การเกิดฝน

การเกิดฝน

ปัจจุบันนี้นักอุตุนิยมวิทยาสามารถศึกษา และทราบถึงเรื่องการเกิดฝนได้ดีขึ้นกว่าก่อนๆ มาก เราทราบว่า อุนภาคของไอน้ำขนาดต่างๆ กันในก้อนเมฆ เมื่อมีขนาดใหญ่ จนไม่สามารถลอยตัวอยู่ในก้อนเมฆได้ ก็จะตกมาเป็นฝน และบางครั้งฝนตกแผ่เป็นบริเวณกว้างถึงร้อยๆ กิโลเมตรก็มี อย่างไรก็ตามในขณะนี้ ยังไม่มีนักอุตุนิยมวิทยาคนใด เข้าใจการเกิดของฝนได้อย่างสมบูรณ์ 

ฝนที่ตกลงมายังพื้นดินได้นั้น จะต้องมีเมฆเกิดในท้องฟ้าก่อน เมฆมีอยู่หลายชนิด (ดูเรื่องเมฆ) และมีบางชนิดเท่านั้นที่มีฝนตก เราได้กล่าวไว้ในเรื่องการเกิดของเมฆว่า ไอน้ำจะกลั่นตัวเป็นเมฆ ก็ต่อเมื่อมีอนุภาคกลั่นตัวเล็กๆ (condensation nuclei) อยู่เป็น จำนวนมากเพียงพอ และไอน้ำจะเกาะตัวบนอนุภาคเหล่านั้นรวมกันทำให้เห็นเป็นเมฆ เมฆจะกลั่นตัวเป็นน้ำฝนได้ ก็ต้องมีอนุภาคแข็งตัว (freezing nuclei) หรือเม็ดน้ำขนาด ใหญ่ ซึ่งจะดึงเม็ดน้ำขนาดเล็กมารวมตัวกันจนเกิดเป็นเม็ดฝน

สภาวะของน้ำที่ตกลงมาจากท้องฟ้านั้น อาจจะเป็นลักษณะของฝน หิมะ ฝน ละอองห รือลูกเห็บ ซึ่งเราเรียกสิ่งเหล่านี้รวมว่า เป็นน้ำฟ้า (precipitation) การที่น้ำฟ้าจะตกลงมาเป็นฝน หรือหิมะนั้น ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของอากาศว่า ร้อนเย็นแค่ไหน ลักษณะของหิมะหรือผลึกน้ำแข็งเล็กๆ แต่ละอันจะมีรูปร่างต่างๆ กัน แต่มีลักษณะที่คล้ายกันอยู่อย่างหนึ่ง คือ หิมะ หรือผลึกน้ำแข็ง ส่วนมากจะเป็นรูป ๖ เหลี่ยมทั้งสิ้น 

น้ำฟ้าต้องเกิดจากเมฆ ถ้าไม่มีเมฆจะไม่มีน้ำฟ้า แต่เมื่อมีเมฆก็ไม่จำเป็น จะต้องมีน้ำฟ้าเสมอไป เพราะมีเมฆหลายชนิด ที่ลอยอยู่ในท้องฟ้าเฉยๆ ไม่ตกลงมา และ มีบางชนิดเท่านั้นที่ทำให้เกิดน้ำฟ้าได้ 

เราได้เคยกล่าวไว้ก่อนแล้วว่าเมื่ออากาศเย็นลง ไอน้ำในบรรยากาศจะเกิดการกลั่นตัว (condensation) เป็นเมฆหรือหมอก เมฆหรือหมอก คือ เม็ดน้ำเล็กๆ ซึ่งมีไอน้ำรวมตัวกันเกาะอยู่บนอนุภาคดูดน้ำ (hygroscopic particles) เช่น อนุภาคเกลือ เป็นต้น เราเรียกอนุภาคชนิดนี้ว่า อนุภาคกลั่นตัว อนุภาคกลั่นตัวนี้ มีในธรรมชาติ และมีความสำคัญ ในการช่วยให้ไอน้ำกลั่นตัวเป็นเมฆหรือหมอกง่ายขึ้น ถ้าไม่มีอนุภาคกลั่นตัว ไอน้ำจะเปลี่ยนเป็นหมอกหรือเมฆได้ยากมาก

เราได้กล่าวแล้วว่า เมฆประกอบด้วยเม็ดน้ำและเม็ดน้ำแข็งขนาดเล็กมาก เมื่อ ขนาดยังไม่โตพอ เม็ดน้ำและเม็ดน้ำแข็ง จะลอยอยู่ในบรรยากาศ เนื่องจากมีกระแสลมพัดขึ้นตามแนวตั้ง คอยต้านปะทะไม่ให้ตกลงมา ตามธรรมดาเส้นผ่าศูนย์กลางของเม็ดเมฆ จะมีค่าประมาณ ๐.๐๑ ถึง ๐.๐๒ มิลลิเมตร หรือเท่ากับ ๑๐ ถึง ๒๐ ไมครอน (๑,๐๐๐ ไมครอน = ๑ มิลลิเมตร) เม็ดเมฆขนาด ๑๐ ไมครอนนี้จะไม่ตกลงมายังพื้นดิน ต่อเมื่อ เม็ดเมฆรวมกันโตจนมีเส้นผ่าศูนย์กลางถึง ๑ มิลลิเมตร หรือ ๑,๐๐๐ ไมครอน หรือใหญ่ กว่านี้ มันจะตกลงมาจากเมฆ ตามธรรมดาแล้วเม็ดฝน ๑ เม็ด เกิดมาจากเม็ดเมฆรวมกันมากกว่า ๑ ล้านเม็ด ฉะนั้นจึงมีปัญหาว่า เม็ดเมฆมากกว่า ๑ ล้านเม็ดนั้นรวมกันเป็น ฝน ๑ เม็ด ได้อย่างไร ความรู้ในการรวมตัวนี้ยังไม่มีใครทราบอย่างสมบูรณ์ แต่ในขณะ นี้นักวิทยาศาสตร์ได้แบ่งทฤษฎีใหญ่ๆ ของการรวมตัว (coalescence) ของเม็ดเมฆจนเกิด เป็นฝนไว้ ๒ กรรมวิธีคือ 

