ฟ้าผ่า

ประวัติศาสตร์การศึกษาเรื่องฟ้าผ่า


ตั้งแต่โบราณกาลมาแล้ว มนุษย์ก็ได้รับรู้ปรากฏการณ์ธรรมชาติต่างๆ และพยายามทำความเข้าใจ หาคำอธิบายถึงที่มาของปรากฏการณ์เหล่านี้

ปรากฏการณ์ที่น่ากลัวที่สุดอย่างหนึ่งในธรรมชาติ ก็คงจะเป็น ฟ้าผ่า ด้วยพลังอันมหาศาล แม้จะทำลายมนุษย์ได้เพียงทีละคน แต่ความตรึงตาตรึงใจในความน่าสพรึงกลัว ก็ไม่แพ้ปรากฏการณ์ธรรมชาติอย่างอื่น มนุษย์เราจึงมีตำนานเทพที่เป็นเจ้าแห่งฟ้าผ่า หรือมีสายฟ้าเป็นอาวุธ ปรากฏมาแต่เมื่อเริ่มมีการบันทึกทางประวัติศาสตร์ หลักฐานเก่าแก่ที่สุด เป็นของชาว Akkadian (ประมาณ ๒๒๐๐ ปีก่อนคริสตศักราช) เป็นแผ่นตราเทพธิดา Zarpenik ในมือถือสายฟ้าเป็นอาวุธ ประทับทรงอสูรกริฟฟอน และสมัยต่อมา ชาวเอเชียกลางก็มีเทพที่ใช้สายฟ้าเป็นอาวุธต่อเนื่องมาไม่ขาด เทพแห่งดินฟ้าอากาศ Teshub ของชาวฮิตไตต์ ในสมัย ๙๐๐ ปีก่อน ค.ศ. ก็ถือสามง่ามสายฟ้าเป็นอาวุธ และต่อมา ชาวกรีกก็รับช่วงให้เทพผู้ยิ่งใหญ่ที่สุด คือ ซีอุส (ดังภาพบน) ถือสายฟ้าเป็นอาวุธเช่นกัน
และในทางตะวันออก ชาวจีนก็มี เทพธิดาเถียนหมู่ เป็นเทพแห่งสายฟ้า พระนางถือกระจกสองบานใช้เป็นที่ส่งสายฟ้าลงมายังพื้นโลก โดยมี หลี่ซู เป็นเทพแห่งฟ้าร้องและมี หลี่กุง แบกกลองเป็นผู้ช่วย

(ภาพ ค้อนของธอร์ ที่ทำเป็นจี้สายสร้อย ใช้ห้อยคอเป็นเครื่องรางของชาวไวกิ้ง)

ในยุโรปภาคเหนือ พวก นอร์สแมน หรือชาวนอร์เวย์โบราณที่เรารู้จักกันว่า พวกไวกิ้ง ก็มีเทพสูงสุดคือ ธอร์ ซึ่งเป็นเทพแห่งสายฟ้า โดยมีความเชื่อว่า ธอร์ มีขวานวิเศษที่เมื่อตีกระทบทั่ง ก็จะเกิดสายฟ้าขึ้นมา เครื่องรางที่ขลังที่สุดของชาวนอร์คือ ค้อนของธอร์ ที่มักจะทำเป็นเครื่องรางห้อยคอกัน
อริสโตเติล (๓๘๔-๓๒๒ ก่อน ค.ศ.)ปราชญ์คนสำคัญชาวกรีก เป็นผู้พยายามให้คำอธิบายทางวิทยาศาสตร์กับปรากฏการณ์ธรรมชาติเป็นครั้งแรก ในศตวรรษที่ ๔ ก่อนคริสตวรรษ โดยเขียนหนังสือ Meteorologica ซึ่งเป็นหนังสือ ๔ ชุด ชุดแรกอธิบายเรื่องของดาวหาง ลม ฝน เมฆ แม่น้ำ ลำธาร น้ำค้าง ลูกเห็บ และอุตุนิยมวิทยา รวมทั้งทฤษฎีเรื่อง ดิน น้ำ ลม ไฟ ชุดที่สอง อธิบายเรื่องทะเล แผ่นดินไหว ฟ้าผ่า และฟ้าร้อง ชุดที่สาม เป็นเรื่องพายุเฮอริเคน วังวน และเรื่องแสง ส่วนเล่มสุดท้าย อธิบายถึงคุณสมบัติของสิ่งที่ร้อน หนาว แห้ง และเปียก

คำว่าบรรยากาศ atmosphere ก็เป็นคำที่มาจากภาษากรีก โดยคำว่า atmos แปลว่า ไอน้ำ atmosphere จึงแปลว่า ดินแดนของไอน้ำ แต่วิธีการให้คำอธิบายของอริสโตเติล ก็ได้มาจากการคาดเดา การประเมินเอาเองทั้งสิ้น ไม่ได้อาศัยการทดลอง สำรวจ บันทึก ดังที่นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันกระทำกัน ความเข้าใจของอริสโตเติลส่วนใหญ่ จึงเป็นอัตตวิสัย ที่ได้ถูกนักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาหักล้างไปมากแล้ว

