Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ
www.facebook.com/buncha2509
ชวนรู้จัก
‘พายุฝนฟ้าคะนองแบบเซลล์เดียว’
เคยสงสัยไหมครับว่าเวลาเกิดฝนฟ้าคะนอง ฝนตกหนัก มีฟ้าร้องฟ้าผ่า ทำไมบางครั้งเหตุการณ์ก็ไม่นานนัก คือ สักครึ่งชั่วโมงถึงราว 1 ชั่วโมง แต่บางครั้งก็นานกว่า 1 ชั่วโมง?
เพื่อตอบคำถามนี้ เราต้องรู้จักกับเรื่องพื้นฐานคือ พายุฝนฟ้าคะนองแบบเซลล์เดียว (single-cell thunderstorm) กันก่อนครับ
เวลาพูดถึง ‘พายุฝนฟ้าคะนอง’ ก็มักจะหมายถึงตัวสาเหตุคือ เมฆฝนฟ้าคะนอง (thundercloud) หรือ คิวมูโลนิมบัส (Cumulonimbus) ซึ่งเป็นเมฆที่ทำให้เกิดฟ้าร้อง ฟ้าแลบ และฟ้าผ่าได้
ส่วนคำว่า ‘เซลล์’ เมื่อใช้กับเมฆ จะหมายถึง เมฆก้อนซึ่งมีกระแสอากาศ 2 กระแสอยู่ภายใน
กระแสหนึ่งไหลพุ่งขึ้น เรียกว่า อัพดราฟต์ (updraft) คำว่า up ก็คือ ขึ้น
ส่วนอีกกระแสหนึ่งไหลพุ่งลง เรียกว่า ดาวน์ดราฟต์ (downdraft) คำว่า down ก็คือ ลง
เจ้ากระแสอากาศที่ไหลพุ่งขึ้นและไหลพุ่งลงนี้เป็นอย่างไร ค่อยๆ ตามอ่านครับ
โดยภาพรวมแล้ว ตลอดช่วงชีวิตของเมฆฝนฟ้าคะนอง 1 เซลล์จะมีระยะตอนหลัก 3 ระยะ ดูภาพประกอบครับ
ระยะแรก ซ้ายมือ คือ ระยะคิวมูลัสแบบหอคอย (Towering Cumulus Stage) เทียบกันคน คือ ‘วัยรุ่น’
ระยะที่สอง ตรงกลาง คือ ระยะเติบโตเต็มที่ (Mature Stage) เทียบกับคน คือ ‘วัยผู้ใหญ่’
ระยะที่สาม ขวามือ คือ ระยะสลายตัว (Dissipating Stage) เทียบกับคน คือ ‘วัยชรา’
ที่มา : https://courses.lumenlearning.com/suny-geophysical/chapter/thunderstorms/
ก่อนจะเข้าสู่ระยะแรก ธรรมชาติต้องเตรียมการนำร่องก่อน คือ ‘วัยเด็ก’ ลองคิดถึง ‘ก้อนอากาศ’ ก้อนหนึ่งลอยตัวสูงขึ้นไปจนถึงจุดที่เกิดการควบแน่นสุทธิ และเกิดเป็นเมฆก้อนที่เรียกว่า คิวมูลัส (Cumulus)
เมฆคิวมูลัสนี่จำง่ายๆ ว่าเป็นเมฆที่คนส่วนใหญ่วาดภาพ กล่าวคือ เป็นเมฆก้อน ที่มีด้านบนตะปุ่มตะป่ำ ส่วนด้านล่างค่อนข้างเรียบ
ส่วนที่ว่าเกิดการควบแน่นสุทธิ (net condensation) ก็เพราะว่าก้อนอากาศที่เราคิดถึงในตอนแรกนั้น อาจมีหยดน้ำบางส่วนระเหยหายไปกลายเป็นไอน้ำ แต่ในขณะเดียวกันไอน้ำในก้อนอากาศนี้เกิดเย็นลงจนกลั่นตัวกลายเป็นหยดน้ำ
เมื่อเกิดการควบแน่นสุทธิ ก็แปลว่า เกิดหยดน้ำเร็วกว่าที่หยดน้ำระเหยหายไป เมื่อมองภาพรวมจึงเห็นเป็นก้อนเมฆคิวมูลัสนั่นเอง
ทีนี้การที่ไอน้ำควบแน่นก็คือ น้ำเปลี่ยนสถานะจากก๊าซมาเป็นของเหลว จึงมีการคายความร้อนออกมา
เจ้าความร้อนที่คายออกมานี่มีส่วนช่วยให้ก้อนอากาศมีแนวโน้มยกตัวลอยสูงขึ้นไปอีก นั่นคือ ตราบเท่าที่ยังมีการควบแน่นสุทธิอยู่เมฆก้อนก็จะอวบขึ้นๆ สูงใหญ่ขึ้นไป และใหญ่สุดคือกลายเป็นเมฆฝนฟ้าคะนองก้อนมหึมา
แต่ทุกคนคงรู้ดีว่า เมฆก้อนคิวมูลัสเกือบทั้งหมดเติบโตขึ้นไปได้แค่ขนาดหนึ่งเท่านั้น มีเมฆก้อนจำนวนน้อยมากที่เติบโตขึ้นไปจนถึงเส้นชัย คือ กลายเป็นเมฆฝนฟ้าคะนอง-เหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น?
