ทำไมท้องฟ้าบนโลกจึงเป็นสีฟ้า ? แล้วทำไมท้องฟ้าสีฟ้าจึงหาได้ยากบนดาวอื่น ?

แล้วทำไมท้องฟ้าสีฟ้าจึงหาได้ยากบนดาวอื่น ?

5 มิถุนายน 2567

ทำไมท้องฟ้าบนโลกจึงเป็นสีฟ้า ? คำถามนี้อาจจะเป็นคำถามพื้นฐานทั่วไป ที่มนุษย์อย่างเราอาจเคยสงสัยกันบ้างตั้งแต่เล็กจนโต ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันนั้นก็สามารถให้คำตอบกับเรื่องนี้ได้อย่างง่ายดายว่าสีฟ้านั้นเกิดจากการกระเจิงของแสงเมื่อแสงเข้ามาปะทะกับโมเลกุลต่าง ๆ ในชั้นบรรยากาศโลก โดยโมเลกุลที่มีบทบาทสำคัญทำให้ท้องฟ้ากลายเป็นสีฟ้านั้นก็คือโมเลกุลของแก๊สออกซิเจน (O₂) แก๊สที่เป็นองค์ประกอบของชั้นบรรยากาศโลกมากกว่า 21% แต่คำถามที่ลึกซึ้งกว่านั้นคือโลกได้รับออกซิเจนมาได้อย่างไรตั้งแต่แรกจนทำให้ท้องฟ้าเปลี่ยนสีได้ต่างหาก ?

ชั้นบรรยากาศโลกจากอวกาศ — *ที่มาภาพ NASA*

หากเราเปรียบเทียบกับดาวเคราะห์เพื่อนบ้านในระบบสุริยะของเราที่มีชั้นบรรยากาศ ไล่ตั้งแต่ดาวศุกร์ ดาวอังคาร ดาวพฤหัส ไปจนถึง ดาวเนปจูน แล้วล่ะก็ เราก็จะพบว่าดาวเคราะห์แทบทุกดวงนั้นแทบไม่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบในชั้นบรรยากาศอยู่เลย ราวกับว่าออกซิเจนนั้นเป็นธาตุที่หาได้ยากยิ่งในจักรวาล ซึ่งที่จริงแล้วออกซิเจนนั้นมีอยู่เต็มไปหมด เพียงแค่มันมักจะไม่อยู่อย่างโดดเดี่ยวในสถานะของแก๊ส แต่มักจะไปจับพันธะกับแร่ธาตุอื่น ๆ เสียมากกว่า ยกตัวอย่างเช่น เมื่อออกซิเจนสองตัวไปจับกับคาร์บอน ก็จะกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) จับกับคู่ของไฮโดรเจนก็กลายเป็นเป็นน้ำ (H₂O) หรือไปจับกับซิลิกอนก็จะกลายเป็นหินควอตซ์ (SiO₂) แข็ง ๆ จนเรียกได้ว่าออกซิเจนนั้นเป็นหนึ่งในธาตุพื้นฐานที่ชอบทำปฏิกริยากับธาตุอื่น ๆ มากที่สุดเลยทีเดียว

กำเนิดชั้นบรรยากาศโลก

เพื่อที่จะเข้าใจที่มาที่ไปของออกซิเจนในชั้นบรรยากาศโลกจริง ๆ เราต้องย้อนกลับไปเมื่อประมาณ 4,500 ล้านปีที่แล้ว ในยุคสมัยที่โลกเพิ่งถือกำเนิดมาใหม่ ๆ จากการรวมตัวกันของเศษฝุ่นและหินที่หลงเหลือจากการกำเนิดของดวงอาทิตย์ โดยข้อมูลจากหินที่เก่าแก่ทั่วโลกที่นักวิทยาศาสตร์ได้รวบรวมมาบอกใบ้ว่า ณ ช่วงเวลานั้น พื้นผิวโลกเต็มไปด้วยหินหลอมเหลวอันร้อนระอุที่มีอุณหภูมิพุ่งสูงกว่า 1,000 องศาเซลเซียส ไม่ต่างอะไรไปจากภาพจำของนรกเลยก็ว่าได้ ปราศจากท้องฟ้าสีฟ้าที่เราคุ้นเคยกันดี

