นานมาแล้วที่มนุษยชาติแอบเงยหน้าเหลือบมองท้องฟ้าในบางครั้ง แม้กระทั่งในช่วงเวลาหนึ่ง เราเพียงแต่เฝ้ามองสีที่เปลี่ยนไปของท้องฟ้า ทั้งเช้าตรู่ และยามตะวันลับลาลงไป ครั้งแล้วครั้งเล่าที่ท้องฟ้าทำให้เราได้ “รู้สึก” ถึงจิตวิญญาณภายใน มากกว่าเพียงภาพที่รับรู้ได้ผ่านการมอง หรือแม้ในวัยเยาว์ เรายังเคยจินตนาการเห็นก้อนเมฆเป็นรูปต่างๆ เล่าเรื่องราวผ่านปุยเมฆสีขาวนวลตัดกับท้องฟ้าสีครามเมื่อร้อยปีที่แล้วมนุษย์เรายังคงเป็นผู้สงสัยใคร่รู้ไม่เปลี่ยน จากคำถามที่ว่า “ทำไมท้องฟ้าเป็นสีฟ้า” และ “เหตุใดท้องฟ้าจึงเปลี่ยนสี” ยังคงเป็นคำถามอันใสซื่อบริสุทธิ์ของเด็กๆเสมอมา คำตอบของสิ่งเหล่านี้ ได้มีบันทึกการไขปริศนาตามหลักวิทยาศาสตร์ไว้แล้ว เมื่อปี ค.ศ.1859 โดย John Tyndall นักฟิสิกส์ชาวไอริช เขาได้อธิบายเรื่องนี้ด้วยทฤษฎีการกระเจิงของแสง (Scattering of Light)

ภาพที่ 1 ทิวทัศน์ของท้องฟ้าและแสงอาทิตย์
ที่มา https://pixabay.com/ dawn-190055_1280

เรื่องเล่าการเดินทางของแสงจากดวงอาทิตย์มายังโลก

          แสงแดดก็คือแสงที่ดวงอาทิตย์ส่องมายังโลกของเรา ผ่านอวกาศและชั้นบรรยากาศของโลก แสงที่ส่องมานี้ว่ากันว่า “เดินทางเป็นเส้นตรง” เราต่างก็รู้กันอยู่แล้วว่าระยะทางระหว่างดวงอาทิตย์และโลกเรานั้นไกลกันมากๆ เลย กว่าแสงจากดวงอาทิตย์จะส่องลงมากระทบผิวโลก กระทบสิ่งต่างๆ บนโลก แล้วสะท้อนมายังดวงตาคู่น้อยๆของเรา “แสง” ต้องส่องผ่านสิ่งต่างๆหลายอย่าง เราจะเล่าเรื่องการเดินทางไกลของแสงนี้อย่างละเอียดแล้วกันนะ

          คือว่า “แสง” จากดวงอาทิตย์เนี่ย เขาเป็นสีขาว โดยสีขาวของแสงจะต่างไปจากสีขาวของสิ่งของต่างๆที่เราพบได้ทั่วไปมากทีเดียว เพราะแหล่งที่มาต่างกัน “แสงสีขาว” ต่างออกไปจากสีขาวของดอกไม้ ต่างจากสีขาวของขนสัตว์ และต่างจากสีขาวของกระดาษ เพราะว่าทั้งดอกไม้ ขนสัตว์ และกระดาษ ต่างก็เกิดมาจากเม็ดสี (Pigment) แต่ตัวตนของ "แสงสีขาว”กลับต่างออกไปเพราะเกิดจากสีของแสงทั้ง 7 สี ที่ผสมผสานกลมเกลียวจนรวมกันเป็นหนึ่งเดียว เราสามารถอธิบายการผสมผสานกันของแสงสีได้จากการทดลองจากแท่งปริซึม

ภาพที่ 2 สเปกตรัมของแสงผ่านแท่งปริซึม
ที่มา sites.google.com/site/thxngfasifa/home/why-the-sky-is-blue

