ชั้นบรรยากาศของโลกจริงๆ แล้วไปไกลถึงดวงจันทร์

โลกถ่ายจากสถานีอวกาศนานาชาติ
(ภาพจาก https://www.travelandleisure.com/trip-ideas/space-astronomy/earth-from-space#reflections)

โลกเมื่อมองจากอวกาศช่างสวยงามจริงๆ เป็นรูปทรงกลมสีน้ำเงิน นี่คือบ้านของเรา ผู้คนทั้งหมดที่เรารู้จักล้วนอาศัยอยู่ที่นี่ เมื่อนักวิทยาศาสตร์ในสถานีอวกาศนานาชาติได้ถ่ายรูปโลกจากที่นั่น เราเห็น เมฆ ผืนดิน และมหาสมุทรอันกว้างใหญ่ และถ้าสังเกตแล้วตรงขอบโลกเราจะเห็นเป็นชั้นบรรยากาศของโลกสีน้ำเงินบางๆ ปกคลุมโลกอยู่ โดยมีความดำมืดของอวกาศเป็นฉากหลัง แต่จริงๆ แล้วชั้นบรรยากาศของโลกไม่ใช่แค่ส่วนบางๆ สีน้ำเงินแบบที่เราเห็น จากผลการวิจัยที่พึ่งตีพิมพ์ใหม่พบว่าชั้นบรรยากาศของโลกจริงๆ แล้วไปไกลถึงดวงจันทร์


เส้นคาร์มัน (Kármán line)  ตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ Theodore von Kármán เขาเป็นคนแรกที่คำนวณว่าชั้นบรรยากาศต้องอยู่สูงไปเท่าไหร่ อากาศจึงเบาบางมากจนเครื่องบินที่ใช้แรงยกทางอากาศพลศาสตร์ของปีกไม่สามารถบินได้ จากการคำนวณของเขาพบว่ามันคือที่ความสูง 83.6 กิโลเมตรจากพื้นโลก เส้นเส้นคาร์มันคือการพยายามกำหนดขอบเขตระหว่างชั้นบรรยากาศของโลกและอวกาศ โดยกองทัพอากาศสหรัฐฯ และ NASA กำหนดว่ามันคือที่ระยะความสูง 80 กิโลเมตรจากระดับน้ำทะเล


ตอนสมัยเรียนช่วงมัธยมศึกษาถ้าเรายังจำได้มีสอนเรื่องบรรยากาศของโลก โดยมี 5 ชั้นดังนี้

1.โทรโพสเฟียร์ (troposphere) คือที่ระยะ 0 ถึง 12 กิโลเมตร
2.สตราโทสเฟียร์ (stratosphere) คือที่ระยะ 12-50 กิโลเมตร
3.มีโซสเฟียร์ (mesosphere) คือที่ระยะ 50-80 กิโลเมตร
4.เทอร์โมสเฟียร์ (thermosphere) คือที่ระยะ 80-700 กิโลเมตร 
5. เอกโซสเฟียร์ (exosphere) คือที่ระยะ 700 กิโลเมตรขึ้นไป

กล่าวโดยคร่าวๆ บรรยากาศของโลกคือชั้นของแก๊สที่เรารู้จักกันว่าอากาศ ซึ่งล้อมรอบโลกของเราไว้ อันเป็นผลมาจากแรงดึงดูดของโลก แต่ความจริงแล้วมันซับซ้อนกว่านี้ จนถึงตอนนี้ทีมของนักดาราศาสตร์พบว่าชั้นบรรยากาศของโลกมันใหญ่กว่าที่เคยคิดไว้ มันสูงขึ้นไปจนครอบถึงดวงจันทร์และเลยออกไป บริเวณเหล่านี้เราเรียกว่าจีโอโคโรนา (geocorona) มันคือบริเวณที่ไกลที่สุดของชั้นบรรยากาศของโลก มันจัดอยู่ในชั้นเอกโซสเฟียร์ มันประกอบด้วยไฮโดรเจนที่เป็นกลาง ที่อยู่กันอย่างเบาบาง ซึ่งมันจะดูส่องแสงเล็กน้อยจากแสงอัลตราไวโอเลตไกล (Far ultraviolet) ที่ส่องมา


