mเป็นที่ฮือฮากับปรากฏการเมฆประหลาดบนท้องฟ้าที่เห็นได้ในฝั่งตะวันตกของชายฝั่งสหรัฐอเมริกาที่เกิดขึ้น หลายคนจิตนาการว่าเป็นมนุษย์ต่างดาว เป็นระเบิดนิวเคลียร์ แต่แท้จริงแล้วหากติดตามข่าวจะพบว่าเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเนื่องจากจรวด Falcon 9 ของ SpaceX ในภารกิจการส่งดาวเทียมชุด Iridium เดินทางผ่านนั่นเอง วันที่ 23 กรกฏาคม SpaceX ทำการส่งดาวเทียม Iridium Next ดาวเทียมชุดที่จะประกอบไปด้วยดาวเทียมเกือบ 100 ดวงให้บริการอินเทอร์เน็ตและคมนาคมครอบคลุมทั่วโลก ซึ่งทำการปล่อยไปแล้วรวมรอบล่าสุด 30 ดวง การปล่อยสำเร็จลุล่วงไปด้วยดี
อย่างไรก็ตามปรากฏการณ์ดังกล่าวได้กลายมาเป็นกระแสบนโลกออนไลน์ในชั่วข้ามคืน วันนี้ทีมงาน Spaceth.co จะมาเล่าเรื่องราวของปรากฏการณ์ดังกล่าวที่มีชื่อเรียกเท่ ๆ ว่า Twiight phenomena ว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร อะไรเป็นเหตุให้การปล่อยจรวดเกิดเป็นภาพกลุ่มเมฆที่สวยงามเช่นนี้
รู้จักกับ Twilight Phenomena
Twilight Phenomena เกิดขึ้นจากเชื้อเพลิงบางส่วนที่ยังไม่ถูกเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ถูกทิ้งไว้บนชั้นบรรยากาศ เชื้อเพลิงเหล่านี้จะเกาะตัวเข้ากับกลุ่มเมฆไอน้ำที่เกิดจากการควบแน่นของละอองน้ำในชั้นบรรยกากาศ อนุภาคเหล่านี้เมื่อแสงอาทิตย์สะท้อนและหักเหกับพวกมันจะทำให้เกิดสีสันต่าง (การหักเหของแสงเมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางที่ความหนาแน่นต่างกัน) เกิดเป็นภาพที่สวยงาม
การเกิด Twilight phenomena ในปี 2002 จากการปล่อยขีปนาวุธจากฐานทัพอากาศเวนเดนเบิร์ก แคลิฟอร์เนีย ที่มา – Dennis Fisher 30th Communications Squadron / กองทัพอากาศสหรัฐฯ
เพราะจรวดบินอยู่ในชั้นบรรยากาศที่สูงกว่าเครื่องบินโดยสารมาก เมฆที่ปรากฏจึงแตกต่างจาก Contrail ของเครื่องบินโดยสารปกติ ยิ่งบนชั้นบรรยากาศที่สูงกว่าที่มีความหนาแน่นน้อยกว่ายิ่งเปิดโอกาสให้กลุ่มควันพวกนี้ขยายตัวได้ง่ายกว่า
เมฆ Contrail ที่เกิดจากเครื่องบิน F-22 เพราะ F-22 บินอยู่ในชั้นบรรยากาศที่ไม่สูงมาก การขยายตัวของเมฆจึงเห็นไม่ชัดนัก ที่มา – contrailscience.com
ปกติแล้วปรากฏการณ์พวกนี้จะเกิดขึ้นในช่วง 30 – 60 นาทีก่อนพระอาทิตย์ตกดิน หรือ 30-60 นาทีหลังพระอาทิตย์ตกดิน เนื่องจากเป็นช่วงที่องศาของดวงอาทิตย์ทำมุมกับชั้นบรรยากาศอย่างพอดิบพอดี
ส่วนรูปร่างต่าง ๆ ที่ปรากฏนั้นก็ขึ้นอยู่กับกระแสลมหรือการไหลเวียนของอากาศในบริเวณนั้น และยิ่งอยู่ในชั้นบรรยากาศที่สูงขึ้นความหนาแน่นก็จะยิ่งลดลงทำให้กลุ่มควันเหล่านี้ขยายตัวได้ง่ายมองเห็นได้ชัดเจนจากพื้นดิน เมฆเหล่านี้จะค่อย ๆ จางลงและหายไปเมื่อเวลาผ่านไปคล้ายกับเมฆ Contrail ที่เกิดจากเครื่องบินปกติ
ผลผลิตจากเครื่องยนต์ของ Falcon 9
