การหมุนเวียนของบรรยากาศ

การหมุนเวียนของบรรยากาศ

ธรรมดาอากาศย่อมเคลื่อนตัวอยู่เสมอ การเคลื่อนตัวของอากาศก็คือลมซึ่งพัดตามแนวนอนนั่นเอง แต่ตามความจริงแล้ว อากาศเคลื่อนตัวทั้งแนวนอนและแนวตั้ง ลมทางแนวนอนมักจะมีอัตราเร็วมากกว่าตามแนวตั้งมาก ลมตามแนวนอนอาจจะพัดตั้งแต่ ๕ กิโลเมตรต่อชั่วโมง ถึง ๓๐๐ กิโลเมตรต่อชั่วโมง เช่น ลมในพายุทอร์นาโด หรือพายุไต้ฝุ่น อาจจะมีความเร็ว ๒๐๐ ถึง ๖๐๐ กิโลเมตรต่อชั่วโมง ความเร็วของลมเฉลี่ยในบริเวณหนึ่ง อาจจะอยู่ในขนาด ๑๕ ถึง ๒๕ กิโลเมตรต่อชั่วโมง แต่ในบางบริเวณ เช่น แถวประเทศนิวซีแลนด์ในซีกโลกใต้ซึ่งอยู่ระหว่างละติจูด ๔๐ ถึง ๕๐ องศาใต้ ลมตะวันตกมักจะพัดแรงอยู่ในขนาด ๖๐ ถึง ๘๐ กิโลเมตรต่อชั่วโมงเสมอ นอกจากนี้แล้วในกระแสลมกรด (jetstream) ซึ่งอยู่ในระดับสูงประมาณ ๙ ถึง ๑๐ กิโลเมตรจากพื้นดิน ลมอาจจะแรงได้ ๒๐๐ ถึง ๔๐๐ กิโลเมตรต่อชั่วโมง

ส่วนลมในแนวตั้งนั้น มักจะมีความเร็วน้อย ในบรรยากาศส่วนใหญ่โดยทั่วไป ลมนี้อาจจะมีความเร็วประมาณ ๕ เซนติเมตรต่อวินาที หรือ ๑๘๐ เมตรต่อชั่วโมง แต่ในพายุฟ้าคะนองขนาดใหญ่ กระแสลมแนวตั้งอาจจะมีความเร็วถึง ๑๐๐ กิโลเมตรต่อชั่วโมง กระแสลมเกิดขึ้นได้ ก็เพราะอากาศมีความกดอากาศต่างกัน ซึ่งจะทำให้เกิดแรงดันขึ้น ความแตกต่างของความกดอากาศนี้ เกิดขึ้นได้ เนื่องจากความแน่นของอากาศต่างกัน การที่มีความแน่นต่างกันก็เพราะอุณหภูมิของอากาศไม่เท่ากัน ซึ่งเกิดจากความแตกต่างของความร้อนตามบริเวณต่างๆ ของโลก

ตามธรรมดาแล้ว อากาศในบริเวณที่มีความกดสูง ย่อมเคลื่อนตัวไปยังบริเวณที่มี ความกดอากาศต่ำ รูปร่างของความกดอากาศ มีลักษณะคล้ายๆ กับรูปร่างาของภูเขาและเหว มีทั้งบริเวณความกดอากาศสูง และบริเวณความกดอากาศต่ำ เส้นที่ลากตามจุด ต่างๆ ซึ่งมีความกดอากาศเท่ากัน เรียกว่าเส้นไอโซบาร์ (isobar) และเส้นที่ลากตามจุดต่างๆ ซึ่งมีอุณหภูมิเท่ากัน เรียกว่า เส้นไอโซเทอร์ม (isotherm) และความแตกต่างของ ความกดอากาศหารด้วยระยะทางที่ใกล้ที่สุดระหว่างเส้นไอโซบาร์ เรียกว่า เกรเดียนต์ของ ความกดหรือความชันของความกด (pressure gradient)

ถ้าหากว่าโลกของเราไม่หมุนรอบตัวเอง ตามหลักแล้วอากาศซึ่งอยู่ในที่ซึ่งมีความกดสูงย่อมจะเคลื่อนตัวไปสู่ที่ซึ่งมีความกดต่ำ แต่เราทราบกันดีอยู่แล้วว่า โลกหมุนรอบตัวเองจากทิศตะวันตกไปทิศตะวันออกทุกๆ ๒๔ ชั่วโมงต่อรอบ การหมุนของโลกนี้ มีอิทธิพลสำคัญต่อทิศทางของการเคลื่อนตัว หรือหมุนเวียนของอากาศทั่วโลก ซึ่งเราจะได้กล่าวต่อไปอีก

