ผลกระทบทางสภาพอวกาศ

(Space Weather Effects)

ในสภาพแวดล้อมที่เสี่ยงต่อการแผ่รังสีหรืออนุภาคพลังงานสูง  ร่างกายมนุษย์อาจถูกเปลี่ยนแปลงได้ถึงระดับสารพันธุกรรม (DNA)   อนุภาคพลังงานสูงอย่าง โปรตอน และนิวตรอน  สามารถชนกับอะตอมที่ประกอบเป็นโมเลกุล DNA ภายในร่างกายของสิ่งมีชีวต  แล้วทำลายพันธะเคมีจนก่อให้ข้อมูลทางพันธุกรรมผิดเพี้ยนไป   

คนที่อาศัยอยู่บนพื้นโลกย่อมถูกป้องกันจากรังสีหรืออนุภาคพลังงานสูงดังกล่าวโดยสนามแม่เหล็กโลกทว่า สำหรับนักบินอวกาศที่ปฏิบัติงานอยู่ในอวกาศย่อมต้องรับความเสี่ยงนี้   อย่างเช่น นักบินอวกาศที่ประจำการบนสถานีอวกาศเมียร์ (Mir Space Station) ของรัสเซียได้รับปริมาณรังสีเท่ากับการถ่ายภาพทรวงอกด้วยรังสีเอกซ์ 8 ครั้งต่อวัน ภายในเวลาหนึ่งปี จากพายุสุริยะครั้งหนึ่งเมื่อปีพ.ศ. 2533 (ค.ศ. 1990)

โดยทั่วไปอัตรารังสีที่ควรได้รับคือไม่เกิน 400 rem   การถ่ายภาพทรวงอกด้วยรังสีเอกซ์ครั้งหนึ่งๆ ร่างกายจะได้รับรังสี 0.06 rem  ส่วนรังสีที่มนุษย์ได้รับจากสภาพแวดล้อมคือ 0.35 rem ต่อปี แต่สำหรับการลุกจ้าบนดวงอาทิตย์ครั้งใหญ่หนึ่งครั้ง สามารถทำให้มนุษย์อวกาศได้รับรังสีสูงถึง 100 หรือ หลายพัน rem ภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมงหรือไม่กี่วัน แม้จะสวมชุดอวกาศอยู่ก็ตาม  และนี่ย่อมนำมาซึ่งการเจ็บป่วยอันเนื่องมาจากรังสี อย่างเช่น โรคมะเร็ง และในกรณีที่ร้ายแรงที่สุดคือเสียชีวิต

แสงเหนือแสงใต้ (Aurorae)

แสงเหนือแสงใต้เป็นริ้วแสงสว่างคล้ายผ้าม่านเรืองแสงขนาดยักษ์ที่ปรากฏบนท้องฟ้ายามราตรีในบริเวณใกล้ขั้วโลกที่สามารถมองเห็นแสงดังกล่าวได้ (polar zone) โดยออโรราที่เกิดบริเวณขั้วเหนือเรียกว่า แสงออโรราเหนือ (aurora borealis) หรือแสงเหนือ (northern light) ส่วนทางขั้วใต้เรียกว่า แสงออโรราใต้ (aurora australis)

แสงออโรราเหนือ  บริเวณน่านฟ้ามลรัฐอลาสกา สหรัฐอเมริกา

Image credit: Joshua Strang, USAF, Wikipedia

แสงเหนือแสงใต้เกิดจากการชนของอนุภาคมีประจุ ไม่ว่าจะเป็นอิเล็กตรอน หรือไอออนประจุบวก ที่พบใน magnetosphere กับอะตอมธาตุต่างๆ ภายในชั้นบรรยากาศส่วนบนของโลก (ที่ความสูงกว่า 80 กิโลเมตรเหนือผิวโลก)

กระแสอนุภาคมีประจุเหล่านั้นเดินทางจากอวกาศด้วยความเร็วประมาณ 300 ถึง 1,200 กิโลเมตรต่อวินาที  เรียกว่า ลมสุริยะ (solar wind) โดยทั่วไปลมสุริยะจะถูกสกัดกั้นด้วยสนามแม่เหล็กโลกที่มีความเข้มที่ผิวโลกประมาณ 30,000–50,000 นาโนเทสลา(nanoTesla) แต่หากลมสุริยะถูกรบกวนด้วยเหตุการณ์ อย่างเช่น  การลุกจ้าด้วยดวงอาทิตย์ (Solar Flare), การปลดปล่อยก้อนมวลโคโรนา (Coronal Mass Ejections)

