กระแสน้ำวนขั้วโลกมีอยู่ในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ ตั้งแต่ดาวเคราะห์หินคล้ายโลก ไปจนถึงดาวก๊าซยักษ์คล้ายดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ อย่างไรก็ตาม ยังไม่ค่อยมีใครทราบเกี่ยวกับการดำรงอยู่และคุณลักษณะของพวกมันบนดวงอาทิตย์ของเรา เนื่องจากในปัจจุบันยังขาดการสังเกตตรงที่ขั้วโลก ต่างจากชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ ชั้นใต้ผิวดินของดวงอาทิตย์ได้รับอิทธิพลอย่างมากจากการมีสนามแม่เหล็ก การวิจัยใหม่แสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กของวัฏจักรสุริยะเป็นกลไกในการก่อตัวของกระแสน้ำวนขั้วโลกในดวงอาทิตย์
เมื่อวันที่ 31 สิงหาคม พ.ศ. 2555 เส้นใยยาวของวัสดุสุริยะที่ลอยอยู่ในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ ซึ่งก็คือโคโรนา ได้ปะทุขึ้นสู่อวกาศเมื่อเวลา 16:36 น. EDT CME เดินทางด้วยความเร็วมากกว่า 900 ไมล์ต่อวินาที มันไม่ได้เดินทางมายังโลกโดยตรง แต่เชื่อมต่อกับสภาพแวดล้อมแม่เหล็กของโลกหรือสนามแม่เหล็กด้วยการพัดอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดแสงออโรร่าปรากฏขึ้นในคืนวันที่ 3 กันยายน เครดิตภาพ: Goddard Space Flight Center ของ NASA
“ไม่มีใครสามารถบอกได้อย่างแน่นอนว่าเกิดอะไรขึ้นที่เสาสุริยะ” ดร.เมาซูมิ ดิกปาตี นักวิทยาศาสตร์อาวุโสจากหอดูดาวระดับความสูงที่ศูนย์วิจัยบรรยากาศแห่งชาติ NSF กล่าว
“แต่การวิจัยใหม่นี้ทำให้เรามีมุมมองที่น่าสนใจเกี่ยวกับสิ่งที่เราอาจคาดหวังว่าจะพบเมื่อเราสามารถสังเกตเสาสุริยะได้เป็นครั้งแรก”
การมีอยู่ของกระแสน้ำวนขั้วโลกบางประเภทบนดวงอาทิตย์ไม่น่าเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจ
การก่อตัวแบบหมุนเหล่านี้พัฒนาในของเหลวที่ล้อมรอบวัตถุที่หมุนอยู่เนื่องจากแรงคอริออลิส และมีการสังเกตสิ่งเหล่านี้บนดาวเคราะห์ส่วนใหญ่ในระบบสุริยะของเรา
บนโลก มีกระแสน้ำวนหมุนอยู่ในชั้นบรรยากาศสูงรอบๆ ขั้วเหนือและขั้วใต้
เมื่อกระแสน้ำวนคงที่ มันจะกักอากาศเย็นไว้ที่ขั้ว แต่เมื่อกระแสน้ำวนอ่อนลงและไม่เสถียร มันจะปล่อยให้อากาศเย็นซึมเข้าไปในเส้นศูนย์สูตร ทำให้เกิดอาการอากาศเย็นกระจายในละติจูดกลาง
ภารกิจจูโนของ NASA กลับมาแล้วซึ่งแสดงให้เห็นเกลียวหมุนวนแน่นหนา 8 วงรอบๆ ขั้วโลกเหนือของยักษ์ก๊าซยักษ์แห่งนี้ และอีก 5 เกลียวรอบๆ ทิศใต้
ลมหมุนขั้วโลกบนดาวเสาร์ซึ่งยานอวกาศแคสสินีของ NASA มองเห็นนั้น มีรูปร่างหกเหลี่ยมในขั้วโลกเหนือและมีลักษณะเป็นวงกลมมากขึ้นในภาคใต้
ความแตกต่างเหล่านี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้เบาะแสเกี่ยวกับโครงสร้างและพลวัตของชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์แต่ละดวง
นอกจากนี้ กระแสน้ำวนขั้วโลกยังถูกพบเห็นในดาวอังคาร ดาวศุกร์ ดาวยูเรนัส ดาวเนปจูน และดวงจันทร์ไททันของดาวเสาร์ ดังนั้น ในบางกรณี ข้อเท็จจริงที่ว่าดวงอาทิตย์ (รวมถึงวัตถุที่หมุนรอบตัวด้วยของเหลวด้วย) จะมีลักษณะดังกล่าวอาจชัดเจน
แต่โดยพื้นฐานแล้วดวงอาทิตย์ก็มีความแตกต่างจากดาวเคราะห์และดวงจันทร์ที่มีชั้นบรรยากาศอยู่เช่นกัน พลาสมาที่ล้อมรอบดวงอาทิตย์นั้นมีแม่เหล็ก
อิทธิพลของแม่เหล็กที่อาจส่งผลต่อการก่อตัวและวิวัฒนาการของกระแสน้ำวนขั้วโลกสุริยะ หรือไม่ว่าจะก่อตัวเลยหรือไม่ ถือเป็นปริศนา เนื่องจากมนุษยชาติไม่เคยส่งภารกิจไปยังอวกาศที่สามารถสังเกตขั้วของดวงอาทิตย์ได้
