กระบวนการเกิดฝน หิมะ และลูกเห็บ

          ในการที่สิ่งมีชีวิตจะดำรงชีวิตอยู่บนโลกได้นั้น อากาศเป็นปัจจัยที่สำคัญปัจจัยหนึ่ง โดยสิ่งมีชีวิตบนโลกจะต้องใช้อากาศในการหายใจ พืชต้องการแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในการสร้างอาหาร เรื่องราวเกี่ยวกับลมฟ้าอากาศนั้นเป็นสิ่งที่ใกล้ตัวเรามาก และโดยทั่วไปสภาพอากาศบนโลกของเราจะมีการเปลี่ยนแปลงอยู่เสมอ ดังนั้นมนุษย์จึงต้องสนใจศึกษาการเปลี่ยนแปลงของลมฟ้าอากาศ เพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ ทั้งในการประกอบอาชีพ และการดำเนินชีวิตได้อย่างเหมาะสม

          ในบทเรียนนี้ผู้เขียนขอนำเสนอความรู้เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของลมฟ้าอากาศ ใน 3 รูปแบบ ได้แก่กระบวนการเกิดฝน หิมะ และลูกเห็บ หรือเรียกรวมกันว่า หยาดน้ำฟ้า ในแง่เปรียบเทียบว่าทั้งสามอย่างนั้นมีกระบวนการเกิดที่เหมือนหรือต่างกันอย่างไร ไปเรียนรู้กันเลยค่ะ

กระบวนการเกิดฝน

          ถ้าจะอธิบายถึงกระบวนการเกิดฝน คงจะอธิบายให้ครบถ้วนกระบวนความไม่ได้ถ้าหากไม่ได้อ้างอิงถึง วัฏจักรของน้ำ เพราะฝนก็คืออีกรูปหนึ่งของน้ำ ที่เกิดและหมุนเวียนอยู่ในโลกนี้เอง

          วัฏจักรของน้ำ เป็นการเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำระหว่าง ของแข็ง ของเหลว และแก๊ส จากสถานะหนึ่งไปสถานะหนึ่งอย่างต่อเนื่อง ไม่มีสิ้นสุดภายในอุกทกภาค ( Hydrosphere ) เริ่มต้นจากน้ำในแหล่งน้ำต่าง ๆ  ของโลก ได้แก่ มหาสมุทร ห้วย หนอง คลอง บึง ทะเลสาบ ฯลฯ ได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์ก็จะระเหยกลายเป็นไอ ลอยตัวสูงขึ้นสู่บรรยากาศ นอกจากนี้ยังมีน้ำที่เกิดจากการคายน้ำของพืช การหายใจของสิ่งมีชีวิตอีกด้วย และเมื่อไอน้ำกระทบกับความเย็นของอากาศที่อยู่เบื้องบนก็จะควบแน่นกลายเป็นละอองน้ำเล็ก ๆ รวมตัวกันอยู่เป็นกลุ่มบนท้องฟ้า เรียกว่า เมฆ นั่นเอง เราเรียกอุณหภูมิ ณ จุดที่ไอน้ำในอากาศเกิดการควบแน่นกลายเป็นละอองน้ำ ว่า จุดน้ำค้าง  ( Dew Point )

          เมื่อเมฆมารวมตัวกันมาก ๆ ละอองน้ำที่รวมตัวกันเป็นก้อนเมฆเกิดการควบแน่นจนกลายเป็นหยดน้ำ และเมื่อหยดน้ำนี้มีน้ำหนักเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนไม่สามารถลอยอยู่บนก้อนเมฆได้อีกต่อไป ก็จะตกลงสู่พื้นดิน กลายเป็นฝน