ที่ระดับความสูง 200 กิโลเมตรเหนือพื้นผิว อิเล็กตรอนที่พุ่งเข้าสู่บรรยากาศโลกจะชนกับอะตอมออกซิเจนจะให้แสงสีแดง (Red) 

เมื่อชนกับไนโตรเจนจะให้แสงสีน้ำเงิน (Blue) พร้อมทั้งอิเลคตรอนทุติยภูมิ (secondary electron) ซึ่งเมื่อชนกับอะตอมออกซิเจนก็จะให้แสงสีเขียว

ไนโตรเจนโมเลกุลที่ความสูง 100 กิโลเมตรเมื่อถูกชนจะปลดปล่อยแสงเรืองเป็นสีแดงเข้ม (crimson)

Image Credit: “Space Update”

จะทำให้อนุภาคเหล่านั้นสามารถผ่านเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลกได้ง่ายขึ้นและสนามแม่เหล็กโลกนำไปสู่บริเวณขั้วโลก  อนุภาคมีประจุที่มีพลังงานอยู่ระหว่าง 1 ถึง 15 keV จะชนกับอะตอมแก๊สภายในชั้นบรรยากาศโลก  อะตอมแก๊สจะถูกกระตุ้นขึ้นสู่สถานะพลังงานที่สูงขึ้นแล้วแผ่พลังงานส่วนเกินนั้นออกมาในรูปแสง (light)  หากเป็นแสงสีเขียวเรือง (greenish glow) ความยาวคลื่น 557.7 นาโนเมตร  จะมาจากอะตอมออกซิเจน หรือแสงสีแดงเข้ม (dark-red glow) ความยาวคลื่น 630.0 นาโนเมตร ซึ่งเกิดได้จากอะตอมออกซิเจนพลังงานต่ำแต่อยู่ในระดับความสูงเหนือพื้นดินมากๆ    นอกจากนี้ยังมีสีอื่นๆ อีก เช่นสีน้ำเงินและม่วงของโมเลกุลแก๊สไนโตรเจน  และแต่พลังงานของอิเล็กตรอนหรือไอออนบวกที่พุ่งชนโมเลกุลแก๊ส     อย่างไรก็ดีแสงเหนือแสงใต้ (aurorae) ยังสามารถแผ่รังสีอินฟราเรด (infrared) อัลตราไวโอเลต (ultraviolet) ตลอดจนรังสีเอกซ์ (X-ray) ได้อีกด้วย  เพียงแต่รังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีเอกซ์จะสามารถตรวจวัดได้ดีจากอวกาศเนื่องจากชั้นบรรยากาศโลกสามารถดูดซับและลดทอนการแผ่รังสีดังกล่าว  แสงเรืองดังกล่าวจะปรากฏตัวเป็นวงแสงล้อมรอบบริเวณขั้วโลกเอาไว้เรียกว่า aurora oval

นอกจากโลกแล้วบนดาวเคราะห์ดวงอื่นอย่างเช่นดาวเสาร์ก็สามารถเกิดออโรร่าได้เช่นกัน 

Image credit: NASA/ESA/J. Clarke (Boston University)

โดยทั่วไปแสงเหนือแสงใต้จะเกิดขึ้นได้บ่อยครั้งหรือมีความเข้มแสงมากเพียงใดนั้น ขึ้นอยู่กับช่วงเวลาภายในวัฏจักรสุริยะ 11 ปี (solar cycle) โดยแสงเหนือแสงใต้เกิดขึ้นได้บ่อยและสว่างมากในช่วงที่ดวงอาทิตย์มีจุดมืด (sunspot) มาก  ซึ่งสอดคล้องกับการเกิดการลุกจ้า (solar flare) หรือการปลดปล่อยมวลโคโรนา (Coronal Mass Ejection) บนดวงอาทิตย์นั่นเอง  ทว่ากลไกที่ใช้ในการเร่งความเร็วให้อนุภาคภายในลมสุริยะให้มีความเร็วสูงขึ้นจนผ่านการกรองโดยสนามแม่เหล็กโลกเข้ามาและมีพลังงานสูงขึ้นนับ 50 เท่า ยังคงไม่เป็นที่แน่ชัดนัก   ความรู้เท่าที่มีในปัจจุบันมีเพียง การต่อใหม่ (reconnection) ของเส้นสนามแม่เหล็กโลก กับเส้นสนามแม่เหล็กระหว่างดาวเคราะห์ (interplanetary magnetic field) ซึ่งจะก่อให้เกิดพลังงานมหาศาลและเร่งอนุภาคให้มีความเร็วสูงขึ้น

ความเสียหายต่อดาวเทียม (Satellite Failures)