ในความเป็นจริง การสังเกตดวงอาทิตย์ของเราจำกัดอยู่เพียงการมองใบหน้าดวงอาทิตย์ที่ชี้ไปยังโลก และบอกเป็นนัยถึงสิ่งที่อาจเกิดขึ้นที่ขั้วโลกเท่านั้น
เนื่องจากนักดาราศาสตร์ไม่เคยสำรวจขั้วของดวงอาทิตย์ ผู้เขียนการศึกษาจึงอาศัยแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อเติมลงในช่องว่างว่ากระแสน้ำวนขั้วโลกสุริยะอาจมีหน้าตาเป็นอย่างไร
สิ่งที่พวกเขาค้นพบคือดวงอาทิตย์น่าจะมีรูปแบบเฉพาะของกระแสน้ำวนขั้วโลกที่วิวัฒนาการเมื่อวัฏจักรสุริยะแผ่ออกไป และขึ้นอยู่กับความแรงของวัฏจักรใดๆ
ในการจำลอง วงแหวนกระแสน้ำวนขั้วโลกที่คับแคบก่อตัวที่ละติจูดประมาณ 55 องศา ซึ่งเทียบเท่ากับวงกลมอาร์กติกของโลก ในเวลาเดียวกันกับที่ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า 'พุ่งเข้าหาขั้ว' เริ่มต้นขึ้น
ที่จุดสูงสุดของแต่ละรอบสุริยะ สนามแม่เหล็กที่ขั้วของดวงอาทิตย์จะหายไปและถูกแทนที่ด้วยสนามแม่เหล็กที่มีขั้วตรงข้าม
ฟลิปฟล็อปนี้นำหน้าด้วยการ "เร่งรีบไปยังขั้ว" เมื่อสนามที่มีขั้วตรงข้ามเริ่มเดินทางจากประมาณ 55 องศาในละติจูดขั้วโลก
หลังจากก่อตัวขึ้นแล้ว ลมหมุนจะมุ่งหน้าไปยังเสาด้วยวงแหวนที่กระชับ โดยปล่อยกระแสน้ำวนออกมาเมื่อวงกลมปิดลง และในที่สุดก็เหลือเพียงกระแสน้ำวนคู่หนึ่งที่ติดอยู่กับเสาโดยตรงก่อนที่จะหายไปพร้อมกันที่ระดับสูงสุดสุริยะ
จำนวนกระแสน้ำวนก่อตัวและโครงร่างขณะที่เคลื่อนไปทางขั้วจะเปลี่ยนแปลงไปตามความแรงของวัฏจักรสุริยะ
การจำลองเหล่านี้ช่วยให้ไขปริศนาได้ว่าสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์มีพฤติกรรมอย่างไรใกล้ขั้ว และอาจช่วยตอบคำถามพื้นฐานบางประการเกี่ยวกับวัฏจักรสุริยะของดวงอาทิตย์ได้
ตัวอย่างเช่น ในอดีต นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากได้ใช้ความแรงของสนามแม่เหล็กที่ 'พุ่งไปที่ขั้ว' เป็นตัวบ่งบอกว่าวัฏจักรสุริยะที่กำลังจะมาถึงนั้นมีความแรงแค่ไหน
แต่กลไกสำหรับการเชื่อมโยงสิ่งเหล่านั้น (หากเป็นเช่นนั้น) ยังไม่ชัดเจน
การจำลองยังเสนอข้อมูลที่อาจใช้ในการวางแผนภารกิจในอนาคตเพื่อสังเกตดวงอาทิตย์
กล่าวคือ ผลการวิจัยระบุว่าควรสังเกตกระแสน้ำวนขั้วโลกบางรูปแบบได้ในทุกส่วนของวัฏจักรสุริยะ ยกเว้นในช่วงจุดสูงสุดของดวงอาทิตย์
ดร. สก็อตต์ แมคอินทอช จากหอดูดาวระดับความสูงที่ศูนย์วิจัยบรรยากาศแห่งชาติ NSF กล่าวว่า "คุณสามารถเริ่มภารกิจพลังงานแสงอาทิตย์ได้ และอาจมาถึงเพื่อสังเกตขั้วโลกผิดเวลาโดยสิ้นเชิง"
ที่ซึ่งเป็นภารกิจความร่วมมือระหว่าง NASA และ ESA อาจทำให้นักวิจัยได้มองเห็นเสาสุริยะเป็นครั้งแรก แต่การมองครั้งแรกจะใกล้เคียงกับค่าสูงสุดของดวงอาทิตย์
นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่าภารกิจที่ออกแบบมาเพื่อสังเกตขั้วโลกและให้นักวิจัยได้หลายมุมมองพร้อมกันของดวงอาทิตย์สามารถช่วยพวกเขาตอบคำถามที่มีมายาวนานเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ได้
“ขอบเขตทางความคิดของเราในตอนนี้คือเรากำลังดำเนินงานโดยใช้มุมมองเดียว” ดร. แมคอินทอชกล่าว
“เพื่อให้มีความก้าวหน้าอย่างมาก เราต้องมีข้อสังเกตที่จำเป็นเพื่อทดสอบสมมติฐานของเราและยืนยันว่าการจำลองเช่นนี้ถูกต้องหรือไม่”
ที่ผลลัพธ์ปรากฏในการดำเนินการของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติ-
-
เมาซูมิ ดิกปาติและคณะ- 2024. กลไกแมกนีโตไฮโดรไดนามิกสำหรับการก่อตัวของกระแสน้ำวนขั้วโลกสุริยะพนส121 (47): e2415157121; ดอย: 10.1073/pnas.2415157121
