ค่าทัศนวิสัยท้องฟ้า (Seeing)

กิจกรรม นักเรียนจะได้รู้จักกับค่าทัศนวิสัยท้องฟ้า และผลกระทบที่มีต่อภาพถ่ายดาราศาสตร์ เราจะอภิปรายถึงต้นเหตุที่ทำให้เกิดทัศนวิสัยท้องฟ้า นักเรียนจะได้รูปภาพที่ถูกบันทึกเอาไว้ภายใต้สภาวะที่แตกต่างกันและให้เลือกภาพที่บันทึกเอาไว้ขณะที่มีทัศนวิสัยที่ดีที่สุด จะมีการอภิปรายกันว่าเราจะสามารถแยกยะผลกระทบของทัศนวิสัยท้องฟ้าได้อย่างไร และนักวิทยาศาสตร์จะพิจารณาผลกระทบของทัศนวิสัยท้องฟ้าที่มีต่อการสังเกตการณ์ได้อย่างไร National Schools’ Observatory

เตรียมการทดลอง 1 นักเรียนจะได้ข้อมูลสองรอบ แจกจ่ายภาพของวัตถุแต่ละชุด (ไฟล์ .jpg) ไปรอบๆ ห้อง ภาพจะสามารถนำไปวิเคราะห์บนคอมพิวเตอร์โดยการโหลดในโปรแกรมดูภาพ หรือดูพร้อมๆ กันผ่านทางโปรเจคเตอร์ แจกจ่ายใบงานให้นักเรียนแต่ละคน ให้นักเรียนลองเรียงลำดับคุณภาพของภาพแต่ละภาพ ถ้านักเรียนไม่สามารถแยกแยะภาพออกจากกันได้ ให้บันทึกเอาไว้ในใบงาน National Schools’ Observatory

เตรียมการทดลอง 2 อธิบายเรื่องทัศนวิสัยท้องฟ้า และให้นักเรียนดูรูปอย่างละเอียดอีกครั้ง ลองให้นักเรียนพยายามแยกแยะคุณภาพของภาพถ่าย จากสิ่งที่เพิ่งได้เรียนมา ลองให้นักเรียนหาบริเวณที่มีดาวสองดวงใกล้กัน ค่าทัศนวิสัยที่ดี จะสามารถแยกแยะระหว่างดาวสองดวงได้ดีกว่า มองหาดาวที่จางกว่าในบางภาพ เนื่องจากการแพร่ของแสงสืบเนื่องมาจากปรากฎการณ์ที่เกี่ยวกับทัศนวิสัยท้องฟ้า พยาามสังเกตรายละเอียดเล็กๆ เช่น หลุมบนดวงจันทร์ วงแหวนของดาวเสาร์ หรือแถบฝุ่นในกาแล็กซีและเนบิวลา รายละเอียดที่คมและชัดกว่า จะบ่งบอกถึงทัศนวิสัยท้องฟ้าที่ดีกว่า National Schools’ Observatory

ทำการวัดและบันทึกผล 1 เรียงลำดับภาพตามคุณภาพของภาพลงในใบงาน 1 = ดีที่สุด and 6 = แย่ที่สุด. ถ้าไม่แน่ใจ ให้อันดับภาพเดียวกันไปก่อน National Schools’ Observatory

ทัศนวิสัยท้องฟ้า ชั้นบรรยากาศของโลกนั้นคอยจำกัดคุณภาพของกล้องโทรทรรศน์บนพื้นโลก แม้กระทั่งกล้องโทรทรรศน์ที่ดีที่สุด แสงจากวัตถุที่ห่างไกลออกไป จะต้องผ่านชั้นบรรยากาศของโลกก่อนที่เราจะสามารถสังเกตเห็นได้ ชั้นบรรยากาศของโลก ประกอบไปด้วยชั้นมวลอากาศที่มีความแปรปรวน เมื่อแสงผ่านชั้นอากาศที่แปรปรวนเหล่านี้ คลื่นแสงจะเกิดการรบกวน ส่งผลต่อการมองเห็นบนพื้นโลก ปรากฎการณ์นี้ เรียกว่า “ทัศนวิสัยท้องฟ้า” Image created by NSO National Schools’ Observatory