ปกติแล้วเครื่องยนต์จรวดจะต้องมีองค์ประกอบสองสิ่งคือ เชื้อเพลิง และ ออกซิไดเซอร์ ซึ่งออกซิไดเซอร์ที่ใช้กันก็คือออกซิเจนเหลว (เพราะในชั้นบรรยากาศสูง ๆ มีออกซิเจนน้อย จรวดจึงต้องขนออกซิเจนขึ้นไปใช้เผาไหม้เอง)
จรวด Falcon 9 นั้นใช้การเผาไหม้ระหว่าง Kerosene แบบ RP-1 หรือน้ำมันก๊าดเกรดดีกับออกซิเจนเหลว ผลิตภัณฑ์ที่ได้จึงเป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ ตามสมการ 2 C12H26(l) + 37 O2(g) -> 24 CO2(g) + 26 H2O(g) ดังนั้นอนุภาคที่เราเห็นจึงเป็นน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์อย่างละเกือบเท่า ๆ กัน แม้คาร์บอนไดออกไซด์นั้นมีความโปร่งแสงมากกว่าน้ำ แต่อย่าลืมว่า จะยังมีเชื้อเพลิงบางส่วนที่ถูกเผาไหม้ไม่สมบูรณ์หลงเหลือ นั่นหมายความว่าจะยังมี Kerosene บางส่วนหลงเหลือซึ่ง Kerosene นั้นก็เป็นสารประกอบที่มีโมเลกุลซับซ้อนกว่าทั้งน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์
แล้วทำไมคนถึงเห็นจากที่แคลิฟอร์เนีย
ในเมื่อฐานปล่อยจรวดก็มีหลายที่โดยเฉพาะฝั่งตะวันออกในแหลมเคอเนอเวอรัลที่แคลิฟอร์เนีย แล้วทำไมคนที่ฟลอริดา ไม่เห็น Twilight Phenomena บ่อย ๆ บ้าง คำตอบก็คือพวกเขาก็ต้องเห็น Twilight Phenomena เกิดขึ้นแต่ที่ไม่มีรายงานก็เพราะว่าปกติแล้วในการปล่อยจรวดเราจะทำการปล่อยไปทางทิศตะวันออกเสมอ (เพราะการปล่อยตามทิศทางการหมุนของโลกจะเป็นการใช้แรงเหวี่ยงของโลกช่วยประหยัดเชื้อเพลิงไปได้เยอะกว่าการปล่อยย้อน) ในการปล่อยที่เคอเนอเวอรัลฟลอริดา ซึ่งอยู่ฝั่งตะวันออกการปล่อยนั้นจึงเป็นการปล่อยไปทางมหาสมุทรแอตแลนติก หรือปล่อยจากชายฝั่งไปหาทะเลนั่นเอง การรายงานการเกิด Twilight Phenomena จึงไม่พบบ่อยเนื่องจากไม่ใช่แหล่งชุมชนนั่นเอง
ภาพ Simulation แสดงวิถีการปล่อยของ Falcon 9 ในภารกิจการส่งดาวเทียม Iridium ที่มา – Flight Club Simulation
สำหรับในฐานทัพอากาศเวนเดนเบิร์ก แคลิฟอร์เนีย ที่ SpaceX ใช้ในการปล่อยดาวเทียม Iridium ที่อยู่ทางฝั่งตะวันตกนั้น ตามกฏของ FAA แล้ว จะไม่อนุญาตให้ปล่อยจรวดเข้ามาทางแผ่นดิน ที่ฐานทัพเวนเดนเบิร์กจึงรองรับการปล่อยจรวดแบบ Polar Orbit เท่านั้น คือการปล่อยดาวเทียมเข้าสู่วงโคจรตัดขั้วโลกเหนือลงใต้ ซึ่งทำให้การปล่อยเป็นการปล่อยจากเหนือลงใต้ไปทางชายฝั่งมหาสมุทรแปซิฟิก
แต่เนื่องจากทิศทางการปล่อยนั้นขนาดไปกับชายฝั่งตะวันตกของประเทศสหรัฐอเมริกาทำให้คนจากรัฐ California, Utah, Arizona และรัฐในแถบนั้นเห็นปรากฏการ Twilight Phenomena ได้อย่างชัดเจนและเกิดเป็นการรายงานเมฆประหลาดในข่าวที่เราได้เห็นกัน
ก่อนหน้านี้ก็เคยมีรายงานการเกิด Twilight Phenomena เช่นกัน ในเดือนกันยายน 2015 อีกหนึ่งบริษัทรับจ้างปล่อยจรวดของสหรัฐอเมริกา ULA : United Launch Aliance ได้ทำการปล่อยจรวด Atlas V บรรทุกดาวเทียม MUOS ขึ้นจากแหลมเคอเนอเวอรัล ในช่วงพระอาทิตย์กำลังตกดิน
