Halo หรือ Geocorona คือชั้นบรรยากาศนอกสุดของโลก มันเบาบางเสียจนแทบไม่มีใครสังเกตเห็น ทว่าบริเวณนี้กลับเป็นด่านหน้าสำคัญที่ต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงของสภาพอวกาศ (Space Weather) เป็นอันดับแรก แม้เราจะพอทราบถึงขอบเขตของมันอยู่บ้าง แต่องค์ความรู้ในปัจจุบันยังถือว่าน้อยมากจนเราไม่สามารถระบุรูปร่างที่แท้จริงของมันได้อย่างชัดเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อถูกปะทะด้วยพายุสุริยะหรือการปลดปล่อยมวลโคโรนา (CME) เรายังคงมีคำถามว่ารูปร่างของมันบิดเบี้ยวไปอย่างไร และอันตรกิริยาระหว่างสนามแม่เหล็กกับมวลสารจากดวงอาทิตย์ส่งผลกระทบต่อบรรยากาศชั้นนี้ในลักษณะใด
ในความเป็นจริง ความสำคัญของ Geocorona เพิ่งจะถูกยกระดับขึ้นเมื่อไม่นานมานี้ตามการเติบโตของกิจการอวกาศ ซึ่งสภาพอวกาศส่งผลกระทบโดยตรงต่อความสำเร็จของทุกภารกิจในวงโคจร แม้ปัจจุบันเราจะมีความก้าวหน้าด้านการศึกษาพลังงานสนามแม่เหล็กไปมาก แต่ในมิติของบรรยากาศชั้นนอกสุดซึ่งเป็นปราการด่านแรกที่พายุสุริยะพุ่งเข้าชนนั้น เรากลับยังมีความเข้าใจที่จำกัดและขาดข้อมูลที่ชัดเจนอยู่อีกมาก
ชั้นบรรยากาศของโลกใหญ่แค่ไหนกัน
100 กิโลเมตรสูงจากพื้นโลก เป็นจุดแบ่งระหว่างโลกกับอวกาศ แม้ว่าจะเป็นระดับความสูงที่ 100 กิโลเมตรจากผิวของโลก ชั้นบรรยากาศของโลกก็ยังคงมีความหนาแน่นที่มากพอที่จะฉุดรั้งความเร็วของวัตถุที่โคจรรอบให้ตกกลับมาสู่พื้นผิวของโลกได้อยู่ดี แล้วชัั้นบรรยากาศของโลกมันไปสิ้นสุดที่ตรงไหน
มนุษย์พยายามหาเส้นแบ่งระหว่างชั้นบรรยากาศของโลกกับอวกาศมาโดยตลอด เพราะถ้าเราไม่สามารถนิยามว่าจุดไหนคืออวกาศ จุดไหนคือชั้นบรรยากาศ มันจะมีผลทางกฎหมายที่สร้างเรื่องปวดหัวให้กับการโคจรของดาวเทียม เพราะดาวเทียมโคจรเหนือหัวประเทศใครทีนึงแล้วจะต้องมานั่งขออนุญาตวัตถุเคลื่อนที่เหนือน่านฟ้าทีนึง หรือเป็นเรื่องทะเลาะกับชาติอื่นทีนึง มันจะปวดหัวมาก ในยุคสงครามเย็นจึงต้องมีการสร้างสนธิสัญญาเพื่อมาแบ่งว่าตำแหน่งไหนคือเส้นแบ่งระหว่างชั้นบรรยากาศกับอวกาศ นั้นก็คือ Kármán Line ซึ่งเส้นนี้แบ่งจากที่ความสูง 100 กิโลเมตรขึ้นไปแล้วนั้น ชั้นบรรยากาศไม่หนาแน่นพอที่จะสร้างแรงยกให้กับการบินได้อีกแล้ว แต่ถามว่าที่สูงขึ้นไปมากกว่าเส้นนี้ยังถือว่ายังมีชั้นบรรยากาศของโลกอยู่ไหม คำตอบก็คือ มี
