ในอดีตที่มนุษย์เริ่มสำรวจดาวเคราะห์ที่ชื่อว่าดาวอังคารนั้น ทุกคนต่างเชื่อว่าไม่เคยมีสิ่งมีชีวิตอยู่บนดาวอังคารมาก่อนแน่ ๆ เพราะมันคือทะเลทรายเวิ้งว้างที่เต็มไปด้วยฝุ่น พายุ หินดินทราย และสภาพแวดล้อมอื่น ๆ อีกมากมายที่มีปัจจัยทำให้ชีวิตไม่สามารถเกิดขึ้นบนดาวอังคารได้ แต่ทุกคนก็ต้องตกตะลึงเมื่อโรเวอร์บนดาวอังคารอย่าง Curiosity ตรวจจับแก๊สมีเทนได้ในชั้นบรรยากาศดาวอังคาร ซึ่งถือเป็นการค้นพบที่นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้คาดหวังไว้ แต่ประจวบเหมาะกับที่ ESA ส่งยาน ExoMars Trace Gas Orbiter มาดาวอังคารพอดี แต่วัดแล้วดันไม่เจอแกีสมีเทนอย่างที่ NASA บอกซะงั้น
แต่ปริศนาดังกล่าวได้ถูกแก้ไขแล้ว และมันก็นำไปสู่ปริศนาใหม่อีกอันเนื่องจากนักวิทยาศาสตร์เจอหลักฐานว่าแก๊สมีเทนที่เราเห็นในตอนนี้อาจเป็นเพียงแค่เศษซากที่หลงเหลืออยู่เท่านั้น ในอดีตอาจมีมากกว่านี้ แล้วมันหายไปได้อย่างไรทั้ง ๆ ที่แก๊สมีเทนสามารถอยู่ในชั้นบรรยากาศของดาวอังคารได้นานถึง 300 ปี
มาลองดูกันว่าเราแก้ไขปริศนาอันแรก แต่ดันไปเจอปริศนาอันสองได้อย่างไร
ทำไมการเจอแก๊สมีเทนบนดาวอังคารถึงสำคัญ
แก๊สมีเทน เป็นสารอินทรีย์อย่างหนึ่งที่เกิดขึ้นในธรรมชาติบนโลกโดยวงจรของแก๊สมีเทนมีหลายอย่างตั้งแต่การเกิดจากการย่อยอาหารของสิ่งมีชีวิต การผายลมของสิ่งมีชีวิต การย่อยสลายซากพืชซากสัตว์ การเผาไหม้ของมวลชีวภาพ และอื่น ๆ อีกมากมาย แต่ที่สำคัญที่สุดคือแก๊สมีเทนยังมีที่มาจากปฏิกิริยาต่าง ๆ กระทำโดยจุลชีพอีกด้วย เรียกปฏิกิริยานี้ว่า “Methanogenesis”
และการที่เราไปเจอแก๊สมีเทนบนดาวอังคาร เรารู้อยู่แล้วว่าดาวอังคารไม่มีสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่จำพวก ไก่ หมู วัว หรือแกะ แล้วมีเทนมันจะมาจากไหนได้ จึงมีความเป็นไปได้ว่าแก๊สมีเทนที่อยู่ในชั้นบรรยากาศของดาวอังคารอาจจะมาจากจุลชีพที่เคยอยู่บนดาวอังคาร (และอาจยังอยู่)
อย่างไรก็ตามแก๊สมีเทนก็มาจากสิ่งที่ไม่มีชีวิตได้เหมือนกัน เช่น ปฏิกิริยาระหว่างน้ำที่เป็นของเหลวและหินยาง Olivine หรือ Pyroxene ที่สามารถเกิดเป็นปฏิกิริยาสังเคราะห์แก๊สมีเทนได้นั่นเอง แก๊สมีเทนบนดาวอังคารจึงยังเป็นปริศนาที่นักวิทยาศาสตร์ยังต้องไขว่ามันมาจากไหนกันแน่
การตรวจพบแก๊สมีเทน
การตรวจพบแก็สมีเทนบนดาวอังคารนั้นเป็นข้อมูลมาจากอุปกรณ์ Tunable Laser Spectrometer (TLS) ในชุดอุปกรณ์ Sample Analysis at Mars (SAM) ของโรเวอร์ Curiosity ซึ่งตรวจพบแก๊สมีเทนในชั้นบรรยากาศของดาวอังคารบริเวณ Gale Crater นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังตรวจพบการเพิ่มและลดลงของแกีสมีเทนตามฤดูกาลอีกด้วยโดยจะเพิ่มสูงขึ้นในช่วงฤดูร้อนของ Gale Crater และลดลงในฤดูหนาว
โดยค่าความเข้มข้นของแก๊สมีเทนที่ TLS ตรวจพบอยู่ที่ประมาณ ครึ่งหนึ่งต่อพันล้าน (Part per billion: PPB) ซึ่งถือเป็นค่าที่น้อยมาก เทียบเท่ากับเอาเกลือเม็ดเดียวไปละลายในสระว่ายน้ำโอลิมปิก อย่างไรก็ตามค่าความเข้มข้นผันผวนในบ้างครั้งและอาจขึ้นไปสูงถึง 20 PPB ก็เท่ากับเกลือ 20 เม็ดละลายในสระว่ายน้ำโอลิมปิกซึ่งก็น้อยอีกเช่นเดิม แต่ก็มีนัยสำคัญพอที่จะหาสาเหตุว่าเพราะอะไร?