ปัจจุบันมีดาวเทียม (satellite) โคจรอยู่ในวงโคจรรอบโลก ในหลายระดับความสูงและหลากหลายวงโคจร เพื่อประโยชน์ต่างๆ อาทิ ดาวเทียมสำรวจสภาพอุตุนิยมวิทยา ดาวเทียมทางธรณีวิทยา  ดาวเทียมเพื่อการสื่อสาร  ดาวเทียมอ้างอิงระบบพิกัดโลก (Global Positioning System : GPS) เป็นต้น    เนื่องจากดาวเทียมเหล่านี้โคจรอยู่ในอวกาศซึ่งมีความเสี่ยงต่อความเสียหายอันเนื่องมาจากอนุภาคพลังงานสูง (energetic particles) ทั้งจากดวงอาทิตย์เองหรือว่าจากนอกระบบสุริยะ และพายุแม่เหล็กโลก (geomagnetic storm)   

ระบบระบุพิกัดโลก(Global Positioning System : GPS) ใช้การติดต่อสื่อสารระหว่างเครื่องมือบนโลกกับดาวเทียมที่โคจรอยู่รอบโลก

หากดาวเทียมเหล่านี้ได้รับความเสียหายจากพายุสุริยะย่อมก็ให้เกิดความเสียหายต่อกิจกรรมบนโลกที่ต้องอาศัยการระบุพิกัดเช่น การกู้ภัย เดินทาง ขนส่ง เป็นต้น 

Image credit: http://www.defenseindustrydaily.com/cat/forces---space/page/2/ : The GPS Constellation: Now and Future

แม้ว่าดาวเทียมเหล่านั้นจะยังอยู่ในอาณาเขตที่สนามแม่เหล็กโลกเข้มข้นพอจะป้องกันพวกมันจากกระแสลมสุริยะ ทว่าสำหรับอันตรายจากอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ (Solar Energetic Particle), พายุสุริยะ (solar storm) อย่างเช่น การปลดปล่อยมวลโคโรนา (coronal mass ejection) หรือการลุกจ้า (flares) สามารถทำให้อนุภาคมีประจุภายในอวกาศระหว่างดาวเคราะห์มีพลังงานสูงขึ้น ความเร็วสูงขึ้น  จนสามารถทะลุผ่านเข้ามาในสนามแม่เหล็กโลกและพุ่งเข้าไปในดาวเทียมที่ไม่ได้ถูกออกแบบมาเพื่อทนทานต่ออนุภาคพลังงานสูงเหล่านั้น

ในโลกยุคใหม่การสื่อสารถือเป็นกลไกในการขับเคลื่อนกิจกรรมทางเศษรฐกิจและชีวิตประจำวันของมนุษย์

เมื่อดาวเทียมสื่อสารถูกรบกวนการทำงานย่อมก่อความเสียหายให้กับระบบเศษรฐกิจเป็นอันมาก

Image credit: http://www-emlabo.csce.kyushu-u.ac.jp/tateiba/Open/research/rainfall/index.html

รังสีหรืออนุภาคอาจก่อความเสียหายให้   วงจรอิเล็กทรอนิกส์ภายในดาวเทียม อนุภาคอาจฝังเข้าไปภายในอิเล็กทรอนิกส์ รบกวนกระแสไฟฟ้า หรือทำให้ไฟฟ้าลัดวงจร (Short circuit)  ระบบกำเนิดพลังงานของดาวเทียม  ด้วยการทำลายแผงโซลาร์เซลล์หรือแบตเตอรี่ภายในดาวเทียม  คอมพิวเตอร์และโปรแกรมที่ติดตั้งภายในดาวเทียม  อนุภาคสามารถเปลี่ยนบิทข้อมูลในรูปเลขฐานสองจาก 0 เป็น 1 หรือกลับกัน ความผิดพลาดนี้เพียงพอจะทำให้คำสั่งภายในคอมพิวเตอร์ทำงานผิดพลาด  ดาวเทียมหลายดวงมีระบบควบคุมระดับความสูงด้วยการตรวจวัดสนามแม่เหล็กโลกเพื่อตัดสินว่าจะให้ดาวเทียมสูงขึ้นหรือต่ำลง แต่หากเกิดพายุแม่เหล็กขึ้น สนามแม่เหล็กโลกจะถูกรบกวนและนำไปสู่ความผิดพลาดในการตัดสินใจของโปรแกรมควบคุมระดับความสูงภายในตัวมันเอง  ผลร้ายแรงที่สุดคือดาวเทียมอาจหลุดจากวงโคจร หรือตกลงมาบนผิวโลกอย่างไม่อาจควบคุม