คำตอบคือ มีสาเหตุได้หลากหลาย เช่น
(1) อากาศในก้อนเมฆมีความชื้นไม่เพียงพอ (insufficient moisture)
(2) มีอากาศแห้งโดยรอบปะปนเข้ามาทำให้หยดน้ำในก้อนเมฆระเหยไป (entrainment)
(3) มีชั้นอุณหภูมิผกผัน (inversion) ทำให้ก้อนเมฆไม่สามารถเติบโตสูงชึ้นในแนวดิ่งได้
(4) กลไกการยกตัวของอากาศไม่มีประสิทธิภาพเพียงพอ (lack of strong lifting mechanism)
และ (5) ค่าพลังงานศักย์การพาความร้อนต่ำ (low CAPE)
พวกสาเหตุต่างๆ ที่ว่ามานี้ ผมจะหาโอกาสเหมาะๆ เล่าเรื่องสนุกๆ ให้อ่านอีกที ตอนนี้ขอให้ทราบว่าเมฆแต่ละก้อน คือพวก ‘วัยเด็ก’ มักพบกับอุปสรรคมากมายขัดขวางไม่ให้เติบโตสูงใหญ่ขึ้นจนกลายไปเป็นเมฆฝนฟ้าคะนองได้โดยง่าย
แต่สำหรับเมฆคิวมูลัสบางก้อนที่เติบโตไปได้สุดทางก็จะเข้าสู่ขั้นตอนหลัก 3 ระยะ อย่างที่เกริ่นไว้ โดยมีรายละเอียดแบบนี้ครับ
ระยะแรก
ระยะคิวมูลัสแบบหอคอย (Towering Cumulus Stage)
แม้ว่าเมฆคิวมูลัสเริ่มแรกส่วนมากจะสลายไป แต่ก็สลายไปแบบมีประโยชน์ กล่าวคือ เพิ่มความชื้นให้แก่อากาศในบริเวณหนึ่งๆ ดังนั้น หากมีเมฆคิวมูลัสเกิดใหม่ก่อตัวขึ้นในบริเวณนี้ ก็จะเพิ่มโอกาสให้เมฆก้อนใหม่นี้เติบโตสูงใหญ่ขึ้น
หากเมฆก้อนคิวมูลัสนี้พัฒนาจนสูงขึ้นไปเรื่อยๆ นักวิชาการเรียกง่ายๆ ว่า เมฆคิวมูลัสที่ก่อตัวสูงคล้ายหอคอย (Towering Cumulus) ซึ่งมีชื่ออย่างเป็นทางการเป็นภาษาละตินคือ คิวมูลัส คอนเจสตัส (Cumulus congestus)
ภายในก้อนเมฆแบบหอคอยนี้ จะมีกระแสอากาศไหลพุ่งขึ้นหรืออัปดราฟต์ที่โดดเด่น อัพดราฟต์ไหลขึ้นเร็วราว 10 เมตรต่อวินาที จนเมื่อยอดเมฆขึ้นสูงและน้ำในยอดเมฆกลายเป็นผลึกน้ำแข็ง เรียกว่า การกลายเป็นน้ำแข็ง (glaciation) ทำให้มีลักษณะที่ดูคล้ายเส้นใย ก็จะถือว่าเมฆฝนฟ้าคะนอง (thundercloud) หรือ คิวมูโลนิมบัส (Cumulonimbus) ถือกำเนิดขึ้นแล้ว!