ทัศนวิสัยท้องฟ้าและอุตุนิยมวิทยา การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความชื้น และความเร็วลมทำให้ชั้นบรรยากาศเกิดการแปรปรวนเป็นอย่างมาก อากาศที่มีความแปรปรวนจะมีกระเปาะ หรือ ‘เซลล์’ ที่มีความหนาแน่นต่างไปจากอากาศรอบๆ เซลล์เหล่านี้นั่นเอง ที่ทำให้เกิดสภาพอากาศแปรปรวนบนเครื่องบิน เซลล์เหล่านี้จะมีรูปร่างและขนาดต่างกันออกไป และจะเคลื่อนที่ไปมาในชั้นบรรยากาศ เนื่องจากความหนาแน่นที่ต่างกัน แต่ละเซลล์จะมีดรรชนีหักเหแสงที่แตกต่างกัน National Schools’ Observatory

ดรรชนีหักเหแสง แสงเดินทางในสูญญากาศด้วยความเร็วคงที่ c (3x108 ms-1) เมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลาง ความเร็วจะเปลี่ยนไปตาม 1/n เมื่อ n คือดรรชนีหักเหของตัวกลาง ดรรชนีหักเหขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลาง เมื่อเราเปลี่ยนจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง มุมตกกระทบของแสงจะเปลี่ยนแปลง ปรากฎการณ์นี้เกิดขึ้นระหว่างที่แสงเดินทางจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่งเช่นเดียวกัน Image created by NSO National Schools’ Observatory

ทัศนวิสัยท้องฟ้าและอุตุนิยมวิทยา (2) อุณหภูมิที่แตกต่างกันทำให้เกิดกระแสอากาศแปรปรวน เมื่อมวลอากาศที่อุณหภูมิแตกต่างกันผสมเข้าด้วยกัน ปรากฎการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่ออากาศร้อนลอยขึ้นจากพื้นดินและพบกับอากาศเย็นที่อยู่สูงกว่า หรือเมื่อลมพัดมวลอากาศจากบริเวณรอบข้างเข้ามา นั่นหมายความว่า ทัศนวิสัยจะดีกว่าถ้าหากว่า: การสังเกตการณ์เกิดขึ้นในบริเวณที่มีความสูงจากระดับน้ำทะเลสูงกว่า เช่น เมื่อแสงต้องเดินทางผ่านปริมาณอากาศแปรปรวนที่น้อยกว่า การสังเกตการณ์เกิดขึ้นในช่วงความกดอากาศสูง เมื่อความเร็วลมต่ำที่ทุกๆ ความสูง การสังเกตการณ์ถูกบันทึกในบริเวณใกล้กับจุดยอดฟ้า ซึ่งมีมวลอากาศที่แสงต้องผ่านน้อยกว่า National Schools’ Observatory

การกระพริบของดาว ถ้าเซลล์อากาศที่มีดรรชนีหักเหที่แตกต่างกันอยู่เหนือกล้องโทรทรรศน์ไปมาก ดาวจะเกิดการกระพริบ เราสามารถสังเกตการกระพริบของดาวได้เป็นการเปลี่ยนแปลงความสว่างที่เกิดขึ้นแบบไม่สม่ำเสมอ ปรากฎการณ์นี้คือสิ่งที่ทำให้เราเห็นว่าดาวฤกษ์มีการกระพริบในยามค่ำคืน ปรากฏการณ์นี้ทำให้วัตถุและดาวที่มีความสว่างน้อย ไม่สามารถสังเกตเห็นได้บนภาพในช่วงที่มีทัศนวิสัยท้องฟ้าที่ต่ำ National Schools’ Observatory

การสั่น แสงที่เดินทางผ่านบริเวณที่มีดรรชนีหักเหที่แตกต่างกันจะทำให้ตำแหน่งบนระนาบโฟกัสเปลี่ยนแปลงไป สิ่งนี้ทำให้ภาพที่บันทึกเกิดการบิดเบี้ยว ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการสั่นของภาพ อัตราการเกิดการบิดเบี้ยวมักจะเกิดขึ้นค่อนข้างเร็ว โดยทั่วไปประมาณ 100 กว่าครั้งต่อหนึ่งวินาที เนื่องจากเวลาเปิดหน้ากล้องโดยทั่วไปนั้นมักจะยาวกว่าอัตราการเกิดการบิดเบี้ยวเป็นอย่างมาก การบิดเบี้ยวที่เกิดขึ้นจะถูกเฉลี่ย ทำให้ภาพที่ได้กลายเป็นภาพที่ไม่คมชัด National Schools’ Observatory

