วิทยาศาสตร์ของรุ้งกินมีเทนแห่งพิภพไททัน

กระทู้สนทนา

วิทยาศาสตร์ รุ้งกินน้ำ (Rainbow) บทความ บทความวิชาการ อวกาศ

รุ้ง เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากแสงอาทิตย์หักเหผ่านละอองน้ำในอากาศ แยกแสงขาวออกเป็นเฉดสีแดงถึงน้ำเงินม่วง สะท้อนภายในหยดน้ำ แล้วหักเหอีกครั้งก่อนเดินทางมายังดวงตาของเรา คำอธิบายนี้เป็นพื้นฐานที่เราคุ้นเคยกันดี แต่เมื่อมีคำถามว่า “แล้วบนดวงจันทร์ไททัน ซึ่งมีทะเลเป็นมีเทนเหลว แทนน้ำ — จะเกิด ‘รุ้งกินมีเทน’ ได้หรือไม่?” คำตอบคือ ได้แน่นอน แต่จะมีลักษณะอย่างไร ต่างจากรุ้งกินน้ำหรือไม่? คำถามนี้กลายเป็นโจทย์ท้าทายให้เหล่านักวิดกระยาสารททั้งหลายได้งัดวิทยาศาสตร์มาใช้หาคำตอบ

พื้นฐานฟิสิกส์ของรุ้งกินน้ำ

น้ำมีดัชนีหักเห ซึ่งหมายถึงสัดส่วนของ sine มุมตกกระทบในอากาศต่อ sine มุมหักเหภายในหยดน้ำ ที่ n = 1.333 สำหรับแสงแต่ละสี (ที่มีความยาวคลื่นต่างกัน) ค่านี้จะต่างกันเล็กน้อย เช่น:

แสงสีแดง: n = 1.331

แสงสีน้ำเงิน: n = 1.343

ด้วยค่าดัชนีการหักเห เราสามารถคำนวณเส้นทางของแสง ที่หักเห สะท้อนภายใน แล้วหักเหกลับออกมา จะได้ว่า:

สีแดงปรากฏที่มุม ~42.4°

สีน้ำเงินปรากฏที่มุม ~40.5°

ความกว้างเชิงมุมระหว่างสองสี: ~1.9°

รูปที่ 1: มุมตก หักเห สะท้อน หักเห และค่อยผ่านออกจากหยดน้ำ สังเกตว่า แสงความยาวคลื่นต่างกัน มีอัตราการหักเหต่างกัน ทำให้แสงแยกออกมาเป็นรุ้ง

มุมของแสงที่ออกมานี้มีความสำคัญมาก รุ้งกินน้ำนั้นจะตัวใหญ่ตัวเล็ก ล้วนกินมุมการกวาดสายตาเท่ากัน เราจะเห็นรุ้งกินน้ำเป็นมุมคงที่ 42.4° - 40.5° รุ้งที่เห็นตัวใหญ่มันก็แค่เพราะฉากหลังม่านละอองน้ำอยู่ไกล รุ้งตัวเล็กก็เพราะม่านฉากหลังละอองน้ำอยู่ใกล้ และเพราะรุ้งกินน้ำเป็นการหักเหแบบสะท้อนจากฉากหลัง และ แสงอาทิตย์ที่ส่องสู่ละอองน้ำ ก็ย่อมจะสาดลงจากด้านบน เราที่อยู่บนพื้นดินจึงเห็นรุ้งกินน้ำแค่ครึ่งบน แต่ถ้าเราอยู่บนที่สูงเช่นมองจากเครื่องบิน มองลงสู่แสงอาทิตย์ที่หักเหและสะท้อนกลับจากฉากละอองน้ำที่อยู่เบื้องล่าง เราจะเห็นรุ้งกินน้ำเต็มตัวเป็นวงกลม ดูได้ตามรูปข้างล่าง

รูปที่ 2 รุ้งกินน้ำแบบเต็มต้ว จะเห็นได้เมื่อเรามองลงจากที่สูงสู่แสงอาทิตย์ที่หักเหสะท้อนขึ้นมา

ให้สังเกตว่า ขนาดมุมของรุ้งกินน้ำขึ้นกับดัชนีหักเห ไม่เกี่ยวกับขนาดหยดน้ำ

หากเปลี่ยนจากน้ำเป็นสื่ออื่น เช่น:

แก้ว (n ≈ 1.5): รุ้งจะแคบลง มุมลดเหลือ ~30–38°

ซิลิโคน (n ≈ 1.7): มุมรุ้งอาจลดเหลือ ~25–30° และการแยกสี (angular dispersion) ก็จะแคบลงเหลือเพียง ~0.6°

มีการทดลองจากมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ (N1-43: RAINBOW - GLASS BEAD MODEL) ที่ใช้เม็ดแก้วเล็ก ๆ ติดบนกระดาษดำ และฉายแสงเพื่อจำลองรุ้งจากวัสดุดัชนีสูง ผลคือรุ้งเล็กลง มุมแคบลง และสีแยกกันน้อยลงอย่างชัดเจนตามรูปที่ 3

รูปท่ี่ 3: N1-43: ภาพการทดลอง RAINBOW - GLASS BEAD MODEL เป็นละอองลูกแก้วติดกาวไว้บนพื้นหลังสีดำ

รุ้งกินมีเทนบนไททัน

มีเทนเหลว มีดัชนีหักเห n = 1.286 ต่ำกว่าน้ำ n = 1.333 ส่งผลให้มุมของรุ้ง กว้างกว่า:

สีแดง: ~49°

สีน้ำเงิน: ~47°

ความกว้างเชิงมุม: ~2°

นั่นหมายความว่า “รุ้งกินมีเทนจะใหญ่กว่า และหนากว่า รุ้งกินน้ำ” และจะกินพื้นที่บนท้องฟ้ามากกว่า หากมีแสงแดดส่องทะลุบรรยากาศมีเทนและหมอกหนา ๆ ได้ (แม้การสังเกตอาจลำบากเพราะทึบแสง)