ในช่วงเวลานี้ท้องฟ้าของโลกเป็นสีดำสนิท แม้ว่าจะเป็นตอนกลางวันก็ตาม คล้ายกับทิวทัศน์ที่นักบินอวกาศขององค์การนาซาถ่ายบนพื้นผิวดวงจันทร์ช่วงเวลากลางวัน ที่มีแต่แสงอาทิตย์และปราศจากแสงดาวใด ๆ ก่อนที่ต่อมาเมื่อพื้นผิวเริ่มเย็นตัวลง ทะเลลาวาก็ได้แปรเปลี่ยนเป็นพื้นหินแข็งสีดำ ที่มีภูเขาไฟเกิดขึ้นประปรายไปทั่ว และท่ามกลางกลุ่มภูเขาไฟโบราณนี้เอง แก๊สต่าง ๆ ก็เริ่มถูกปลดปล่อยออกมาอย่างมหาศาล ทั้งคาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน แอมโมเนีย และไอน้ำ ซึ่งค่อย ๆ ห่อหุ้มโลกอย่างช้า ๆ ตลอดระยะเวลาหลายร้อยล้านปี จนกระทั่งชั้นบรรยากาศแรกของโลกได้ถือกำเนิดขึ้นมาในที่สุด

นภาสีแสด

ในยุคแรกเริ่มของโลก ท้องฟ้าอาจจะมีสีแดงหรือส้มตามข้อมูลการวิเคราะห์องค์ประกอบของชั้นบรรยากาศโบราณที่แตกต่างกันไปในแต่และงานวิจัย อย่างไรก็ตามหลักฐานการปะทุของภูเขาไฟที่มีอยู่บ่อยครั้งและรุนแรงทำให้นักวิทยาศาสตร์มั่นใจว่าท้องฟ้าในตอนนั้นเต็มไปด้วยเถ้าภูเขาไฟและก้อนเมฆหนาทึบ ซึ่งบนก้อนเมฆกลุ่มนี้มีโมเลกุลของไอน้ำอยู่ โดยออกซิเจนที่อยู่ในไอน้ำยุคโบราณนี้เองก็จะหลุดลอยเป็นอิสระในชั้นบรรยากาศของโลกและเปลี่ยนสีท้องฟ้าให้กลายเป็นสีฟ้าในอนาคต

แต่ทว่าในตอนนั้นออกซิเจนนั้นยังไม่สามารถแตกตัวออกมาจากโมเลกุลของไอน้ำได้โดยง่าย เนื่องจากออกซิเจนนั้นต้องอาศัยพลังงานที่ค่อนสูงในการแยกตัวออกจากไฮโดรเจนเมื่ออยู่ในรูปแบบของไอน้ำ ซึ่งในธรรมชาติมีเพียงแค่ลมสุริยะซึ่งเป็นอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์เท่านั้นที่ทรงพลังเพียงพอที่จะแยกออกซิเจนออกมาได้ ถึงกระนั้นปริมาณที่ลมสุริยะแยกออกซิเจนออกมานั้นก็ยังคงน้อยเกินไปกว่าที่จะมีสัดส่วนได้ถึง 21% เหมือนในปัจจุบันอยู่ดี จึงแสดงว่าออกซิเจนในชั้นบรรยากาศโลกปัจจุบันไม่ได้แยกตัวมาจากไอน้ำบนเมฆยุคแรกเริ่ม แต่เป็นช่วงนี้ที่โลกเริ่มมีน้ำบนพื้นผิว มีทะเล และมหาสมุทรเสียมากกว่า ก็เพราะว่าน้ำที่อยู่ในรูปแบบสถานะของเหลวนั้นอาศัยพลังงานในการดึงออกซิเจนออกมาน้อยกว่าสถานะของไอน้ำ (แก๊ส) นั่นเอง

เมื่อเริ่มโลกเริ่มเย็นตัวลงช่วงประมาณ 4,000 ล้านปีที่แล้วจากการแผ่รงสีความร้อนออกสู่อวกาศ ไอน้ำที่เกาะตัวลอยอยู่เหนือพื้นผิวก็เริ่มควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำก้อนกลมมน วิ่งลู่ลมอยู่ในชั้นบรรยากาศ ชนกันไปชนกันมาจนหยดน้ำเริ่มมีขนาดใหญ่ขึ้นและไม่สามารถต่อสู้กับแรงโน้มถ่วงของโลกได้อีกต่อไป ก่อนที่จะตกลงมาเป็นห่าฝนครั้งใหญ่ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์

กำเนิดท้องฟ้าสีคราม

หลังโลกของเราได้ผ่านจุดกำเนิดอันร้อนแรงมาเหมือนดั่งนรกที่นักวิทยาศาสตร์เปรียบเปรยว่าเป็นบรมยุคเฮเดียน (Hadean) ตามเทพเจ้าผู้ครองโลกบาดาลของปกรณัมกรีกแล้ว อุณหภูมิพื้นผิวโลกก็ลดต่ำลงมาพอสมควรจนสามารถรองรับมหาสมุทรขนาดยักษ์ได้ แต่ทว่าท้องฟ้าก็ยังคงเป็นสีโทนร้อนจำพวกแดงส้มเหลืองเหมือนยามอาทิตย์อัสดงอยู่ตลอดเวลาอยู่ ถึงแม้ว่าออกซิเจนในชั้นบรรยากาศจะมีปริมาณเพิ่มมากขึ้นก็จริง แต่ก็ยังคงต่ำกว่า 1% ซึ่งน้อยเกินกว่าที่จะเปลี่ยนท้องฟ้าให้กลายเป็นสีฟ้าได้