ในยุคสงครามเย็นเราเชื่อว่าชั้นบรรยากาศของโลกจะไปหยุดที่ 100,000 กิโลเมตร หรือระยะทาง 1 ใน 3 ของเส้นทางจากโลกไปยังดวงจันทร์ แต่ว่าในปี 2019 ข้อมูลจากยาน SOHO ได้ค้นพบว่า ชั้นบรรยากาศของโลกนั้นไม่ได้หยุดแค่ที่ 100,000 กิโลเมตรจากพื้นผิว แต่มันแพร่ออกไปได้ไกลกว่านั้น คือแพร่ไปได้กว้างกว่า 630,000 กิโลเมตร ซึ่งหมายความว่าดวงจันทร์ที่โคจรห่างออกไป 384,400 กิโลเมตร ก็ยังคงอยู่ภายในชั้นบรรยากาศของโลก
ดังนั้นหากถามว่าชั้นบรรยากาศของโลกใหญ่แค่ไหน มันก็ใหญ่มาก มาก มาก มาก ซึ่งบริเวณขอบนอกสุดของชั้นบรรยากาศโลก คือตำแหน่งที่จะปะทะกับลมสุริยะและพายุสุริยะก่อนที่อื่น ราวกับเป็นฟองสบู่เกราะป้องกันที่ปกป้องโลกและชั้นบรรยากาศที่อยู่ด้านในจากอนุภาคและสนามแม่เหล็กที่ปั่นป่วน ซึ่งตำแหน่งขอบนอกที่ห่างไกลนี่แหละคือจุดที่เราแทบไม่มีความรู้อะไรเกี่ยวกับมัน รวมถึงอันตรกิริยาของมันเมื่อปะทะกับพายุสุริยะที่รุนแรงอย่างจัง
ภาพถ่าย Halo แรกของโลก
เอาจริงมันมีมุกตลกในวงการว่า ที่ยุคก่อนเราขยันศึกษา Space Weather กันเยอะเนี่ย เป็นเพราะว่าความอยากรู้อยากเห็น หรือจริงๆ แค่เพราะมัน “ง่าย” กันแน่? เพราะในสมัยนั้นแค่ติด Magnetometer ไว้บนยานแล้วโยนออกไปนอกโลก พอได้ค่าอะไรสักอย่างก็สามารถมาตีพิมพ์ได้
ในช่วงต้นของยุคบุกเบิกอวกาศ การศึกษา Space Weather เกิดขึ้นเยอะมาก ทั้งเรื่องของ High Altitude Ionosphere สนามแม่เหล็ก อนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ ลมสุริยะ พายุสุริยะ เป็นเพราะว่าข้อจำกัดทางเทคโนโลยีในช่วงเวลานั้นที่การส่งข้อมูลกลับมายังโลกเป็นเรื่องที่ยากและทำได้ช้า การติดตั้งอุปกรณ์อย่าง Magnetometer และ praticle detector ไว้กับยานอวกาศแล้วโยนมันออกไป จากนั้นรออะไรสักอย่างผ่านเครื่องวัด เป็นวิธีการศึกษาแบบมุมมองบุคคลที่หนึ่ง ซึ่งเป็นวิธีการที่เรียบง่ายแล้วก็สอดคล้องกับฟิสิกส์ของเครื่องมือที่เราใช้งานจริง แต่ข้อเสียคือเราไม่สามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงแบบทันท่วงทีหรือมองภาพใหญ่ของปรากฏการณ์ได้ง่าย ต้องอาศัยการคาดคะเนหรือ Interpolation ข้อมูลในการปะจุดข้อมูลเพื่อให้สามารถมองภาพใหญ่ของข้อมูลได้