          เมื่อแสงอาทิตย์ส่องผ่านแท่งปริซึมแล้วสะท้อนออกมา จะเห็นเป็นแถบสีทั้งหมด 7 แถบ ได้แก่ สีม่วง, คราม, น้ำเงิน, เขียว, เหลือง, ส้ม, แดง ที่สะท้อนออกมาแบบไม่ได้แบ่งชั้นกันอย่างชัดเจนแต่ระหว่างสองสีกับมีความกลมกลืนเข้าหากันอย่างมีเสน่ห์ชวนมอง และแถบทั้ง 7 นี้ยังเป็นเสน่ห์ดึงดูดสายตายามที่มีแดดจ้าเมื่อฝนที่ตกหนักเริ่มซาลง ใช่แล้ว! ความงามที่ว่านั้นคือ “ปรากฤการณ์รุ้งกินน้ำนั่นเอง” แถบสีของรุ้งกินน้ำก็เหมือนแถบสีที่สะท้อนออกมาจากปริซึมนั่นเอง

ภาพที่ 3 สายรุ้งที่ปรากฏบนท้องฟ้า
ที่มา https://pixabay.com/ rainbow-1149610_1280

          เมื่อเล่าถึงตัวตนที่แท้จริงของแสงสีขาวกันมาแล้ว คราวนี้จะได้เริ่มการเดินทางที่น่าตื่นเต้นของ “แสงสีขาว” นี้เสียทีนะ แสงสีขาวนั้นกำเนิดจากดวงอาทิตย์อย่างที่บอกไปแล้ว แสงได้ออกเดินทางผ่านห้วงอวกาศ (สุญญากาศ) เป็นเส้นตรง เป็นการเดินทางออกมาพร้อมๆกันของทั้ง 7 แถบสี การเดินทางพร้อมๆ กันทั้ง 7 สีนี้เรียกได้อีกอย่างหนึ่งว่า “รังสีของแสงอาทิตย์” โดยแต่ละแถบสีจะมี “ความยาวคลื่นไม่เท่ากัน” คลื่นแสงยาวที่สุดก็คือ “คลื่นแสงสีแดง” คลื่นแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นที่สุด คือ “คลื่นแสงสีน้ำเงิน” ส่วนสีอื่นๆ ก็มีความยาวคลื่นลดหลั่นกันไป แต่การมีช่วงคลื่นที่สั้นของแสงสีน้ำเงิน กลับมีพลังวิเศษบางอย่างที่สามารถ “ตกกระทบโมเลกุลของอากาศ” บนชั้นบรรยากาศของโลกที่ประกอบด้วยแก๊สหลายชนิด ซึ่งมีไนโตรเจนและออกซิเจนเป็นองค์ประกอบหลัก และยังมีไอน้ำ รวมถึงละอองฝุ่นอีกด้วย  ในระหว่างที่แสงอาทิตย์ที่ประกอบไปด้วยรังสีของแสงทั้ง 7 ได้เดินทางผ่านชั้นบรรยากาศโลกเข้ามานั้น รังสีของแสงจะชนกับโมเลกุลของแก๊สและฝุ่นเหล่านั้น เกิดการสะท้อนและหักเหของแสง จนทำให้เกิด “การกระเจิงของแสง” ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่แสงกระจัดกระจายไปโดยรอบทุกทิศทาง

ภาพที่ 4 รังสีของแสงจะชนกับโมเลกุลของแก๊สและฝุ่นในชั้นบรรยากาศ
ที่มา https://centralkidsclub.com

          แสงสีน้ำเงินมีช่วงความยาวคลื่นที่สั้นกลับรับมือกับการชนเข้ากันกับสิ่งต่างๆ บนชั้นบรรยากาศโลกได้ดีกว่า ทำให้เกิดการกระเจิงของแสงได้ดีที่สุด และยังเป็นผลให้สามารถสะท้อนออกมาให้เราได้เห็นสีน้ำเงินนั้นดีกว่าสีอื่นๆ

