รังสีคอสมิกช่วยเกษตรกรประหยัดน้ำได้อย่างไร?

          ในอดีตกาลนับแสนปีก่อน โฮโมเซเปียนส์(Homo sapiens) บรรพบุรุษของเราใช้ชีวิตไม่ต่างจากพรานป่าที่เร่ร่อนไปตามท้องทุ่งเพื่อล่าสัตว์และเก็บพืชผักกินเป็นอาหาร จนกระทั่งเมื่อราวๆ 12,000 ปีก่อน บรรพบุรุษของเราเริ่มปรับเปลี่ยนวิถีชีวิตด้วยการลงหลักปักฐานเป็นหลักแหล่งและเริ่มลงมือคัดเลือกพืชผักเพื่อเพาะปลูก จนในที่สุดพวกเขาก็เปลี่ยนจากพรานนักล่าไปเป็นเกษตรกรในยุคบุกเบิกอย่างเต็มตัว พืชผักผลไม้รุ่นแล้วรุ่นเล่าที่ถูกคัดเลือกโดยบรรพบุรุษของเราเริ่มมีขนาดใหญ่และให้ผลผลิตมากขึ้นเรื่อยๆ และด้วยความกังวลว่าฤดูกาลถัดไปจะไม่สามารถปลูกพืชผักเหล่านั้นได้ เกษตรกรยุคโบราณจึงเริ่มแผ้วถางป่าและทุ่งหญ้ามากขึ้นๆ เพื่อเปลี่ยนเป็นแปลงเกษตร
           

          นับจากวันแรกที่มีการทำเกษตรกรรมเกิดขึ้นบนโลก วิถีชีวิตของมนุษย์ก็ไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปมากนักจวบจนปัจจุบัน เมื่อพื้นที่เกษตรกรรมเพิ่มขึ้น ความต้องการน้ำก็เพิ่มมากขึ้นเป็นเงาตามตัว แต่เราทุกคนคงรู้ว่ายังมีพื้นที่เกษตรกรรมอีกจำนวนมากที่ยังขาดแคลนน้ำ ระบบชลประทานยังเข้าไม่ถึง รวมถึงผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศก็ยิ่งกระหน่ำซ้ำเติมให้น้ำหายากมากขึ้น ในทางวิศวกรรมชลประทานหรืออุทกวิทยา เราสามารถคำนวณความต้องการใช้น้ำของพืชหรือการคายระเหย(Evapotranspiration) ได้จากสมการพื้นฐานอย่างง่าย ดังนี้
          อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติสมการดังกล่าวต้องคำนึงถึงสมบัติทางปฐพีวิทยาของดิน การเจริญเติบโตทางชีววิทยาของพืชแต่ละชนิด และปัจจัยเกี่ยวกับสิ่งแวดล้อมอื่นๆ ด้วย เพื่อควบคุมให้ความชื้นในดินไม่น้อยจนพืชเหี่ยวเฉาและไม่มากจนเกินความจำเป็น แต่ปัญหามีอยู่ว่าเราไม่สามารถควบคุมปัจจัยเกี่ยวกับลมฟ้าอากาศในแต่ละช่วงเวลาให้มีความแน่นอนได้ ทำให้การบริหารจัดการน้ำในพื้นที่เกษตรกรรมยังมีความแม่นยำไม่เต็มร้อย



          ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจากทบวงการพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ(International Atomic Energy Agency หรือ IAEA) จึงได้ร่วมมือกับนักวิจัยจากองค์การอาหารและการเกษตรแห่งสหประชาชาติ(Food and Agriculture Organization of the United Nations หรือ FAO) ตั้งแต่ปี ค.ศ. 2013 โดยนักวิจัยจากทั้งสองหน่วยงานได้ร่วมกันพัฒนาเครื่องตรวจวัดนิวตรอนจากรังสีคอสมิก(Cosmic Ray Neutron Sensor) สำหรับใช้วัดปริมาณความชื้นในดิน(Soil Moisture) ได้ถึงระดับรากพืชที่อยู่ลึกหลายสิบเซนติเมตรใต้พื้นดิน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปลูกพืชในพื้นที่เกษตรกรรม

   
          วิธีการวัดปริมาณความชื้นในดินแบบดั้งเดิมสามารถทำได้โดยการเก็บตัวอย่างดินในพื้นที่ที่สนใจมาจำนวนหนึ่ง จากนั้นนำดินส่วนหนึ่งไปอบแห้งเป็นเวลาประมาณ 48 ชั่วโมงเพื่อกำจัดความชื้นออกจากเนื้อดิน เสร็จแล้วจึงทำการหาผลต่างของมวลดินปกติกับมวลดินที่ถูกอบแห้ง ซึ่งผลลัพธ์ที่ได้ก็คือปริมาณน้ำหรือความชื้นในดินนั่นเอง แต่วิธีนี้มีข้อเสียคือสามารถบอกปริมาณความชื้นในดินได้แค่ในช่วงเวลาใกล้เคียงกับเวลาที่ตรวจวัด ทั้งยังใช้เวลานาน ใช้จำนวนคนมาก ไม่ครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ ไม่สามารถรายงานผลตามเวลาจริงได้ รวมถึงตัวแปรต่างๆ สามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อมีการไถพรวนหน้าดิน