กระบวนการเกิดลูกเห็บ

          ลูกเห็บคือ ก้อนน้ำแข็งที่ตกลงมาจากฟ้าขณะเกิดพายุฝนฟ้าคะนอง ส่วนมากจะเกิดขึ้นในพายุฤดูร้อน โดยเม็ดฝนที่เย็นจัดจนเป็นน้ำแข็งถูกพัดวนอยู่ในเมฆคิวมูโลนิมบัส ซึ่งภายในก้อนเมฆจะมีกระแสอากาศที่หมุนวนเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและรุนแรง ทั้งกระแสลมที่ไหลขึ้น และกระแสลมที่ไหลลง เม็ดฝนหรือละอองน้ำจะถูกพัดขึ้นไป ซึ่งบริเวณที่สูงขึ้นไปเหนือระดับการแข็งตัว ( Freezing Level ) อุณหภูมิจะต่ำมากทำให้เม็ดฝนแข็งตัว และจะพบกับหยดน้ำเย็นยิ่งยวด ( Supercooled Droplet ) ซึ่งจะเกาะผิวของก้อนน้ำแข็งและแข็งตัวเคลือบก้อนน้ำแข็ง ครั้นพอเม็ดน้ำแข็งตกลงมาส่วนล่างของกลุ่มเมฆซึ่งเย็นน้อยกว่าด้านบน ความชื้นก็จะเข้าไปห่อหุ้มเม็ดน้ำแข็งอีกชั้นหนึ่ง แล้วกระแสลมก็พัดเอาเม็ดน้ำแข็งกลับขึ้นไปด้านบนของกลุ่มเมฆอีก วนซ้ำไปมาหลายครั้งในกลุ่มเมฆ ด้วยกระบวนการเช่นนี้ ทำให้เม็ดน้ำแข็งก็ใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งอากาศด้านล่างไม่สามารถรับน้ำหนักได้ ก็จะตกลงมาสู่พื้นดิน และถ้าเราทุบก้อนลูกเห็บให้แตกออก เราจะเห็นภายในลักษณะเป็นวงของชั้นน้ำแข็ง คล้ายหัวหอม ซึ่งแสดงถึงกระบวนการเกิดของลูกเห็บที่มีการพอกตัวของไอน้ำเป็นชั้น ๆ นั่นเอง

ภาพกระบวนการเกิดลูกเห็บ

กระบวนการเกิดหิมะ

          หิมะ เป็นหยาดน้ำฟ้ารูปแบบหนึ่ง อยู่ในรูปของผลึกน้ำแข็ง มีโครงสร้างที่กลวงทำให้มีความนุ่ม เมื่อสัมผัส เกิดจากไอน้ำที่เป็นหยดน้ำเย็นยิ่งยวด ( Supercooled Droplet ) เกิดการระเหิดกลับเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง โดยอาศัยแกนซึ่งเรียกว่า “แกนน้ำแข็ง” ( Ice nuclei ) เพื่อให้ไอน้ำจับตัวเป็นผลึกน้ำแข็ง น้ำเย็นยิ่งยวดจะเกิดการระเหิดกลับเช่นนี้ได้ ในก้อนเมฆมีน้ำครบทั้งสามสถานะ คือ น้ำแข็ง หยดน้ำ และไอน้ำ และมีแรงดันไอน้ำที่แตกต่างกัน ผลึกน้ำแข็งจะมีขนาดใหญ่ขึ้นเมื่อปะทะกับหยดน้ำเย็นยิ่งยวดซึ่งจะทำให้เกิดการเยือกแข็งและรวมตัวให้ผลึกมีขนาดใหญ่ยิ่งขึ้นไปอีก นอกจากนั้นผลึกน้ำแข็งอาจจะปะทะกันเอง จนทำให้เกิดผลึกขนาดใหญ่ที่เรียกว่า “เกล็ดหิมะ” ( Snow flake )

          หิมะจะเกิดในบริเวณเขตหนาวที่มีอุณหภูมิของอากาศใต้ฐานเมฆไปจนถึงพื้นดินลดต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส จึงจะสามารถตกลงสู่พื้นโลกในขณะที่เป็นผลึกน้ำแข็งอยู่ หิมะที่ตกลงมานั้นจะไม่มีรูปร่างเป็นก้อนกลม ๆ เหมือนลูกเห็บ หิมะจะมีลักษณะเป็นผลึกบาง ๆ รูปร่างของผลึกก็จะแตกต่างกันไปแต่โดยส่วนมากจะเป็นสมมาตรแบบหกด้านเสมอ เนื่องมาจากเกล็ดน้ำแข็งปกตินั้นมีโครงสร้างผลึกหกเหลี่ยม

