ปรากฏการณ์ชาโดว์แบนด์

ในขณะเกิดสุริยุปราคาเต็มดวงนั้นมีปรากฏการณ์หนึ่งที่น่าสนใจ แต่ไม่ค่อยเป็นที่รู้จักเกิดขึ้นก่อนที่ดวงจันทร์จะบังดวงอาทิตย์อย่างสมบูรณ์และหลังจากการบังกันอย่างสมบูรณ์เกิดขึ้นไม่นานนัก  ปรากฏการณ์ดังกล่าวคือ ชาโดว์แบนด์ (Shadow Band) ซึ่งจะสังเกตเห็นได้เมื่อดวงอาทิตย์ปรากฏเป็นเสี้ยวบางมากๆ โดยแสงอาทิตย์ในขณะนั้นจะปรากฏเป็นแถบสว่างมากสลับกับสว่างน้อยเป็นริ้วๆเหมือนทางม้าลาย และมีการเคลื่อนตัวอย่างระลอกคลื่นในทิศทางตั้งฉากกับแถบไปบนพื้นดิน บนกำแพงและผนังอาคารบ้านเรือน ผู้ที่สนใจศึกษาปรากฏการณ์นี้จะนำผ้าใบสีขาวเรียบๆหรือกระดาษที่มีขนาดใหญ่ราวๆ 1-2 ตารางเมตรไปรองรับเพื่อใช้เป็นฉากในการสังเกต

        ในปี ค.ศ. 1911 Robert W. Wood นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันอธิบายปรากฏการณ์นี้ไว้ในหนังสือ physical optics ว่ามันเป็นปรากฏการณ์ในลักษณะเดียวกับที่เรามองเห็นดาวบนท้องฟ้าในเวลากลางคืนเกิดการกะพริบ

        เหตุที่เรามองเห็นดาวในยามค่ำคืนกะพริบนั้น เนื่องจากชั้นบรรยากาศโลกนั้นมีอุณหภูมิแตกต่างกันทำให้มันทำตัวเหมือนเลนส์เว้นและเลนส์นูนกระจายตัวอยู่เหนือผิวโลก ส่วนที่รวมแสงจะทำให้แสงดาวสว่างขึ้นเล็กน้อย และส่วนที่กระจายแสงจะทำให้แสงดาวลดความสว่างลง เมื่อกระแสอากาศมีความเคลื่อนไหวย่อมทำให้เราเห็นแสงดาวมีความเปลี่ยนแปลงความสว่างไปมาจนเห็นดาวกะพริบ

        ชาโดว์แบนด์ก็คือ แถบแสงสว่างสลับมืดที่เกิดจากการรวมแสงและกระจายแสงของชั้นบรรยากาศโลก ซึ่งการถ่ายภาพหรือวีดีโอแถบเหล่านี้ไม่ง่าย เพราะ ความแตกต่างของความสว่างระหว่างแถบนั้นมีค่าไม่มากนัก (low contrast)  นอกจากนี้ยังเคลื่อนไหวเปลี่ยนแปลงค่อนข้างเร็ว

กล่าวโดยสรุปได้ว่าหากโลกไม่มีชั้นบรรยากาศ ดาวบนท้องฟ้าย่อมไม่กะพริบ และ ไม่มีปรากฏการณ์ชาโดว์แบนด์

        ในปี ค.ศ. 1970 นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยบอลสเตท (Ball State University) แบ่งเป็น 5 กลุ่มแยกย้ายไปทำการสังเกตปรากฏการณ์ชาโดว์แบนด์ด้วยฉากสีขาว ทุกกลุ่มพบว่าแถบชาโดว์แบนด์วางตัวขนานไปกับเส้นคอร์ดที่เชื่อมระหว่างเสี้ยวดวงอาทิตย์ และพบว่าแถบชาโดว์แบนด์เคลื่อนที่ในทิศทางเข้าหาเงาดวงจันทร์ก่อนจะเกิดการบังอย่างสมบูรณ์ และ เคลื่อนที่ออกจากเงาดวงจันทร์หลังจากเกิดการบังอย่างสมบูรณ์ พวกเขาพยายามจับเวลาเพื่อหาความเร็วการเคลื่อนที่ของแถบเหล่านี้ ทว่าแต่ละกลุ่มกลับวัดความเร็วได้ไม่เท่ากัน (2-3 เมตรต่อวินาที) และวัดความกว้างของแต่ละแถบได้ไม่เท่ากันอีกด้วย

        จริงๆแล้วก่อนนั้นนั้น A. Healy นักศึกษาจาก Wesleyan University ทำการสังเกตความเข้มของแสงสีน้ำเงินและเหลืองที่ปรากฏในชาโดว์แบนด์ เมื่อวันที่ 12 พฤจิกายน ปี ค.ศ. 1966  ด้วยอุปกรณ์ที่ใช้หลักการโฟโตอิเล็กทริก

        ผลลัพธ์ที่ได้น่าสนใจมาก เพราะ ขณะที่สุริยุปราคาใกล้จะเต็มดวง ความกว้างของแถบชาโดว์แบนด์จะน้อยลง และจะค่อยๆเพิ่มขึ้นหลังจากการบังกันเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์แล้ว

        ยิ่งไปกว่านั้นคือ ขณะที่เกิด second contact ซึ่งเป็นจังหวะที่ดวงจันทร์เพิ่งจะบังดวงอาทิตย์อย่างสมบูรณ์ เมื่อวัดในช่วงแสงสีน้ำเงิน แถบมืดจะมีความกว้าง 6 เซนติเมตร แต่แถบมืดจะกว้าง 8 เซนติเมตร หากวัดในช่วงแสงสีเหลือง

