หมายเหตุ เอนทรี่นี้เป็นส่วนอธิบายเพิ่มเติมจากเอนทรี่ PlanetNews05: แผนที่ภูมิประเทศทั่วทั้งดวงของดาวบริวารไททันฉบับแรก จากยานอวกาศ Cassini (เนื้อหาข่าว)



-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
 
 
 

เพิ่มเติมจากผู้แปลและเรียบเรียง




[1] วิชาอุทกวิทยา (Hydrology) เป็นวิชาที่ศึกษาถึงการไหล การกระจายตัว และคุณภาพของน้ำ (หรืออาจรวมถึงสารอื่นๆที่มีสถานะของเหลว) บนโลก (หรือรวมถึงดาวเคราะห์และดาวบริวารดวงอื่น)



[2] Weather-Climate

สภาพลมฟ้าอากาศ (Weather) = สภาพอากาศในช่วงเวลาสั้นๆ ในแต่ละพื้นที่
ตัวอย่าง: การพยากรณ์สภาพอากาศ (Weather forcast) ของเมืองเชียงใหม่ (เช่น ของ BBC: http://www.bbc.co.uk/weather/1116869) ที่มีค่าแสดงสภาพอากาศในแต่ละวัน เช่น อุณหภูมิสูงสุด-ต่ำสุด ความเร็ว-ทิศทางของลม ค่าความชื้นสัมพัทธ์ (Relative Humidity) เป็นต้น

ภูมิอากาศ (Climate) = รูปแบบของสภาพอากาศในแต่ละพื้นที่ ที่พิจารณาหรือหาค่าเฉลี่ยจากสภาพลมฟ้าอากาศต่อเนื่องกันเป็นระยะเวลานานๆ (อาจเป็นเดือนหรือเป็นปี)   

ตัวอย่าง: ระบบการแบ่งประเภทภูมิอากาศของเคิปเปน (Köppen climate classification)




รูปที่ 4 แผนที่แสดงโซนภูมิอากาศที่แบ่งตามระบบของเคิปเปน (© 2000 National Geographic Society)



[3] Synthetic Aperture Radar Imaging

          วัตถุในระบบสุริยะที่จำเป็นต้องใช้กระบวนการแปลงข้อมูลภาพจากระบบเรดาร์ (Radar Imaging – ซึ่ง Radar คือระบบที่อาศัยการสะท้อนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อช่วยประเมินตำแหน่งและลักษณะการเคลื่อนที่ของวัตถุ) ในการสำรวจพื้นผิวดาวจากระยะไกล (Remote Sensing) มักเป็นวัตถุที่ปกคลุมด้วยเมฆหรือหมอก (เช่น ดาวศุกร์หรือดาวบริวารไททันของดาวเสาร์) ซึ่งทำให้การถ่ายภาพในย่านแสงที่ตามองเห็นได้ (Optical imaging) ทำได้ยากหรือทำไม่ได้เลย

          แต่จากการที่คลื่นวิทยุสามารถส่องผ่านชั้นบรรยากาศหนาทึบนี้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ระบบ Synthetic Aperture Radar (SAR: “ระบบเรดาร์รวมพื้นที่ช่อง”) แปลงข้อมูลภาพจากพื้นผิวดาวได้ โดย SAR เป็นเทคนิคทางการสำรวจพื้นผิวระยะไกลที่ใช้ทั้งฮาร์ดแวร์ ซอฟท์แวร์ อุปกรณ์สำรวจ รวมถึงการเคลื่อนที่ของยานอวกาศด้วย

          ระบบ SAR จะรวมกำลังแยกภาพเชิงมุม (Angular Resolving power) ของจานรับส่งสัญญาณของยานจนได้เป็นขนาดของพื้นที่ช่องที่ระบบ SAR ส่องลงไป (คล้ายกับการที่พิกเซลหลายๆพิกเซลมาต่อรวมกันได้ภาพหนึ่งภาพ) และจะส่องเฉียงๆทางด้านข้างของเส้นทางการเคลื่อนที่ของยาน ลงไปยังพื้นผิวของดาวส่วนที่ต้องการเก็บข้อมูล

