เมื่อในช่วงฤดูร้อน เรามักจะได้ยินข่าวเกี่ยวกับภัยธรรมชาติ ที่ทำความเสียหายกับบ้านพักอาศัยหรือสิ่งปลูกสร้างสาธารณะ ที่เรียกว่า “ลมกระโชก” ซึ่งมิใช่ “ลมกรรโชก” เพราะคำว่า “กรรโชก” นั้น  เป็นการขู่ด้วยกริยาที่มักได้ยินกับคำว่ากรรโชกทรัพย์  ตามพจนานุกรมฉบับราชบัณฑิตยสถานให้ความหมายถึง ลมแรงที่เกิดในทันทีทันใดชั่วขณะหนึ่งหรือลมที่พัดแรงเป็นพัก ๆ

รูปที่ 1 ลูกเห็บตกที่ อ.ภูเรือ จ.เลย
ภาพข่าวจากหนังสือพิมพ์โพสต์ทูเดย์ออนไลน์ (http://www.posttoday.com)

   ในวันที่ 16 มีนาคม 2557 รายงานว่าเมื่อเวลาประมาณ 14.00 น. ได้เกิดพายุฝนฟ้าคะนอง ลูกเห็บตก ที่ อ.ภูเรือ จ.เลย บ้านเรือนประชาชนเสียหายหลายหลัง จากภาพจะเห็นว่าถนนปกคลุมไปด้วยลูกเห็บ มองเห็นเป็นสีขาวคล้ายหิมะตก ลูกเห็บเป็นหยาดน้ำฟ้าชนิดหนึ่งซึ่งมีสถานะเป็นของแข็ง เราทราบกันดีว่าน้ำมีการเปลี่ยนแปลงสถานะได้กล่าวคือ ในสถานะปกติจะเป็นของเหลว ที่รู้จักกันคือ น้ำค้างหรือน้ำฝน เมื่อมีสถานะของแข็งคือ หิมะหรือลูกเห็บ และเมื่อเป็นสถานะแก๊สคือ ไอน้ำ นั่นเอง ในบรรยากาศประกอบด้วยแก๊สต่าง ๆ และมีไอน้ำรวมอยู่ด้วย ซึ่งหากไอน้ำในบรรยากาศมีอุณหภูมิลดลงถึงจุดที่สามารถควบแน่น ก็จะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว ซึ่งก็คือหยดน้ำในก้อนเมฆ หรือในฤดูหนาวเรามักจะเห็นน้ำค้างเกาะอยู่ตามยอดหญ้าหรือใบไม้ในตอนเช้า เนื่องจากในฤดูหนาวในช่วงกลางคืนเมื่อบรรยากาศมีการคายความร้อนออกไป ทำให้มีอุณหภูมิลดลง ทำให้ไอน้ำในบริเวณนั้นมีอุณหภูมิลดลงได้จนสามารถเกิดการควบแน่นกลายเป็นน้ำค้าง เรากลับมาพิจารณากันว่าหยดน้ำภายในก้อนเมฆจะกลายเป็นลูกเห็บตกลงมาได้อย่างไรกันดีกว่า หยดน้ำในก้อนเมฆจะถูกกระแสอากาศพาขึ้นไปในระดับความสูงด้านบน ทำให้อุณหภูมิของหยดน้ำลดลงเรื่อย ๆ จนกระทั่งอุณหภูมิของหยดน้ำลดลงถึง 0 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ทำให้เกิดการเยือกแข็งหรือเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง ดังนั้นหยดน้ำภายในก้อนเมฆก็จะเปลี่ยนสถานะกลายเป็นเกล็ดน้ำแข็งภายในก้อนเมฆ ซึ่งถ้ามีความแปรปรวนของกระแสอากาศภายในก้อนเมฆมาก ก็จะทำให้ไอน้ำที่เกาะอยู่บนพื้นผิวของเกล็ดน้ำแข็งเกิดการระเหิดกลับ (deposition) กลายเป็นน้ำแข็งที่ผิวของเกล็ดน้ำแข็งเหล่านั้น ทำให้เกล็ดน้ำแข็งมีขนาดใหญ่ขึ้น หากกระบวนการเช่นนี้ยังดำเนินไปในเมฆฟ้าคะนอง ก็จะทำให้เกล็ดน้ำแข็งมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งไม่สามารถพยุงให้อยู่ในก้อนเมฆจึงตกลงมากลายเป็นลูกเห็บในที่สุด

