รู้จัก ‘การทรงกลดแบบวงกลม 22 องศา’ ให้ถึงแก่น

Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ

www.facebook.com/buncha2509

รู้จัก ‘การทรงกลดแบบวงกลม 22 องศา’

ให้ถึงแก่น

ปรากฏการณ์ทรงกลดในธรรมชาติ อาจเกิดกับดวงอาทิตย์หรือดวงจันทร์ก็ได้ ซึ่งถ้าเกิดกับดวงอาทิตย์ก็เรียกว่า ดวงอาทิตย์ทรงกลด (sun halo) ซึ่งภาษาปากมักพูดว่า ‘พระอาทิตย์ทรงกลด’ ส่วนถ้าเกิดกับดวงจันทร์ก็เรียกว่า ดวงจันทร์ทรงกลด (moon halo) ซึ่งภาษาปากมักพูดว่า ‘พระจันทร์ทรงกลด’

หากกล่าวถึงเฉพาะดวงอาทิตย์ทรงกลด ในทางวิชาการพบว่ามีหลายสิบแบบ (เฉพาะที่ผมรู้จักนี่ก็มีกว่า 50 แบบ) อย่างไรก็ดี ดวงอาทิตย์ทรงกลดแบบที่เกิดบ่อยที่สุด คือ อันดับที่ 1 และคนส่วนใหญ่นึกถึงมีลักษณะเป็นเส้นวงกลมล้อมรอบดวงอาทิตย์ โดยเส้นวงกลมนี้มีสีแดงอยู่ขอบใน คือด้านฝั่งใกล้ดวงอาทิตย์ ดูภาพที่ 1 ครับ

ข้อควรระวังในการสังเกต (หรือถ่ายภาพ) ดวงอาทิตย์ทรงกลดก็คือ เราต้องมั่นใจว่าแสงอาทิตย์อันเจิดจ้าจะไม่ทำร้ายดวงตาของเรา นั่นคือ เราควรอยู่ในตำแหน่งที่มีวัตถุ เช่น ต้นไม้ มุมตึก หรือเมฆบังดวงอาทิตย์

ทีนี้หากมั่นใจว่าดวงตาเราปลอดภัย ก็อาจลองกางนิ้วโป้งและนิ้วก้อยเต็มที่ เหยียดแขนออกไปจนสุด แล้วทาบปลายนิ้วโป้งตรงตำแหน่งดวงอาทิตย์ จะพบว่าปลายนิ้วก้อยแตะหรืออยู่ใกล้เส้นวงกลม ดูภาพที่ 2 หรืออ่านบทความ ‘วิธีวัดระยะเชิงมุมด้วยมือคุณเอง’ ในเว็บมติชนสุดสัปดาห์ต่อไปนี้ครับ

วัดระยะเชิงมุมด้วยมือคุณเอง

การที่เราสามารถใช้นิ้วมือทำเช่นนั้นได้ก็เพราะว่า วงกลมทรงกลดมีขนาดรัศมีประมาณ 22 องศา และระยะเชิงมุมระหว่างนิ้วโป้งกับนิ้วก้อยของคนเรา (เมื่อเหยียดแขนสุด) มีค่าประมาณ 22 องศาเช่นกัน

ดวงอาทิตย์ทรงกลดแบบที่เกิดบ่อยที่สุดนี้จึงเรียกว่า ดวงอาทิตย์ทรงกลดแบบวงกลม 22 องศา (22-degree circular sun halo) คือ ระบุตัวเลขไว้ตามขนาดรัศมีวงกลมนั่นเอง

ส่วนกรณีของดวงจันทร์ ก็เรียกว่า ดวงจันทร์ทรงกลดแบบวงกลม 22 องศา (22-degree circular moon halo) และหากไม่ระบุแหล่งกำเนิดแสงก็เรียกว่า การทรงกลดแบบวงกลม 22 องศา (22-degree circular halo)

ก่อนที่จะพูดถึงการทรงกลดแบบวงกลม 22 องศาว่าเกิดขึ้นได้อย่างไรนั้น ผมอยากให้ภาพใหญ่สุดของการเกิดปรากฏการณ์ทรงกลด (halo phenomena) เสียก่อนครับ

ในกรณีทั่วไป เราต้องมีองค์ประกอบ 3 อย่าง ได้แก่ (1) แหล่งกำเนิดแสง (2) ผลึกที่หักเหหรือสะท้อนแสง และ (3) ผู้สังเกต หรืออุปกรณ์รับแสง

