ท้องฟ้าจะเป็นสีฟ้าไปตลอดกาลเลยหรือไม่ ?

ท้องฟ้าสีฟ้าเป็นสิ่งที่คนส่วนใหญ่มักมองข้าม แต่ที่จริงแล้วสีของมันอาจเปลี่ยนไปอย่างมากหากดูจากประวัติศาสตร์ของดาวเคราะห์โลก และนักวิทยาศาสตร์ยังบอกด้วยว่าสีของท้องฟ้าอาจเปลี่ยนไปอีกครั้ง

มีอยู่ 2 ปัจจัยหลัก ๆ ที่ทำให้ท้องฟ้าดูเป็นสีฟ้าในเวลากลางวัน จากคำอธิบายของฟินน์ เบอร์ริดจ์ นักสื่อสารวิทยาศาสตร์ประจำหอดูดาวหลวงกรีนิชในสหราชอาณาจักร

"ประการแรกคือดวงอาทิตย์" เขาอธิบาย "แสงอาทิตย์ปกติเป็นสีขาว ซึ่งหมายความว่ามันประกอบด้วยทุกเฉดในสีรุ้ง ได้แก่ สีแดง เหลือง เขียว และน้ำเงิน"

ประการที่สอง เบอร์ริดจ์ กล่าวว่าคือองค์ประกอบของบรรยากาศ ท้องฟ้ามีอนุภาคเล็ก ๆ จำนวนมหาศาล เช่น ไนโตรเจน รวมถึงออกซิเจน และไอน้ำ ซึ่งกระเจิงแสงไปในทุกทิศทาง

แต่แสงสีน้ำเงินมีความยาวคลื่นสั้นกว่าสีอื่น ๆ ส่วนใหญ่ และถูกกระเจิงแสงได้มากกว่า ทำให้ท้องฟ้าเต็มไปด้วยสีฟ้า

กระบวนการนี้เรียกว่าการกระเจิงแบบเรย์ลี (Rayleigh scattering) ซึ่งตั้งตามชื่อของลอร์ด เรย์ลี นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษผู้พัฒนาทฤษฎีนี้ในช่วงทศวรรษ 1870

ในช่วงพระอาทิตย์ขึ้นและตะวันตกดิน แสงอาทิตย์ต้องเดินทางผ่านบรรยากาศมากกว่าปกติเนื่องจากดวงอาทิตย์มีตำแหน่งต่ำลงในท้องฟ้า

แสงสีน้ำเงินจะถูกกระเจิงมากจนเบี่ยงออกห่างจากสายตาของเรา เหลือเพียงแสงสีแดงและสีส้มซึ่งถูกกระเจิงน้อยกว่าที่ถูกส่งมายังดวงตาของเรา เกิดเป็นทองฟ้าสีสันสวยงามอย่างที่เราเห็นในช่วงเวลาดังกล่าว

ดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ มีท้องฟ้าสีอะไร

เบอร์ริดจ์บอกว่าท้องฟ้าสีฟ้าสว่างสดใสของโลกเรานั้นมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวไม่เหมือนดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ ในระบบสุริยะ

แม้ว่าดาวเคราะห์บางดวง เช่น ดาวพฤหัสบดี เชื่อกันว่ามีบรรยากาศชั้นบนเป็นสีน้ำเงินหม่นคล้ายกับโลก แต่ความสว่างของสีนั้นน้อยกว่ามาก

เนื่องจากดาวพฤหัสบดีอยู่ไกลจากดวงอาทิตย์มากกว่า จึงได้รับแสงอาทิตย์เพียงราว 4% ที่โลกได้รับ

"ดังนั้นคุณจะไม่เห็นท้องฟ้าสีฟ้าที่สดและสวยงามเหมือนที่เห็นบนโลก" เบอร์ริดจ์ อธิบาย

สำหรับดาวเคราะห์บางดวง เรื่องราวกลับแตกต่างออกไปอย่างสิ้นเชิง

ดาวอังคารมีชั้นบรรยากาศที่บางมากทำให้การกระเจิงแบบเรย์ลีเกิดขึ้นไม่มากนัก ตรงกันข้าม อนุภาคฝุ่นจำนวนมากบนดาวอังคารซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าโมเลกุลของไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศของเรา มักกระเจิงแสงในลักษณะที่ต่างออกไป

กระบวนการนั้นเรียกว่า การกระเจิงแบบไมย์ (Mie scattering) ซึ่งส่งผลให้ท้องฟ้ามีสีแดงหรือสีเหลือง และพระอาทิตย์ตกดินสีน้ำเงิน

สีของท้องฟ้าบนโลกเป็นสีฟ้ามาตลอดเลยหรือไม่ ?

