ดาวเทียม ICESat-2 ของนาซาพร้อมเลเซอร์วัดระดับความสูงของผิวโลกทะยานสู่อวกาศ

(ภาพจาก https://www.nasa.gov/content/goddard/icesat-2-images)

เมื่อวันเสาร์ที่ 15 กันยายน 2561 เวลา 9.02 น. ตามเวลาท้องถิ่นของรัฐแคลิฟอร์เนียของประเทศสหรัฐอเมริกา จรวดเดลต้าทู (Delta II) ที่ข้างในบรรจุดาวเทียมไอซ์แซททู (ICESat-2) ของนาซา ได้ทะยานขึ้นจากฐานทัพอากาศแวนเดนเบิร์ก (Vandenberg Air Force Base) และปล่อยดาวเทียมไอซ์แซททูเข้าสู่วงโคจรในห้วงอวกาศเป็นผลสำเร็จ ดาวเทียมไอซ์แซททูติดตั้งระบบเลเซอร์ที่มีความว่องไวสูงเพื่อใช้ในการตรวจวัดระดับความสูงของผิวโลกได้อย่างแม่นยำขึ้น โดยเฉพาะระดับความสูงของน้ำแข็งขั้วโลกและผืนป่า

 
    ภาพของผิวโลกที่ถ่ายโดยกล้องถ่ายภาพทั่วไปซึ่งถูกติดตั้งไว้บนดาวเทียมเป็นภาพสองมิติ ภาพเหล่านี้ช่วยให้เราระบุสิ่งของและวัดขนาดของพื้นที่ต่างๆ ได้ แต่แน่นอนว่าผิวโลกเป็นเป็นระบบสามมิติที่มีความสูงด้วย ความสามารถในการวัดระดับความสูงของวัตถุบนผิวโลกเช่น ความสูงของน้ำแข็งขั้วโลก จะช่วยให้เราสามารถวัดปริมาตรที่แน่นอนของวัตถุดังกล่าวได้ มันจะช่วยให้เราเห็นความเปลี่ยนแปลงของปริมาตรในแต่ละปี ข้อมูลตรงนี้จะเป็นประโยชน์ในการศึกษาผลของปัญหาโลกร้อนที่มีต่อปริมาตรน้ำแข็ง และหาว่าการเพิ่มขึ้นของระดับน้ำทะเลในหลายๆ แห่งทั่วโลกมีส่วนมาจากการลดลงของปริมาตรน้ำแข็งอย่างไร  
 

รูปที่ 1 เลเซอร์แสงสีเขียวความยาวคลื่น 532 นาโนเมตรที่ดาวเทียมไอซ์แซททูใช้ในการวัดความสูงของผิวโลก
(ภาพจาก https://www.youtube.com/watch?v=g3qmgopJt_8)

    ดาวเทียมไอซ์แซททูของนาซาบรรจุระบบเลเซอร์วัดระดับความสูงที่มีความว่องไวสูงชื่อว่าแอ็ทลาส (ATLAS: Advanced Topographic Laser Altimeter System) ที่สามารถตรวจจับได้แม้กระทั่งโฟตอนไม่กี่ตัว (โฟตอน: อนุภาคเล็กย่อยที่สุดของแสง) ทำให้มันสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของความสูงของผิวโลกได้ในระดับ 4 มิลลิเมตรต่อปี  
    ระบบแอ็ทลาสใช้เครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์สีเขียวความยาวคลื่น 532 นาโนเมตร [2] เพียงเครื่องเดียวในการสร้าง “พัลส์เลเซอร์” (laser pulse) ดังแสดงในรูปที่ 1 
 

รูปที่ 2 (ซ้าย) ลำแสงเลเซอร์สีเขียว 6 ลำที่สร้างโดยไอซ์แซททู (ขวา) คู่ของลำแสงเลเซอร์สีเขียวที่อยู่ห่างกันเป็นระยะทาง 90 เมตร
(ภาพจาก https://www.youtube.com/watch?v=g3qmgopJt_8, https://www.youtube.com/watch?v=jOFF6vmzEYQ) 

ลำแสงที่ถูกสร้างขึ้นจะถูกแบ่งออกเป็นอีก 6 ลำแสงดังแสดงในรูปที่ 2(ซ้าย) และลำแสงสองลำจะถูกจับคู่เข้าด้วยกัน โดยลำแสงหนึ่งจะอยู่ข้างหน้าส่วนอีกลำแสงจะอยู่ข้างหลังห่างจากกันเป็นระยะทาง 90 เมตร [2] การจับคู่ลำแสงแบบนี้ช่วยให้ระบบสามารถตรวจวัดความชันของผิวโลกได้ด้วยดังแสดงในรูปที่ 2 (ขวา) ลำแสงเหล่านี้จะถูกยิงออกจากไอซ์แซททูให้วิ่งไปตกกระทบลงบนผิวโลก จากนั้นลำแสงจะสะท้อนออกจากผิวโลก แล้ววิ่งกลับเข้าสู่หัววัดของไอซ์แซททูดังแสดงในรูปที่ 3 
 