แต่ความเชื่อแบบอริสโตเติล ก็เป็นรากฐานสำคัญทางความคิดในยุโรปก่อนที่จะเกิดวิทยาศาสตร์ปัจจุบันขึ้นมา ในยุคกลางของยุโรป เชื่อกันว่า ฟ้าผ่า ฟ้าร้อง เกิดจากภูติผีชั่วร้าย ที่จะกำจัดได้ก็ด้วยเสียงระฆังโบสถ์ คราใดที่มีพายุฟ้าคะนอง พนักงานโบสถ์ก็จะไปดึงเชือกสั่นลั่นระฆังดังก้อง เพื่อไล่วิญญาณร้ายไม่ให้มากล้ำกรายชาวบ้านเมือง ระฆังโบสถ์มักจะสลักคำละตินว่า Fulgura Frango ซึ่งแปลว่า "ข้าจะทำให้สายฟ้าสลายตัว"

(ภาพวาดรูประฆังโบสถ์ บรรทัดสุดท้าย เป็นคำว่า Fulgura Frango)

แต่ความที่โบสถ์คริสต์ มักจะมีหลังคาทรงสูงกว่าบ้านเรือนทั่วไป และยังมีไม้กางเขนตั้งเด่นเป็นสง่าบนยอดสูงสุดเสียด้วย จึงกลับเป็นที่ดึงดูดให้โดนฟ้าผ่ายิ่งกว่าสถานก่อสร้างอื่นใด จึงมักจะเป็นแห่งแรกในเมืองที่โดนฟ้าผ่าเสียหาย อาชีพสั่นระฆังโบสถ์จึงมีความเสี่ยงตายสูงมาก เมื่อมีการจดบันทึกทำสถิติ ปรากฏว่า ระหว่างปี ค.ศ. ๑๗๕๓ ถึง ปี ๑๗๘๖ เป็นเวลา ๓๓ ปี ในประเทศฝรั่งเศส โบสต์คริสต์ถูกฟ้าผ่า ๓๘๖ โบสถ์ พนักงานลั่นระฆัง ถูกฟ้าผ่าเสียชีวิตไป ๑๐๓ คน ในปี ค.ศ. ๑๗๘๖ รัฐบาลฝรั่งเศสจึงสั่งให้เลิกธรรมเนียมปฏิบัติที่มีการลั่นระฆังในเวลาฟ้าคะนอง

และในคริสตศตวรรษที่ ๑๘ ชาวยุโรปก็มักจะนำดินปืนไปไว้ในห้องเก็บของของวัด คงเพราะเป็นที่เดียวในเมืองที่มีห้องเก็บของนิรภัย แต่ก็ปรากฏว่า เมื่อโบสถ์ถูกฟ้าผ่า ดินปืนก็ยิ่งก่อความเสียหายร้ายแรงยิ่งขึ้นไปอีก ในปี ค.ศ. ๑๗๖๙ เกิดฟ้าผ่าที่โบสถ์วิหาร St. Nazaire ใน Brescia ประเทศอิตาลี ซึ่งชาวเมืองได้เก็บดินปืนไว้ในห้องนิรภัยของโบสถ์เป็นจำนวนหลายตัน เกิดระเบิดเพลิงไหม้ทั้งเมืองเสียหายไปถึงหนึ่งในหกของอาคารบ้านเรือน มีผู้เสียชีวิตถึงสามพันกว่าคน จนแม้มาถึงปี ค.ศ. ๑๘๕๖ ก็ยังมีเหตุการณ์ทำนองนี้เกิดขึ้นอีก เมื่อฟ้าผ่าโบสถ์ St. Jean ที่ Island of Rhodes มีผู้เสียชีวิตถึงสี่พันคน
เบนจามิน แฟรงคลิน ได้ทำการทดลองไฟฟ้าอันเลื่องชื่อเมื่อปี ค.ศ. ๑๗๕๒ โดยชักว่าวที่ผูกกุญแจโลหะ เพื่อพิสูจน์ว่า ฟ้าผ่าเป็นปรากฏการณ์ทางไฟฟ้า ซึ่งท่านได้ให้ข้อสรุปเกี่ยวกับปรากฏการณ์ฟ้าผ่าว่าเกิดจากกระแสไฟฟ้า แฟรงคลินได้ให้ความสนใจศึกษาเรื่องไฟฟ้า และฟ้าผ่า ที่สำคัญคือวิธีป้องกันความเสียหายของทรัพย์สินจากฟ้าผ่า ด้วยการตั้งสายล่อฟ้าบนหลังคา ที่คนเรียกกันติดปากว่า Franklin's Rod ก็เริ่มมีคนนำมาใช้กัน

(การทดลองของ เบนจามิน แฟรงคลิน โดย Dave Joly แห่ง National Geographic Society)



