ปรากฏการณ์ในโฟโตสเฟียร์

ก๊าซในโฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์ แผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดที่เป็นคลื่นวิทยุ รังสีความร้อน หรืออินฟราเรด แสงสว่างธรรมดา และรังสีอัลตราไวโอเลต แต่รังสีส่วนใหญ่เป็นแสงสว่าง และความร้อน โฟโตสเฟียร์แผ่รังสี ซึ่งเป็น แสงสว่างธรรมดาทุกขนาดคลื่น ซึ่งเมื่อนำแสงจากดวงอาทิตย์มาผ่านอุปกรณ์แยกแสงสีหรือสเปกโทรกราฟ (spectrograph) แล้วจะได้สเปกตรัมชนิดสืบเนื่อง (continuous spectrum) ซึ่งมีแสงเฉพาะบางขนาดคลื่นลดน้อยไปเป็นแห่งๆ ทำให้ปรากฏมีเส้นมืด (dark line หรือ absorption line) อยู่เป็นแห่งๆ บนสเปกตรัมสืบเนื่องนั้น เราเรียกเส้นมืดเหล่านี้อีกชื่อหนึ่งว่า เส้นฟรอนโฮเฟอร์ (fraunhofer line) โดยใช้ชื่อของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมนี(Joseph von Fraunhofer) ผู้ได้ทำการสำรวจ เส้นเหล่านี้อย่างละเอียดถี่ถ้วนเป็นคนแรก
          การสำรวจโฟโตสเฟียร์ ทำได้โดยการใช้กล้องโทรทรรศน์ธรรมดา โดยควรมีวิธีการซึ่งลดความแรงจ้าของแสงอาทิตย์ โดยไม่ลดขนาดของเลนส์หน้ากล้องที่รับแสงให้เล็กลงเพราะจะทำให้ความละเอียดชัดเจนของภาพลดลงด้วย การนี้อาจใช้กระจกกรองแสงสีดำ (neutral filters) หรือมีวิธีการอื่นๆ อีก อนึ่งในการถ่ายภาพโฟโตสเฟียร์นั้น อาจใช้แก้วกรองแสงสีต่างๆ เช่น แดง เหลืองหรือน้ำเงิน เลือกเอาแต่คลื่นแสง ช่วงที่มีขนาดคลื่นเฉพาะบางส่วน เพื่อความชัดเจนเป็นพิเศษเพราะลักษณะต่างๆ บนดวงอาทิตย์มีความชัดเจนแตกต่างกันเมื่อสำรวจในแสงที่มีขนาดคลื่นแตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม แสงอาทิตย์ที่ผ่านแก้วกรองแสงสีเช่นนี้มาแล้วก็ยังประกอบด้วย แสงที่มีความยาวคลื่นต่างๆ จำนวนมากปนกันอยู่ เราเรียกแสงสว่างสีขาว และสีต่างๆ เช่นนี้ว่า แสงทึบต่อรังสี แต่เป็นก้อนก๊าซซึ่งมีความโปร่งต่อรังสีพอประมาณ ก๊าซในโฟโตสเฟียร์มีอุณหภูมิสูงขึ้นในระดับลึกลงไป เมื่อเรามองดูตรงกลางดวงอาทิตย์นั้น ลำแสงจากดวงอาทิตย์ผ่านโฟโตสเฟียร์ขึ้นมาในแนวตั้งฉาก แต่เมื่อเรามองดูตรงขอบดวง ลำแสงจะต้องเดินเฉียงผ่านบรรยากาศ นับว่าต้องเคลื่อนที่ผ่านโฟโตสเฟียร์แต่ละชั้น เป็นระยะทางมากกว่า แสงสว่างที่กลางดวงจึงออกมาจากระดับที่ลึกกว่า และร้อนกว่าแสงสว่างที่มาจากบริเวณใกล้ขอบดวง ดังนั้นกลางดวง จึงปรากฏสว่างกว่าที่ขอบดวง