ในตอนแรกนั้นนักวิทยาศาสต์คิดว่าส่วนที่ไกลที่สุดของจีโอโคโรนาน่าจะอยู่ที่ 200 000 กิโลเมตรจากโลก เพราะที่ระยะนี้แรงดันเหตุรังสี (radiation pressure) ของดวงอาทิตย์จะมีอิทธิพลมากกว่าแรงดึงดูดของโลกข้อมูลที่ได้จากยานอวกาศ Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) ที่ถูกปล่อยไปสำรวจดวงอาทิตย์ตั้งแต่ ปี ค.ศ. 1995 พบว่าจีโอโคโรนานั้นแผ่ไปไกลกว่านั้นมากคือไปไกลถึง 630 000 กิโลเมตรจากพื้นโลกเลยทีเดียว นั่นกินระยะครอบคลุมไปถึงวงโคจรของดวงจันทร์ ฉะนั้นชั้นบรรยากาศของโลกจริงๆ แล้วไปไกลถึงดวงจันทร์และแผ่เลยออกไปอีก 

(ภาพจาก https://www.sciencealert.com/earth-s-atmosphere-is-so-big-that-it-actually-engulfs-the-moon)

รังสีอัลตราไวโอเลตนั้นมีความยาวคลื่น 10-400 นาโนเมตร โดยอัลตราไวโอเลตไกล (Far ultraviolet) นั้นจะมีความยาวคลื่นอยู่ที่ 122-200 นาโนเมตร ในยานอวกาศ SOHO มีอุปกร์ตรวจวัดชนิดหนึ่งที่ชื่อว่า Solar Wind Anisotropies  หรือ SWAN ถูกสร้างมาเพื่อใช้วัดอัลตราไวโอเลตไกลที่ปลดปล่อยจากไฮโดรเจนอะตอมหรือเรียกอีกอย่างว่า ไลแมน-อัลฟาโฟตอน (Lyman-alpha photon) จากที่เคยบอกไปว่าจีโอโคโรนาจะดูส่องแสงเล็กน้อยจากแสงอัลตราไวโอเลตไกล  เราจะไม่สามารถเห็นมันได้จากโลก เพราะชั้นบรรยากาศภายในของโลกจะดูดกลืนไป เราจึงต้องใช้ยานอวกาศจากนอกโลก โดย SWAN สามารถตรวจวัดแสงจากจีโอโคโรนาได้ และเราก็จะสามารถบอกได้ว่าจีโอโคโรนานั้นแผ่ไปไกลถึงไหน และนั่นก็คือวิธีที่เรารู้คำตอบอันน่าทึ่งว่ามันแผ่ไปไกลจนครอบคลุมดวงจันทร์และเลยออกไปอีก


ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้ตีพิมพ์เรื่องนี้ลงวารสาร Journal of Geophysical Research: Space Physics เมื่อวันที่ 15 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 2019 สนใจข้อมูลเพิ่มเติมสามารถตามไปอ่านกันต่อได้ ข้อสังเกตคืองานวิจัยมักจะอ่านยากต้องมีความรู้พื้นฐานโดยเฉพาะคณิตศาสตร์และตั้งใจอ่าน แต่มันจะทำให้เราทราบความรู้ ความก้าวหน้าใหม่ๆของมนุษยชาติ ซึ่งมีประโยชน์มาก เพราะแบบที่ท่านฟรานซิส เบคอน นักปรัชญาชาวอังกฤษเคยกล่าวเอาไว้ว่า “ความรู้คืออำนาจ”


 

เรียบเรียงโดย

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

• [1] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2018JA026136
• [2] https://www.livescience.com/64823-atmosphere-moon.html
• [3] https://www.sciencealert.com/earth-s-atmosphere-is-so-big-that-it-actually-engulfs-the-moon