          ส่วนวิธีการวัดความชื้นในดินด้วยเครื่องตรวจวัดนิวตรอนจะต่างออกไปอย่างสิ้นเชิง โดยหลักการทำงานมีอยู่ว่าเมื่อรังสีคอสมิกพลังงานสูง(High Energy Cosmic Rays) จากอวกาศซึ่งโดยทั่วไปประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนพลังงานสูงเข้าปะทะกับชั้นบรรยากาศของโลก การชนของอนุภาคจากอวกาศเหล่านี้จะทำให้อะตอมของออกซิเจนและไนโตรเจนในอากาศแตกตัว ส่งผลให้มีโปรตอนและนิวตรอนจำนวนมากหลุดออกมาแล้วเคลื่อนที่ลงสู่พื้นโลก นิวตรอนที่เคลื่อนที่ลงมาอย่างรวดเร็ว(Fast Moving Neutrons) สามารถถูกดูดกลืนและลดระดับพลังงานลงได้เนื่องจากถูกอะตอมไฮโดรเจนในสิ่งแวดล้อมดูดกลืน ซึ่งไฮโดรเจนมีอยู่มากในดินที่มีความชื้นสูง แต่จะมีน้อยในดินที่มีความชื้นต่ำ การนับจำนวนของนิวตรอนที่เคลื่อนที่เร็วในดินจึงสามารถใช้บอกปริมาณความชื้นในดินได้นั่นเอง ระบบตรวจวัดแบบใหม่นี้มีข้อดีคือสามารถรายงานผลตามเวลาจริงได้ สามารถติดตั้งได้อย่างรวดเร็วโดยไม่รบกวนสภาพผิวดินกับสิ่งมีชีวิตในดินมากนัก ทั้งยังครอบคลุมพื้นที่เป็นวงกว้างอีกด้วย


          จากการทดลองใช้งานในพื้นที่จริงมาเป็นระยะเวลาหลายปีโดยนักวิทยาศาสตร์จาก 25 ประเทศ พวกเขาพบว่าเครื่องตรวจวัดนิวตรอนสามารถประยุกต์ใช้กับระบบชลประทานในพื้นที่เกษตรกรรมได้เป็นอย่างดี เพราะสามารถช่วยประหยัดน้ำได้ถึง 100 มิลลิเมตรต่อฤดูกาล หรือคิดเป็นปริมาณน้ำกว่า 1 ล้านลิตรต่อพื้นที่การเกษตร 10,000 ตารางเมตรเลยทีเดียว ตั้งแต่ปีที่แล้ว เครื่องตรวจวัดความชื้นด้วยนิวตรอนกำลังถูกใช้งานเพิ่มขึ้นใน 15 ประเทศ และยังมีการประยุกต์ใช้งานร่วมกับโปรแกรมที่มีชื่อว่า AquaCrop ซึ่งถูกพัฒนาขึ้นโดย FAO เพื่อใช้คาดการณ์การใช้น้ำในการปลูกพืชอีกด้วย


          เมื่อไม่นานมานี้ ทาง IAEA ได้รายงานว่ากำลังจะทำการขยายขอบเขตการใช้งานระบบตรวจวัดนิวตรอนโดยใช้งานร่วมกับเครื่อง Gamma Ray Spectrometer ภายใต้ชื่อหัวข้อ Enhancing agricultural resilience and water security using Cosmic-Ray Neutron Sensor ซึ่งครอบคลุมทั้งการตรวจวัดความชื้นในดินในพื้นที่เกษตรหลากหลายขนาดจนถึงการทำเกษตรกรรมบนภูเขา การสร้างแบบจำลองทางอุทกวิทยา รวมถึงการสร้างระบบเตือนภัยและพยากรณ์น้ำท่วมกับน้ำแล้งด้วย ไม่น่าเชื่อเลยว่าอนุภาคเล็กจิ๋วจากอวกาศอันไกลโพ้นจะเป็นตัวช่วยให้ชาวโลกอย่างพวกเราสามารถบริหารจัดการน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นขนาดนี้

อ้างอิง

• https://www.iaea.org/newscenter/news/using-cosmic-rays-to-measure-moisture-levels-in-soil
• https://www.iaea.org/newscenter/news/new-crp-enhancing-agricultural-resilience-and-water-security-using-cosmic-ray-neutron-sensor-d12014
• หนังสือ อุทกวิทยา โดย ผศ. ดร. อารียา ฤทธิมา