องค์ประกอบแรก – แหล่งกำเนิดแสง อาจเป็นดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ หรือโดยหลักการแล้ว ดาวฤกษ์ หรือแหล่งกำเนิดแสงที่มนุษย์สร้างขึ้นก็ได้

องค์ประกอบที่สอง – ผลึกที่หักเหแสง หรือสะท้อนแสง ในกรณีของบรรยากาศในโลกคือ ผลึกน้ำแข็ง (ice crystal) ซึ่งอาจเป็นผลึกน้ำแข็งในเมฆ (โดยเฉพาะเมฆซีร์โรสเตรตัสและเมฆซีร์รัส) ผลึกน้ำแข็งที่เรียกว่า ไดมอนด์ดัสต์ (diamond dust) ซึ่งล่องลอยอยู่ใกล้ผิวพื้น หรือผลึกน้ำแข็งที่ตกลงมาจากเมฆที่เรียกว่า ฟอลล์สตรีก (fallstreak)

แต่ถ้าเป็นบรรยากาศในดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ สารที่ก่อตัวเป็นผลึกที่หักเหหรือสะท้อนแสงได้อาจไม่ใช่น้ำ (ประเด็นนี้มีงานวิจัยด้วยซึ่งผมจะหาโอกาสเล่าถึงในภายหลัง)

องค์ประกอบสุดท้าย – ผู้สังเกต ก็คือ คน (หรือโดยหลักการแล้ว คือ สัตว์ที่มีดวงตารับแสงได้) และอุปกรณ์รับแสง คือ กล้องถ่ายภาพ

ทีนี้มาถึงคำถามว่า การทรงกลดแบบวงกลม 22 องศา เกิดขึ้นได้อย่างไร?

คําตอบคือ การทรงกลดแบบนี้เกิดจากแสงอาทิตย์ (หรือแสงจันทร์) ซึ่งพุ่งผ่านผลึกน้ำแข็งแล้วหักเหไปจากเดิมเป็นมุมประมาณ 22 องศา หรือมากกว่า โดยแสงพุ่งเข้าทางหน้าผลึกด้านข้างหน้าหนึ่ง แล้วออกจากหน้าผลึกด้านข้างอีกหน้าหนึ่ง ดูภาพที่ 3 ครับ

โมเดลผลึกน้ำแข็งในภาพที่ 3 เรียกว่า ผลึกรูปแท่ง (columnar crystal) ซึ่งมีหน้าตัดเป็นรูปหกเหลี่ยมด้านเท่า

สังเกตว่าผลึกรูปแท่งที่ว่าดูคล้ายๆ กล่องขนมยี่ห้อหนึ่ง ใครเป็นครูวิทยาศาสตร์ แล้วต้องสอนเรื่องการทรงกลด ก็อาจเก็บกล่องขนมนี้ไว้ใช้สอนในชั้นเรียนได้ ผมทำแบบนี้ตอนไปให้สัมมนาหลายสิบครั้ง

ทีนี้หากคิดแบบละเอียด เนื่องจากผลึกน้ำแข็งรูปแท่งเอียงตัวได้หลายแบบ ดังนั้น แม้ว่าแสงอาทิตย์ (หรือแสงจันทร์) จะพุ่งมาในทิศทางเดียวกัน แต่หากผลึกเอียงตัวต่างกัน ก็จะทำมุมตกกระทบต่างออกไป ส่งผลให้เส้นทางเดินของแสงที่หักเห (หรือสะท้อน) ไม่เหมือนกัน ดูตัวอย่างในภาพที่ 4 ครับ

จากการคำนวณพบว่าผลึกน้ำแข็งรูปแท่งจะหักเหแสงเป็นมุมต่างๆ กันในช่วงประมาณ 22 ถึง 50 องศา และถ้าคิดแบบละเอียดจะพบว่าแสงสีแดงเบี่ยงเบนได้น้อยที่สุดคือ 21.7 องศา ทั้งนี้ แสงส่วนใหญ่จะกระจุกตัวอยู่แถวๆ มุมค่าต่ำ คือ ราว 22 องศา และมากกว่าค่านี้เล็กน้อย

ความหมายในทางกายภาพที่ตามองเห็นก็คือ แท้จริงแล้วการทรงกลดแบบวงกลม 22 องศา ไม่ได้เป็นเพียงแค่เส้นวงกลมล้อมรอบดวงอาทิตย์ แต่มีลักษณะคล้ายแผ่นดิสก์กลมมีช่องโหว่ตรงกลาง โดยแผ่นดิสก์นี้มีรัศมีวงนอกขนาดราว 50 องศา และช่องโหว่ตรงกลางมีรัศมีราว 22 องศา