ท้องฟ้าสีฟ้าบนโลกที่เรารู้จักในปัจจุบัน ถือเป็นพัฒนาการที่ค่อนข้างใหม่เมื่อเทียบกับประวัติศาสตร์อันยาวนานของดาวเคราะห์ดวงนี้

แม้ว่าเราจะไม่สามารถรู้ได้อย่างแน่นอนว่าท้องฟ้าในอดีตมีสีอย่างไร แต่นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าสีของท้องฟ้าอาจเปลี่ยนแปลงไปตามชนิดของก๊าซที่มีอยู่ในบรรยากาศในช่วงเวลาต่าง ๆ

ราว 4,500 ล้านปีก่อน โลกก่อกำเนิดขึ้นและพื้นผิวของโลกส่วนใหญ่ยังเป็นหินหลอมเหลว และเมื่อโลกค่อย ๆ เย็นลง ทฤษฎีหนึ่งระบุว่าบรรยากาศยุคแรกของโลกนั้นประกอบด้วยก๊าซที่มาจากการปะทุของภูเขาไฟและกิจกรรมทางธรณีวิทยาอื่น ๆ เป็นหลัก เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจน และมีเทนเล็กน้อย โดยมีออกซิเจนอยู่เพียงน้อยนิดเท่านั้น

จากนั้นสิ่งมีชีวิตค่อย ๆ วิวัฒนาการขึ้นบนโลกในรูปแบบแบคทีเรียโบราณ ซึ่งปล่อยก๊าซมีเทนจำนวนมากเข้าสู่บรรยากาศ แสงที่ตกกระทบกับก๊าซมีเทนนี้ทำให้มันเปลี่ยนเป็นสารอินทรีย์เชิงซ้อนมากขึ้น และก่อให้เกิดหมอกสีส้มในท้องฟ้า คล้ายกับกลุ่มควัน

การเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญเกิดขึ้นเมื่อราว 2,400 ล้านปีก่อน ซึ่งเป็นช่วงที่เกิดเหตุการณ์ออกซิเดนชันครั้งใหญ่ (Great Oxidation Event) เมื่อไซยาโนแบคทีเรียซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตยุคแรกเริ่มใช้กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อเปลี่ยนพลังงานจากแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานในการดำรงชีวิต และปล่อยก๊าซออกซิเจนจำนวนมหาศาลออกมา

จากนั้นออกซิเจนเริ่มสะสมในบรรยากาศในระดับที่มากขึ้นเรื่อย ๆ จนท้ายที่สุดก็สามารถขจัดหมอกควันมีเทนออกไปได้ และเมื่อชั้นบรรยากาศสมัยใหม่เริ่มก่อตัวขึ้น ท้องฟ้าจึงกลายเป็นสีฟ้าอย่างที่เราเห็นในปัจจุบัน

ท้องฟ้าจะเป็นสีฟ้าตลอดกาลหรือไม่ ?

ในระยะสั้น ท้องฟ้าสีฟ้าของโลกเราจะยังไม่หายไปไหน แม้ว่ามลพิษ ไฟป่า การปะทุของภูเขาไฟ และพายุฝุ่นจะสามารถเปลี่ยนสีของท้องฟ้าได้ชั่วคราว แต่ผลกระทบเหล่านี้คงอยู่ไม่นาน

หลังภูเขาไฟกรากาตัวในอินโดนีเซียเกิดการปะทุครั้งใหญ่ในปี 1883 มีรายงานว่าเกิดพระอาทิตย์ตกดินสีแดงสวยงาม ไปจนถึงพระอาทิตย์ตกดินสีเขียวและพระจันทร์สีน้ำเงิน ซึ่งเชื่อว่าเกิดจากอนุภาคอย่างซัลเฟตและเถ้าถ่านในชั้นบรรยากาศที่กระเจิงแสงแตกต่างจากสภาพปกติที่เราคุ้นเคย

ดร.แคลร์ ไรเดอร์ รองศาสตราจารย์ด้านอุตุนิยมวิทยาจากมหาวิทยาลัยเรดดิงในสหราชอาณาจักร กล่าวว่า ผลรวมของสีที่เกิดจากละอองลอย ซึ่งหมายถึงอนุภาคของแข็งหรือกึ่งของแข็งในชั้นบรรยากาศอาจขึ้นอยู่กับขนาดสัมพัทธ์ของพวกมัน

"เรามักจะเห็นการเปลี่ยนสีที่เด่นชัดมาก โดยเฉพาะตอนพระอาทิตย์ตก หากอนุภาคละอองลอยทั้งหมดมีขนาดเท่ากัน" เธอกล่าว และบอกว่ามันเป็นเพราะอนุภาคที่มีขนาดเท่ากันนี้จะช่วยเพิ่มการกระเจิงในรูปแบบเดียวกัน