        นักวิทยาศาสตร์ตระหนักได้ในตอนนั้นว่าปรากฏการณ์ชาโดว์แบนด์มีความซับซ้อนกว่าที่เคยคิดกัน

        ทีมนักวิทยาศาสตร์จาก ศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดขององค์การนาซา (Nasa’ Goddard Space Flight) ทำการสังเกตการณ์ชาโดว์แบนด์อย่างละเอียดในเดือนมีนาคม ปี ค.ศ. 1970

        ผลลัพธ์ที่ได้นั้นมีความซับซ้อนอย่างยิ่งเมื่อพวกเขาพบว่าแถบชาโดว์แบนด์นั้นมีสองชนิดเคลื่อนไหวซ้อนกันอยู่โดยแถบใหญ่กว้าง 30 เซนติเมตร แถบเล็กกว้าง 4 เซนติเมตร แถบใหญ่อยู่ห่างกัน 2 เมตร ส่วนแถบเล็กห่างกัน 8 เซนติเมตร แถบใหญ่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 16 เมตร/วินาที ส่วนแถบเล็กเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 3 เมตรต่อวินาที

        ที่น่าแปลกไปกว่านั้นคือ เมื่อสังเกตในช่วงแสงสีต่างๆพบว่าแสงสีน้ำเงินปรากฏขึ้นก่อนและปรากฏขึ้นนานกว่าแสงสีเขียว ไม่มีคลื่นอินฟราเรดในแถบใดๆ และแถบเหล่านี้เป็นแสงแบบไม่โพลาไรซ์ 

        นอกจากนี้พวกเขายังพบว่าแถบชาโดว์แบนด์นั้นเคลื่อนที่จากตะวันตกไปยังทิศตะวันออกตลอดเวลา ซึ่งเมื่อใช้เครื่อง Radiosonde (อุปกรณ์ที่ใช้ติดไปกับบอลลูนเพื่อเก็บข้อมูลของบรรยากาศ ทั้งความดัน อุณหภูมิ ความชื้น กระแสลม หรือแม้แต่ปริมาณรังสีคอสมิกที่ความสูงระดับต่างๆ)ทำการวัดทิศทางและความเร็วลมตั้งแต่ระดับความสูงต่ำๆไปจนถึงระดับความสูง 40 กิโลเมตร ก็พบว่ากระแสลมพัดจากทิศตะวันตกไปยังทิศตะวันออกทุกๆระดับความสูง

        ทีมนักวิทยาศาสตร์จากองค์การนาซาใช้ความรู้เรื่องทางเดินของแสงมาคำนวณหาตำแหน่งของชั้นบรรยากาศที่ทำให้เกิดชาโดว์แบนด์ก็พบว่าแถบกว้างนั้นเกิดที่ระดับความสูงไม่เกิน 3,500 เมตร ส่วนแถบเล็กนั้นเกิดที่ระดับความสูงไม่เกิน 150 เมตร ผลการคำนวณสอดคล้องกับข้อมูลกระแสลมที่ระดับความสูงต่างๆรวมทั้งความเร็วของชาโดว์แบนด์ที่ปรากฏเป็นอย่างดี

        พวกเขาจึงสรุปได้ว่า ชั้นบรรยากาศโลกที่มีความหนาแน่นแตกต่างกัน ทำให้แสงจากดวงอาทิตย์ขณะที่ปรากฏเป็นเสี้ยวบางปรากฏเป็นแถบชาโดว์แบนด์

ส่วนคำถามที่ว่าเหตุใดแสงสีน้ำเงินปรากฏนานกว่าแสงสีเขียวนั้น เหล่านักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้ทำการคำนวณเพื่ออธิบายให้ชัดเจน

        ในปี ค.ศ. 1980 ทีมนักวิทยาศาสตร์ชาวอินเดียสองทีมได้ทำการสังเกตชาโดว์แบนด์ที่เกิดขึ้นคนละสถานที่กัน ทีมหนึ่งพบว่าคาบการเปลี่ยนแปลงของแถบชาโดว์แบนมีค่า 3 และ 1.7 วินาทีซึ่งมากกว่าครั้งก่อนๆที่มีการวัดได้ ส่วนอีกทีมวัดค่าความกว้างของแถบได้ 4.2 เซนติเมตร และระยะห่างระหว่างแถบได้ 14.2 เซนติเมตร ซึ่งค่าไม่ได้หนีกับค่าที่นักวิทยาศาสตร์ทางนาซาวัดได้ก่อนหน้านี้

        การสังเกตการณ์ครั้งนี้เป็นสิ่งที่บ่งชี้ว่าลักษณะของชาโดว์แบนด์นั้นแตกต่างไปตามการเกิดสุริยุปราคาแต่ละครั้งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความเร็มลม และตัวแปรอื่นๆที่เกี่ยวข้องกับบรรยากาศของโลกในขณะนั้น

        อย่างไรก็ตาม การที่แถบชาโดว์แบนด์ที่สว่างมากกับสว่างน้อยมีความเข้มที่แตกต่างกันมากขึ้นๆเมื่อดวงจันทร์ค่อยๆบังดวงอาทิตย์เต็มดวงมากขึ้น รวมทั้งอุณหภูมิของชั้นบรรยากาศมีความสัมพันธ์กับชาโดว์แบนด์อย่างไรนั้นยังไม่มีใครอธิบายได้ พูดง่ายๆว่าชาโดว์แบนด์นั้นเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ธรรมชาติที่ยังไม่มีทฤษฎีที่ใช้อธิบายได้อย่างครอบคลุม