ระยะที่สอง
ระยะเติบโตเต็มที่ (Mature Stage)
ระยะเติบโตเต็มที่เริ่มต้นขึ้นเมื่อหยาดน้ำฟ้า (precipitation) ตกลงสู่พื้น จุดสำคัญที่สุดของระยะเติบโตเต็มที่นี้คือ มีกระแสอากาศอัพดราฟต์ (ไหลพุ่งขึ้น) และดาวน์ดราฟต์ (ไหลพุ่งลง) ภายในก้อนเมฆ หรือพูดภาษาอุตุนิยมวิทยาว่า ภายในแต่ละเซลล์
กระแสดาวน์ดราฟต์เกิดขึ้นจากสาเหตุ 2 อย่าง
สาเหตุแรกคือ การที่อนุภาคหยาดน้ำฟ้าตกลงมาจะลากเอาอากาศตามลงมาด้วย
ส่วนสาเหตุที่สองคือ เมื่ออนุภาคหยาดน้ำฟ้า เช่น เม็ดฝน เกิดการระเหย หรือหิมะเกิดการระเหิด ก็จะดูดความร้อนจากอากาศโดยรอบ ส่งผลให้อากาศเย็นลง อากาศที่เย็นจะหนักขึ้นและตกลงมาเร็วขึ้น
น่าสังเกตว่าโดยปกติแล้ว หยาดน้ำฟ้าไม่ได้ตกลงมาตรงๆ ตามแนวแกนกลางของกระแสอัพดราฟต์ แต่หยาดน้ำฟ้าจะเคลื่อนที่ในแนวราบเล็กน้อยตามกระแสลมในระดับบน ก่อนที่จะตกลงมา
เมื่อกระแสดาวน์ดราฟต์พุ่งกระทบพื้นและแผ่ออกไป ก็อาจทำให้เกิดลมกระโชก (gust) ได้ แนวขอบด้านหน้าของลมกระโชกที่แผ่กระจายในแนวราบ เรียกว่า แนวปะทะลมกระโชก (gust front) หรือถ้าเรียกแบบวิชาการก็คือ ขอบเขตกระแสลมพัดออก (outflow boundary)
น่าสนใจว่าแนวปะทะลมกระโชกที่เกิดจากพายุฝนฟ้าคะนองแบบเซลล์เดียวสามารถกระตุ้นให้เกิดพายุฝนฟ้าคะนองลูกอื่นๆ ได้ หากอากาศอุ่นและชื้นที่มาบรรจบกันที่แนวปะทะลมกระโชกถูกบังคับให้ยกตัวสูงขึ้น
นอกจากนี้ บริเวณใกล้ผิวพื้นจะมีอากาศเย็น ซึ่งนักอุตุนิยมวิทยาเรียกว่า แอ่งอากาศเย็น (cold pool) เนื่องจากหยดน้ำฝนที่ระเหย และอากาศเย็นที่มากับดาวน์ดราฟต์ทำให้อากาศบริเวณดังกล่าวเย็นลง แอ่งอากาศเย็นนี้อาจหนาประมาณหลายร้อยเมตรไปจนถึงราวสองกิโลเมตร
ประเด็นสำคัญคือ ระยะเติบโตเต็มที่นี้เป็นช่วงที่พายุรุนแรงที่สุด กระแสอัพดราฟต์มีความเร็วสูงสุด เกิดฟ้าผ่าบ่อยที่สุด ฝนตกหนักที่สุด ค่าการสะท้อนเรดาร์สูงที่สุด และยอดเมฆสูงที่สุด
ในกรณีที่พายุฝนฟ้าคะนองแบบเซลล์เดียวมีความรุนแรงเป็นพิเศษและเกิดในช่วงเวลาค่อนข้างสั้นจะเรียกว่า พายุพัลส์ (pulse storms)
หากพุ่งความสนใจไปที่ยอดเมฆ เมื่อก้อนอากาศลอยขึ้นไปถึงโทรโพพอส (tropopause) ซึ่งเป็นรอยต่อระหว่างบรรยากาศชั้นล่างคือ โทรโพสเฟียร์ กับบรรยากาศชั้นถัดไปคือ สแตรโตสเฟียร์ ก้อนอากาศก็จะเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว ผลก็คือลอยสูงขึ้นไปต่อไม่ได้ และจะแผ่ออกในแนวนอน อาจคิดง่ายๆ ว่าโทรโพพอสทำหน้าที่คล้ายฝาปิดภาชนะ
ยอดเมฆที่เกิดขึ้นในแนวนอนนี้ บางครั้งอาจดูฟูๆ ออกไป และบางครั้งอาจคล้ายรูปทั่ง (anvil) ซึ่งเป็นส่วนบนของเมฆคิวมูโลนิมบัส
ระยะเติบโตเต็มที่ของพายุฝนฟ้าคะนองแบบเซลล์เดียวจะคงอยู่ราว 10 นาที จากนั้นจะเข้าสู่ระยะถัดไปคือ ระยะสลายตัว
ระยะสลายตัว (Dissipating Stage)
เมื่อพายุฝนฟ้าคะนองแบบเซลล์เดียวเติบโตเต็มที่ก็จะถึงจุดจบอย่างรวดเร็ว เนื่องจากการกระทำของตัวมันเอง! ทำไมจึงเป็นอย่างนั้น?