แต่หากเราอยากมองภาพใหญ่ของข้อมูลให้ละเอียดและครอบคลุมทันทุกการเปลี่ยนแปลงจริง บริบทการสังเกตการณ์ของเรามันต้องเปลี่ยนจากมุมมองบุคคลที่หนึ่งเป็นมุมมองบุคคลที่สาม ยกตัวอย่าง ก่อนหน้านี้เราศึกษา Exosphere ของโลกด้วยยานอวกาศในวงโคจรที่ยานบินผ่านชั้นบรรยากาศแล้วเก็บข้อมูล พอค่าสักตัวในชั้นบรรยากาศเปลี่ยนเราก็ไม่รู้ว่าอะไรทำให้มันเปลี่ยน ถ้าอยากรู้ว่าอะไรทำให้มันเปลี่ยนเราก็ต้องออกไปให้ไกลกว่าชั้นบรรยากาศของเรามาก ๆ แล้วหันกล้องกลับมามองที่ชั้นบรรยากาศ เราถึงรู้ว่า อ๋อ ค่าที่มันเปลี่ยนไปเกิดจากพายุสุริยะมาชนชั้นบรรยากาศของเรา นี่แหละคือการเปลี่ยนจากมุมมองบุคคลที่หนึ่งเป็นมุมมองบุคคลที่สาม
เพราะเอาเข้าจริงเราก็รู้กันมาตั้งแต่ยุคบุกเบิกอวกาศกันแล้วว่า ชั้นบรรยากาศที่อยู่ออกไปจาก Kármán Line มีการกระเจิงและเรืองแสง UV ในย่าน Lyman-alpha (121.6 nm) นักวิทยาศาสตร์จึงเริ่มตั้งสมมติฐานว่าต้องมีกลุ่มก๊าซไฮโดรเจนอยู่รอบโลก ที่ทำให้ Lyman-alpha จากดาวฤกษ์เดินทางผ่านเข้ามาในชั้นบรรยากาศของโลกได้ แต่ยังไม่สามารถให้คำตอบได้ชัดเจนว่าชั้นไฮโดรเจนที่ปกคลุมรอบโลกนี้ใหญ่แค่ไหนแล้วมันมีอันตรกิริยากับปรากฏการณ์ทางพื้นผิวของดวงอาทิตย์อย่างไรบ้าง
Dr. George R. Carruthers นักวิทยาศาสตร์ผิวสีจากยุค 60 เขาเป็นหัวหน้าโครงการสำคัญของ NASA และ Naval Research Laboratory (NRL) ซึ่งสำหรับคนผิวสีในเวลานั้นนี่ไม่ใช่เรื่องง่ายแต่ด้วยความสามารถของเขาทำให้เขาขึ้นมาคุมโปรเจคใหญ่และได้รับความไว้วางใจจาก NASA เขาคือคนที่ผลักดันการศึกษาปัญหาด้าน Space Weather และการกระเจิงของ Far Ultraviolet ของชั้นบรรยากาศโลก ซึ่งปัญหาที่คาราคาซังแบบนี้มาหลายสิบปี หากจะยังแก้ปัญหาด้วยการมองจากบนพื้นโลก (มุมมองบุคคลที่หนึ่ง) ไม่มีทางที่จะทราบคำตอบได้แน่ เขาจึงผลักดันโครงการศึกษาของเขาไปให้ไกลกว่าโครงการศึกษาชั้นบรรยากาศโลกไหนเคยทำมา นั้นคือการไปศึกษามันจากดวงจันทร์
โครงการของ Carruthers คือ Far UV Camera/Spectrograph กล้องโทรทรรศน์รังสี UV ที่จะถูกติดตั้งไว้บนดวงจันทร์และหันมันกลับมาที่โลกเพื่อดูการเรืองแสงของชั้นบรรยากาศระดับสูงในย่าน UV โดยกล้องที่เขาออกแบบนั้นให้มันไวกับย่าน Lyman-alpha เป็นพิเศษโดยการดัดแปลงเลนส์และเซนเซอร์ถ่ายภาพให้ไวกับย่านแสงนี้โดยเฉพาะ ซึ่งกล้องตัวนี้ได้เป็น Primary surface equipment ของภารกิจ Apollo 16 และถูกติดตั้งบนพื้นผิวของดวงจันทร์ ทำให้มันกลายเป็นกล้องโทรทรรศน์ตัวแรกที่ถูกติดตั้งบนดวงจันทร์