อย่างไรก็ดีในช่วงเวลานี้นี่เอง จุดพลิกผันที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์โลกก็ได้ถือกำเนิดขึ้น ซึ่งนั่นก็คือ ‘สิ่งมีชีวิต’ นี่เอง สิ่งมีชีวิตที่มาในรูปแบบของสัตว์เซลล์เดียว ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ไม่มีใครรู้ว่าสิ่งมีชีวิตแรกเกิดขึ้นมาที่ไ่หน หรือเกิดขึ้นมาได้อย่างไรกันแน่ บ้างก็ว่าเกิดจากปฏิกริยาเคมีแบบสุ่ม ๆ ตามปล่องภูเขาไฟใต้ทะเลลึก (Hydrothermal Vent) หรือไม่ก็ตามแอ่งน้ำอุ่น ๆ ใกล้กับแหล่งภูเขาไฟโบราณ แต่ที่แน่ ๆ ก็คือสิ่งมีชีวิตนั้นได้เริ่มสร้างความเปลี่ยนแปลงกับแร่ธาตุต่าง ๆ บนโลกอย่างช้า ๆ

ในช่วงแรกสิ่งมีชีวิตได้ดูดซับแร่ธาตุต่าง ๆ ที่มีอยู่ในน้ำทะเลมาเป็นแหล่งพลังงานให้กับตัวเองในการทำสำเนาและแพร่พันธุ์ออกลูกออกหลานไปเรื่อย ๆ จนกระทั่ง ๆ การกลายพันธุ์แบบสุ่ม ๆ ก็ได้แปรเปลี่ยนให้สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวตัวหนึ่งเริ่มลอยตัวขึ้นสู่ผิวน้ำและดูดซับแสงอาทิตย์ เพื่อใช้พลังงานจากแสงนั้นแปรเปลี่ยนให้น้ำที่มีอยู่รอบตัวกับคาร์บอนไดไซด์ในอากาศให้กลายเป็นน้ำตาล อาหารที่ให้พลังงานสูงอย่างไม่น่าเชื่อกับสิ่งมีชีวิตตัวเล็ก ๆ นี้เมื่อราว 3,600 ล้านปีที่แล้ว โดยของเสียที่หลงเหลือมาจากกระบวนการผลิตอาหารนี้นั่นก็คือ ‘แก๊สออกซิเจน’

สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวในทะเล — *ที่มาภาพ NASA*

ในปัจจุบันเรารู้จักกระบวนการนี้ดีในชื่อของ ‘การสังเคราะห์ด้วยแสง’ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกลงความเห็นตรงกันว่าสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่เรียนรู้การสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นก็คือ ‘ไซยาโนแบคทีเรีย’ (Cyanobacteria) หรือสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินที่ยังเหลือรอดมาจวบจนถึงปัจจุบัน ซึ่งได้ผลิตออกซิเจนปริมาณหลายล้านตันขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศอย่างรวดเร็วระหว่างช่วงเวลา 2,400 ถึง 2,100 ล้านปีที่แล้ว (The Great Oxygenation Event) เมื่อออกซิเจนเริ่มสะสมในบรรยากาศมากขึ้น ออกซิเจนก็เริ่มมีปฏิสัมพันธ์กับแสงแดด ทำให้เกิดการกระเจิงของแสงจนกลายเป็นสีฟ้าในที่สุด ทั้งการกำเนิดของ ‘ไซยาโนแบคทีเรีย’ นี้ก็ได้ช่วยให้เกิดสายพันธุ์พืชวิวัฒนาการขึ้นมาอย่างมากมาย ที่ยังคงช่วยผลิตออกซิเจนขึ้นสู่ท้องฟ้าอยู่ถึงทุกวันนี้

ดังนั้นในครั้งต่อไปที่คุณมองขึ้นไปบนท้องฟ้า อย่าลืมนึกถึงวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังของสีฟ้านี้ว่าโลกของเรานั้นมหัศจรรย์แค่ไหน ที่สิ่งมีชีวิตนั้นสามารถสร้างความเปลี่ยนแปลงอย่างยิ่งใหญ่กับโลกได้ ท้องฟ้าสีฟ้าผืนเดียวกันกับที่ไดโนเสาร์และบรรพบุรุษของเราเคยจ้องมอง ซึ่งเราก็ได้แต่หวังว่าในอนาคตท้องฟ้าผืนนี้จะอยู่คู่กับลูกหลานของเราต่อไปอีกตราบนานเท่านาน

อ้างอิง