          ในการเกิดปรากฏการณ์หยาดน้ำฟ้าทั้งสามชนิด เป็นการเปลี่ยนแปลงของลมฟ้าอากาศที่เกิดขึ้นตามฤดูกาล ซึ่งเป็นเรื่องปกติในการเปลี่ยนแปลงของลม ฟ้า อากาศบนโลก และเป็นประโยชน์ต่อการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตบนโลก แต่บางครั้งหากเกิดในสภาวะที่รุนแรงเกินไปก็อาจเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตได้ เช่น พายุฝนที่รุนแรง อาจก่อให้เกิดความเสียหายต่อชีวิตและทรัพย์สิน ลูกเห็บมีความแข็งเป็นก้อนน้ำแข็งสามารถสร้างความเสียหายต่อชีวิตและทรัพย์สิน พายุหิมะ ก่อให้เกิดการบดบังทัศนวิสัยทำให้นักบินไม่สามารถนำเครื่องบินขึ้นหรือลงได้ เป็นต้น

แหล่งที่มา

บทเรียนออนไลน์ กระทรวงศึกษาธิการ.  การเกิดหมอก เมฆ และฝน.  สืบค้นเมื่อ 10 เมษายน 2563, จาก https://www.youtube.com/watch?v=g5Et-Ec-BSE

ศูนย์การเรียนรู้วิทยาศาสตร์โลกและดาราศาสตร์ ( LESA ).  หยาดน้ำฟ้า.  สืบค้นเมื่อ 10 เมษายน 2563, จาก http://www.lesa.biz/earth/atmosphere/precipitation

สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ( สวทช. ).  ลูกเห็บคืออะไร?.  สืบค้นเมื่อ 13 เมษายน 2563, จาก https://www.nstda.or.th/th/vdo-nstda/science-day-techno/4090-hail

Thai PBS. ลูกเห็บเกิดขึ้นได้อย่างไร? (How does hail form?). สืบค้นเมื่อ 1 พฤษภาคม 2563, จาก https://www.youtube.com/watch?v=ySix4t56Rd8

 ปรากฏการณ์เรือนกระจก

          ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญที่สุดต่อมนุษย์และสิ่งมีชีวิตบนโลก พลังงานความร้อนที่กระจายจากดวงอาทิตย์มายังโลก เรียกว่า รังสีดวงอาทิตย์ หรือพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งแผ่พลังงานมายังโลกในลักษณะคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อรังสีคลื่นสั้นจากดวงอาทิตย์ส่องมายังพื้นผิวโลก ชั้นบรรยากาศของโลกจะสะท้อนรังสีส่วนหนึ่งกลับออกไปสู่อวกาศ รังสีดวงอาทิตย์ที่มาถึงพื้นผิวโลกจะมีความยาวคลื่นตั้งแต่ช่วงยูวี ( Ultra Violet ) แสงสว่าง ( Visible ) ไปจนถึงอินฟราเรด ( Infrared ) มีความยาวคลื่นอยู่ระหว่าง 300 – 3000 นาโนเมตร โดยรังสีจากดวงอาทิตย์ที่มาถึงผิวโลกส่วนมากจะเป็นรังสีในช่วงแสงสว่าง ( Visible ) มีความยาวคลื่นในช่วง 400 - 700 นาโนเมตร

ภาพที่ 1  แผนผังสรุปการเกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก
ที่มา : https:// commons.wikimedia.org/, US EPA          

          เมื่อโลกได้รับรังสีจากดวงอาทิตย์พื้นน้ำ พื้นดิน และสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ จะดูดกลืนพลังงานไว้ และหลังจากนั้นก็จะคายพลังงานออกมาในรูปของรังสีอินฟราเรด แผ่กระจายขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศ และแผ่กระจายออกนอกชั้นบรรยากาศไปส่วนหนึ่ง กลุ่มแก๊สเรือนกระจกในชั้นบรรยากาศจะทำหน้าที่ดูดกลืนไว้ และคายพลังงานความร้อนออกมา ทำให้อากาศใกล้ผิวโลกอุ่นขึ้น และทำให้โลกสามารถรักษาสภาพสมดุลทางอุณหภูมิไว้ได้ ปรากฏการณ์ดังกล่าว เรียกว่า ปรากฏการณ์เรือนกระจก

