2
                      =   (0.053 x 10-27  kg) (9 x 1016  m/s) 
                      =   4.77 x 10-12  Joule

หมายเหตุ:  พลังานที่เกิดขึ้นในแต่ละวินาทีบนดวงอาทิตย์   =   (4.77 x 10-12 ) x 1034  =  4.77 x 1022  Joule

ตัวอย่างที่ 2:  ไฮโดรเจน 1 kg  ถูกเปลี่ยนเป็นฮีเลียม 0.993 kg  อยากทราบว่ามวลที่หายไป 0.007 kg เปลี่ยนเป็นพลังงานจำนวนเท่าไร
           E =   mc2
           E =   (0.007 kg) (3 x 108  m/s)2
                      =   (0.007 kg) (9 x 1016  m/s) 
                      =   6.3 x 1014  Joule

หมายเหตุ:  เปรียบเทียบได้เท่ากับพลังงานที่ได้จากการเผาไหม้ถ่านหินจำนวน 20,000 ตัน หรือ 20 ล้านกิโลกรัม

           ในปัจจุบันดวงอาทิตย์มีกำลังส่องสว่าง 3.9 x 1026 ล้านวัตต์ ทำให้ทราบว่า ทุกๆ 1 วินาที ดวงอาทิตย์เผาไหม้ไฮโดรเจนจำนวน 600,000 ล้านกิโลกรัม  นักวิทยาศาสตร์คำนวณอัตราการเผาไหม้ กับปริมาณไฮโดรเจนและฮีเลียมที่มีอยู่บนดวงอาทิตย์ ทำให้ทราบว่าดวงอาทิตย์มีอายุประมาณ 4,600 ล้านปีมาแล้ว  และยังคงเหลือไฮโดรเจนให้เผาไหม้ได้ต่อไปอีก 5,000 ล้านปี

โฟโตสเฟียร์
           โฟโตสเฟียร์ (Photosphere) เป็นส่วนพื้นผิวของดวงอาทิตย์ที่เรามองเห็น มีสถานะเป็นก๊าซร้อน  “โฟโต” แปลว่า แสง  “สเฟียร์” แปลว่า ทรงกลม  ดังนั้น “โฟโตสเฟียร์” จึงแปลว่า “ทรงกลมแสง”  ใต้ชั้นโฟโตสเฟียร์ลงไปก๊าซอัดตัวกันแน่นจนแสงไม่สามารถโผล่ขึ้นมาได้   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  เราจะสังเกตเห็นว่าผิวของดวงอาทิตย์นั้นไม่ราบเรียบ แต่ประกอบด้วยเซลล์เล็กๆ จำนวนมากคล้ายกับผิวของลูกบาสเกตบอล 
                           
                                        ภาพที่ 5  จุดดวงอาทิตย์ แกรนูล บนชั้นโฟโตสเฟียร์

จุดดวงอาทิตย์ 
           เมื่อดูดวงอาทิตย์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสง เราจะมองเห็นจุดสีคล้ำบนโฟโตสเฟียร์ซึ่งเรียกว่า “จุดดวงอาทิตย์” (Sunspots) มีมากมายหลายจุด มากบ้าง น้อยบ้าง เปลี่ยนแปลงไป บางครั้งก็เกิดขึ้นนานนับเดือน   จุดเหล่านี้มีขนาดประมาณโลกของเราหรือใหญ่กว่า   จุดเหล่านี้มิได้มืด แต่มีความสว่างประมาณ 10 เท่าของดวงจันทร์เต็มดวง  มีอุณหภูมิประมาณ 4,500 เคลวิน
                
                  ภาพที่ 6  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
                          
                                       ภาพที่ 7  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
           โคโมสเฟียร์ (Chromosphere) เป็นบรรยากาศชั้นกลางของดวงอาทิตย์  โคโมสเฟียร์แปลว่า “ทรงกลมสี” เพราะเราสามารถมองเห็นมันได้เป็นสีแดงตามขอบของดวงอาทิตย์  ขณะที่เกิดสุริยุปราคาเต็มดวง  หรือมองดูด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสงไฮโดรเจน-อัลฟา  โครโมสเฟียร์มีความหนาประมาณ 2,000 กิโลเมตร และมีอุณหภูมิเกือบ 25,000 เคลวิน
                                                  
           ภาพที่ 8  การประทุจ้า (มุมบนซ้าย) พวยก๊าซ เหนือชั้นโครโมสเฟียร์ [ที่มา: NASA]

คอโรนา
           คอโรนา (Corona) เป็นบรรยากาศชั้นบนสุด  สามารถมองเห็นได้เป็นแสงสีขาว เฉพาะเวลาที่เกิดสุริยุปราคาเต็มดวงมาก โดยมีรูปทรงสอดคล้องกับสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์  คอโรนามีอุณหภูมิสูงกว่า 1 ล้านเคลวิน ทำให้อะตอมเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก  อย่างไรก็ตามบริเวณคอโรนามิได้มีความร้อนสูง เนื่องจากมีก๊าซอยู่เบาบางมาก
                                                  
                                                        ภาพที่ 9  โคโรนา
ขอขอบคุณโครงการการเรียนรู้ในเรื่องวิทยาศาสตร์โลกและดาราศาสตร์
ภายใต้ความร่วมมือระหว่าง LESA โครงการวิจัยโดยหอดูดาวเกิดแก้ว, สำนักงานกองทุนกองทุนสนับสนุนการวิจัย(สกว.),
จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และวิชาการดอทคอม