รูปที่ 2 หยาดน้ำฟ้าในสถานะต่าง ๆ

   ในช่วงฤดูร้อนของทุกปี มักจะมีเหตุการณ์ที่เรียกว่า “พายุฤดูร้อน” ซึ่งเกิดจากเมฆฝนฟ้าคะนองขนาดใหญ่ ในฤดูร้อนอุณหภูมิอากาศเหนือพื้นดินจะสูงขึ้นเรื่อย ๆ เมื่ออากาศเหนือพื้นดินลอยตัวสูงขึ้นจนถึงจุดอิ่มตัว ไอน้ำในอากาศจะเกิดการควบแน่นเปลี่ยนสถานะจากไอน้ำไปเป็นหยดน้ำเกิดเป็น “เมฆ” ที่เราเห็นอยู่เป็นประจำ เราสามารถจำลองการเกิดเมฆได้ด้วยตัวเองง่าย ๆ ตามกิจกรรมในแบบเรียนรายวิชาเพิ่มเติม โลก ดาราศาสตร์และอวกาศ เล่มที่ 2 อุปกรณ์ที่ต้องเตรียมคือ แก้วใสทรงสูง จานแบนใส น้ำร้อน น้ำเย็น น้ำแข็ง ธูปและไม้ขีดไฟ อุปกรณ์เหล่านี้หาได้ไม่ยาก โดยการใส่น้ำร้อน หรือน้ำเย็นลงในแก้ว แล้วปิดด้านบนด้วยจานแบนที่ใส่น้ำแข็ง ให้สังเกตสิ่งที่เกิดขึ้นในทั้งสองกรณี (รูปที่ 3) ซึ่งผลที่ออกมาดังรูป ก. และ ข. ส่วนรูป ค. เป็นการใส่ควันธูปเข้าไปในแก้วที่มีน้ำร้อน สิ่งที่เห็นได้ชัดเจนคือ หยดน้ำขนาดเล็กจำนวนมากอยู่ภายในแก้ว การทดลองนี้เป็นการจำลองสภาพอากาศในธรรมชาติ ซึ่งจะเห็นว่าในกรณีน้ำเย็น (ภาพ ก.) ไม่สามารถมองเห็นไอน้ำหรือหยดน้ำภายในแก้ว ซึ่งตามธรรมชาติหากอากาศมีอุณหภูมิต่ำมักจะมีไอน้ำน้อยเนื่องจากมีการระเหยน้อย เมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นก็จะมีการระเหยได้มากขึ้น ดังภาพ ข. เราจะเห็นไอน้ำซึ่งระเหยขึ้นมาจากน้ำร้อนที่เราใส่ลงไป แต่อย่างไรก็ตามในการเกิดเมฆจำเป็นต้องอาศัยแกนกลางเพื่อช่วยให้ไอน้ำสามารถควบแน่นอยู่บนผิวของแกนกลางเหล่านั้น ในการทดลองเราใช้ควันธูปเป็นอนุภาคของแกนกลางดังกล่าว ทำให้เราเห็นหยดน้ำขนาดเล็กจำนวนมากจนเห็นเป็นฝ้าขาวอยู่ภายในแก้วดังภาพ ค. ได้อย่างชัดเจน

รูปที่ 3 การทดลองการเกิดหยดน้ำในเมฆ

   ในธรรมชาติมีละอองลอย หรือที่เราเรียกกันง่าย ๆ ว่า ฝุ่น หรือเกสรดอกไม้ที่ฟุ้งกระจายอยู่ในอากาศ ซึ่งละอองลอยเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นแกนกลางให้ไอน้ำเกิดการควบแน่น บนพื้นผิวของอนุภาคเหล่านี้ หากอากาศในธรรมชาติเป็นอากาศที่ปราศจากละอองลอยปะปนอยู่ ทำให้เกิดการควบแน่นของไอน้ำได้ยากมาก ในกรณีนี้การควบแน่นจะเกิดขึ้นได้ อากาศต้องมีความชื้นสัมพัทธ์สูงกว่า 100 %  หรือที่เรียกว่าความชื้นอิ่มตัวยิ่งยวด (supersaturation) เมื่ออุณหภูมิอากาศลดลงจนถึงอุณหภูมิจุดน้ำค้าง (dewpoint temperature) ไอน้ำในอากาศจะเกิดการควบแน่น ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการเกิดเมฆนั่นเอง ในเมฆก้อนหรือเมฆคิวมูลัสเราจะสังเกตเห็นฐานเมฆได้ชัดเจน(รูปที่ 4)