          แต่เนื่องจากยานเคลื่อนที่ไปได้ระยะทางระยะหนึ่ง ระหว่างช่วงเวลาที่ยานส่งสัญญานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าลงไปยังพื้นผิว กับช่วงเวลาที่ยานได้รับสัญญาณที่พื้นผิวสะท้อนกลับมา ส่งผลให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่พื้นผิวดาวสะท้อนกลับมายังยานมีความยาวคลื่นที่เปลี่ยนแปลงไป (เกิดปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler effect) – ปรากฏการณ์ที่ความยาวคลื่นมีความเปลี่ยนแปลง เนื่องจากแหล่งกำเนิดคลื่นมีการเปลี่ยนตำแหน่งเทียบกับผู้สังเกต ปรากฏการณ์นี้มีกล่าวถึงในเนื้อหาวิชาฟิสิกส์ ม.ปลาย)

          และจากการที่ยานอวกาศเคลื่อนที่ ทำให้พื้นที่ช่องที่ระบบ SAR ส่องลงไปยังพื้นผิวดาว มีการกวาดไปบนพื้นผิวดาวเป็นระยะทางหลายร้อยกิโลเมตร ก่อนที่ยานอวกาศจะส่งสัญญาณข้อมูลที่ได้จากระบบ SAR กลับไปยังศูนย์ควบคุมบนโลก ให้คอมพิวเตอร์ในศูนย์ปฏิบัติการณ์ภาคพื้นดินแปลงสัญญาณข้อมูลดังกล่าวให้เป็นข้อมูลภาพ





รูปที่ 5 แผนภาพแสดงยานอวกาศ Magellan ที่มีการวัดระดับความสูงจากพื้นผิวดาว (Altimetry) ไปพร้อมกับให้ระบบ SAR ปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปกระทบพื้นผิวดาวก่อนเก็บข้อมูลจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สะท้อนกลับมายังยาน

[Credit ภาพ: เอกสาร Magellan: Mission to Venus โดย JPL เมื่อปี ค.ศ.1991]



          เพื่อพัฒนาให้ข้อมูลภาพพื้นผิวดาวที่ได้จากระบบ SAR มีความละเอียดพอๆกับข้อมูลภาพที่ได้จากการถ่ายภาพในย่านแสงที่ตามองเห็นได้ จึงต้องทราบตำแหน่งและความเร็วของยานอวกาศในระดับที่มีความละเอียดสูง และต้องควบคุมระดับความสูงของยานจากระดับอ้างอิงของพื้นผิวดาวอย่างเข้มงวด ทำให้ต้องการระบบควบคุมระดับความสูง (Altitude control system) เข้ามาใช้ รวมถึงการปรับข้อมูลนำทางสำหรับยานอวกาศให้ทันเหตุการณ์อยู่บ่อยครั้ง

          ข้อมูลภาพที่แปลงจากระบบ SAR จะสร้างจากเมทริกซ์ของกลุ่มเส้นที่แต่ละเส้นอยู่ห่างเท่าๆกัน ที่ตัดกับกลุ่มเส้นที่แต่ละเส้นลากเชื่อมจุดที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สะท้อนจากจุดดังกล่าว มีการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นที่เท่ากัน (มี Doppler shift ที่เท่ากัน)





รูปที่ 6 แผนภาพแสดงการใช้ระบบ SAR สำรวจพื้นผิวดาวศุกร์ของยานอวกาศ Magellan โดยยานอวกาศเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางการเคลื่อนที่ของยาน (Spacecraft motion) เครื่องวัดระดับความสูงของยานจะส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปยังพื้นผิวของดาวศุกร์ที่อยู่ใต้ยานอวกาศ ได้เป็น “พื้นที่ช่องของเครื่องวัดระดับความสูง” (Altimeter footprint) ที่กวาดไปตามแนวบนพื้นผิวดาวที่อยู่ใต้ยาน (Nadir line)

          ส่วนระบบ SAR จะหันจานรับส่งสัญญาณของยาน เพื่อส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าส่องเฉียงๆลงไปยังพื้นผิวดาว (จะเฉียงไปทางซ้ายหรือทางขวาของแนวเส้นทางการเคลื่นที่ของยานก็ได้) ได้เป็น “พื้นที่ช่องที่ระบบ SAR ส่องลงไป” (Real aperture หรือบางทีก็เรียกว่า SAR footprint) ซึ่งมีเส้นที่มีระยะห่างเท่ากัน (Lines of constant range) และเส้นลากเชื่อมจุดที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สะท้อนจากจุดดังกล่าว มีการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นที่เท่ากัน (Lines of constant doppler)

          เมื่อพื้นที่ช่องที่ระบบ SAR ส่องลงไปมีการกวาดไปบนพื้นผิวดาว (เนื่องจากยานอวกาศเคลื่อนที่) เกิดเป็น “แถบแนวในการแปลงข้อมูลภาพ” (Imaged swath) ซึ่งขนานไปกับ Nadir line มีแกนอ้างอิงสำหรับแถบแนวนี้อยู่ 2 แกน ได้แก่ แกน Azimuth (ขนานกับ Nadir line) และแกน Range (ตั้งฉากกับ Nadir line)