ความเสียหายที่เกิดขึ้นต่อดาวเทียมอาจทำให้ดาวเทียมใช้ไม่ได้เพียงชั่วคราว  เสียหายตลอดไปเพียงบางส่วน หรือแม้แต่ดาวเทียมเสียหายอย่างถาวร  แต่ไม่ว่าดาวเทียมจะหยุดทำงานเป็นเวลานานเท่าใด  ความเสียหายที่แท้จริงอันเนื่องมาจากดาวเทียมปฏิบัติงานไม่ได้นั้น จะปรากฏขึ้นบนโลก ตัวอย่างเช่นสำหรับดาวเทียมสื่อสาร   หากการสื่อสารต้องหยุดชะงักไปย่อมก่อให้เกิดความเสียหายต่อเศรษฐกิจ  เช่น ดาวเทียม Telstar 401  ดาวเทียมแพร่ภาพโทรทัศน์ ได้รับผลกระทบจากเมฆแม่เหล็กระหว่างดาวเคราะห์จากบรรยากาศชั้นโคโรนา (interplanetary coronal storm cloud) ขนาดกว้างกว่า 50 ล้านกิโลเมตร พุ่งเข้าปะทะสนามแม่เหล็กโลก เมื่อวันที่ 11 มกราคม ค.ศ. 1997  จนดาวเทียมใช้การไม่ได้เพราะไฟฟ้าลัดวงจร การแพร่ภาพต้องหยุดชะงัก คิดเป็นมูลค่าความเสียหายประมาณ 200 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ พฤษภาคม ค.ศ. 1998  ดาวเทียม Galaxy IV สูญเสียการควบคุมระดับความสูงและหยุดให้บริการส่งข้อความแก่วิทยุติดตามตัวภายในอเมริกาเหนือ 45 ล้านเครื่อง ภายในปีเดียวกันดาวเทียม Motorola Iridium เสียการควบคุมระดับความสูง

แสดงผลกระทบจากอนุภาคลพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ทั้งโปรตอนและอิเล็กตรอน

Image credit:http://ess.nrcan.gc.ca/rrnh-rran/proj3_e.php

ปัจจุบันดาวเทียมเพื่อการพาณิชย์ใหม่ๆ หลายดวงจำเป็นต้องปรับปรุงและพัฒนาเกราะป้องกันรังสีหรืออนุภาคพลังงานสูงที่อาจทะลุเข้าไปทำลายระบบอิเล็กทรอนิกส์หรือคอมพิวเตอร์ สำหรับดาวเทียมที่อยู่สูงประมาณ 36,000 กิโลเมตร จะต้องรับรังสีเป็นปริมาณ 1,000 rads  ต่อปี  ส่วนความเสียหายที่จะเกิดขึ้นกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อยู่ในระดับ 30,000 rads    ซึ่งแน่นอนว่าการสร้างเกราะหุ้มยานอวกาศก็ต้องมีค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้นอีกทั้งยังเป็นการเพิ่มน้ำหนักให้กับดาวเทียมอีกด้วย  ดังนั้นวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องสร้างดาวเทียมที่เบาขึ้นและทนทานต่อรังสีอีกด้วย

กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (Geomagnetic induced currents)

Geomagnetically induced currents (GIC) เป็นปรากฏการณ์อันเนื่องมาจากสภาพอวกาศ (space weather)  ที่ส่งผลกระทบลงมาถึงระดับพื้นผิวโลก ซึ่งส่งผลกระทบต่อระบบสายส่งพลังงานไฟฟ้า

ในขณะที่เกิดพายุแม่เหล็กภาคพื้นธรณี (geomagnetic storms) จะเกิดการแปรผันของกระแสไฟฟ้าภายในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ (ionospheric current)  ซื่งเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้าภาคพื้นธรณี (geoelectric field) และความต่างศักย์ไฟฟ้าที่แตกต่างกันระหว่างสองจุดบนพื้นดินและนำไปสู่กระแสไฟฟ้าที่ไหลจากศักย์สูงไปต่ำในระดับพื้นผิวโลกนั่นเอง 

ภาพแสดงการเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำภาคพื้นดิน โดยพายุสุริยะซึ่งสามารถตรวจวัดกระแสไฟฟ้าได้ด้วยมิเตอร์ที่ติดตั้งบนท่อโลหะ (ภาพเล็ก)