ภาพถ่ายจากกล้อง Far UV Camera/Spectrograph นั้นทำให้เรามองเห็นโลกในย่านที่ไม่เคยมีใครเห็นมาก่อน และมันปรากฏสิ่งที่เรียกว่า Halo ของโลก ชั้นบรรยากาศที่ทำหน้าที่เป็นเกราะบาง ๆ ปกคลุมโลก ซึ่งต่อมาเราตั้งชื่อชั้นบาง ๆ ที่มีไฮโดรเจนปกคลุมและเรืองแสงในย่าน Lyman-alpha เหล่านี้ว่า Geocorona และภาพนี้ยังถูกใช้ในการอธิบายปรากฏการณ์ทาง Space Weather ต่อมาอีกหลายสิบปี
เกร็ดเล็กน้อยคือ กล้อง Far UV Camera/Spectrograph ยังถูกนำไปถ่ายภาพวัตถุทางดาราศาสตร์ คือ Large Magellanic Cloud ในย่าน Lyman-alpha อีกด้วยทำให้กล้องโทรทรรศน์นี้เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ถูกติดตั้งบนดวงจันทร์ดวงแรกที่ทำการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์อีกด้วย
เมื่อ Space Weather กลับมาเป็นที่สนใจอีกครั้ง เพราะเทคโนโลยีอนุญาต
หากว่ากันตามตรงงานของ Space Weather มันเป็นโครงการอวกาศที่ไม่ได้ต้องการยานอวกาศที่ใหญ่โต ไม่ต้องสร้างทัศนูปกรณ์ใหญ่ยักษ์แบบกล้องโทรทรรศน์อวกาศ หรืออุปกรณ์ไปเต็มกระบุงยานสำรวจดาวเคราะห์เลยด้วย ขอแค่มีคอมพิวเตอร์คอยเก็บข้อมูลกับระบบสื่อสาร (หมายถึงที่เก็บข้อมูลสนามแม่เหล็กกับอนุภาคนะ ไม่ใช่พวกถ่ายภาพดวงอาทิตย์) อย่างเดียวเผลอ ๆ มันก็สามารถทำงานต่อเนื่องได้หลายสิบปี เพียงแค่ว่าเพื่อเก็บข้อมูลให้ครอบคลุมตัวโครงการจำเป็นต้องมียานอวกาศหลายลำ ในช่วงสงครามเย็นที่มีการทดสอบจรวดเยอะ Space Weather เลยเป็นภารกิจแรก ๆ ที่เกิดขึ้นเพราะ payload เล็ก น้ำหนักเบาแต่ต้องส่งออกไปเยอะ หลาย ๆ รอบ
ยกตัวอย่างภารกิจ Pioneer 6,7,8,9 ยานศึกษา Space Weather ยุคบุกเบิก มันถูกส่งออกไปตั้งแต่ปี 1965 ก่อนโครงการ Apollo เสียอีก มันทำงานกันได้ดีเป็น 15 ปีก่อนที่ NASA จะปิดการสื่อสารกับมันไป ซึ่งคำว่า “ปิดการสื่อสาร” ไม่ได้แปลว่ามันเสีย แค่เราไม่หันจานรับสัญญาณไปคุยกับมันเท่านั้น ซึ่งพอเราหันจานกลับไปคุยกับมันเมื่อไหร่ Pioneer แต่ละตัวก็ยังคงคุยตอบเสมอแค่ว่าระหว่างนั้นแต่ละตัวก็ค่อย ๆ ทยอยติดต่อกันไม่ได้ไปทีละตัว ซึ่งตัวที่สามารถรักษาการติดต่อได้ยาวนานที่สุดคือ Pioneer 6 ที่สามารถรักษาการติดต่อได้จนถึงปี 2000 ก่อนที่จะไม่สามารถติดต่อกับมันได้อีกเลย ทำให้ก่อนหน้ายุคของ Voyager ยาน Pioneer 6 ถือว่าเป็นแชมป์ยานอวกาศและคอมพิวเตอร์ที่ทำงานได้ติดต่อกันนานที่สุดในโลก เป็นระยะเวลาสะสมทั้ง 34 ปี