แต่เนื่องจากแสงส่วนใหญ่หักเหมาอยู่ที่มุมราว 22 องศา ดังนั้น เราจึงเห็นเส้นทรงกลดเป็นวงกลมรัศมีขนาด 22 องศา อย่างเด่นชัด ส่วนภายในช่องโหว่จะดูมืดกว่าบริเวณอื่น เนื่องจากไม่มีแสงที่หักเหโดยผลึกน้ำแข็งมาอยู่ในบริเวณนี้ ดูภาพที่ 5 ครับ

ด้วยเหตุนี้เอง อาจารย์ Les Cowley ผู้เชี่ยวชาญด้านทัศนศาสตร์ในบรรยากาศ (atmospheric optics) จึงเรียกการทรงกลดแบบวงกลม 22 องศาว่า “Disk with a hole” in the sky หรือ “แผ่นดิสก์มีรู” บนท้องฟ้า ในเว็บของท่าน

ภาพที่ 6 แสดงการสังเกตการทรงกลดแบบวงกลม 22 องศา สังเกตว่าผลึกที่จะหักเหจนเกิดเป็นการทรงกลดแบบนี้ต้องมีแกนของผลึกตั้งฉากโดยประมาณกับทิศทางที่แสงอาทิตย์ (หรือแสงจันทร์) ส่องตรงมา

ใครที่เคยสังเกตการทรงกลดแบบวงกลมนี้หลายครั้ง อาจสงสัยว่าแม้ว่าทรงกลดจะดูกลมในภาพรวม แต่เส้นโค้งด้านบนและเส้นโค้งด้านล่างมักจะสว่างกว่าเส้นโค้งด้านซ้ายและด้านขวา

ข้อสังเกตนี้อธิบายได้ด้วยการจำลองเหตุการณ์การทรงกลดด้วยคอมพิวเตอร์ เมื่อให้ผลึกน้ำแข็งรูปแท่งมีการเอียงตัวกวาดเป็นมุมต่างๆ กัน ดูภาพที่ 7 ครับ

จากการคำนวณพบว่า หากผลึกน้ำแข็งรูปแท่งส่วนใหญ่วางตัวในแนวนอน โดยแกว่งได้เล็กน้อย เช่น 15 องศา ก็จะทำให้เกิดเส้นทรงกลดชัดเจนบริเวณด้านบนและด้านล่าง ดังภาพที่ 7 มุมซ้ายบน

แต่หากผลึกน้ำแข็งรูปแท่งอาจแกว่งได้มากราว 55 องศา ก็จะทำให้เกิดเส้นทรงกลดปรากฏเป็นวงกลมชัดเจนแทบทุกส่วน ดังภาพที่ 7 มุมขวาล่าง

อย่างไรก็ดี กรณีที่พบได้บ่อยพอสมควรคือ เส้นทรงกลดดูเป็นวงกลม แต่เส้นโค้งด้านบนและด้านล่างสว่างชัดกว่าส่วนอื่นนั้นเกิดจากการที่ผลึกน้ำแข็งรูปแท่งแกว่งตัวในช่วงมุม 30-45 องศา ดังภาพที่ 7 มุมขวาบน และมุมซ้ายล่างนั่นเอง

โดยสรุป การทรงกลดแบบวงกลม 22 องศา เป็นแบบที่พบได้บ่อยที่สุด พบได้ทั่วโลก แถมเห็นได้ตลอดปี จึงเป็นปรากฏการณ์ที่แทบทุกคนมีโอกาสเห็นได้ง่าย แต่แม้กระนั้น การทรงกลดแบบนี้ก็ยังมีแง่มุมที่น่าทึ่งซ่อนอยู่ ดังที่เล่าไว้ครับ

คราวหน้าเจอการทรงกลดแบบนี้ ก็ให้บอกตัวเอง (และคนที่มองเห็นด้วยกัน) ว่า นั่นไม่ใช่แค่เส้นวงกลมธรรมดานะ…แต่จริงๆ แล้วเป็น ‘แผ่นดิสก์วงกลมที่มีช่องโหว่’ ต่างหากเล่า!

สะดวก ฉับไว คุ้มค่า สมัครสมาชิกนิตยสารมติชนสุดสัปดาห์ได้ที่นี่https://t.co/KYFMEpsHWj

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022