[ที่มาของภาพ: Pettengill, Magellan: Radar Performance and Data Products, AAAS, JPL, 1991, หน้า 262]





รูปที่ 7
ภาพวาดแสดงการโคจรของยานอวกาศ Magellan เป็นรูปวงรีรอบดาวศุกร์ โดยในขณะที่ยานกำลังโคจรเข้าใกล้ดาวศุกร์นั้น ระบบ SAR จะให้ยานหันจานรับส่งสัญญาณเข้าหาตัวดาว เพื่อส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปยังพื้นผิวดาวให้สะท้อนกลับมา และเมื่อยานโคจรห่างออกมาจากตัวดาว ก็จะหันจานรับส่งสัญญาณไปยังโลก เพื่อส่งข้อมูลระดับความสูงต่ำของพื้นผิวดาวศุกร์ที่ได้จากระบบ SAR ไปยังศูนย์ควบคุมภาคพื้นดิน เพื่อแปลงเป็นข้อมูลภาพพื้นผิวดาวต่อไป ซึ่งการที่ยาน Magellan โคจรรอบดาวศุกร์ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถทำแผนที่ของดาวเคราะห์ดวงนี้ได้ทั่วทั้งดวง

[Credit ภาพ: NASA/JPL]





รูปที่ 8
ภาพแสดงการที่ยาน Cassini เคลื่อนเข้าใกล้ดาวบริวารไททันครั้งที่ 43 เมื่อเดือนพฤษภาคม ค.ศ.2008 ซึ่งในการเข้าใกล้ครั้งนี้ ยานได้ใช้ระบบ SAR สำรวจพื้นที่  Xanadu รวมถึงภูเขาบริเวณพื้นที่ Hotei Arcus และ Tortola Facula ของดาวบริวารดวงนี้ การที่ยาน Cassini โคจรรอบดาวเสาร์เป็นหลักและไม่ได้โคจรรอบไททัน ทำให้ยานลำนี้ทำแผนที่ไททันทั่วทั้งดวงได้ยากกว่ากรณีที่ยาน Magellan ทำแผนที่ดาวศุกร์ทั้งดวง

[Credit ภาพ: NASA/JPL]



          ถึงแม้ระบบ SAR เป็นระบบการสำรวจพื้นผิวดาวจากระยะไกลแบบ Active (Active remote sensing) แต่สำหรับอุปกรณ์ระบบเรดาร์ของยานอวกาศ Magellan ขององค์การ NASA ที่สำรวจและทำแผนที่ดาวศุกร์ระหว่างปี ค.ศ.1990-1994 ที่แม้จะมีระบบ SAR และเครื่องวัดระดับความสูงด้วยระบบเรดาร์ แต่ก็ได้สลับไปใช้เครื่องวัดรังสีในความถี่ไมโครเวฟ (Microwave radiometer) ซึ่งเป็นระบบการสำรวจพื้นผิวดาวจากระยะไกลแบบ Passive (Passive remote sensing) ในบางครั้ง





รูปที่ 9
แผนภาพแสดงการสำรวจพื้นผิวดาวระยะไกล (Remote sensing) ทั้งสองแบบ

Active Remote Sensing: ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่องจากยานอวกาศมายังพื้นผิวของดาว แล้วยานอวกาศเก็บข้อมูลจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่พื้นผิวดาวสะท้อนกลับมา

Passive Remote Sensing: ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีแหล่งกำเนิดในธรรมชาติ (ไม่ใช่มาจากยานอวกาศ) เช่น แสงในช่วงที่มองเห็นได้จากดวงอาทิตย์ที่พื้นผิวดาวเคราะห์สะท้อนมายังยานอวกาศ หรือรังสีอินฟราเรดที่ดาวเคราะห์แผ่รังสีออกมา เป็นต้น

[ที่มาของภาพ: http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0027_DAI6/ch01s03.html]



[4] Splining – ตัวอย่างการ Splining ที่เราอาจเห็นได้ชัดมากที่สุดคือ การลากเส้นโค้งของกราฟจากชุดของจุดข้อมูลที่มี