การเคลื่อนตัวของอากาศจะอยู่ใต้อิทธิพลของแรงเฉ (deflecting force) ซึ่งเกิดจาก การหมุนรอบตัวเองของโลก แรงเฉนี้มีชื่อว่า แรงคอริ โอลิส (Coriolis force) ซึ่งตั้งชื่อไว้เพื่อเป็นเกียรติแก่ จี จี คอริ โอลิส (Gaspard Gustave de Coriolis, ค.ศ. ๑๗๙๒-๑๘๔๓ ชาวฝรั่งเศส นักคณิตศาสตร์) ซึ่งเป็นผู้ดำเนินงานเกี่ยวกับแรงเฉนี้ตั้งแต่แรก 

ในซีกโลกเหนือ แรงเฉจะทำให้ลมพัดเฉไปทางขวาของทิศเดิม ในซีกโลกใต้ แรงเฉจะทำให้ลมพัดเฉไปทางซ้ายของทิศเดิม 

เนื่องจากการพิจารณาแรงเฉนี้ จึงทำให้เรามีหลักเกี่ยวกับการสังเกตบริเวณความกดอากาศต่ำและสูงได้ เรียกว่า กฎของบายส์-บัลลอต (Christoph H.D. Buys-Ballot, ค.ศ. ๑๘๑๗-๑๘๙๐ ชาวฮอลันดา นักอุตุนิยมวิทยา) ซึ่งเขาเป็นผู้ค้นคิดกฎอันนี้ขึ้น คือ

• เมื่อเราหันหน้าไปตามทิศที่ลมพัดในซีกโลกเหนือ บริเวณความกดอากาศต่ำจะอยู่ทางซ้ายมือ และบริเวณความกดอากาศสูง จะอยู่ทางขวามือของเรา หรือ
• เมื่อเราหันหน้าไปตามทิศที่ลมพัดในซีกโลกใต้ บริเวณความกดอากาศต่ำจะอยู่ทางขวามือ และบริเวณความกดอากาศสูง จะอยู่ทางซ้ายมือของเรา

กระแสลมแนวตั้ง
   
ได้กล่าวมาแล้วว่า กระแสลมแนวตั้งมีความเร็วน้อยกว่ากระแสลมแนวนอนมาก โดยปกติแล้วจะน้อยกว่ากัน ๑๐ เท่า แต่กระแสลมแนวตั้ง ก็มีความสำคัญมาก เพราะเป็น ปัจจัยสำคัญยิ่งอย่างหนึ่งที่ทำให้เกิดเมฆและฝน

กระแสลมแนวตั้ง อาจเกิดขึ้นได้จากกรรมวิธีธรรมชาติหลายอย่าง เช่น ลมแนว นอนพัดผ่านภูเขา อากาศจำต้องพัดขึ้นภูเขา และเมื่อผ่านยอดแล้ว ก็จะพัดลงต่ำเป็นต้น หรือเมื่อกระแสลมอุ่นพัดมาปะทะกับกระแสลมเย็น อากาศทั้งสองนี้จะไม่ผสมกันทันที แต่กระแสลมอุ่นจะพัดลอยขึ้นเหนือกระแสลมเย็นของมวลอากาศเย็น ซึ่งหนักกว่าและ ย่อมจะอยู่เบื้องล่าง

หรือบางครั้งมีกระแสลมที่บริเวณพื้นดินพัดสอบเข้าหากัน (converge) คล้ายกับถนน สองสายหรือมากกว่า ซึ่งมีแนวเข้าหากัน เมื่อเป็นเช่นนี้ จะทำให้ลมที่ปะทะกันนั้นลอยตัว ขึ้นไปยังระดับสูงเป็นกระแสลมแนวตั้ง จึงทำให้เกิดเมฆหรือฝนได้ 

ในตอนบ่าย พื้นดินถูกรังสีจากดวงอาทิตย์เผาให้ร้อนขึ้น ทำให้ความแน่นของอากาศ มีน้อย และอากาศจะลอยตัวขึ้น อากาศซึ่งลอยตัวขึ้นนี้จะขยายตัวและเย็นลง ไอน้ำใน อากาศก็จะกลั่นตัวกลายเป็นเมฆ ซึ่งในลักษณะนี้ เรามักจะเห็นเมฆพายุฟ้าคะนองในตอนบ่ายบ่อยๆ ฉะนั้นเราจึงพอจะกล่าวโดยทั่วไปได้ว่า อากาศร้อนจะลอยตัวขึ้น (convection) อากาศเย็นมักจะเคลื่อนลงต่ำ (จมลง subsidence) การลอยตัวขึ้นของมวลอากาศ ซึ่ง เกิดจากความร้อนแตกต่างกัน ภาษาอังกฤษเรียกว่า thermal convection และเมฆซึ่งเกิดจากความร้อนนี้มักจะเป็นเมฆที่ก่อตัวทางแนวตั้ง ซึ่งเราเรียกว่า เมฆคิวมูลัส (cumulus) หรือคิวมูโลนิมบัส (cumulonimbus)