พอ NASA ประกาศว่าเจอแก๊สมีเทนบนดาวอังคารอย่างงี้ งานก็จะไปตกอยู่ที่ยานสำรวจดาวอังคารที่ออกแบบมาให้สำรวจชั้นบรรยากาศชั้นบนของดาวอังคารโดยเฉพาะอย่างเช่นยาน ExoMars Trace Gas Orbiter ของ ESA ซึ่งเดินทางถึงดาวอังคารในปี 2016 มาถึงปุ๊ปก็จัดการสำรวจหาแก๊สมีเทนในชั้นบรรยากาศของดาวอังคารตามที่ NASA บอกไว้ทันที เนื่องจากมีเทนเบากว่าอากาศแสดงว่ามันก็จะลอยขึ้นมาให้ ExoMars ซึ่งอุปกรณ์ถูกออกแบบมาให้ใช้สำรวจชั้นบรรยากาศชั้นบนอยู่แล้วตรวจจับได้อย่างง่ายดายและน่าจะเจอเข้มข้นกว่าที่ Curiosity เจอ แต่จุดพีคมันอยู่ตรงนี้เองเพราะ ESA บอกว่า “ไหนวะแก๊สมีเทน ไม่เห็นมี มึงต้มกูปะเนี่ย NASA”
ก็เลยกลายเป็น NASA และ ESA เอาอุปกรณ์ของตัวเองมาขิงกันว่าของฉันแม่นกว่าของนาย ESA ก็บอกว่า ExoMars เป็นยาน Flagship เอาไว้วัดค่าแก๊สพวกนี้ในชั้นบรรยากาศชั้นบนของดาวอังคารโดยเฉพาะจะพลาดได้ไงวะ JPL ก็ขิงบ้างว่า TLS ของ Curiosity มันแม่นขนาดเอาไว้ใช้ตรวจจับแก๊สรั่วบน ISS หรือวัดค่าแก็สในชุดนักบินอวกาศ ใช้ในอุตสาหกรรมน้ำมัน ใช้ในหน้ากากออกซิเจนเครื่องบินรบสำหรับวัดค่าแก๊ส เทพขนาดนี้ก็ไม่น่าพลาดเหมือนกัน (มันขิงกันจริง ๆ) สุดท้ายก็จบที่ต้องมานั่งซุ่มหัวกันว่าทำไมผลที่ได้จากสองอุปกรณ์มันไม่ตรงกันวะ อันนึงบอกมีดิมีเทนอะ (Curiosity) อันนึงบอกไม่มี (ExoMars)
เกิดเป็นสมมุติฐานงอกมาใหม่เพียบ บางก็ว่า Curiosity อาจจะปล่อยแก๊สมีเทน (โรเวอร์ตด?) ออกมาก็ได้ ไม่ใช่หรอ งั้นอาจจะเป็นแก๊สมีเทนที่สะสมอยู่ในหินแล้วพอ Curiosity ไปเยียบมันแตก แก๊สมีเทนที่สะสมอยู่ในหินก็เลยลอยออกมาก็ได้
ทำไม Curiosity เจอแต่ ExoMars ไม่เจอ
จากเปเปอร์ Day-night differences in Mars methane suggest nighttime containment at Gale crater เผยแพร่เมื่อวันที่ 29 เมษายน 2021 ซึ่งอ้างอิงข้อมูลจาก TLS ของ Curiosity พบการขึ้นลงของแก๊สมีเทนระหว่างตอนกลางวันและตอนกลางคืนซึ่งอาจเป็นผลมาจากการหดและขยายตัวของ Planetary Boundary Layer (PBL) ซึ่งก็คืออากาศเหนือพื้นผิวของดาวทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงการไหลของแก๊สมีเทนใน Gale Crater
โดย Planetary Boundary Layer เป็นเหมือนขอบล่างสุดของชั้นบรรยากาศที่แทบจะติดกับพื้นดิน อากาศบนดาวอังคารมีพฤติกรรมเหมือนบนโลก หนึ่งในนั้นคือ Nocturnal Inversion
ปกติแล้วบนโลกเราตอนกลางวันมีแดดส่องลงมาถึงพื้นดินทำให้พื้นดินร้อนขึ้น อากาศเหนือพื้นดินก็ร้อนตามไปด้วย ในที่นี้คืออากาศใต้เขต PBL ซึ่งจะร้อนที่สุด ยิ่งอากาศร้อนมันยิ่งขยายตัวทำให้ความหนาแน่นของมันลดลงจึงทำให้มันลอยขึ้น เมื่อมันลอยขึ้นไปซักระยะหนึ่งมวลอากาศเหล่านั้นก็จะเย็นลง ทำให้บรรยากาศในชั้น Troposphere (ชั้นล่าง) ยิ่งสูงยิ่งหนาวยิ่งต่ำยิ่งร้อนนั่นเอง เพราะมันใกล้ผิวดินที่แผ่ความร้อนที่ได้มาจากดวงอาทิตย์ตลอดเวลา