รูปที่ 4 เมฆคิวมูลัสซึ่งสามารถสังเกตเห็นฐานเมฆได้ชัดเจน

   หากหยดน้ำเหล่านี้ลอยสูงขึ้นไปในก้อนเมฆ อุณหภูมิของหยดน้ำก็จะลดลงจนถึง 0 องศาเซลเซียส หรือจุดเยือกแข็ง (freezing point) ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่น้ำสามารถเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง ทำให้หยดน้ำเหล่านี้กลายเป็นเกล็ดน้ำแข็งอยู่ภายในก้อนเมฆ กระบวนการเหล่านี้เป็นการเกิดเมฆโดยทั่วไป การเคลื่อนที่ของหยดน้ำภายในก้อนเมฆ ซึ่งมีขนาดแตกต่างกันและยังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน ทำให้หยดน้ำมีโอกาสชนกัน การชนกันของหยดน้ำจะทำให้เกิดการแตกของหยดน้ำมีขนาดเล็กลงหรืออาจรวมตัวทำให้หยดน้ำมีขนาดใหญ่ขึ้น หากหยดน้ำมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 0.5 มิลลิเมตร ก็จะตกลงมาเป็นฝน แต่หากกระแสลมภายในเมฆมีความแปรปรวนมาก เช่น ในเมฆฝนฟ้าคะนองหรือที่รู้จักกันในชื่อคิวมูโลนิมบัส หยดน้ำเหล่านี้ก็อาจถูกกระแสลมพัดขึ้นไปด้านบนได้อีก (รูปที่ 5) ในขณะที่เมฆฟ้าคะนองกำลังพัฒนาตัวอยู่นั้นกระแสลมที่พัดอยู่ภายใต้ก้อนเมฆจะมีความแปรปรวน มักจะมีกระแสลมที่พัดขึ้นไปด้านบน (updraft)เป็นแรงที่ช่วยพาหยดน้ำเคลื่อนที่ขึ้นสู่ด้านบนได้เร็วขึ้น ในทางตรงกันข้ามเมื่อหยดน้ำหรือเกล็ดน้ำแข็งภายในก้อนเมฆมีขนาดใหญ่ขึ้นและตกลงสู่ด้านล่างก็จะมีกระแสอากาศที่มีทิศทางพัดจากด้านบนลงสู่ด้านล่าง (downdraft) ซึ่งการพัดของกระแสอากาศที่พัดลงมาหรือ downdraft นี้เอง ที่จะช่วยทำให้หยดน้ำหรือเกล็ดน้ำแข็งลอยตัวต้านแรงโน้มถ่วงของโลกอยู่ในก้อนเมฆได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงเวลาที่อุณหภูมิอากาศสูงมาก ๆ ทำให้เกิด updraft ขึ้นอย่างรุนแรง เกิดเมฆขนาดใหญ่ที่สะสมหยดน้ำและ/หรือเกล็ดน้ำแข็งจำนวนมาก ซึ่งเกล็ดน้ำแข็งเหล่านี้หากตกลงสู่เบื้องล่างจะเรียกว่า ลูกเห็บที่ทำความเสียหายดังรับทราบจากข่าวสารนั่นเอง เราจะสังเกตเห็นว่าขนาดของเม็ดฝนที่ตกในช่วงแรกของฝนฟ้าคะนอง จะมีขนาดเม็ดฝนใหญ่กว่าช่วงหลังของฝนที่ตกจากเมฆก้อนเดียวกันเนื่องจากความแปรปรวนของอากาศในช่วงแรกที่เมฆกำลังพัฒนาขึ้นไปเป็นเมฆฟ้าคะนองนั่นเอง

รูปที่ 5 กระบวนการเกิดเกล็ดน้ำแข็งในก้อนเมฆ

   กล่าวโดยสรุปอย่างง่ายถึงกระบวนการของการเกิดเมฆ ว่าเป็นการถ่ายโอนความร้อนที่เกิดขึ้นในขณะที่มีการควบแน่นทำให้ไอน้ำในอากาศเปลี่ยนสถานะกลายเป็นหยดน้ำเกิดเป็นเมฆ โดยมีการปลดปล่อยความร้อนแฝง (latent heat) หากเมฆมีการพัฒนาเป็นเมฆฟ้าคะนอง ก็จะทำให้หยดน้ำมีโอกาสที่จะเปลี่ยนสถานะอีกครั้งหนังก็กลายเป็นน้ำแข็ง ดังนั้นลูกเห็บก็จะเกิดขึ้นในเมฆที่มีความแปรปรวนของกระแสอากาศหรือเมฆฟ้าคะนอง

บรรณานุกรม

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. กระทรวงศึกษาธิการ. (2554). หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติม โลก ดาราศาสตร์ และอวกาศ เล่มที่ 2. กรุงเทพมหานคร: โรงพิมพ์ สกสค. ลาดพร้าว.