รูปที่ 3 รูปสาธิตการปล่อยและรับพัลส์เลเซอร์ของไอซ์แซททู 
(ภาพจาก https://www.youtube.com/watch?v=g3qmgopJt_8)

พัลส์เลเซอร์เป็นแสงเลเซอร์ที่มีพลังงานไม่ต่อเนื่องที่เวลาต่างกัน มันมีลักษณะคล้ายกันกับสัญญาณชีวิตที่ปรากฏอยู่บนหน้าจอของเครื่องตรวจวัดชีพจร หรือคล้ายกันกับลูกปืนขนาดจิ๋วที่ถูกยิงรัวออกจากปากกระบอกปืน ไอซ์แซททูสามารถยิงพัลส์เลเซอร์ 10,000 พัลส์ลงสู่พื้นผิวโลกได้ภายในเวลา 1 วินาที [2] โฟตอนที่อยู่ภายในพัลส์เลเซอร์แต่ละพัลส์มีจำนวนถึงสามแสนล้านล้านตัว เมื่อโฟตอนเหล่านี้ตกกระทบลงบนผิวโลกแล้ว พวกมันจะสะท้อนออกจากผิวโลกในทุกๆ ทิศทางดังแสดงในรูปที่ 4(ซ้าย) ทำให้มีเพียงโฟตอนไม่กี่สิบตัวเท่านั้นที่เคลื่อนที่กลับไปยังไอซ์แซททูดังแสดงในรูปที่ 4(ขวา) แต่หัววัดที่ว่องไวสูงของไอซ์แซททูจะสามารถตรวจจับโฟตอนเหล่านี้ได้หมด
 

รูปที่ 4 (ซ้าย) โฟตอนที่มาจากไอซ์แซททูจะสะท้อนออกจากพื้นผิวโลกในทุกๆ ทิศทาง (ขาว) มีเพียงโฟตอนไม่กี่สิบตัวเท่านั้นที่วิ่งกลับไปยังไอซ์แซททู
(ภาพจาก https://www.youtube.com/watch?v=03IaQo8ou5M) 

    ไอซ์แซททูจะทำการวัดเวลาที่โฟตอนใช้ในการเดินทางไปกลับระหว่างตัวมันและผิวโลกด้วยความละเอียดถึง 0.8 นาโนวินาที [2] เมื่อเปรียบเทียบเวลาที่วัดได้กับตำแหน่งที่แน่นอนของไอซ์แซททูในอวกาศแล้ว นักวิทยาศาสตร์จะสามารถคำนวณหาความสูงของผิวโลกได้อย่างแม่นยำ ไอซ์แซททูจะสามารถวัดระดับความสูงของผิวโลกได้ทุกๆ 71 เซนติเมตรตามเส้นทางโคจรของตัวมันเอง  


    ไอซ์แซททูจะหมดอายุการทำงานในอีก 3 ปีข้างหน้า ดาวเทียมดวงนี้เป็นทายาทรุ่นอัพเกรดของดาวเทียมไอซ์แซทของนาซาซึ่งเข้าสู่วงโคจรเมื่อปี ค.ศ. 2003 และสิ้นสุดอายุการทำงานไปแล้วในปี ค.ศ. 2009 ดาวเทียมไอซ์แซทใช้รังสีอินฟราเรดและสามารถปล่อยพัลส์ได้เพียง 40 พัลส์ทุกๆ 1 วินาที ทำให้มันสามารถวัดความสูงของผิวโลกได้เพียงทุกๆ 170 เมตรตามเส้นทางโคจรของดาวเทียมไอซ์แซท ดังนั้นไอซ์แซททูที่ใช้เลเซอร์แสงสีเขียวจึงให้แผนที่แสดงระดับความสูงของผิวโลกที่ละเอียดกว่ามาก 


    ในขณะนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังตรวจสอบการทำงานของดาวเทียมไอซ์แซททู และพวกเขาจะเริ่มทำการวัดระดับความสูงของผิวโลกจริงในอีก 2 สัปดาห์ข้างหน้านับจากวันปล่อยตัว นักวิทยาศาสตร์คาดว่าข้อมูลจากการวัดจะเป็นประโยชน์ต่อการศึกษาผลของการละลายของน้ำแข็งที่กรีนแลนด์และแอนตาร์กติกาต่อการเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำทะเล ช่วยประเมินความหนาของแผ่นน้ำแข็งทะเลและเฝ้าตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่อาจเกิดขึ้น และสุดท้ายช่วยประเมินปริมานที่แน่นอนของพืชพันธ์ของผืนป่าทั่วโลก       


 

เรียบเรียงโดย

ดร. ปิยวัฒน์ ทัพสนิท
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

• [1] https://www.nasa.gov/content/goddard/about-icesat-2
• [2] https://icesat-2.gsfc.nasa.gov/science/specs