ภาพที่ 5 แสงที่ตามองเห็นได้
ที่มา https://kanchanapisak.or.th

          แต่แสงสีม่วงที่มีความยาวคลื่นสั้นที่สุดน่าจะกระเจิงได้มากที่สุดนี่นา แล้วท้องฟ้าจึงไม่เป็นสีม่วงล่ะ? อย่างบอกในตอนแรกว่าแสงจะตกกระทบสิ่งต่างๆ แล้วสะท้อนมาสู่ดวงตาของเรา ดังนั้นการมองท้องฟ้าจึงจ้องพึ่งพาเซลล์รับแสงที่จอตาของเราด้วย  เซลล์รับแสงที่ว่านี้ จะไวต่อแสงสีแดง สีน้ำเงิน และสีเขียวเท่านั้น และอีกปัจจัยหนึ่งก็คือ แสงอาทิตย์มีแสงสีม่วงน้อยกว่าแสงสีอื่น และยังถูกดูดกลืนไปมากในบรรยากาศชั้นบนด้วย แสงสีม่วงจึงมีผลน้อยมากต่อการรับรู้สีของท้องฟ้า

          มาวิเคราะห์ที่แสงสีเหลือง ส้ม แดง กันบ้าง แสงดังกล่าวมีการกระเจิงน้อยกว่าแสงสีน้ำเงินมาก จึงไม่ค่อยมีผลที่ทำให้สีเหล่านั้นการสะท้อนมาสู่ดวงตาของเรา เราจึงเห็นสีท้องฟ้าโดยรวมเป็นสีฟ้าครามในวันที่อากาศสดใส ประกอบกับโมเลกุลของอากาศบนชั้นบรรยากาศที่ติดกับผิวโลกนั้น เต็มไปด้วยอนุภาคสารแขวนลอยในอากาศ เช่น อนุภาคของไอน้ำและละอองฝุ่น สารแขวนลอยเหล่านี้ มีผลต่อสีของท้องฟ้าเป็นอย่างมาก เพราะจะทำให้แสงสีเขียว สีเหลือง เกิดการกระเจิงมากขึ้น ดังนั้นในบริเวณที่มีมลภาวะทางอากาศสูง หรือในฤดูร้อนซึ่งอากาศร้อนยกตัวพาให้
สารแขวนลอยขึ้นไปลอยอยู่ในอากาศมาก เราจะเห็นท้องฟ้าเป็นสีฟ้าอ่อน และบางทีก็เป็นน้ำเงินเข้มนั่นเอง

ภาพที่ 6 โทนสีของท้องฟ้าจากสีฟ้าอ่อนจนเป็นสีน้ำเงิน
ที่มา https://pixabay.com/ beach-1852945_1920

          ส่วนสาเหตุที่สีของท้องฟ้าที่เปลี่ยนไปในช่วงเวลาที่ต่างกัน ก็สามารถอธิบายด้วยหลักการกระเจิงของแสงได้ ดังต่อไปนี้

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการกระเจิงของแสงทำให้ท้องฟ้ามีสีที่แตกต่างกัน

          การที่รังสีของแสงอาทิตย์ส่องมาตกกระทบโมเลกุลของอากาศบนโลกได้นั้น ถูกเรียกขานกันว่า
“การกระเจิงของแสง” อย่างที่กล่าวมาแล้ว แต่แสงสีน้ำเงินมีขนาดความยาวคลื่นที่สั้นที่สุดจึงทำให้เกิดการกระเจิงของแสงได้ดีกว่าสีอื่นๆ จึงทำให้มนุษย์บนโลกมองเห็นท้องฟ้าเป็นสีคราม แต่เหตุที่สีของท้องฟ้าเปลี่ยนไปเป็นสีอื่นๆ นั้นเกิดจากปัจจัยอื่นด้วย

          โมเลกุลของแก๊สในบรรยากาศมีขนาดเล็ก ส่วนโมเลกุลของไอน้ำและฝุ่นที่แขวนลอยในบรรยากาศมีขนาดใหญ่  โมเลกุลขนาดใหญ่เป็นสิ่งกีดขวางการเดินทางของแสงความยาวคลื่นสั้น ทำให้ในบางทีแสงสีเหลืองหรือเขียวทำการกระเจิงได้มากพอๆกับแสงสีน้ำเงิน ดวงตาของเรารับรู้แสงทั้ง 7 พร้อมๆ กัน มันจึงเหมือนกับการผสมแสงสีเหล่านี้ จนเกิดเป็นสีฟ้าอ่อน สีฟ้าสดใส น้ำเงินคราม หรือในตอนที่ฝนใกล้ตก มีเมฆมาก สารแขวนลอยในอากาศมีมาก ทำให้ท้องฟ้าเป็นสีมืดครึ้มหรือเป็นสีเทา

