มลภาวะทางแสง (Light Pollution) และผลกระทบต่อการศึกษาด้านดาราศาสตร์

ภาพท้องฟ้าในยามค่ำคืนที่รัฐแอริโซนา แสดงให้เห็นถึงมลภาวะทางแสง (สีเขียว ส้มและแดง) ที่ส่งผลต่อการสังเกตดวงดาว
(ภาพจาก https://www.sciencenewsforstudents.org/article/pollution-new-technologies-threatens-astronomy)

แสงทำให้เรามองเห็นและทำสิ่งต่าง ๆได้ หากไม่มีแสงโลกของเราก็จะมืดมิด กล่าวโดยทั่วไปแสงคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นคลื่นตามขวาง (transverse wave) ในทางฟิสิกส์บางครั้งคำว่าแสงหมายถึงการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในทุกความยาวคลื่นไม่ว่าจะมองเห็นได้หรือไม่ ในปี ค.ศ. 1678 คริสตียาน ไฮเกนส์ (Christiaan Huygens) ได้ศึกษาธรรมชาติของแสงและพบว่าแสงมีคุณสมบัติแบบคลื่น ทุกวันนี้นักเรียนฟิสิกส์ต้องศึกษาหลักของเขาเรียกว่า หลักการของไฮเกนส์ (Huygens–Fresnel principle) กล่าวคือทุก ๆ จุดบนหน้าคลื่นเดียวกัน อาจถือว่าเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นชุดใหม่ ที่แผ่ออกไปทุกทิศทางด้วยอัตราเร็วเท่าเดิม แสงคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าฉะนั้นเราสามารถเขียนสมการความสัมพันธ์ของ ความเร็ว (\(v\)) , ความถี่ (\(f\)) และ ความยาวคลื่น (\(λ\))  ได้เป็น

\(v=fλ\)

แต่บางครั้งแสงก็สร้างปัญหาให้แก่เราเช่นกัน เราเรียกมันว่ามลภาวะทางแสง (Light Pollution) มันคือแสงที่มนุษย์สร้างขึ้นโดยเฉพาะเวลากลางคืน ซึ่งสว่างมากไปจนไปรบกวนทั้งความสวยงามและรบกวนระบบนิเวศน์ มลภาวะทางแสงยังไปรบกวนส่งผลต่อนักดาราศาสตร์ที่ต้องการจะศึกษาวัตถุต่าง ๆ บนท้องฟ้าอีกด้วย ในการประชุมครั้งที่ 231 ของสมาคมดาราศาสตร์อเมริกัน (American Astronomical Society) เมื่อต้นปี ค.ศ. 2018 R. Green และคณะได้หยิบเรื่องนี้มาหารือด้วย ในหัวข้อ “The triple threat to multi-wavelength observational astronomy” เรื่องนี้เป็นปัญหาใหญ่ที่นักดาราศาสตร์ควรให้ความสนใจ เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาขึ้น เทคโนโลยีใหม่ๆก็สร้างหนทางใหม่ๆในการศึกษาด้านดาราศาสตร์ แต่บางครั้งมันก็ส่งผลเสีย ในการประชุมประจำปีนี้ R. Green และคณะได้พูดถึง 3 สิ่งที่กำลังเป็นภัยคุกคามต่อการศึกษาดาราศาสตร์ สิ่งเหล่านั้นคือ มลภาวะทางแสง คลื่นวิทยุและเศษซากในอวกาศ (space debris) 


กว่าหกทศวรรษนับตั้งแต่สหภาพโซเวียตได้ปล่อยดาวเทียมดวงแรกที่ชื่อดาวเทียมสปุตนิก 1 ใน ปี ค.ศ. 1957 นับจนถึงวันนี้ นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่ามีวัตถุประมาณ 18,000 วัตถุโคจรรอบโลกและส่วนใหญ่ก็จัดได้ว่าเป็นขยะที่ไม่ได้ใช้การแล้ว โดยมันมีขนาดตั้งแต่ระดับเซนติเมตรไปจนถึงใหญ่ระดับรถบัส เศษซากในอวกาศเหล่านี้อาจจะพุ่งชนกล้องโทรทรรศน์ในอวกาศที่โคจรรอบโลกและเศษซากในอวกาศเหล่านี้ยังสะท้อนแสงและอาจจะสร้างความสับสนให้แก่นักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์บนโลกที่กำลังสำรวจวัตถุบนท้องฟ้า


มลภาวะทางแสงก็เป็นปัญหาสำคัญเช่นกัน โดยเฉพาะหลอดไฟแบบ LEDs (ไดโอดเปล่งแสง หรือ Light-emitting diode) หลอดชนิดนี้เป็นผลดีแก่สิ่งแวดล้อมเพราะมันประหยัดไฟและสามารถใช้ได้ยาวนาน แต่เพราะการที่มันปล่อยแสงในย่านสเปกตรัมที่กว้าง โดยเฉพาะแสงสีน้ำเงิน แสงที่ความยาวคลื่นช่วงนี้จะมีการกระเจิงได้ง่ายกว่าความยาวคลื่นช่วงอื่นๆ และมันทำให้เกิดแสงเรืองไปยังท้องฟ้า (Sky Glow) แสงเรืองนี้เกิดจากแสงไปสะท้อนกับอนุภาคในอวกาศบนท้องฟ้าของเมืองใหญ่ ๆ ซึ่งส่งผลให้ยากต่อการสังเกตดาวต่างๆในยาวค่ำคืน