ทัศนวิสัยท้องฟ้าและดาวฤกษ์ ขีดจำกัดของกำลังการแยกของกล้องโทรทรรศน์นั้นจะถูกกำหนดเอาไว้โดยขนาดของกระจกปฐมภูมิของกล้องโทรทรรศน์ อย่างไรก็ตาม กำลังการแยกของกล้องจะถูกจำกัดโดยการเลี้ยวเบนของแสงอีกด้วย ผลก็คือ แหล่งกำเนิดแสงที่เป็นจุด เช่นดาวฤกษ์ จะกระจายแสงออกเป็นพื้นที่เล็กๆ ที่เรียกกันว่า ‘Airy disk’ ทัศนวิสัยท้องฟ้าในทางดาราศาสตร์ทำให้รูปแบบนี้ถูกเปลี่ยนแปลงไปเป็นจุดเล็กๆ นี่จะทำให้ดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เคียงกันรวมตัวกันเป็นวัตถุเดียว บนกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ ผลของการเลี้ยวเบนของแสงจะเล็กมาก เนื่องมาจากขนาดกระจกที่ใหญ่ National Schools’ Observatory

Pickering Scale สืบเนื่องจากการกระพริบ แหล่งกำเนิดแสงที่เป็นจุดเช่นดาวฤกษ์จะกระจายออกและกลายเป็นจุด Pickering scale เป็นวิธีวัดคุณภาพว่าทัศนวิสัยท้องฟ้านั้นดีหรือไม่ดีอย่างไร 1 – ทัศนวิสัยสมบูรณ์แบบ 10 – ทัศนวิสัยท้องฟ้าต่ำ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 National Schools’ Observatory

ทำการวัดและบันทึกผล 2 เรียงลำดับภาพตามคุณภาพของทัศนวิสัยท้องฟ้าลงในใบงาน 1 = ทัศนวิสัยดีที่สุด 6 = ทัศนวิสัยท้องฟ้าแย่ที่สุด บันทึกเหตุผลที่เลือกอันดับแต่ละภาพ บันทึกว่าส่วนใดของภาพได้ถูกใช้ในการบ่งชี้ถึงทัศนวิสัยที่แย่ เปรียบเทียบภาพที่ดีและแย่ที่สุด สิ่งที่แตกต่างกันคืออะไรบ้าง? National Schools’ Observatory

อภิปรายหลังการทดลอง ทัศนวิสัยท้องฟ้าที่แย่ สามารถสังเกตได้ง่ายในบางวัตถุมากกว่าหรือไม่? วิธีที่ดีที่สุดในการระบุภาพที่มีทัศนวิสัยที่แย่ในภาพถ่ายทางดาราศาสตร์คืออะไร? เลือกภาพที่มีทัศนวิสัยท้องฟ้าที่แย่ที่สุด นักเรียนคิดว่าสภาพอากาศในวันนั้นน่าจะเป็นอย่างไร? มีรูปไหนที่มีสิ่งแปลกปลอมที่ไม่น่าจะเกิดจากผลของทัศนวิสัยท้องฟ้าบ้างไหม? National Schools’ Observatory

คำถามและแบบฝึกหัด มีวิธีใดบ้างที่จะสามารถเอาชนะปัญหาของทัศนวิสัยท้องฟ้าได้? มีส่วนไหนของโลกที่ประสบปัญหาทัศนวิสัยท้องฟ้ามากกว่าส่วนอื่นไหม? บริเวณที่ดีที่สุดที่จะติดตั้งกล้องโทรทรรศน์คือที่ใด? กล้องโทรทรรศน์ขนาดเล็กหรือขนาดใหญ่จะประสบปัญหาของทัศนวิสัยท้องฟ้ามากกว่ากัน? การสังเกตการณ์ของวัตถุที่อยู่ห่างไกลออกไป เช่น กาแล็กซี จะประสบปัญหาของทัศนวิสัยท้องฟ้ามากกว่าหรือไม่? National Schools’ Observatory