สนามแม่เหล็กโลก
แก่นโลกมีองค์ประกอบหลักเป็นเหล็ก แก่นโลกชั้นใน (Inner core) มีความกดดันสูงจึงมีสถานะเป็นของแข็ง ส่วนแก่นชั้นนอก (Outer core) มีความกดดันน้อยกว่าจึงมีสถานะเป็นของเหลวหนืด แก่นชั้นในมีอุณหภูมิสูงกว่าแก่นชั้นนอก พลังงานความร้อนจากแก่นชั้นใน จึงถ่ายเทขึ้นสู่แก่นชั้นนอกด้วยการพาความร้อน (Convection) เหล็กหลอมละลายเคลื่อนที่หมุนวนอย่างช้าๆ ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า และเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลก (The Earth’s magnetic field)
อย่างไรก็ตามแกนแม่เหล็กโลกและแกนหมุนของโลกมิใช่แกนเดียวกัน แกนแม่เหล็กโลกมีขั้วเหนืออยู่ทางด้านใต้ และมีแกนใต้อยู่ทางด้านเหนือ แกนแม่เหล็กโลกเอียงทำมุมกับแกนเหนือ-ใต้ทางภูมิศาสตร์ (แกนหมุนของโลก) 12
สนามแม่เหล็กโลกเป็นรูปทรงรีไม่สมมาตร อิทธิพลของลมสุริยะทำให้ด้านที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มีความกว้างน้อยกว่าด้านตรงข้ามดวงอาทิตย์ สนามแม่เหล็กโลกไม่ใช่สิ่งคงที่ แต่มีการเปลี่ยนแปลงความเข้มและสลับขั้วเหนือ-ใต้ ทุกๆ หนึ่งหมื่นปี ในปัจจุบันสนามแม่เหล็กโลกอยู่ในช่วงที่มีกำลังอ่อน สนามแม่เหล็กโลกเป็นสิ่งที่จำเป็นที่เอื้ออำนวยในการดำรงชีวิต หากปราศจากสนามแม่เหล็กโลกแล้ว อนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์และอวกาศ จะพุ่งชนพื้นผิวโลก ทำให้สิ่งมีชีวิตไม่สามารถดำรงอยู่ได้
ทิศเหนือที่อ่านได้จากเข็มทิศแม่เหล็ก อาจจะไม่ตรงกับทิศเหนือจริง ด้วยเหตุผล 2 ประการ คือ
ขั้วแม่เหล็กโลก และขั้วโลก มิใช่จุดเดียวกัน
ในบางพื้นที่ เส้นแรงแม่เหล็กมีความเบี่ยงเบน (Magnetic deviation) มิได้ขนานกับเส้นลองจิจูด (เส้นแวง) ทางภูมิศาสตร์ แต่โชคดีที่บริเวณประเทศไทยมีค่าความเบี่ยงเบน 0 ดังนั้นจึงถือว่า ทิศเหนือแม่เหล็กเป็นทิศเหนือจริง
นกบางชนิดใช้สนามแม่เหล็กโลกในการนำทางในการบินอพยพระยะไกล
จากผลการศึกษาการไหลเวียนของหินบะซอลต์เหลวผ่านใต้พิภพ มีทฤษฎีว่าขั้วแม่เหล็กของโลกสามารถมีการกลับขั้ว โดยมีช่วงระยะห่างตั้งแต่หลายหมื่นปีไปจนถึงหลายล้านปี โดยที่มีค่าเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 250,000 ปี ปรากฏการณ์กลับขั้วครั้งล่าสุดเรียกชื่อว่า Brunhes-Matuyama reversal เชื่อว่าได้เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 780,000 ปีมาแล้ว
ยังไม่มีทฤษฎีใดสามารถอธิบายได้แน่ชัดว่าการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลกเกิดขึ้นเนื่องจากอะไร นักวิทยาศาสตร์บางส่วนได้สร้างแบบจำลองแกนโลกขึ้นโดยที่ภายในสนามแม่เหล็กเป็นแบบ quasi-stable และขั้วแม่เหล็กสามารถเปลี่ยนข้างเองได้จากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งเมื่อเวลาผ่านไปหลายหมื่นปี นักวิทยาศาสตร์อีกส่วนหนึ่งเสนอว่าการเปลี่ยนขั้วแม่เหล็กนี้ไม่ได้เกิดขึ้นเอง แต่น่าจะมีการกระตุ้นจากภายนอกเช่นจากการถูกดาวหางพุ่งชน และทำให้เกิดการ “restart” โดยขั้วแม่เหล็กด้าน “เหนือ” อาจจะชี้ไปทางเหนือหรือใต้ก็ได้ ปรากฏการณ์ภายนอกนี้ไม่น่าจะสร้างให้เกิดการเปลี่ยนขั้วแม่เหล็กแบบเป็นวงรอบได้ เมื่อพิจารณาจากอายุของแอ่งปะทะเทียบกับช่วงเวลาการกลับขั้วที่ศึกษาได้