การปล่อยดาวเทียม MUOS ที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์ Twilight phenomena ณ แหลมเคอเนอเวอรัล ฟลอริดา ที่มา – Mike Deep / SpaceFlight Insider
ในบางครั้งการเกิด Twilight phenomena ก็ทำให้คนเกิดการสับสนว่า จรวดหรือขีปนาวุธนั้นเกิดการระเบิดหรือเปล่าเพราะเห็นเป็นกลุ่มควันหรือเมฆขนาดใหญ่ปรากฏรูปร่างไม่ชัดเจน ซึ่งในบางครั้งก็มีการรายงานมายังกองทัพอากาศเช่นกัน แต่ภายหลังสหรัฐฯไม่ค่อยได้ทำการทดสอบขีปนาวุธแล้วทำให้การเห็น Twilight phenomena ลดลง จะเห็นก็ต่อเมื่อมีการปล่อยจรวดเท่านั้น
ประกอบกับในสมัยก่อนอินเทอร์เน็ตยังไม่เห็นที่นิยม เมื่อเกิด Twilight phenomena ขึ้นคนจึงเกิดความกลัวและคิดว่าเป็นมนุษย์ต่างดาวบ้าง ปรากฏเป็นรายงานการพบเจอมนุษย์ต่างดาวหรือจานบินที่ปรากฏในหน้าหนังสือพิมพ์สมัยนั้น หากคนมีความรู้หน่อยก็อาจจะพอเดาได้ว่าเป็นการทดลองทางการทหารซักอย่าง
ประเภทของเครื่องยนต์ก็มีผลเช่นกัน หากเป็นเครื่องยนต์ที่ใช้ออกซิเจนและไฮโดรเจน ที่ผลิตภัณฑ์เป็นน้ำ แสงก็จะเดินทางผ่านได้ยากกว่า ที่มา – NASA/KSC
ย้อนกลับไปเรื่องสมการเคมี จะพบว่าชนิดของเชื้อเพลิงที่ใช้ก็มีผลต่อการเห็น Twilight phenomena จะสังเกตว่าการเกิด Twilight phenomena จะพบได้บ่อยกับจรวดที่ใช้เชื้อเพลิงเป็น Kerosene RP-1 ไม่ว่าจะเป็น Falcon 9 หรือ Atlas-V จรวดพวกนี้จึงเกิดควันน้อย แต่สำหรับกระสวยอวกาศที่มี Solid Rocket Booster ที่ใช้การเผาไหม้ของ Polybutadiene acrylonitrile ที่ทำให้เกิดควันหนา การปล่อยกระสวยอวกาศจึงไม่ค่อยเกิด Twilight phenomena เนื่องจากแสงผ่านได้น้อยนั่นเอง รวมถึง เครื่องยนต์หลักของกระสวยอวกาศ ยังใช้ ออกซิเจน และ ไฮโดรเจน ที่เป็นธาตุทั้งคู่ทำให้การเกิดปฏิกริยาทางเคมีง่ายกว่า โอกาสการเกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์สูงกว่า ผลที่ได้จึงเกิดเป็นเพียงไอน้ำเท่านั้น แม้จะมีออกซิเจนหรือไฮโดรเจนหลงเหลือจากการเผาไหม้ มันก็มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า
กลุ่มควันพวกนี้บอกอะไรเราได้บ้าง
ปกติแล้วในการออกแบบเครื่องยนต์จรวด หลายคนอาจจะสงสัยว่าทำไม Falcon 9 ต้องมีเครื่องยนต์ถึง 9 ตัว ทำไมไม่เป็นเครื่องยนต์ใหญ่ ๆ ตัวเดียวไปเลย เหตุผลก็เกี่ยวกับชั้นบรรยากาศ ยิ่งอยู่ใกล้พื้นความดันบรรยากาศก็ยิ่งหนาแน่น ทำให้ Falcon 9 ต้องใช้ปลายท่อไอเสียที่เล็ก เพื่อให้แรงดันที่ออกมาสัมพันธ์กับความหนาแน่นของชั้นบรรยากาศ เส้นผ่านศูนย์กลางของปลายท่อจึงมีข้อจำกัด แต่ถ้า Falcon 9 มีเครื่องยนต์เพียงแค่ตัวเดียวนั้นแรงยกต่อเครื่องก็จะไม่พอสำหรับการดันตัวจรวดขึ้น SpaceX เลยต้องออกแบบให้ จรวดท่อนแรกของ Falcon 9 ประกอบไปด้วยเครื่องยนต์ 9 ตัว