แต่เมื่อถึงตอนกลางคืน พื้นดินที่โดนแดดร้อนมาทั้งวันพอแสงแดดหายก็เย็นตัวลงอย่างรวดเร็วทำให้อากาศเหนือมันเย็นตัวลงไปด้วย จึงทำให้เส้นเขต PBL หดตัว แต่หากพื้นผิวเย็นตัวเร็วเกินไปจนทำให้อากาศร้อนใน PBL กลายเป็นอากาศเย็นเฉียบพลัน แต่อากาศชั้นบนเหนือ PBL ส่วนหนึ่งยังร้อนอยู่ เหนือขึ้นไปอีกซึ่งเป็นอากาศที่เย็นอยู่แล้วเพราะอยู่สูงเลยไม่ค่อยได้รับผลกระทบจากความร้อนของพื้นดิน เกิดเป็นชั้นอากาศแบบ เย็นทับร้อนทับเย็น เรียกว่า Thermal Inversion ในกรณีนี้เรียกว่า Nocturnal Inversion เพราะเกิดในตอนกลางคืนเมื่ออากาศเหนือพื้นดินเย็นลง
อากาศเย็นซึ่งปกติจมตัวอยู่แล้วแต่โดนอากาศร้อนทับไว้ก็เลยยิ่งไปไหนไม่ได้ ส่วนชั้นอากาศร้อนซึ่งปกติจะลอยตัวแต่มันติดชั้นอากาศเย็นเหนือมันอีกทีกดลงมาจึงทำให้ลอยตัวไปไหนไม่ได้ เพราะฉะนั้นอากาศชั้นล่างสุดบริเวณ PBL จะขยับไปไหนไม่ได้ ได้แต่จมตัวลงก้นของ PBL
เพราะฉะนั้นถ้าแก๊สมีเทนบนดาวอังคารมีแหล่งกำเนิดจากการซึมมาจากผิวดิน (ซึ่งน่าจะเป็นแหล่งเดียวที่มาได้) เนื่องจากมันเบากว่าอากาศมันก็จะลอยขึ้นในตอนกลางวันที่อุณหภูมิชั้น PBL เหนือพื้นดินร้อนจึงเกิดกระแสไหลของลมจากข้างล่างขึ้นข้างบนทำให้ Curiosity ตรวจเจอแก๊สมีเทนได้ แต่เมื่อตกกลางคืน เกิดปรากฏการณ์ Nocturnal Inversion ทำให้อากาศเหนือพื้นดินเย็นจนจมตัวลงผสมกับชั้นอากาศร้อนที่มาทับไว้ทำให้อากาศไหลไปไหนไม่ได้ แก๊สมีเทนที่ซึมมาจากพื้นดินของ Gale Crater จึงสะสมเหนือพื้นดิน (เพราะมันลอยตัวขึ้นไม่ได้)
ประจวบเหมาะกับตารางการสำรวจของ Curiosity ซึ่งจะวัดแก๊สมีเทนด้วย TLS ในตอนกลางคืนเท่านั้น เนื่องจากมันกินพลังงานเยอะ จึงต้องทำในตอนที่อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่พักงาน ซึ่งก็คือช่วงตอนกลางคืนที่ ซึ่งเป็นช่วงที่เกิดการจมตัวของอากาศขึ้นจากปรากฏการณ์ Nocturnal Inversion ทำให้มีเทนที่ซึมออกมาจากพื้นดินแต่ลอยไปไหนไม่ได้ จึงเกิดการสะสมของแก๊สมีเทนขึ้นเหนือพื้นดินจนถึงระดับที่ Curiosity ตรวจจับได้นั่นเอง จึงเกิดเป็นสมมุติฐานขึ้นว่าผลจากทั้ง ExoMars และ Curiosity อาจจะถูกทั้งคู่
สมมุติฐานดังกล่าวอธิบายและสนับสนุนได้โดยการที่ ExoMars และ Curiosity มีวิธีการวัดและช่วงระยะเวลาในการวัดที่ไม่เหมือนกัน อย่าง TLS ของ Curiosity จะถูกตั้งไว้ให้ทำงานตอนกลางคืนเนื่องจึงสามารถตรวจจับได้เนื่องจากเป็นช่วงที่แก็สมีเทนสะสมเหนือพื้นดิน
