เคมีบรรยากาศกับพายุประจุไฟฟ้าบนดาวอังคาร

ยานสำรวจ TGO ตรวจพบการเรืองแสงสีเขียวของออกซิเจนบริเวณด้านกลางวันของดาวอังคาร
ที่มา European Space Agency

 

          ดาวอังคาร (Mars) เป็นสถานที่ที่นักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจศึกษามาเป็นเวลานาน เพราะดาวเคราะห์สีแดงแห่งนี้อาจเคยมีลักษณะเหมือนโลกเมื่อครั้งอดีต กระทั่งอาจกลายเป็นบ้านหลังที่สองของมนุษย์ในอนาคตภายภาคหน้า ตลอดหลายปีที่ผ่านมา องค์กรด้านอวกาศอย่าง NASA และ ESA ได้ส่งยานอวกาศและหุ่นยนต์ไปสำรวจสมบัติทางฟิสิกส์และเคมีของดาวอังคารหลายต่อหลายครั้ง รวมถึงมองหาเบาะแสของหลักฐานที่เป็นองค์ประกอบหรือร่องรอยของสิ่งมีชีวิต แม้จะถูกศึกษามานานปี แต่ดาวเคราะห์สีแดงดวงนี้ก็ยังมีความลับที่เรายังไม่รู้ซุกซ่อนอยู่อีกมากมาย


          จากรายงานเมื่อเดือนมิถุนายนที่ผ่านมา ระบุว่ายานสำรวจของโครงการ ExoMars ที่ชื่อว่า Trace Gas Orbiter (TGO) ของ ESA สามารถตรวจจับการเรืองแสงสีเขียวในบรรยากาศของดาวอังคารได้เป็นครั้งแรกบนโลกของเราแสงสีเขียวดังกล่าวเกิดจากอนุภาคของรังสีคอสมิก (Cosmic Ray) ที่เดินทางมาจากอวกาศและพุ่งเข้าชนกับบรรยากาศระดับสูง ส่งผลให้อะตอมของแก๊สที่อยู่ในสถานะพื้น (Ground State) ถูกเร่งให้อยู่ในสถานะถูกกระตุ้น (Excited State) จากนั้นจึงปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือการเรืองแสงเพื่อกลับคืนสู่สถานะพื้นและกลายเป็นส่วนหนึ่งของแสงออโรร่า (Aurora)

 

แสงสีเขียวบนโลก (Earth Airglow) ที่สังเกตพบจากสถานีอวกาศนานาชาติ
ที่มา European Space Agency

 

          แสงออโรร่าเป็นเพียงวิธีหนึ่งที่ทำให้บรรยากาศของดาวเคราะห์สุกสว่างขึ้น แต่ความจริงแล้วบรรยากาศของดาวเคราะห์อย่างโลกและดาวอังคารมีการส่องสว่างอยู่ตลอดเวลาทั้งกลางวันและกลางคืนจากแสงอาทิตย์ที่ทำปฏิกิริยากับอะตอมและโมเลกุลในบรรยากาศการเรืองแสงทั้งกลางวันและกลางคืนเกิดจากกลไกที่แตกต่างกันเล็กน้อย กล่าวคือการเรืองแสงในเวลากลางคืนเกิดจากโมเลกุลของแก๊สในบรรยากาศที่แยกตัวออกจากกันแล้วกลับมารวมตัวกันอีกครั้งขณะที่การเรืองแสงในเวลากลางวันเกิดจากแสงอาทิตย์ที่กระตุ้นอะตอมและโมเลกุลในบรรยากาศ เช่น ไนโตรเจนและออกซิเจน

          บนโลกของเรา แสงสีเขียวยามค่ำคืนค่อนข้างจางและมองเห็นได้ยาก แต่เมื่อสังเกตจากอวกาศจะสามารถมองเห็นได้ง่าย สาเหตุที่เป็นเช่นนี้เพราะพื้นผิวที่ส่องสว่างของโลกกลบแสงสีเขียวให้ลบเลือนลง ส่วนการตรวจจับแสงสีเขียวของยานสำรวจ TGO สามารถทำได้โดยใช้อุปกรณ์ขั้นสูงที่เรียกว่า Nadir and Occultation for Mars Discovery (NOMAD) และอุปกรณ์ Ultraviolet and Visible Spectrometer (UVIS) ที่ระดับความสูง 20 ถึง 400 กิโลเมตรจากพื้นผิวของดาวอังคาร แสงสีเขียวดังกล่าวมีความชัดเจนมากที่สุดที่ความสูง 80 กิโลเมตรโดยมีความเข้มมากกว่าแสงอัลตราไวโอเล็ตประมาณ 16.5 เท่า และเมื่อทำการวิเคราะห์ข้อมูลก็พบว่าแสงสีเขียวเหล่านี้เกิดจากออกซิเจนที่แตกตัวออกมาจากคาร์บอนไดออกไซด์ การค้นพบทางฟิสิกส์อะตอมและฟิสิกส์บรรยากาศของดาวอังคารในครั้งนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์มีความเข้าใจเกี่ยวกับผลกระทบของดวงอาทิตย์ที่มีต่อดาวอังคารที่ระดับความสูงต่างๆ ที่เปลี่ยนแปลงไปในแต่ละช่วงเวลามากขึ้น