Image credit: http://en.wikipedia.org/wiki/Image:GIC_generation.jpg

สำหรับท่อโลหะนำระบบสาธารณูปโภคที่ถูกฝังไว้ใต้ดิน อาทิ ท่อน้ำประปา  ท่อนำแก๊สหุงต้มภายในเมือง สายโทรศัพท์และสายโทรเลขที่ทำจากโลหะ ท่อนำแก๊สธรรมชาติ  น้ำมันดิบ เป็นต้นหรือแม้แต่ รางรถไฟ  GIC  นอกจากจะเพิ่มอันตรายหรือความเสียหายให้กับการใช้งานในภาวะปกติแล้ว  เช่น ทำให้ข้อมูลที่ส่งภายในสายโทรศัพท์ผิดเพี้ยน ข้อความในโทรเลขผิดพลาดไป   ไฟจราจรสีแดงกลับติดขึ้นเองโดยไม่ได้มีรถไฟวิ่งผ่านในเส้นทางนั้นแต่อย่างใด  เป็นต้น  กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านท่อโลหะผ่านลงพื้นดินจะเพิ่มอัตราการกร่อนตัวของท่อโลหะเหล่านั้นทำให้อายุการใช้งานสั้นลง  วิธีการป้องกันคือการเคลือบผิวท่อเหล่านั้นด้วยฉนวนไฟฟ้า 

ท่อนำแก็ซโดยทั่วไปมีอัตราการกร่อนตัวของเนื้อวัสดุโลหะอยู่แล้ว แต่ GIC กลับเป็นตัวเร่งให้การสึกกร่อนเร็วขึ้นอีก 

Images credit: http://www.solarstorms.org/Spipeline.html

ส่วนระบบสายส่งพลังงาน (Electric transmission grids)  GIC ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าและความต่างศักย์ระหว่างหม้อแปลงไฟฟ้าศักย์สูง (high-voltage power transformers)  จนกระทั่งเกิดกระแสไหลผ่านสายไฟฟ้าที่เชื่อมต่อหม้อแปลงไฟฟ้าเหล่านั้นและกระแสส่วนเกินนั้นทำให้เกิดภาวะ saturated transformer ซึ่งเป็นภาวะที่หม้อแปลงไฟฟ้าใช้พลังงานมากเกินไป ซึ่งจะเป็นการลดความสามารถในการส่งผ่านไฟฟ้ากระแสสลับของระบบ และทำให้ความต่างศักย์ที่แปลงได้ลดต่ำลง   อีกทั้งยังเพิ่มฟลักซ์เส้นแรงแม่เหล็กภายในหม้อแปลงไฟฟ้า ซึ่งไม่ได้ถูกออกแบบมาให้รองรับปริมาณฟลักซ์เส้นแรงแม่เหล็กมากขนาดนั้น ผลก็คือเกิดความร้อนสูงภายในหม้อแปลง ในภาวะอันตรายที่สุดคือหม้อแปลงเสียหายอย่างถาวร และไฟฟ้าดับ  ดังเช่นเมื่อมีนาคม พ.ศ. 2532 (ค.ศ. 1989)  ระบบไฟฟ้าในรัฐควิเบค ประเทศแคนาดาดับเป็นเวลานานหลายชั่วโมง

หม้อแปลงไฟฟ้าของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์  มลรัฐนิวเจอร์ซีย์ ถูกทำลายเพราะ GIC 

Images credit: ohn Kappenman and Minnesota Power Electric.

นอกจากนี้เนื่องจาก GIC เป็นกระแสไฟฟ้าในระดับพื้นดิน ดังนั้น แม้แต่การสำรวจทางธรณีวิทยาอย่างเช่นการขุดเจาะหาน้ำมันดิบหรือแก๊สธรรมชาติก็ได้รับผลกระทบด้วยเช่นกัน

อ้างอิง

แสงเหนือแสงใต้ (Aurorae)

-    http://en.wikipedia.org/wiki/Aurora_(astronomy)

-    E NCYCLOPEDIA OF ASTRONOMY AND ASTROPHYSICS ; Nature Publishing Group 2001, Hampshire,UK and Institute of Physics Publishing 2001 ,Bristol,UK

ความเสียหายต่อดาวเทียม (Satellite Failures)

-    http://image.gsfc.nasa.gov/poetry/workbook/p63.html

-    http://www.tgo.uit.no/saba/sabathesis/Satte.html

-    http://solar.physics.montana.edu/press/WashPost/Horizon/196l-031099-idx.html

กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (Geomagnetic induced currents)

-    http://thayer.dartmouth.edu/~Simon_G_Shepherd/research/GIC/index.html

-    http://en.wikipedia.org/wiki/Geomagnetically_induced_current

-    http://aurora.fmi.fi/gic_service/english/index.html

-    http://esa-spaceweather.net/spweather/BACKGROUND/EFFECTS/communications/communications.html