           ในภาพถ่ายกลุ่มจุด หน้า ๑๕ เมื่อพิจารณาดูบริเวณนอกกลุ่มจุด จะเห็นพื้นผิวโฟโตสเฟียร์มีลักษณะเป็นดอกดวงคล้ายเม็ดสาคู ในปัจจุบัน มีการติดตามศึกษาธรรมชาติของดอกดวง (granules) ในโฟโตสเฟียร์อย่างละเอียดถี่ถ้วน โดยการถ่ายภาพยนตร์ ทั้งด้วยกล้องโทรทรรศน์ซึ่งตั้งอยู่บนภาคพื้นดินและกล้องโทรทรรศน์ซึ่งส่งขึ้นไปกับบอลลูน เพื่อให้อยู่สูง พ้นจากการรบกวนของบรรยากาศส่วนใหญ่ที่ห่อหุ้มพื้นผิวโลก
           ดอกดวงเหล่านี้ มีขนาดเล็กใหญ่แตกต่างกัน ตั้งแต่ ๓๕๐ กิโลเมตร ถึง ๑,๘๐๐ กิโลเมตรคิดว่าเฉลี่ยประมาณ ๑,๐๐๐ กิโลเมตร ปรากฏขึ้นในโฟโตสเฟียร์ แล้วก็ค่อยๆ เปลี่ยนแปลงลักษณะไปและสลายตัวเลือนลางหายไปในที่สุด แล้วดอกดวงใหม่ก็ปรากฏขึ้นแทนที่ ผลัดเปลี่ยนเวียนกันไปไม่หยุดนิ่ง วัดอายุเฉลี่ยได้ประมาณ ๖ นาที ถ้านับจำนวนในภาพถ่ายหนึ่งๆ แล้วคำนวณดู จะได้ปริมาณดอกดวงทั้งพื้นผิวดวงอาทิตย์ในขณะใดขณะหนึ่งประมาณสามล้านเม็ดในปีที่มีจุดบนดวงอาทิตย์มากที่สุด และเข้าใจว่าลดลงเป็นราวสองล้านเม็ดในปีที่ดวงอาทิตย์มีจุดน้อยที่สุด
          บริเวณกลางดวงมีความสว่างประมาณ ๑.๓ เท่าของขอบเขตระหว่างดอกดวง จากนี้คำนวณได้ว่า อุณหภูมิสูงกว่ากันประมาณ ๓๐๐ องศาเซลเซียส ที่ตรงกลางดอกดวงปรากฏว่าเนื้อสารพลุ่งขึ้นมาด้วยความเร็วเฉลี่ย ๙๐๐ เมตรต่อวินาที
          ลักษณะดังกล่าวข้างบนทำให้มีผู้สันนิษฐานว่า ดอกดวงเหล่านี้ คือส่วนยอดของลำก๊าซร้อนซึ่งพลุ่งขึ้นมาคายความร้อน โดยการแผ่รังสีออกไปในอวกาศ เมื่อเย็นตัวลงแล้วก็กลับจมลงสู่ภายในดวงอาทิตย์อีกในบริเวณรอบๆ ดอกดวง ซึ่งปรากฏเห็นเป็นขอบเขตที่มืดกว่า ดังนั้นปรากฏการณ์นี้จึงเป็นหลักฐานแสดงว่า ดวงอาทิตย์มีการถ่ายเทพลังงานจากระดับลึกภายในออกมาสู่ระดับสูงกว่าในโฟโตสเฟียร์ โดยการพาความร้อน (convection) นั่นเอง