          ปรากฏการณ์เรือนกระจก ชื่อมีที่มาจากเรือนกระจก ( Greenhouse ) ที่ประเทศในเขตหนาวนิยมใช้ในการเพาะปลูกต้นไม้ กลไกที่เกิดในเรือนกระจกคือ พลังงานแสงอาทิตย์สามารถผ่านเข้าไปภายในได้แต่ความร้อนที่อยู่ภายในจะถูกกักเก็บโดยกระจกไม่ให้สะท้อนหรือแผ่ออกสู่ภายนอกได้ทำให้อุณหภูมิของอากาศภายในอบอุ่น และเหมาะสมต่อการเจริญเติบโตของพืชแตกต่างจากภายนอกที่ยังหนาวเย็น แต่อันที่จริงแล้วปรากฏการณ์เรือนกระจกที่เกิดบนโลกมีกลไกในการเกิดแตกต่างปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในเรือนกระจก กล่าวคือ ความร้อนที่โลกคายออกมาในรูปของรังสีอินฟราเรด ไม่ได้ถูกกักเก็บไว้ในโลกทั้งหมด มีบางส่วนสามารถแผ่กระจายออกไปนอกบรรยากาศได้

แก๊สเรือนกระจก ( Greenhouse Gases )

          แก๊สเรือนกระจก คือแก๊สที่เป็นองค์ประกอบของบรรยากาศโลกซึ่งห่อหุ้มโลกไว้ เสมือนเรือนกระจก ในโรงเรือนอนุบาลพืช มีคุณสมบัติในการดูดซับคลื่นรังสีความร้อน หรือรังสีอินฟราเรดได้ดี แก๊สนี้               มีความสำคัญในการรักษาระดับอุณหภูมิของโลกให้คงที่ ถ้าหากไม่มีแก๊สเรือนกระจกแล้ว กลางคืนโลกจะเย็นมากอุณหภูมิเฉลี่ยที่พื้นผิวโลกจะประมาณ -18 °C และในกลางวันโลกของเราก็จะร้อนมากเช่นกัน แก๊สเรือนกระจกมีมาจากสองแหล่งคือเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ และเกิดจากการกระทำของมนุษย์ ได้แก่ ไอน้ำ ( H₂O ) แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์  ( CO₂ ) แก๊สมีเทน ( CH₄ ) แก๊สไนตรัสออกไซด์ ( NO₂ ) ซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์  ( SF₆ ) ไฮโดรฟลูออโรคาร์บอน ( HFCs ) เปอร์ฟลูออโรคาร์บอน ( PFCs ) ไนโตรเจนไตรฟลูออไรด์ ( NF3 ) และสารกลุ่มคลอโรฟลูออโรคาร์บอน ( Chlorofluorocarbon หรือ CFC )

          แก๊สเรือนกระจกที่ถูกควบคุมโดยพิธีสารเกียวโต มีเพียง 7 ชนิด โดยจะต้องเป็นก๊าซที่เกิดจากกิจกรรมของมนุษย์ ( Anthropogenic greenhouse gas emission ) เท่านั้น ได้แก่ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ แก๊สมีเทน  แก๊สไนตรัสออกไซด์  แก๊สไฮโดรฟลูออโรคาร์บอน แก๊สเปอร์ฟลูออโรคาร์บอน  ซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์  และไนโตรเจนไตรฟลูออไรด์  ทั้งนี้ ยังมีแก๊สเรือนกระจกที่เกิดจากกิจกรรมของมนุษย์ที่สำคัญอีกนิดหนึ่ง คือ คลอโรฟลูออโรคาร์บอน ซึ่งใช้เป็นสารทำความเย็นและใช้ในการผลิตโฟม แต่ไม่ถูกกำหนดในพิธีสารเกียวโต เนื่องจากเป็นสารที่ถูกจำกัดการใช้ในพิธีสารมอนทรีออลว่าด้วยสารทำลายชั้นบรรยากาศโอโซนแล้ว

