ทำไมท้องฟ้าตอนกลางคืนไม่เคย "มืดสนิท" ?

คอลัมน์ ฟิสิกส์ธรรมดาสาระมันส์
โดย อาจวรงค์ จันทมาศ www.facebook.com/ardwarong

เชื่อหรือไม่ว่าท้องฟ้าบนโลกเราไม่เคยมืดสนิทเลย?

วิธีพิสูจน์คือ ลองไปอยู่ในสถานที่ที่ท้องฟ้ามืดที่สุดเท่าที่จะหาได้สิครับ จากนั้นลองยื่นมือออกไปแล้วยกขึ้นทาบกับท้องฟ้า คุณจะพบว่ามือของคุณมืดกว่าท้องฟ้าที่เป็นฉากหลัง เพราะท้องฟ้าจะมีแสงเรื่อๆ บางๆ อยู่จนเห็นเหมือนภาพย้อนแสงเสมอ หรือหากสังเกตภาพถ่ายท้องฟ้าตอนกลางคืน จะพบว่าท้องฟ้าสว่างกว่าเมื่อเทียบกับต้นไม้มืดๆ ที่อยู่ในกรอบภาพเดียวกัน (รูป 1 และรูป 2)

แล้วสาเหตุที่ทำให้ท้องฟ้าไม่มืดสนิทนั้นคืออะไร?

หากเราตัดประเด็นเรื่องแสงจากเมืองและอุปกรณ์กำเนิดแสงต่างๆ ที่มนุษย์สร้างขึ้นแล้ว สนใจเฉพาะแสงที่มาจากธรรมชาติ จะพบว่ามีปัจจัยหลายอย่างที่ทำให้ท้องฟ้าไม่มืดสนิท

ปัจจัยแรกคือ แสงจากดวงดาว ซึ่งมาจากดาวที่เรามองเห็น รวมทั้งดาวที่อ่อนแสงจนเรามองไม่เห็น ซึ่งดาวเหล่านี้บางส่วนเปล่งแสงกระทบฝุ่นที่อยู่ในระนาบทางช้างเผือกจนเกิดการกระเจิงแสงให้ท้องฟ้าสว่างเรื่อ

แสงในส่วนนี้เป็นปัจจัยหลักที่มีผลมากถึงหนึ่งในสามของแสงบนท้องฟ้า

ปัจจัยที่สองคือ แสงจักรราศี (zodiacal light) (รูป 3) เกิดจากแสงของดวงอาทิตย์ที่สะท้อนฝุ่นจากดาวหางและดาวเคราะห์น้อยที่โคจรในระนาบของระบบสุริยะ ดังนั้นความเข้มของแสงจักรราศีจึงขึ้นอยู่กับละติจูดของผู้สังเกต ฤดูกาล และความรุนแรงของกิจกรรมบนดวงอาทิตย์

ปัจจัยสุดท้ายที่ส่งผลในวงกว้างที่สุดคือ การเรืองแสงของอากาศ (air glow)

ภาพถ่ายจากสถานีอวกาศนานาชาติแสดงให้เราเห็นว่า ขอบโค้งของโลกถูกหุ้มด้วยชั้นอากาศบางๆ ที่เปล่งแสงสีเขียว (รูป 4) จะสังเกตว่าแสงเรืองของอากาศนั้นกระจายไปทั่วทั้งบริเวณเส้นศูนย์สูตรและขั้วโลก ในขณะที่แสงออโรรานั้นจะมีความเข้มสูงบริเวณขั้วแม่เหล็กโลกเท่านั้น

แสงสีเขียวจากการเรืองอากาศนี้อาจดูคล้ายกับสีเขียวของแสงออโรรา เนื่องจากทั้งสองปรากฏการณ์นี้เกิดจากอะตอมและโมเลกุล (โดยเพาะออกซิเจน) ที่ระดับความสูงราวๆ 100 กิโลเมตร ถูกกระตุ้นแล้วคายพลังงานออกมา แต่กลไกการเกิดปรากฏการณ์ทั้งสองอย่างนี้มีความต่างกัน

แสงออโรราเกิดจากอนุภาคมีประจุพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์พุ่งเข้าใส่อะตอมและโมเลกุลของก๊าซออกซิเจนและก๊าซไนโตรเจนด้วยความเร็วสูงเมื่ออนุภาคก๊าซจำนวนมหาศาลเหล่านั้นกลับสู่สภาวะเดิมจะเกิดการคายพลังงานออกมาจนเห็นเป็นแสงออโรรา

ส่วนการเรืองแสงของอากาศ (air glow) นั้นเกิดจากรังสีอัลตราไวโอเล็ต หรือรังสียูวีจากดวงอาทิตย์ (รังสีชนิดนี้มีพลังงานสูงมากจนส่งผลให้เกิดโรคมะเร็งผิวหนังได้ หากได้รับในปริมาณที่มากเกินไป) รังสียูวีทำให้เกิดกระบวนการหลายอย่างที่บรรยากาศชั้นบนของโลกที่ทำให้เกิดการเรืองแสงของอากาศ เช่น รังสียูวีกระตุ้นให้อะตอมหรือโมเลกุลของก๊าซมีพลังงานสูง เมื่อกลับสู่สถานะเดิมจะเกิดการคายพลังงานออกมา รวมทั้ง photo-ionization ซึ่งรังสียูวีทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากอะตอม แล้วอิเล็กตรอนดังกล่าวจะถูกอะตอมรอบข้างจับไว้ทำให้เกิดการปล่อยพลังงานออกมาในรูปแสงที่ตามองเห็น

ทุกวันนี้กล้องถ่ายภาพแบบดิจิตอลสามารถปรับ ISO (ความไวแสง) ให้มีค่าสูงมากได้ ทำให้การเรืองแสงของอากาศถูกพบได้ในภาพถ่ายที่เปิดรูรับแสงไว้นานๆ โดยมีลักษณะเป็นริ้วๆ (รูป 5)

ไว้ลองสังเกตปรากฏการณ์นี้กันดูนะครับ ใครเห็นเป็นอย่างไรอย่าลืมนำมาเล่าให้ฟังบ้าง