"ดวงอาทิตย์"นั้นร้อน แต่ทำไม"อวกาศ" ถึงเย็น เรื่องนี้ มี "ก้างขวางคอ"

ดวงอาทิตย์ให้ความร้อนกับโลก แต่ทำไมอวกาศถึงเย็น? หนึ่งในคำถามที่ยอดเยี่ยมจากผู้คนทั่วไป ซึ่งต้องใช้คำตอบที่ค่อนข้างซับซ้อน แต่เข้าใจได้ไม่ยาก

เราทุกคนคงเคยเห็นภาพ “มุกตลก” เกี่ยวกับฤดูร้อนในประเทศไทย ที่ล้อเลียนไปทำนองที่ว่าอากาศร้อนจนดูเหมือนว่าไทยเป็นประเทศที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด แต่หากเราคิดต่อไปว่า เมื่อดวงอาทิตย์ให้ความร้อนกับโลก และสร้างฤดูร้อนที่อุณหภูมิสูงจนร่างกายแทบจะรู้สึกละลายได้ แต่ทำไมเราถึงได้รับคำเตือนว่า “อวกาศ” นั้นหนาวเย็นจนแช่แข็งร่างกายได้เลย?

ดวงอาทิตย์ที่ร้อนจัด กับโลกที่ได้รับความร้อน ทว่า อวกาศที่อยู่ตรงกลางของทั้งสองกลับเย็นยะเยือก สิ่งนี้เป็นไปได้อย่างไร? คำตอบสั้น ๆ ก็คือปรากฎการณ์นี้ไม่ใช่การนำพาความร้อนโดยตรง แต่เป็นผลจากการแผ่รังสีที่ดวงอาทิตย์ปล่อยออกมา มีปฎิสัมพันธ์กับอนุภาคบนโลก

อวกาศเป็นสถานที่ที่มีอุณหภูมิสุดขั้ว

โดยทั่วไปแล้ว จักรวาลนั้นมีอุณภูมิพื้นหลังอยู่ที่ 2.7 เคลวิน หรือ -270.45°C ใกล้เคียงกับ 0 องศาสมบูรณ์ (Absolute Zero) ขณะที่ดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิแกนกลางสูงกว่า 15 ล้าน °C ซึ่งเกิดจากปฎิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น (Nuclear fusion) ในดวงดาว

แต่เมื่อขึ้นมาสู่พื้นผิว อุณหภูมิกลับลดลงเหลือประมาณ 5,500 °C ทว่าเมื่อออกไปสู่ชั้นบรรยากาศภายนอกของดวงอาทิตย์ (โคโรนา) กลับร้อนเพิ่มขึ้นเป็น 3.5 ล้าน °C แต่ท้ายที่สุดเมื่อหลุดพ้นจากดวงอาทิตย์ก็กลับสู่ความเย็นยะเยือกอีกครั้ง

ความย้อนแย้งกันนี้อาจทำให้ใครหลายคนสับสน แต่อวกาศนั้นแตกต่างจากสามัญสำนึกที่เราคุ้นเคยบนโลก การจินตนาการว่าดวงอาทิตย์คือกองไฟและให้ความร้อนกับมาร์ชแมลโลว์เสียบไม้ที่แทนเป็นโลกนั้น อาจไม่ช่วยให้เราได้คำตอบที่ถูกต้อง

แผ่รังสีให้ร้อน

บนโลกของเรา ความร้อนถูกส่งผ่านและเดินทางไปทั่วโลกด้วย 3 วิธีคือ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน ทั้ง 3 กระบวนการนี้ทำให้ในที่ร่มหรือในพื้นที่ที่ไม่โดนแสงอาทิตย์ก็ยังรู้สึกร้อนได้ ทว่าการส่งผ่านความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังโลกนั้นเกิดขึ้นวิธีเดียว นั่นคือการแผ่รังสี

เมื่อรังสีของดวงอาทิตย์เดินทางมาถึงโลก มันจะกระทบเข้ากับโมเลกุลหรืออนุภาคต่าง ๆ บนโลกไล่ตั้งแต่ชั้นบรรยากาศลงเรื่อย ๆ โมเลกุลที่ได้รับรังสีนี้จะมีพลังงานเพิ่มขึ้นซึ่งส่งผลให้พวกมันมีเคลื่อนไหวจนกระทบเข้ากับโมเลกุลรอบ ๆ พร้อมกับส่งต่อพลังงานไปเรื่อย ๆ