ภาพที่ 2  แผนผังแสดงแก๊สเรือนกระจกชนิดต่าง ๆ

ผลกระทบของปรากฏการณ์เรือนกระจก

          ปรากฏการณ์เรือนกระจกเป็นปรากฏการณ์ที่มีความสำคัญต่อโลกของเรา ช่วยทำให้โลกสามารถรักษาสภาพสมดุลทางอุณหภูมิไว้ได้ ทำให้เกิดวัฏจักรน้ำ อากาศ และฤดูกาลต่าง ๆ ที่เอื้ออำนวยต่อการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ บนโลก
           แต่ในปัจจุบันชั้นบรรยากาศของโลกมีปริมาณแก๊สเรือนกระจกมากเกินสมดุลของธรรมชาติ อันเป็นผลมาจากกิจกรรมของมนุษย์ที่มีการปล่อยมลพิษ รวมถึงแก๊สเรือนกระจกเข้าสู่บรรยากาศในปริมาณมาก เช่นการเผาไหม้เชื้อเพลิงต่าง ๆ การปล่อยของเสียจากอุตสาหกรรมของผลิตภัณฑ์ตู้เย็น สเปรย์ และพลาสติก ฯลฯ ส่งผลกระทบต่อการเพิ่มอุณหภูมิของพื้นผิวโลก  นอกจากนี้ สารประกอบจำพวกคลอโรฟลูออโรคาร์บอน สามารถรวมตัวกับโอโซน ทำให้โอโซนในชั้นบรรยากาศลดน้อยลง ส่งผลให้รังสีคลื่นสั้นที่ส่องผ่านชั้นโอโซนลงมายังพื้นผิวโลกได้มากขึ้น รวมทั้งปล่อยให้รังสีที่ทำอันตรายต่อมนุษย์ และสิ่งมีชีวิตส่องผ่านลงมาทำอันตรายกับสิ่งมีชีวิตบนโลกได้ด้วย

          ประเทศต่าง ๆ ในโลกต่างหันมาร่วมมือกันเพื่อแก้ปัญหาภาวะโลกร้อน โดยการสร้างมาตรการทางกฎหมายในพิธีสารเกียวโต ( Kyoto Protocol )  ซึ่งมีการเจรจาตกลงกันเมื่อ 11 ธันวาคม 2540 และมีผลบังคับใช้เมื่อ 16 กุมภาพันธ์ 2548 มีประเทศที่เข้าร่วมให้สัตยาบัน 187 ประเทศ โดยประเทศไทยได้เข้าร่วมเป็นสมาชิกเมื่อเดือนสิงหาคม 2545 ซึ่งประเทศสมาชิกแต่ละประเทศต้องหามาตรการลดการปล่อยแก๊สเรือนกระจกออกสู่บรรยากาศโดยมีเป้าหมายว่าภายในปี 2555 ซึ่งเป็นปีที่สิ้นสุดการใช้พิธีสารโตเกียวต้องลดปริมาณแก๊สเรือนกระจกลงให้ได้ 5.2 % เมื่อเทียบกับปี 2533 ถึงแม้ว่าปัจจุบันจะสิ้นสุดพิธีสารเกียวโต แต่ทั่วโลกยังคงดำเนินการลดการปล่อยแก๊สเรือนกระจกอย่างต่อเนื่อง ภายใต้อนุสัญญาที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ อนุสัญญาสหประชาชาติว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ( United Nations Framework Convention on Climate Change: UNFCCC )

          สำหรับประเทศไทยได้จัดตั้งองค์การบริหารการจัดการแก๊สเรือนกระจก ( องค์กรมหาชน ) ภายใต้กระทรวงทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม  เพื่อปฏิบัติงานด้านบริหารเกี่ยวกับพัฒนาโครงการที่จะนำไปสู่การลดการปลดปล่อยแก๊สเรือนกระจกภายใต้กลไกการพัฒนาที่สะอาด โดยได้มีการดำเนินกิจกรรมการต่าง ๆ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายที่ตั้งไว้ในการลดแก๊สเรือนกระจกของประเทศไทย ภายในปี 2563 และ 2573 เช่น โครงการลดก๊าซเรือนกระจก โครงการภาคีสนับสนุนป่าชุมชนลดโลกร้อน  โครงการพัฒนาอุตสาหกรรมคาร์บอนต่ำ เพื่อสนับสนุนการลดก๊าซเรือนกระจกในพื้นที่ระเบียงเศรษฐกิจภาคตะวันออก  ฉลากคาร์บอน  ตลาดคาร์บอน เป็นต้น

แหล่งที่มา

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.).  หนังสือเรียน รายวิชาเพิ่มเติม โลก ดาราศาสตร์ และอวกาศ เล่ม 2 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4-6. กรุงเทพ. องค์การค้าของ สกสค.

องค์การบริหารการจัดการแก๊สเรือนกระจก (องค์กรมหาชน).  โครงการลดแก๊สเรือนกระจก.  สืบค้นเมื่อ 10 เมษายน 2563, จาก http://www.tgo.or.th/2015/thai/content.php?s1=1

It’s AumSum Time ; Learning Science & Math. Greenhouse Effect. สืบค้นเมื่อ 20 เมษายน 2563, จาก https://youtu.be/x_sJzVe9P_8