๑. กรรมวิธีของการชนกันแล้วรวมตัวกัน (collision-coalescence-process) การจับตัวรวมกัน (capture process) หรือกรรมวิธีของฝนในเขตร้อน (warm rain process)

กรรมวิธีที่มีชื่อต่างๆ กันทั้ง ๓ อย่างนี้เป็นวิธีเดียวกัน ซึ่งมีสมมุติฐานว่า ในก้อน เมฆก้อนหนึ่งจะมีเม็ดเมฆ (cloud droplets) ขนาดต่างๆ หลายขนาด เม็ดเมฆขนาด ใหญ่มีการเคลื่อนที่เร็วกว่าเม็ดเมฆขนาดเล็ก จึงเคลื่อนเข้าชนเม็ดขนาดเล็กในทางเดินของมัน จะมีอัตราและทิศของการเคลื่อนตัวต่างกับเม็ดเมฆขนาดเล็ก โดยเหตุนี้ เม็ดขนาดใหญ่และเล็กจึงชนกัน เกิดการรวมตัวให้มีขนาดใหญ่ยิ่งขึ้น (collision and coalescence) พฤติการณ์นี้จะเกิดซ้ำๆ ต่อเนื่องกันอย่างรวดเร็ว จนเกิดเม็ดน้ำใหญ่มาก และเม็ดใหญ่ๆ จะ แตกแยกออกแล้วเกิดกรรมวิธีซ้ำๆ กันอีก จนเกิดเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ ทำให้เกิดฝนมากได้ กรรมวิธีนี้เป็นกรรมวิธีของการเกิดฝนในโซนร้อน ซึ่งเมฆมีอุณหภูมิสูงกว่า ๐°ซ. 

๒. กรรมวิธีผลึกน้ำแข็ง

ฝนซึ่งเกิดจากกรรมวิธีนี้ จนเกิดขึ้นในเมฆซึ่งมี ไอน้ำ ผลึกน้ำแข็งและน้ำปนกันอยู่ ซึ่งทั้งสามสภาวะจะอยู่ด้วยกันในเมฆ ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ๐°ซ. เราเรียกน้ำซึ่งมี อุณหภูมิต่ำกว่า ๐°ซ. ว่า "น้ำซูเปอร์คูล" (supercooled water) ซึ่งมีอยู่ในธรรมชาติเสมอ และเป็นปรากฏการณ์ธรรมดาๆ 

เมื่อไอน้ำ ผลึกน้ำแข็ง และน้ำซึ่งเย็นกว่า ๐°ซ. อยู่ด้วยกันแล้วจะเกิดสภาวะ ไร้เสถียรภาพขึ้น เพราะความดันไอน้ำ (vapor pressure) ของเม็ดน้ำสูงกว่าความดัน ไอน้ำของผลึกน้ำแข็ง (ดูตัวอย่างในรูป) ฉะนั้นไอน้ำจะกลั่นตัวลงบนผลึกน้ำแข็ง และทำให้ผลึกน้ำแข็งมีเม็ดโตขึ้นอย่างรวดเร็ว น้ำซึ่งเย็นกว่า ๐°ซ. ก็จะระเหยไปเป็นไอน้ำ กรรมวิธีนี้จะเกิดซ้ำๆ กันเรื่อยไป และเมื่อผลึกน้ำแข็งโตใหญ่ขึ้นก็จะตกลงมาเป็นหิมะ ถ้าตกลงมาในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่า ๐°ซ. หิมะจะละลายเป็นน้ำฝนตกลงมา กรรมวิธีนี้มีชื่อว่า กรรมวิธีเบอร์เจอรอน-ฟินดีเซน (Bergeron-Findeisen process) ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองเป็นผู้ค้นพบ

เราพอจะสรุปหัวข้อสำคัญของฝนในธรรมชาติได้ว่า การกลั่นตัว และการเกิดน้ำฟ้า เป็นกรรมวิธีที่ต่างกันมาก การกลั่นตัวของไอน้ำเป็นเมฆหรือหมอกนั้น ต้องอาศัยอนุภาคกลั่นตัว และการเกิดน้ำฟ้า (หรือฝน) ต้องอาศัยเม็ดเมฆขนาดใหญ่ (giant nuclei) หรือ ผลึกน้ำแข็ง (ice crystals or ice nuclei)