การศึกษาการไหลเวียนของลาวาที่ภูเขาสตีนส์ รัฐออริกอน บ่งชี้ว่าสนามแม่เหล็กเคยมีการเปลี่ยนแปลงไปในอัตรา 6 องศาต่อวันในประวัติศาสตร์ของโลก ซึ่งเป็นการท้าทายที่สำคัญในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับสาเหตุของการเปลี่ยนขั้วแม่เหล็กของโลก[1]
การศึกษาสนามแม่เหล็กโลกโบราณ จะประกอบด้วยการวัดการคงค่าแม่เหล็กของหินอัคนีซึ่งเป็นเศษซากจากเหตุการณ์ภูเขาไฟปะทุ ตะกอนที่ทอดตัวอยู่บนพื้นมหาสมุทรปรับทิศทางขั้วแม่เหล็กของตัวเองด้วยสนามแม่เหล็กในท้องถิ่น ซึ่งเป็นสัญญาณที่สามารถบันทึกได้ขณะแข็งตัว ถึงแม้ว่าการสะสมของหินอัคนีส่วนใหญ่จะเป็นแบบพาราแมกเนติก แต่ก็มีร่องรอยของวัสดุเฟอร์ริแมกเนติก และแอนติเฟอร์โรแมกเนติกในรูปของเฟอรัสออกไซด์ ซึ่งทำให้สามารถบันทึกความเป็นแม่เหล็กได้ ในความเป็นจริงลักษณะนี้พบได้บ่อยในหินและตะกอนชนิดอื่น ๆ ที่พบได้ทั่วโลก หนึ่งในหินธรรมชาติที่พบออกไซด์เหล่านี้มากที่สุดคือแมกนิไทต์
คุณสมบัติของหินอัคนีนี้เป็นตัวอย่างที่ช่วยให้เราสามารถตรวจสอบว่าสนามของโลกได้กลับขั้วในอดีต พิจารณาการวัดของอำนาจความเป็นแม่เหล็กตามแนวเทือกเขากลางสมุทร ก่อนที่แมกมาจะออกจากชั้นแมนเทิลผ่านรอยแยกจะมีอุณหภูมิที่สูงมากเหนืออุณหภูมิคูรี (Tc) ของเหล็กออกไซด์ใด ๆ เมื่อลาวาเริ่มเย็นตัวลงและแข็งตัวเมื่อเข้าสู่มหาสมุทร ทำให้เหล็กออกไซด์เหล่านี้สามารถคืนค่าคุณสมบัติแม่เหล็กได้ โดยเฉพาะความสามารถในการคงค่าแม่เหล็ก บนสมมติฐานว่าสนามแม่เหล็กโลกเป็นสนามแม่เหล็กเพียงแห่งเดียวที่อยู่ในตำแหน่งเหล่านี้
หินแข็งตัวนี้จะกลายเป็นแม่เหล็กในทิศทางของสนามแม่เหล็กโลก แม้ว่าความแรงของสนามค่อนข้างอ่อนและปริมาณธาตุเหล็กของตัวอย่างหินทั่วไปมีขนาดเล็ก แต่สภาพแม่เหล็กขนาดค่อนข้างเล็กที่เหลืออยู่ของกลุ่มตัวอย่าง อยู่ในพิสัยการวัดของเครื่องวัดแม่เหล็ก (Magnetometer) ที่ทันสมัย การวัดอายุและสภาพแม่เหล็กของตัวอย่างลาวาแข็งตัว สามารถนำมาอธิบายทิศทางของสนามแม่เหล็กโลกในช่วงยุคโบราณ
โลกของเรานั้นเป็นสิ่งที่ “กรอบนอก นุ่มใน” เพราะที่แผ่นเปลือกโลกจะมีสถานะเป็นของแข็งเราจึงสามารถอาศัยอยู่ได้ สร้างสิ่งปลูกสร้างต่าง ๆ ได้ แต่ว่าลึกลงไปในแกนกลางกลับมีสถานะเป็นของเหลวร้อนที่มีการไหลวนตลอดเวลา ซึ่งการไหลวนนี้ทำให้แกนกลางของโลกมีลักษณะการทำงานคล้ายไดนาโม ซึ่งเป็นเครื่องจักรที่เปลี่ยนพลังงานกลให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยใช้หลักการให้ลวดตัวนำเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก เพื่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ ซึ่งการผลิตไฟฟ้าของไดนาโมก็จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กนี่จึงเป็นเหตุผลที่ทำให้โลกมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นนั่นเอง
ขั้วแม่เหล็กโลกไม่เคยอยู่นิ่ง!