การตรวจวัดการเรืองแสงสีเขียวจากอุปกรณ์ NOMAD (เส้นสีเขียว) เปรียบเทียบกับค่าทางทฤษฎี (เส้นสีแดง)

สเปกตรัมของออกซิเจนที่ระดับความสูงต่างๆ
ที่มา J.-C. Gérard et al. (2020)

 

          ถัดจากบรรยากาศระดับสูง เราจะขยับลงมาพิจารณาบรรยากาศที่อยู่ใกล้พื้นผิวของดาวอังคารกันต่อ ปกติแล้วบนพื้นผิวของดาวอังคารจะมีโมเลกุลอินทรีย์ที่มีคาบการเปลี่ยนแปลงเป็นวัฏจักร มีพายุฝุ่นขนาดใหญ่ก่อตัวขึ้นเป็นประจำทุกสองปี รวมถึงมีพายุฝุ่นขนาดเล็กเกิดขึ้นทุกปี แต่ที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ยังมีข้อสงสัยมากมายว่าโมเลกุลอินทรีย์เหล่านั้นเกิดจากแหล่งกำเนิดใดและวัฏจักรมีกลไกการเปลี่ยนแปลงอย่างไร แต่งานวิจัยเมื่อเดือนพฤษภาคม ค.ศ.2020 ที่ผ่านมาโดยทีมนักวิจัยจาก Washington University, Stony Brook University, Shandong University และ Goddard Space Flight Center ของ NASA ได้ค้นพบว่ามีปัจจัยอื่นที่มีบทบาทสำคัญในการขับเคลื่อนคลอรีนจากพื้นผิวขึ้นสู่บรรยากาศของดาวอังคารก่อนที่คลอรีนเหล่านั้นจะตกลงมาทับถมและแทรกซึมลงสู่ใต้พื้นผิวระดับตื้น

พายุฝุ่นบนดาวอังคาร
ที่มา NASA

 

          การค้นพบดังกล่าวเกิดจากการที่นักวิจัยจำลองการปลดปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตย์ที่เหมือนกับการปลดปล่อยประจุไฟฟ้าจากพายุฝุ่นบนดาวอังคารเพื่อศึกษาอันตรกิริยาทางเคมีระหว่างพื้นผิวกับบรรยากาศ (Surface-Atmosphere Chemical Interaction) ภายในห้องปฏิบัติการที่เรียกว่า Planetary Environment and Analysis Chamber (PEACh) ผลลัพธ์คือไม่ได้มีเพียงคลอรีนเท่านั้นที่ถูกออกซิไดซ์ แต่ยังมีอนุมูลอิสระจำนวนมากที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากโมเลกุลของสสารและขับเคลื่อนไปตามวัฏจักรบนดาวอังคาร ปรากฏการณ์ลักษณะดังกล่าวไม่เหมือนกับที่พบบนโลกเนื่องจากวัฏจักรทางเคมีบนโลกถูกขับเคลื่อนโดยดวงอาทิตย์ (Photochemical Reaction) ในขณะที่บนดาวอังคารเกิดจากพายุฝุ่นขนาดใหญ่และลมหมุนขนาดเล็กที่เรียกว่า ฝุ่นปีศาจ (Dust Devil)

          ในอดีตกาล ดาวอังคารอาจเคยอบอุ่นและชื้นแฉะคล้ายกับโลก แต่การหดหายไปของบรรยากาศเนื่องจากการกัดเซาะของลมสุริยะ (Solar Wind Erosion) ได้ทำให้ดาวอังคารกลายเป็นดาวเคราะห์ที่เย็นและแห้งผาก ประจุไฟฟ้าจึงเกิดขึ้นได้ง่ายและมีบทบาทสำคัญบนดาวอังคารผลการศึกษานี้สอดคล้องกับหลักฐานทางธรณีเคมี(Geochemistry)และเคมีบรรยากาศ(Atmospheric Chemistry) ที่ได้จากการทดลองและการสำรวจอื่นๆ ซึ่งจะนำไปสู่การศึกษาสารอินทรีย์ทางชีวธรณีเคมี (Biogeochemistry) เกี่ยวกับองค์ประกอบของชีวิตหรือสิ่งมีชีวิตที่อาจเคยอยู่บนดาวอังคารในอดีต

บทความโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์