รูปที่ 10
ตัวอย่างกราฟที่ผ่านกระบวนการ Splining ซึ่งเดิมมีเพียงชุดของจุดข้อมูล 8 จุด (จุดสีแดง) ก่อนลากเส้นโค้งเชื่อมระหว่าง 8 จุดนี้ (Spline curve) ซึ่งเส้นโค้งเชื่อมระหว่างจุดนั้นสามารถปรับความโค้งได้ด้วยพหุนามดีกรีตามที่ต้องการ เช่น

- เส้นโค้งเชื่อมจุดในกราฟตัวอย่าง เป็นเส้นโค้งที่ประมาณจากพหุนามดีกรีสาม (Cubic spline interpolation)

- หากต้องการให้เส้นโค้งเชื่อมจุดเป็นเส้นโค้งแบบพาราโบลา ให้ใช้เส้นโค้งที่ที่ประมาณจากพหุนามดีกรีสอง (Quadratic spline interpolation)

          ทั้งนี้ ในกราฟตัวอย่างเป็นการ Splining ในระนาบ 2 มิติ เนื่องจากกราฟมีเพียงแกน x (แกนนอน) และแกน y (แกนตั้ง) แต่การ Splining เพื่อสร้างแผนที่ระดับความสูงต่ำของพื้นผิวไททันที่ปรากฏในข่าว เป็นการ Splining ใน 3 มิติ เนื่องจากมีทั้งแกน x (ความกว้าง) แกน y (ความยาว) และแกน z (ความสูง)

[ที่มาของกราฟ: http://jpgraph.net/download/manuals/chunkhtml/ch15.html#sec2.creating-cubic-splines]



[5] ตัวอย่างการที่ภูเขาส่งผลต่อปริมาณน้ำฝนในพื้นที่ต่างๆ: กรณีจากบนโลก – ฝนที่เกิดจากอากาศที่ปะทะกับเทือกเขา (Orographic precipitation)

          เมื่ออากาศที่มีความชื้นและอุณหภูมิสูงถูกพัดมาเจอกับแนวเทือกเขา ลักษณะภูมิประเทศจะส่งผลให้อากาศลอยตัวสูงขึ้น อีกทั้งยังมีการเพิ่มความชื้นให้กับอากาศจากป่าไม้บนภูเขา ทำให้ไอน้ำอิ่มตัว  เกิดการควบแน่นกลายเป็นฝนที่ตกลงมาบริเวณด้านปะทะกับอากาศของแนวเทือกเขา เรียกด้านของเทือกเขานี้ว่า “ด้านรับลมของเทือกเขา” (Windward side)

          พออากาศถูกยกตัวขึ้นข้ามแนวยอดเขา รวมทั้งสูญเสียน้ำในรูปของฝนให้แก่ด้านรับลมของเทือกเขาไปแล้ว ก็จะกลายเป็นอากาศแห้งที่อุณหภูมิสูง ส่งผลให้ภูมิอากาศบริเวณด้านหลังของเทือกเขา (Leeward side) จะแห้งแล้งและมีปริมาณน้ำฝนน้อย พื้นที่แห้งแล้งดังกล่าวเรียกว่า “เขตเงาฝน” (Rain shadow)

          ตัวอย่างพื้นที่ในประเทศไทยที่เป็นเขตอับฝน ได้แก่ ที่ราบสูงโคราช (Khorat Plateau)



รูปที่ 11 แผนภาพแสดงการเกิดฝนที่เกิดจากอากาศที่ปะทะกับเทือกเขา

[Credit ภาพ: U.S. Department of Agriculture]





รูปที่ 12
แผนที่แสดงที่ราบสูงโคราช (บางทีในภาษาอังกฤษก็เรียกว่า Khorat basin) ซึ่งจะเห็นได้ว่ามีแนวเทือกเขาล้อมหมดเกือบทุกด้าน เช่น เทือกเขาเพชรบูรณ์และเทือกเขาดงพญาเย็นทางด้านตะวันตก เทือกเขาสันกำแพงและเทือกเขาพนมดงรักทางด้านใต้ และเทือกเขาอันนัมทางด้านเหนือและตะวันออก

[ที่มาของภาพ: http://openi.nlm.nih.gov/detailedresult.php?img=3287308_ece30001-0330-f1&req=4]




----------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

แปลและเรียบเรียงโดย

พิสิฏฐ นิธิยานันท์
(เจ้าของบล็อก"ที่ซุกหัวของหนุ่มแทจอน")
บทความแปลข่าวนี้ได้ลงไว้ก่อนหน้านี้ที่ http://www.narit.or.th/index.php/2012-11-15-06-31-22/508-cassini-titan











 

Comment

Comment:

Tweet