เมื่อ Falcon 9 เดินทางขึ้นไปที่ความสูงระดับหนึ่งจรวดท่อนที่ 2 ก็จะแยกตัวออกจากจรวดท่อนแรก เครื่องยนต์ที่ติดอยู่กับจรวดท่อนที่ 2 คือ Merlin Vacuum ที่ถูกออกแบบมาให้สำหรับใช้ในชั้นบรรยากาศที่เบาบาง การออกแบบจึงใช้เส้นผ่านศูนย์กลางของปลายท่อขนาดใหญ่ และเครื่องยนต์เพียงตัวเดียวก็มากพอที่จะขับดันตัวจรวดไปได้
กลุ่ทควันส่วนที่หนาและกลุ่มควันส่วนที่บาง อธิบายการทำงานของ Merlin Engine ของ Falcon 9 ส่วนจุดตรงกลางนั้นเกิดจากแก๊สไนโตรเจนที่ Falcon 9 ท่อนแรกปล่อยออกมา ที่มา – Maurice Valentino Townsell
หากสังเกตดี ๆ เราจะพบว่ากลุ่มควันที่เกิดขึ้นมี 2 ลักษณะด้วยกัน ซึ่งในช่วงแรกที่ Falcon 9 ใช้เครื่องยนต์ 9 ตัวกลุ่มควันจะหนากว่า และเมื่อ Falcon 9 ท่อนแรกและท่อนสองแยกตัวกัน กลุ่มควันที่เกิดจาก Falcon 9 ท่อนที่ 2 ก็จะดูบางกว่า แต่กระจายในระยะที่ห่างกันออกไปมากกว่า (ฟุ้งกว่า) อย่างเห็นได้ชัด
รวมถึงหากสังเกตดี ๆ เราจะพบว่ามีกลุ่มควันส่วนหนึ่งเกิดขึ้นบริเวณตัว Falcon 9 ท่อนแรกอีกครั้งหลังแยกตัว กลุ่มควันพวกนี้เกิดจาก Cold-Gas Thruster ที่พ่นออกมาทำการกลับตัว Falcon 9 ให้ไปตกยังบริเวณที่กำหนด แก๊สพวกนี้เป็นพวก Nitrogen แต่เนื่องจากมันถูกเก็บในรูปแบบที่เย็นมากเมื่อถูกพ่นออกมาจึงทำให้ไอน้ำบริเวณนั้นควบแน่นเป็นเกล็ดน้ำแข็งทำให้เรามองเห็นได้ส่วนหนึ่ง
สรุป
กลุ่มควันที่เกิดขึ้นนั้นไม่ใช่เรื่องแปลกอย่างใดและสามารถอธิบายได้ง่าย ๆ ด้วยความรู้ในระดับ ม.ปลาย ที่เรารู้ ๆ กันอยู่แล้ว เพียงแต่ในปัจจุบันโรงเรียนอาจจะยังไม่สอนให้เรานำมันมาเชื่อมโยงเข้าด้วยกัน ซึ่งความคิดเชื่อมโยงนี้จะช่วยให้เราสามารถนำความรู้ที่เรามีมาอธิบายสิ่งต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นรอบตัวเรา เพราะวิทยาศาสตร์นั้นแท้จริงแล้วเป็นเครื่องของการช่างสังเกต สมการเป็นเพียงเครื่องมือที่ใช่ในการอธิบายเท่านั้น เมื่อเราสามารถอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นรอบตัวได้ ความไม่รู้ที่นำไปสู่ความกลัว ก็จะเปลี่ยนเป็นความรู้และความสวยงามในตัวของมัน
อีกอย่างหนึ่งก็คือ Elon Musk ได้ทิ้งท้ายไว้ใน Twitter ไว้ว่า หากการปล่อยในครั้งนี้ดูน่าตื่นเต้นแล้วล่ะก็ อย่าลืมรอดูการปล่อย Falcon Heavy ที่จะเกิดขึ้นในอีกไม่นานข้างหน้า ที่เราจะได้เห็นจรวดยักษ์ที่เป็นการรวมร่างของ Falcon 9 ถึง 3 ลำด้วยกัน แน่นอนว่าจะต้องมีปรากฏการน่าตื่นเต้นเกิดขึ้นอีกแน่นอน ซึ่งทางทีมงาน Spaceth.co ก็จะทำมาบอกเล่าให้ฟังกันอีก
อ้างอิง
New Scientist – Mystery ‘missile’ likely a jet contrail, says expert
Scott Manley – Explaining The Amazing Rocket Trail Over LA
Ingrid Science – Rocket Chemistry Molecular Modelling