          ดังที่ได้กล่าวมาแล้วว่าในการสำรวจโฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์นั้น จำเป็นต้องมีวิธีการลดความสว่างลง เป็นต้นว่าโดยการใช้กระจกกรองแสงสีดำ หรือฉายภาพจากกล้องโทรทรรศน์ออกมาติดจอเป็นดวงใหญ่ ในการนี้เราจะได้เห็นว่า ในบางบริเวณบนตัวดวงอาทิตย์นั้นมีความสว่างน้อยกว่าพื้นผิวดวง หรือโฟโตสเฟียร์โดยทั่วไป อาณาบริเวณเหล่านี้ปรากฏเป็นจุดมืดและเขตมัวมักรวมตัวกันอยู่เป็นหย่อมๆ นี่คือ กลุ่มจุดของดวงอาทิตย์ (sunspot groups) ซึ่งตามเหตุผลที่กล่าวมานี้จะเห็นได้ว่าไม่ใช่บริเวณที่ดวงอาทิตย์มืดดับไป หากแต่สว่างน้อยกว่าโฟโตสเฟียร์ทั่วไป
          จุดของดวงอาทิตย์ (sunspot) ขนาดปานกลาง มีองค์ประกอบสองส่วนกล่าวคือ บริเวณกลางซึ่งปรากฏคล้ายมืดทีเดียว เรียกว่า บริเวณมืด (umbra) มีความสว่างราว ๒๗ เปอร์เซ็นต์ของโฟโตสเฟียร์ รอบๆ บริเวณมืดนี้ มีอาณาเขตที่ไม่มืดทีเดียวล้อมอยู่ เรียกว่า บริเวณมัว (penumbra)มีความสว่าง ๗๘ เปอร์เซ็นต์ของผิวโฟโตสเฟียร์ เมื่อพิจารณาดูโดยละเอียดเห็นได้ว่าบริเวณมัวมีโครงสร้างเป็นเส้นบางๆ เรียงเป็นแถวและแผ่กระจายจากบริเวณมืดซึ่งอยู่ตรงกลางออกมาโดยรอบ จุดขนาดเล็กบางจุด มีแต่บริเวณมืดไม่มีบริเวณมัว กลุ่มจุดซึ่งมีทั้งบริเวณมืดขนาดต่างๆ อยู่ใกล้ชิดรวมกันเป็นกระจุก มักมีบริเวณมัวร่วมกัน
          ความแตกต่างในความสว่างของลักษณะบนดวงอาทิตย์นี้ เกิดขึ้นเพราะความแตกต่างของอุณหภูมิ กล่าวมาแล้วว่าโฟโตสเฟียร์ มีอุณหภูมิเฉลี่ย ๖,๐๐๐ องศาสัมบูรณ์ บริเวณมืดจะมีอุณหภูมิ๔,๔๐๐ องศาสัมบูรณ์ และบริเวณมัวมีอุณหภูมิ ๕,๗๐๐ องศาสัมบูรณ์
          จุดและกลุ่มจุดไม่ใช่สิ่งที่ปรากฏอยู่คงที่บนดวงอาทิตย์ ดังเช่นที่หลุมบ่อและภูเขาปรากฏอยู่บนพื้นผิวดวงจันทร์ ความจริงจุดและกลุ่มจุดเหล่านี้เปลี่ยนรูปร่าง ขนาด ลักษณะและจำนวนอยู่ทุกขณะ จึงเป็นปรากฏการณ์ซึ่งเกิดขึ้น แล้วมีการเปลี่ยนแปลงไปสู่ความเสื่อมสลาย มีจุดใหม่กลุ่มใหม่ เกิดขึ้นในตำแหน่งใหม่ วนเวียน เปลี่ยนกันอยู่เสมอ
          ในปัจจุบัน นักดาราศาสตร์ สามารถทำการวัดความเข้มของสนามแม่เหล็ก ของวัตถุซึ่งแผ่รังสีให้แสงสว่าง เช่น ดวงอาทิตย์ ได้โดยการวิเคราะห์ แสงที่มาจากวัตถุนั้น ในการนี้เขาจึงสามารถวัดความเข้มของสนามแม่เหล็กในโฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์ได้ และก็ได้พบว่าบริเวณมืดของจุดแต่ละจุด ทำตัวเหมือนขั้วแม่เหล็ก ซึ่งหันออกมาตั้งฉากกับพื้นผิวดวงอาทิตย์ มีความเข้มหรือความแรงมากน้อยตามขนาดคือพื้นที่ของบริเวณมืดนั้น ในกลุ่มจุดหนึ่งๆ จะประกอบด้วยจุดซึ่งมีทั้งขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็ก และอาจมีความเข้มตั้งแต่ ๑,๓๐๐ เกาส์ถึง ๓,๕๐๐ เกาส์หรือในบางกรณีอาจมากกว่านั้น การค้นพบสนามแม่เหล็กในบริเวณจุดและกลุ่มจุดของดวงอาทิตย์ทำให้เกิดข้อสันนิษฐานในปัจจุบันว่า เส้นแรงแม่เหล็กซึ่งพุ่งผ่านโฟโตสเฟียร์นี้ มีอำนาจกีดกันการถ่ายเทพลังงานความร้อนจากภายในขึ้นมายังระดับพื้นผิว จึงทำให้อุณหภูมิและความสว่างในบริเวณนั้นลดลง ปรากฏให้เห็นเป็นจุดและกลุ่มจุดขึ้น
          กลุ่มจุดบนดวงอาทิตย์เป็นแหล่งเกิดปรากฏการณ์น่าสนใจหลายประการ ทั้งในโฟโตสเฟียร โครโมสเฟียร์ และคอโรนาของดวงอาทิตย์ การลุกจ้า หรือการระเบิด (flare) บนดวงอาทิตย์ก็เกิดขึ้นในบริเวณกลุ่มจุด เชื่อว่าสนามแม่เหล็กมีบทบาทสำคัญในการก่อให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆ ของกลุ่มจุด และโดยทั่วไปบนดวงอาทิตย์

ระดับละติจูด บนดวงอาทิตย์	คาบของการหมุนครบรอบคิดเป็นวัน
	ค่าปรากฏวัดได้จากโลก	ค่าจริง
0° 10 ° 20 ° 30 ° 40 °	26.87 27.06 27.59 28.45 29.65	25.03 25.19 25.65 26.39 27.37

: ตารางแสดงคาบของการหมุนรอบตัวของดวงอาทิตย์วัดจากการเคลื่อนที่ของจุด

          ในบริเวณกลุ่มจุดซึ่งอยู่ใกล้ขอบดวงอาทิตย์ดังเช่นในภาพบนนี้ เราจะสังเกตเห็นเกล็ดสว่างกระจัดกระจายอยู่รวมกันเป็นหย่อมๆ สิ่งนี้มีชื่อเรียกว่า แฟคิวเล เกล็ดสว่างของแฟคิวเล มีอุณหภูมิสูงกว่าโฟโตสเฟียร์ประมาณ ๙๐๐ องศา และมีขนาดเฉลี่ยใหญ่กว่าขนาดของดอกดวงเล็กน้อย คือ ประมาณ ๑,๒๐๐ กิโลเมตร กลุ่มจุดทุกกลุ่มมีแฟคิวเล เกิดอยู่ด้วยเสมอไป แต่เมื่อกลุ่มจุดอยู่ในบริเวณกลางดวงจะมองเห็นแฟคิวเลไม่ชัดเจน เพราะโฟโตสเฟียร์สว่างขึ้น ลักษณะปรากฏของแฟคิวเลมีขอบดวง ทำให้น่าสันนิษฐานว่ามันลอยอยู่ในระดับสูงกว่าโฟโตสเฟียร์เล็กน้อยได้มีการวัดพื้นที่บนดวงอาทิตย์ที่ปกคลุมด้วยแฟคิวเล พบว่าโดยเฉลี่ยแล้ว แฟคิวเลคลุมพื้นที่ประมาณ ๔ เท่าของกลุ่มจุดซึ่งมันล้อมรอบเกี่ยวข้องอยู่