ท้องฟ้าที่ไม่ใช่แค่สีฟ้า

 

ภาพจากสถานีอวกาศนานาชาติแสดงสีต่างๆ ของการเรืองแสงของชั้นบรรยากาศ(airglow)

      เมื่อมองท้องฟ้าวันที่แดดสดใสไร้เมฆ คุณจะเห็นฟ้าสีฟ้า แต่นี่เป็นสีที่แท้จริงของท้องฟ้าหรือไม่ หรือสีฟ้าเป็นสีเดียวของท้องฟ้า

     คำตอบอาจจะซับซ้อนเล็กน้อย แต่ก็เกี่ยวข้องกับธรรมชาติของแสง, อะตอม และโมเลกุล และเรื่องจุกจิกในชั้นบรรยากาศโลก และเลเซอร์ยักษ์ด้วย

     ดังนั้นแล้ว สิ่งแรกๆ เมื่อเรามองท้องฟ้าสีฟ้าในวันที่แดดดี เรากำลังได้เห็นอะไร เรากำลังเห็นสีฟ้าของไนโตรเจน หรือสีฟ้าของออกซิเจนกันแน่ คำตอบง่ายๆ ก็คือ ไม่ใช่ แทนที่จะมองเห็นแสงสีฟ้า สิ่งที่เราเห็นก็คือแสงอาทิตย์ที่เกิดการกระเจิง(scattering) ดวงอาทิตย์ผลิตแสงช่วงตาเห็นในสเปคตรัมที่กว้าง ซึ่งเรามองเห็นเป็นสีขาวนั้นแท้ที่จริงแล้วมันประกอบด้วยสีทั้งหมดบนสายรุ้ง

      เมื่อแสงอาทิตย์ผ่านทะลุอากาศ, อะตอมและโมเลกุลในชั้นบรรยากาศ จะเกิดการกระเจิงของแสงสีฟ้าออกมากกว่าแสงสีแดงในทุกทิศทุกทาง นี่เรียกว่า การกระเจิงเรย์ลีห์(Rayleigh scattering) และผลที่ได้ก็คือ ดวงอาทิตย์สีขาวและท้องฟ้าสีฟ้าในกลางวันที่สดใส

      แต่เมื่ออาทิตย์ตก เราจะได้เห็นผลในทางย้อนกลับ เนื่องจากแสงอาทิตย์จะต้องผ่านอากาศมากขึ้นเพื่อมาถึงเรา เมื่อดวงอาทิตย์ใกล้ลับขอบฟ้า แสงสีฟ้าทั้งหมดก็กระเจิง(หรือถูกดูดกลืนโดยฝุ่น) ดังนั้น เราจึงได้ดวงอาทิตย์สีแดง โดยมีเฉดสีฟ้าอยู่รอบๆ แล้วถ้าแสงที่เราได้เห็นเป็นแสงที่กระเจิงออกมาทั้งหมด แล้วสีที่แท้จริงของท้องฟ้าเป็นสีอะไร บางทีเราจะหาคำตอบได้ในตอนกลางคืน

เงาร่างของต้นไม้ที่มีแอร์โกลว์ที่ท้องฟ้าพื้นหลัง

      ถ้ามองท้องฟ้ายามกลางคืน มันก็ดูจะมืด แต่ก็ไม่ได้ดำปี๋ ใช่เพราะว่ามีดาวอยู่มากมาย แต่ท้องฟ้ายามค่ำคืนก็เรืองสว่างด้วย ไม่ใช่เพราะมลภาวะทางแสง แต่เพราะชั้นบรรยากาศเรืองแสงเองตามธรรมชาติ ในคืนเดือนมืดในย่านชนบทไกลกว่าแสงของเมือง คุณจะมองเห็นต้นไม้และเนินเขาเป็นเงาตัดกับท้องฟ้า แสงเรืองนี้เรียกว่า airglow เกิดขึ้นจากอะตอมและโมเลกุลในชั้นบรรยากาศ ในช่วงแสงที่ตาเห็น ออกซิเจนจะสร้างสีเขียวและสีแดง โมเลกุลไฮดรอกซิล(OH) สร้างสีแดง และโซเดียมสร้างสีเหลือง ไนโตรเจนซึ่งพบได้มากกว่าโซเดียมในอากาศ ไม่ได้มีผลต่อแอร์โกลว์เท่าใดนัก