มุมที่แสงตกกระทบกับบรรยากาศก็มีผลต่อการปรากฏสีของท้องฟ้าที่เปลี่ยนแปลงไป

ภาพที่ 7 การกระเจิงของแสงสีฟ้า
ที่มา https://sites.google.com/a/patum.ac.th/kruanucha/kerd-khwam-ru/sibnthxngfa

          ตอนเที่ยง : พระอาทิตย์แทบจะตั้งฉากกับพื้นโลก แสงอาทิตย์เวลาเที่ยงทำมุมชันกับพื้นโลกมากเลย ทำให้แสงเดินทางลงมาผ่านชั้นบรรยากาศเป็นระยะสั้น มวลอากาศก็มีสารแขวนลอยน้อย เอื้อให้แสงเดินทางผ่านได้ไม่ยาก

ภาพที่ 8 การกระเจิงของแสงสีฟ้าและแสงสีอื่นๆ
ที่มา https://sites.google.com/a/patum.ac.th/kruanucha/kerd-khwam-ru/sibnthxngfa

          ตอนเช้าและตอนเย็น : แสงอาทิตย์ทำมุมเอียงลาดไปกับพื้นโลก แสงเดินทางผ่านอากาศเป็นระยะทางที่ยาวกว่าตอนเที่ยง มวลอากาศก็มีสารแขวนลอยมาก แสงสีม่วง คราม และน้ำเงินปะทะกับโมเลกุลของอากาศเกิดการกระเจิงที่บรรยากาศรอบนอกจนหมด เหลือแต่แสงสีเหลือง ส้ม และแดงที่กระเจิงได้ไม่ค่อยดีหลุดรอดมาถึงบรรยากาศชั้นล่าง

ภาพที่ 9 ท้องฟ้ายามเย็นที่มีหลากสีสัน
ที่มา https://pixabay.com/sunset-100367_1280

          ดังนั้น ตอนเช้าตรู่เราจึงเห็นท้องฟ้าเป็นสีส้มแดง หรือบางวันก็ออกเหลือง  ส่วนตอนเย็นจะมีสีแดงมากกว่าตอนเช้า เนื่องจากอุณหภูมิในตอนบ่ายสูงทำให้มีฝุ่นละอองที่เป็นสารแขวนลอยในอากาศมากกว่า ประกอบกับตอนเช้ามืดฝุ่นละอองในอากาศบางส่วนถูกชะล้างด้วยน้ำค้าง ดังนั้นตอนเย็นจึงมีการกระเจิงของแสงสีแดงมากกว่าตอนเช้า

          กล่าวโดยสรุปก็คือ “เราเห็นแสงบนท้องฟ้ามีสีต่างกันตามเวลาของวัน เนื่องจากปัจจัยการกระเจิงของแสง ที่ประกอบกับการหักเหของแสงแต่ละสีที่ไม่เท่ากัน ทั้งนี้ ก็ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแสงและขนาดของอนุภาคที่ถูกแสงตกกระทบด้วย” นั่นเอง

แหล่งที่มา
อนุชา ชาติวงศ์. สีบนท้องฟ้าในช่วงเวลาที่ต่างกัน. https://sites.google.com/a/patum.ac.th/kruanucha/kerd-khwam-ru/sibnthxngfa

สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ(องค์การมหาชน). การถ่ายภาพแสงสนธยา (Twilight).สืบค้นเมื่อวันที่ 20 ตุลาคม 2562. จาก http://www.narit.or.th/index.php/astro-photo-article/460-twilight

ปรากฏการณ์ฟ้าแดง เป็นปริศนาที่ข้าพเจ้าต้องหาคำตอบ แบบเป็นเหตุเป็นผล. สืบค้นเมื่อวันที่ 20 ตุลาคม 2562. จาก https://rainweather.blogspot.com/2017/05/blog-post.html