กลไกที่แสงเกิดการกระเจิงนำไปสู่การเกิดแสงเรืองไปยังท้องฟ้าแบ่งได้เป็น 2 ชนิดคือ ชนิดที่หนึ่งการกระเจิงจากโมเลกุลเช่น N₂ และ O₂ เป็นต้นซึ่งเราเรียกว่าปรากฎการณ์นี้ว่าการกระเจิงแบบเรย์ลี (Rayleigh scattering) และชนิดที่สองการกระเจิงที่เกิดจากแอโรซอล (คอลลอยด์ชนิดหนึ่งที่อนุภาคของของแข็งหรือของเหลวกระจายอยู่ในตัวกลางของการกระจายที่เป็นแก๊ส) ในเขตเมืองตามปรกติแล้วการกระเจิงที่เกิดจากแอโรซอลจะมีอิทธิพลมากกว่าเพราะมีแอโรซอลอยู่มากอันเป็นผลมาจาก กิจกรรมทางอุตสาหกรรมสมัยใหม่ การผลิตพลังงานไฟฟ้า การเกษตรกรรมและการขนส่ง เป็นต้น 


ค่าความสว่างของแสงเรืองไปยังท้องฟ้า (Sky glow brightness) ที่เกิดจากแสงที่มนุษย์สร้างขึ้นนั้นลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อระยะทางเพิ่มขึ้น โดยเป็นผลมาจากกฎกำลังสองผกผัน (inverse square law) และการดูดกลืนจากชั้นบรรยากาศ โดยเราสามารถประมาณโดยใช้กฎของวอล์คเกอร์ (Walker's Law) ได้คือ

\(\rm intensity ∝ \dfrac{1}{(distance^{2.5} )}\)

โดย intensity และ distance คือความเข้มของแสงและระยะทางตามลำดับ กฎของวอล์คเกอร์ได้ถูกทดสอบโดยการสังเกตการณ์แล้วและพบว่าสามารถใช้ประมาณการได้ถูกต้อง


คลื่นวิทยุที่ปัจจุบันเราใช้กันมากในหลายความถี่ก็ส่งผลเช่นกัน นักดาราศาสตร์สำรวจอวกาศโดยใช้คลื่นวิทยุที่ปล่อยจากดวงดาวและกาแล็กซี แต่ว่าแหล่งสัญญาณวิทยุบนโลกอาจจะทำให้เราสับสนกับสัญญาณที่ส่งมาจากอวกาศ สัญญาณบนโลกนี้ยังรวมไฟถึงสัญญาณไวไฟ (Wi-Fi) และยังรวมถึงสัญญาณจากยานพาหนะไร้คนขับ เช่นเรดาห์จากยานพาหนะไร้คนขับอาจจะส่งผลต่อสถานีโทรทรรศน์วิทยุที่ตั้งอยู่บนโลกแม้จะห่างออกไปถึง 100 กิโลเมตร
 

การศึกษาของ Kurt W. Riegel แสดงการเพิ่มขึ้นของการใช้พลังงานเพื่อให้แสงให้แก่เมืองและแสงที่ผลิตได้
(ภาพจาก https://science.sciencemag.org/content/179/4080/1285)

นี่ไม่ใช่เรื่องใหม่ เช่นในบทความของ Kurt W. Riegel เรื่อง “Light Pollution” ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science เดือนมีนาคม ปี ค.ศ. 1973 ได้มีการศึกษาผลกระทบของมลภาวะทางแสงต่อการศึกษาด้านดาราศาสตร์ไว้นานแล้ว เทคโนโลยีใหม่ๆสร้างประโยชน์มหาศาลต่อมนุษย์ แต่บางครั้งมันก็ส่งผลเสีย ดังนั้นเราควรหาวิธีที่จะป้องกันหรือแก้ไขปัญหาเหล่านี้ต่อไปในอนาคต

 

เรียบเรียงโดย

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

• [1] https://science.sciencemag.org/content/179/4080/1285
• [2] http://www.dancaton.physics.appstate.edu/NCDarkSkies/Articles/LightPollution1973ScienceArticle.pdf
• [3] R. Green et al. The triple threat to multi-wavelength observational astronomy. 231st meeting of the American Astronomical Society, Oxon Hill, Md., January 9, 2018
• [4] https://www.sciencenewsforstudents.org/article/pollution-new-technologies-threatens-astronomy
• [5] https://physics.info/light/
• [6] http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/62/light1/ligh_3.htm