     สีที่โดดเด่นของ airglow จึงเป็นผลจากอะตอมและโมเลกุลที่เปล่งพลังงานที่จำเพาะ(ควอนตา) ในรูปแบบของแสง ยกตัวอย่างเช่น ที่ระดับความสูงที่มาก แสงอุลตราไวโอเลตจะสามารถแยกออกซิเจน(O2) ออกเป็นอะตอมออกซิเจน 2 อะตอม และเมื่ออะตอมเหล่านี้กลับไปรวมกันกลายเป็นโมเลกุลออกซิเจนเหมือนเดิม จะสร้างแสงสีเขียวออกมา

     โซเดียมซึ่งพบเพียงน้อยนิดในชั้นบรรยากาศ แต่ก็ส่งผลอย่างมากต่อแอร์โกลว์ และก็มีกำเนิดที่ไม่ปกติอย่างมาก คือ มาจากดาวตก เมื่อคุณได้เห็นดาวตกในยามค่ำคืนที่ฟ้ามืด อาจจะมีอุกกาบาตก้อนจิ๋วที่เป็นเม็ดฝุ่นซึ่งร้อนขึ้นและระเหยในชั้นบรรยากาศส่วนบน เมื่อพวกมันเดินทางด้วยความเร็วมากกว่า 11 กิโลเมตรต่อวินาที เมื่อดาวตกวิ่งผ่านท้องฟ้า ที่ราวระดับความสูง 100 กิโลเมตร จะทิ้งรอยอะตอมและโมเลกุลไว้

     บางครั้งก็มองเห็นดาวตกในสีที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นผลจากอะตอมและโมเลกุลที่มีในดาวตก ดาวตกที่สว่างมากๆ จะทิ้งเส้นควันให้มองเห็นได้ และในบรรดาอะตอมและโมเลกุลเหล่านั้น ก็คือโซเดียมจำนวนน้อยนิดด้วย ชั้นของอะตอมโซเดียมที่อยู่สูงนี้แท้จริงแล้วมีประโยชน์สำหรับนักดาราศาสตร์ ชั้นบรรยากาศของเรานั้นมีการเคลื่อนที่แบบตั้งฉาก กล่าวคือ ความปั่นป่วนและทำให้ภาพดาวเคราะห์, ดาวและกาแลคซีเบลอ

ภาพจากสถานีอวกาศนานาชาติจับภาพดาวตกและแอร์โกลว์

     เพื่อชดเชยผลจากความปั่นป่วนในชั้นบรรยากาศนี้ นักดาราศาสตร์ต้องถ่ายภาพดาวที่สว่างอย่างรวดเร็ว และตรวจสอบว่าภาพของดาวบิดเบี้ยวไปแค่ไหน กระจกพิเศษที่บิดไปมาก็จะถูกปรับเพื่อกำจัดการรบกวนนี้ สร้างภาพที่บางครั้งก็คมชัดกว่าที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศ เทคนิคซึ่งเรียกว่า adaptive optics นี้ทรงพลังแต่ก็ยังมีปัญหาใหญ่ก็คือ ไม่ได้มีดาวที่สว่างตามธรรมชาติพอสำหรับระบบให้ทำงานได้ตลอดทั้งคืน ดังนั้น นักดาราศาสตร์จึงสร้างดาวประดิษฐ์ขึ้นบนท้องฟ้าเรียกว่า ดาวนำทางเลเซอร์(laser guide stars)

     โซเดียมอะตอมเหล่านั้นอยู่สูงเหนือชั้นบรรยากาศที่ปั่นป่วน และเราสามารถทำให้มันเรืองสว่างไสวโดยการยิงเลเซอร์ขึ้นไปเปลี่ยนให้โซเดียมเรืองสีเหลือง ดาวประดิษฐ์ที่ได้ก็จะถูกใช้กับระบบปรับกระจกต่อไป ดาวตกที่คุณได้เห็นจึงช่วยเราให้ได้มองเห็นเอกภพได้ชัดเจนขึ้น

      ดังนั้น ท้องฟ้าจึงไม่ได้เป็นสีฟ้าตลอด เมื่อมีการเรืองแสงบนท้องฟ้ายามค่ำคืนด้วย ซึ่งมีสีผสมระหว่างเขียว, เหลือง และแดง สีของมันเป็นผลจากแสงอาทิตย์ที่กระเจิงออก, ออกซิเจนและโซเดียมจากดาวตก

แหล่งข่าว space.com : the sky isn’t just blue – airglow makes it green, yellow and red too
                astronomy.com :  the sky isn’t just blue – airglow makes it green, yellow and red too