กระแสดาวน์ดราฟต์ที่เกิดจากหยาดน้ำฟ้าเมื่อปะทะพื้นและแผ่ออกไปด้านข้าง จะตัดการไหลเข้าของอากาศอุ่นชื้นเข้าสู่อัพดราฟต์ของพายุ เมื่อกระแสอัพดราฟต์ถูกตัดขาด พายุก็จะอ่อนกำลังลงไป
ถึงตอนนี้ในเมฆฝนฟ้าคะนองจะเหลือแต่กระแสดาวน์ดราฟต์เป็นหลัก และนี่คือลักษณะหลักของระยะสลายตัว ส่วนหยาดน้ำฟ้าจะตกคลุมพื้นที่กว้างใหญ่ โดยมีกระแสลมเย็นของดาวน์ดราฟต์พัดออกไป
จุดจบของพายุฝนฟ้าคะนองจะค่อนข้างรวดเร็ว เพราะอากาศที่จมลงในดาวน์ดราฟต์จะทำให้หยดเมฆขนาดเล็กระเหยไป และเมื่อไม่มีอัพดราฟต์ อนุภาคหยาดน้ำฟ้า เช่น หยดน้ำฝน ที่เหลืออยู่จะเก็บกวาดหยดน้ำในเมฆขณะที่อนุภาคหยาดน้ำฟ้าตกลงมา
ผลก็คือ เมฆคิวมูโลนิมบัส ‘ถูกกัดกิน’ ให้เล็กลง และอาจเหลือเพียงแค่เมฆรูปทั่งทิ้งค้างบนฟ้า เรียกว่า เมฆรูปทั่งผู้กำพร้า (orphan anvil)
สรุปภาพรวม
การเกิด การดำรงอยู่ และการสลายตัวของพายุเซลล์เดียวโดยทั่วไปใช้เวลาราว 30-60 นาที
ทั้งนี้ มีประเด็นที่ควรทราบคือ พายุฝนฟ้าคะนองแบบเซลล์เดียวมักก่อตัวในสภาพแวดล้อมที่มี ‘แรงเฉือนของลมในแนวดิ่งอ่อน’ ซึ่งหมายความว่าความเร็วและทิศทางลมมีการเปลี่ยนแปลงน้อยมากเมื่อความสูงเพิ่มขึ้น
แรงเฉือนของลมในแนวดิ่งที่อ่อนนี้เองที่ทำให้กระแสดาวน์ดราฟต์ตกลงมาใกล้กับกระแสอัพดราฟต์มาก ทำให้แนวปะทะลมกระโชกอยู่ห่างออกไป ผลก็คือ เมฆเกิดใหม่ที่ก่อตัวตามแนวปะทะลมกระโชกจะดูดซับความชื้นไปจนเกือบหมด ทำให้พายุฝนฟ้าคะนองขาดพลังงานและสลายตัวไปในที่สุด
แล้วจะเกิดอะไรขึ้นหากพายุฝนฟ้าคะนองก่อตัวในสภาพแวดล้อมที่ลมเฉือนในแนวดิ่งค่อนข้างแรง?
คำตอบคือ อาจเกิดพายุฝนฟ้าคะนองแบบหลายเซลล์ (multi-cell thunderstorm) ซึ่งทำให้ฝนตกหนักและมีฟ้าร้องฟ้าผ่านานเกินกว่า 1 ชั่วโมง ซึ่งผมจะเล่าในบทความต่อไปครับ