หลังโครงการ Apollo NASA โดนตัดงบแถมจรวดของสหรัฐก็ประสิทธิภาพสูงโคตร ๆ จนไม่ต้องมายิงทดสอบเยอะ ๆ คราวละหลาย ๆ รอบแล้ว งาน Space Weather ที่ไม่ต้องการอะไรเยอะมากเลยต้องไปรวมกับงานอย่างอื่น เช่น อยู่กับโครงการ Spatar ของกระสวยอวกาศ หรือติดไปกับยานสำรวจอย่างอื่น จนทำให้มันหายไปช่วงหนึ่งใหญ่ ๆ เลย จนกระทั่งไม่กี่ปีที่ผ่านมาที่เทคโนโลยีมันอนุญาตให้ Space Weather กลับมาได้ในรูปแบบของโครงการเล็ก ๆ จากการเกิดขึ้นของ CubeSat และ ride share ของ SpaceX ทำให้โครงการ Space Weather กลับมาบูมอีกครั้ง จะเห็นได้ว่าแค่ 2024-2025 มีภารกิจเกี่ยวกับ Space Weather และศึกษาดวงอาทิตย์ถูกส่งขึ้นไปเยอะมาก และ Carruthers Geocorona ก็คือหนึ่งในนั้น รู้จักกับ 3 ภารกิจสำรวจดวงอาทิตย์และระบบสุริยะ IMAP, SWFO-L1 และ Carruthers
ภารกิจ Carruthers Geocorona กับการศึกษาโดยเฉพาะ
Carruthers Geocorona เป็นโครงการศึกษาชั้นบรรยากาศโลกส่วน Geocorona โดยเฉพาะ โดยยานตั้งชื่อนี้เพื่อเป็นเกียรติแก่ Dr. George R. Carruthers ซึ่งอย่างที่บอกไปก่อนหน้าว่า SOHO ได้ทำให้เราค้นพบว่าชั้นบรรยากาศของโลกนั้นกว้างใหญ่แพร่ออกไปได้ไกลถึง 630,000 กิโลเมตร ดังนั้นถ้าจะดู Geocorona เราต้องสร้างยานอวกาศสามารถไปอยู่ในตำแหน่งที่ชั้นบรรยากาศของโลกแผ่ไปไม่ถึง Carruthers Geocorona เลยไปอยู่ที่ตำแหน่ง L1 บริเวณที่พวกยานสำรวจดวงอาทิตย์ชอบไปอยู่ เพราะมันเห็นดวงอาทิตย์ตลอดเวลาไม่มีอะไรมาบัง แต่มันไม่ได้อยู่ตำแหน่งนั้นเพื่อส่องดวงอาทิตย์ แต่มันจะหันกลับมามองที่โลกเพื่อเฝ้ามองชั้นบรรยากาศส่วนนอกสุดที่ค่อย ๆ เปลี่ยนแปลงตามสภาพอวกาศ
และก็อย่างที่บอกไปยานอวกาศที่ทำงานเกี่ยวกับเรื่องพวกนี้มันไม่ได้มีอะไรมากมาย บนยาน Carruthers Geocorona มีกล้องถ่ายภาพสองตัว คือ Wide Field Imager กับ Narrow Field Imager ที่แต่ละตัวสามารถถ่ายภาพแสงได้สองช่วงสำคัญคือ Far Ultraviolet กับ Lyman-alpha และตลอดทั้งภารกิจของมันคือบันทึกภาพชั้นบรรยากาศของโลกไปเรื่อย ๆ เพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของชั้นบรรยากาศและการเรืองแสงจากสภาพอวกาศ