ในขณะที่ ExoMars Trace Gas Orbiter ในวงโคจรดาวอังคารต้องอาศัยแสงจากดวงอาทิตย์ในการตรวจจับโมเลกุลของแก๊สอย่างมีเทนเหนือพื้นผิวประมาณ 5 กิโลเมตร แต่ตอนกลางวันเป็นตอนที่ปรากฏการณ์ Nocturnal Inversion นั้นหายไป อากาศจึงเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ แสงแดดจากดวงอาทิตย์ทำให้อุณหภูมิของอากาศเหนือพื้นผิวสูงขึ้นอากาศบริเวณเหนือพื้นผิวจึงลอยตัวขึ้นพร้อมกับพามีเทนไปด้วย มีเทนที่ลอยขึ้นไปนั้นชั้นบรรยากาศนั้น เมื่อสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ก็ถูกมวลอากาศมหาศาลทั้งดาวเจือจางจนไม่สามารถตรวจจับได้ จึงไม่แปลกที่ ExoMars จะไม่เห็นอะไรเลยเนื่องจากมันถูกเจือจางด้วยมวลอากาศที่เยอะมาก
เมื่อได้สมมุติฐานมาอย่างนี้ JPL ก็จัดการวัดค่าแก๊สมีเทนด้วย TLS ของ Curiosity ในตอนกลางวันทันทีเพื่อดุว่าค่าดังกล่าวแตกต่างกันหรือไม่ในตอนกลางวันและกลางคืน ชุดอุปกรณ์ SAM ดูดอากาศของดาวอังคารมากำจัดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของแก๊สมีเทนให้ TLS สามารถตรวจจับได้กว่า 2 ชั่วโมง ด้วยการยิงแสงที่โมเลกุลแก๊สมีเทนสามารถดูดซับได้แล้ววัดการดูดซับ และผลที่ได้ก็คือตามคาด ค่าต่ำเกินกว่าที่จะระบุได้ว่าแก๊สมีความเข้มข้นเท่าไหร่
ปริศนาใหม่งอก
การที่ความเข้มข้นของแก๊สมีเทนเพิ่มขึ้นลงตามช่วงระยะเวลาตอนกลางวันและตอนกลางคืนจากปรากฏการณ์ Nocturnal Inversion ตามที่ Curiosity ได้ลองวัดค่าความเข้มข้นของแก๊สมีเทนตอนกลางวันและตอนกลางคืนเปรียบเทียบกันโดยพบว่า ตอนกลางคืนนั้นสามารถตรวจจับได้ แต่ตอนกลางวันไม่สามารถตรวจจับได้หมายความว่าแก็สมีเทนซึมมาจากใต้พื้นผิวของ Gale Crater จริง ๆ นั่นเอง
นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าอาจเกิดการซึมของแก๊สมีเทนในหลุมอุกกาบาตทุกหลุม เนื่องจาก Gale Crater ไม่ได้มีสภาพทางธรณีวิทยาที่จะสามารถเกิดแก๊สได้ด้วยซ้ำ และถ้ามันเกิดขึ้นทุกหลุมจริง ป่านนี้มันน่าจะสะสมในชั้นบรรยากาศมากพอที่ ExoMars จะวัดได้แล้วเนื่องจากโมเลกุลมีเทนอยู่ได้ยาวนานประมาณ 300 ปี ก่อนที่จะถูกรังสีจากดวงอาทิตย์รบกวนจนสลายไป หมายความว่ามันน่าจะสะสมมา 300 ปีแล้ว แต่มันหายไปไหนหมด หมายความว่าต้องมีอะไรที่ทำให้มันหายไปก่อนรังสีดวงอาทิตย์
ปริศนานี้ยังคงเป็นปริศนาที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถแก้ไขได้มาจนถึงปัจจุบัน และนักวิทยาศาสตร์ยังคงต้องสำรวจต่อไปเนื่องจากตอนนี้มีเพียงแค่ทฤษฎีเท่านั้น หลุมอุกกาบาตอาจจะมีแค่บางหลุมที่มีการซึมของแก็สมีเทนก็ได้นั่นเอง
เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO
อ้างอิง
First You See It, Then You Don’t: Scientists Closer to Explaining Mars Methane Mystery
Day-night differences in Mars methane suggest nighttime containment at Gale crater