ท้ายที่สุดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เกิดขึ้นนี้ทำให้อากาศโดยรอบร้อนขึ้น และพื้นที่ที่ได้รับแสงอาทิตย์โดยตรงร้อนที่สุด เหมือนกับการยืนในที่โล่งเวลาเที่ยงวัน ซึ่งก็คือช่วงเวลาที่แสงดวงอาทิตย์ส่องมายังพื้นที่ตกกระทบตรง ๆ ทำให้เวลาเที่ยงวันเป็นช่วงที่ร้อนที่สุดของวัน

อย่างไรก็ตาม อวกาศนั้นแตกต่างจากโลก เนื่องจากมันเป็นสูญญากาศ ซึ่งหมายความว่าโดยพื้นฐานแล้วอวกาศเป็นพื้นที่ว่างเปล่ามีอนุภาค อะตอม และโมเลกุลน้อยมาก หรือไม่มีเลย ทำให้เมื่อความร้อนจากดวงอาทิตย์เดินทางผ่านอวกาศ มันจะไม่ชนเข้ากับโมเลกุลใด ๆ เลย หรือกล่าวอีกอย่างได้ว่าไม่มีอะไรมารับความร้อนและส่งต่อความร้อน

อนุภาคแต่ละอนุภาคอยู่ห่างกันเกินกว่าที่จะเคลื่อนไหวมาชนกันด้วย ดังนั้นแม้ดวงอาทิตย์จะร้อนมากเท่าไหร่ อวกาศก็ยังคงเย็นอยู่เสมอ ตัวอย่างเช่นดาวพุธที่ด้านหนึ่งหันเข้าหาดวงอาทิตย์จะได้รับรังสีตลอดเวลาทำให้พื้นผิวด้านนั้นสูงได้ถึง 430°C ขณะที่อีกด้านกลับมีอุณหภูมิ -180°C

เนื่องจากด้านที่ไม่ได้หันเข้าหาดวงอาทิตย์จะไม่ได้รับรังสีใด ๆ เลย รวมถึงดาวพุธไม่มีชั้นบรรยากาศเหมือนโลก ทำให้ไม่เกิดการส่งต่อความร้อนจากอีกด้านไปอีกด้าน ส่งผลให้เกิดอุณหภูมิที่แตกต่างกันสุดขั้วเช่นนี้

เรียนรู้ดวงอาทิตย์

ความรู้นี้ช่วยให้นาซา (NASA) สามารถส่งยานอวกาศที่ชื่อว่า Parker Solar Probe เข้าใกล้ดวงอาทิตย์ได้ในระยะใกล้ที่สุดในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ โดยห่างจากพื้นผิวดวงอาทิตย์แค่เพียง 10.5 ล้านกิโลเมตร และสามารถเคลื่อนที่ผ่านชั้นบรรยากาศนอกสุดของดวงอาทิตย์ได้โดยไม่ถูกเผา

“หน้าที่ของแผงป้องกันความร้อนนั้น” อลิซาเบท เอเบล (Elisabeth Abel) วิศวกรด้านความร้อนที่เคยทำโครงการ Parker Solar Probe กล่าว คือทำให้แน่ใจว่า “ไม่มีรังสีจากดวงอาทิตย์สัมผัสกับสิ่งใด ๆ บนยานอวกาศเลย”

นักวิทยาศาสตร์ไม่จำเป็นต้องสร้างเกราะป้องกันคลุมทั้งตัวยาน แค่สร้างแนวป้องกัน 1 ด้านก็เพียงพอแล้ว และเนื่องจากอวกาศนั้นมีภาวะเป็นสูญญากาศ ทำให้ความร้อนไม่ถูกพาในยังส่วนอื่น ๆ ของยาน ส่งผลให้แผงกันความร้อนมีอุณหภูมิ 121°C แต่ส่วนที่เหลือของยานกลับ -150°C แตกต่างกันอย่างสุดขั้ว

สืบค้นและเรียบเรียง วิทิต บรมพิชัยชาติกุล

ที่มา
.
https://interestingengineering.com/science/why-space-is-cold-if-the-sun-is-hot
https://science.nasa.gov/resource/solar-system-temperatures/
https://www.popsci.com/why-is-space-cold-sun-hot/#:~:text=Space%2C%20however%2C%20is%20a%20vacuum,via%20conduction%20isn’t%20possible.
https://www.iflscience.com/if-the-sun-heats-the-earth-why-is-space-cold-72058
https://www.space.com/how-cold-is-space
https://www.astronomy.com/science/how-cold-is-it-in-outer-space/