Carruthers Geocorona ถูกส่งสู่อวกาศด้วยจรวด Falcon 9 เมื่อวันที่ 24 กันยายน 2025 ในเที่ยวบินเหมาลำ Space Weather ของ NASA และ NOAA เพราะในเที่ยวบินนี้มี IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe) ของ NASA และ SWFO-L1 (Space Weather Follow On-Lagrange 1) ของ NOAA ไปด้วย ซึ่งทั้งสองก็เป็นยานเพื่องานด้าน Space Weather อยู่แล้ว ซึ่งทั้งสามมีตำแหน่งของพวกมันที่ตำแหน่ง L1 ด้วยเหมือน ๆ กัน
Carruthers Geocorona ถือว่าเป็นภารกิจแรกที่มีการศึกษา Geocorona จากด้านนอกของชั้นบรรยากาศโลก (เพราะกล้องที่วางบนดวงจันทร์มันยังอยู่ในชั้นบรรยากาศยังไงละ) ซึ่งมันจะเข้ามาช่วยเติมเต็มองค์ความรู้เกี่ยวกับชั้นบรรยากาศของเราที่มันขาดหายไปได้อีกมากเพราะแม้มนุษย์จะส่งยานอวกาศขึ้นไปศึกษาชั้นบรรยากาศระดับสูงมาตั้งแต่ยุคเริ่มต้นสงครามเย็นแล้ว แต่ความรู้เกี่ยวกับชั้นบรรยากาศโลกที่ระดับ Exosphere และ Geocorona เรายังน้อยมาก เพราะมันเป็นสถานที่ที่ไกลมาก ชั้นบรรยากาศก็เบาบางมาก เครื่องมือที่จะใช้ในการสำรวจจึงต้องละเอียดมากตามไปด้วย ทำให้ความรู้ของเราในช่วงถัดจาก exosphere ออกไปจนถึงอวกาศนอกชั้นบรรยากาศโลกของเราจริง ๆ แล้วยังคงคลุมเครืออยู่มาก
อีกอย่างคือปริศนาการรักษาน้ำภายในชั้นบรรยากาศของโลก เอาเข้าจริงการที่โลกของเรายังคงรักษาน้ำให้ไม่เคยหลุดออกไปนอกชั้นบรรยากาศของโลกได้เลยแถมยังรักษาให้เกิดวัฏจักรน้ำภายในชั้นบรรยากาศไว้ได้อีกนับว่าเป็นสิ่งที่มหัศจรรย์มากที่สุดในเอกภพแล้ว เพราะในตอนนี้เราไม่พบดาวเคราะห์ดวงใดเลยที่เป็นแบบนี้ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์คาดว่าการสังเกตการณ์ชั้น Geocorona ของโลกจะช่วยทำให้เราเข้าใจคำตอบของคำถามนี้ได้ดียิ่งขึ้น
แม้เรื่องราวของ Carruthers Geocorona จะเพิ่งเริ่มต้นขึ้น แต่จากภาพถ่ายแรกของมันก็ทำให้เราเห็นแล้วว่า Carruthers Geocorona จะพาเราไปเข้าใจโลกของเราในแบบที่เราไม่เคยเห็นมาก่อน ผ่านภาพที่เราจะได้เห็นรายละเอียดของชั้นบรรยากาศโลกทั้งใบในภาพ ๆ เดียวแบบต่อเนื่องตลอดเวลา ที่จะทำให้เราเห็นและเข้าใจทุกการเปลี่ยนแปลงภายในชั้นบรรยากาศโลกของเรา จนไปถึงการไขคำตอบการคงอยู่ของน้ำภายในชั้นบรรยากาศได้อีกด้วย ซึ่งเป็นการเติมเต็มข้อมูลที่ไม่เคยมีการศึกษาในระยะยาวมาก่อน
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