"ถ้าคุณมีอนุภาคที่มีขนาดหลากหลาย แต่ละขนาดก็จะมีปฏิสัมพันธ์กับแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันในรูปแบบที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดการผสมกันของสี" เธออธิบาย

หากอนุภาคเหล่านี้เกิดขึ้นพร้อมกัน ก็อาจรวมตัวกันจนทำให้เกิด "หมอกสีขาวหรือสีน้ำตาล" ได้ ซึ่งบางครั้งอาจเกิดจากการปะทุของภูเขาไฟ พายุฝุ่น หรือมลพิษในอากาศ

เธอกล่าวว่าควรพิจารณาด้วยว่าการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศอาจส่งผลต่อสีของท้องฟ้าในอนาคต

"เราจะมีไอน้ำในบรรยากาศมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น" เธอกล่าว "ซึ่งอาจทำให้อนุภาคละอองลอยพองตัวเมื่อความชื้นสูงขึ้น ส่งผลให้ความสามารถในการกระเจิงแสงเพิ่มขึ้น และก่อให้เกิดผลที่ทำให้ท้องฟ้าเป็นสีขาวมากขึ้น"

"ในทางกลับกัน หากการปล่อยมลพิษลดลงในอนาคต ท้องฟ้าก็อาจจะมีสีฟ้ามากขึ้น" เธอกล่าว

ทว่าการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดนี้ อาจไม่มีความสำคัญนักในมาตราส่วนเวลาทางดาราศาสตร์

หลักพันล้านปี

ด้านเบอร์ริดจ์กล่าวว่าสำหรับการเปลี่ยนแปลงสีของท้องฟ้าอย่างถาวร เราจำเป็นต้องเห็นการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในองค์ประกอบของชั้นบรรยากาศ

"สิ่งที่มีขนาดใหญ่ระดับนั้นจะไม่เกิดขึ้นในระยะเวลาอันสั้น เว้นแต่เราจะโชคร้ายอย่างเหลือเชื่อและถูกอุกกาบาตยักษ์พุ่งชน" เขากล่าว "แต่มันก็คงไม่เกิดขึ้นหรอก"

เขาประเมินว่าเรายังมีเวลาอย่างน้อยหนึ่งพันล้านปี ก่อนที่ท้องฟ้าจะเลิกเป็นสีฟ้า

ขณะเดียวกัน เบอร์ริดจ์กล่าวว่าเมื่อดวงอาทิตย์มีอายุมากขึ้น มันจะสว่างขึ้นเรื่อย ๆ โดยในอีกประมาณหนึ่งพันล้านปีข้างหน้า ดวงอาทิตย์จะปล่อยพลังงานออกมามากกว่าปัจจุบันราว 10%

"มันจะทำให้โลกมีอุณหภูมิสูงขึ้น ดูดคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากบรรยากาศ และสุดท้ายมันก็จะเริ่มทำให้น้ำในมหาสมุทรของเราระเหยเดือดขึ้น"

เขาคิดว่ามีความเป็นไปได้ที่กระบวนการดังกล่าวอาจปล่อยออกซิเจนจำนวนมากออกสู่ชั้นบรรยากาศ ซึ่งอาจทำให้ท้องฟ้ามีสีน้ำเงินเข้มขึ้นมากกว่าเดิมในช่วงสั้น ๆ

ทว่าเมื่อออกซิเจนหมดไป ท้องฟ้าจะเปลี่ยนเป็น "สีขาวออกเหลือง ร้อนจัด คล้ายบรรยากาศแบบดาวศุกร์"

ไกลออกไปกว่านั้น ราว 5,000 ล้านปีต่อจากนี้ ดวงอาทิตย์จะเริ่มหมดเชื้อเพลิงและขยายตัวเป็นดาวยักษ์แดง

"เมื่อโลกถึงกาลอวสาน โลกก็จะสูญเสียองค์ประกอบแรก นั่นคือแสงสีน้ำเงินจากดวงอาทิตย์" เบอร์ริดจ์ กล่าว

"เมื่อดวงอาทิตย์เริ่มตายและพองตัวกลายเป็นดาวยักษ์ที่มีสีแดงจัดขนาดใหญ่ บรรยากาศใด ๆ ที่เหลืออยู่บนโลกก็จะมีสีแดงเข้ม"

"มันจะไม่มีสิ่งมีชีวิตหลงเหลืออยู่เพื่อเห็นมัน" เบอร์ริดจ์ กล่าว "หวังว่าในเวลานั้น มนุษย์จะอพยพออกไปสู่ดวงดาวและหาท้องฟ้าสีฟ้าแห่งใหม่ที่ไหนสักแห่ง"