ตำแหน่งและขนาดของขั้วแม่เหล็กโลกมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ซึ่งเคยมีการบันทึกไว้ว่าขั้วแม่เหล็กโลกจะเปลี่ยนตำแหน่งเฉลี่ยปีละ 15 กิโลเมตร อีกทั้งการเปลี่ยนขนาดและตำแหน่งของขั้วแม่เหล็กโลกเหนือและใต้นั้นเป็นอิสระต่อกัน ซึ่งปัจจุบันนี้ความห่างระหว่างขั้วโลกทางภูมิศาสตร์กับขั้วแม่เหล็กโลกนั้น ขั้วแม่เหล็กใต้อยู่ห่างมากกว่าขั้วแม่เหล็กเหนือ
เป็นฮีโร่ของโลก
ในทางวิศวกรรมเราจะรู้ตลอดว่าไม่มีสิ่งใดที่ดีที่สุด ถ้าดีในแง่หนึ่ง ก็จะมีข้อเสียในอีกแง่หนึ่ง เช่นในกรณีของแสงจากดวงอาทิตย์ สิ่งมีชีวิตแทบจะทุกชนิดบนโลกจำเป็นต้องอาศัยแสงจากดวงอาทิตย์ในการดำรงชีวิต ไม่ว่าจะเป็นคน สัตว์ หรือพืชพันธุ์ต่าง ๆ แต่ในขณะเดียวกันดวงอาทิตย์ไม่ได้ให้แค่แสงที่ตาเรามองเห็นแต่ในแสงนั้นยังได้แฝงพลังงานในรูปของโฟตอนในทุกความยาวคลื่น และแฝงอนุภาคที่มีประจุในรูปของลมสุริยะ (Solar Wind) ที่พร้อมจะทำลายทุก ๆ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชิ้นบนโลก แต่ผู้ที่ปกป้องเราไว้นั้นก็คือ สนามแม่เหล็กโลกนั่นเอง โดยสนามแม่เหล็กโลกได้ทำการเบี่ยงกระแสการไหลของอนุภาคและพลังงานจากดวงอาทิตย์ออกไปจากโลก คล้ายกับว่าเรามีม่านพลัง หรือ บาเรียที่มองไม่เห็นปกป้องเราไว้ตลอดเวลา
สนามแม่เหล็กขั้วโลกเหนือเปลี่ยนตำแหน่งเร็วเกินไป
จากรายงานล่าสุดของ National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) การเคลื่อนที่ของสนามแม่เหล็กที่เคลื่อนที่ไปตามขั้วโลกเหนือ ได้เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ไม่ได้คาดการณ์กันไว้ออกไปทางเหนือของแคนาดา (Canadian Arctic) และมุ่งหน้าไปยังแถบไซบีเรียอย่างรวดเร็วเกินกว่าที่คาดไว้ ซึ่งโดยปกติแล้วการเปลี่ยนตำแหน่งของสนามแม่เหล็กโลกในหนึ่งปีจะอยู่ที่ประมาณ 15 กิโลเมตร แต่ว่าตั้งแต่ช่วงปี ค.ศ. 1990-1999 มันได้เคลื่อนที่เร็วขึ้นเป็นอย่างมากโดยเคลื่อนที่เฉลี่ย 55 กิโลเมตรต่อปี ซึ่งการเปลี่ยนตำแหน่งที่เร็วเกินไปนี้ได้ส่งผลต่ออุตสาหกรรมต่าง ๆ มากมาย เช่น อุตสาหกรรมการบินที่ใช้ระบบ GPS ในการนำทางเครื่องบิน การจัดการจราจรทางอากาศ อุตสาหกรรมการเดินเรือ ปฏิบัติการการค้นหาและกู้ภัย การทหาร การสำรวจและการทำแผนที่