แฟรงคลินมีข้อจำกัดทางเทคโนโลยีหลายอย่าง เมื่อวัดไม่ได้ก็ต้องใช้สมมติฐาน บางสมมติฐานก็ผิด เช่น แฟรงคลิน ไม่ได้เข้าใจถึงอันตรายที่แท้จริงของการทดลองของท่าน โดยเฉพาะเรื่องการศึกษาสายล่อฟ้า โชคดีที่ตัวท่านเองไม่ได้รับอันตรายแต่อย่างใด จากการทดลองเสี่ยงตายหลายครั้ง ในขณะที่ นักวิทยาศาสตร์คนอื่นในยุโรปที่เอาวิธีไปใช้ในภายหลัง มิได้โชคดีเช่นนั้น ชาวรัสเซียชื่อ G.W. Richmann ได้เลียนแบบการทดลองห้องล่อฟ้าที่เรียกว่า sentry box ที่มีเสาโลหะสูงๆ ขึ้นไปล่อฟ้าผ่า เมื่อวันที่ ๖ สิงหาคม ของปี ค.ศ. ๑๗๕๒ สายฟ้าฟาดอุปกรณ์ที่ไม่ได้ต่อสายลงดิน ในอพาร์ตเม้นต์ของเขาที่กรุงเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก ยังผลให้ ริชมานสิ้นใจในทันที

ทั้งๆ ที่มีตัวอย่างพิสูจน์ให้เห็นว่า อาคารที่ติดตั้งเสาล่อฟ้าของแฟรงคลิน รอดพ้นจากฟ้าผ่า ในขณะที่อาคารใกล้เคียง ที่แม้จะต่ำกว่า ก็ยังโดนฟ้าผ่า แต่คนก็ยังไม่ยอมรับกันมาก เพราะการติดตั้งสายล่อฟ้าดูเหมือนเป็นการลบหลู่พระเจ้า คนส่วนใหญ่ยังเชื่อว่าการติดตั้งสายล่อฟ้า เท่ากับเป็นการแสดงว่า ไม่เชื่อในความปรานีของพระผู้เป็นเจ้า ว่าจะทรงปกป้องผู้กระทำความดี และมีแต่จะลงโทษผู้ทำความชั่ว แต่โบสถ์แล้วโบสถ์เล่าต้องกลายเป็นเถ้าถ่านไป ระหว่างปี ค.ศ. ๑๓๘๘ ถึงปี ๑๗๖๒ โบสถ์ Campanile แห่ง San Marcos ในเมืองเวนิซ ถูกฟ้าผ่าและไฟไหม้ชนิดไม่เหลือซากถึงเก้าครั้ง ในปี ค.ศ. ๑๗๖๖ ก็ได้มีการติดตั้งสายล่อฟ้าของแฟรงคลิน และก็ไม่เกิดฟ้าผ่าโบสถ์ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา

สาเหตุของฟ้าผ่า


(ภาพจาก the French National Aerospace Research Establishment - ONERA)

แม้เมื่อ เบนจามิน แฟรงคลิน ได้พิสูจน์ว่า ฟ้าผ่าเกิดจากกระแสไฟฟ้า และสามารถวัดกำลังไฟฟ้าได้ร่วม ๑๕๐ ปีแล้ว การทำความเข้าใจก็ไม่ได้คืบหน้ามากนัก เพราะการสังเกตการณ์ด้วยตาเปล่า มิได้ช่วยให้ได้ข้อมูลอะไรมาก จนกระทั่งในปลายคริสตศตวรรษที่ ๑๙ เมื่อเรามีเทคโนโลยีการถ่ายภาพ และความเข้าใจในเรื่องสเปคตรัม จนสามารถสร้างกล้องบันทึกสเปคตรัมของแสง เพื่อนำมาคำนวณพลังงานของกระแสไฟฟ้าจากสเปคตรัมได้ จึงได้เริ่มมีความคืบหน้าในการศึกษาวิจัยทางฟิสิกส์ของฟ้าผ่าได้อีก

บรรดานักวิทยาศาสตร์รุ่นแรกๆ ที่ใช้การถ่ายภาพความเร็วสูงมาจับภาพฟ้าผ่าเพื่อการศึกษาเรื่องฟ้าผ่าก็มี ชาวอังกฤษ Hoffert ในปี ค.ศ. ๑๘๘๙ ชาวเยอรมัน Weber (๑๘๘๙), Walter (๑๙๐๒) และชาวอเมริกัน Larsen (๑๙๐๕) ส่วนผู้ที่ทำการวัดกระแสไฟฟ้าเป็นครั้งแรกคือชาวเยอรมัน Pockett ในปี ค.ศ. ๑๘๙๗, ๑๘๙๘ และปี ๑๙๐๐ ซึ่งใช้วิธีวิเคราะห์สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้น ที่ยังมีหลงเหลืออยู่ในหินบะซ้อลท์ แล้วประมาณกระแสไฟฟ้าจากฟ้าผ่านั้นได้

การศึกษาเรื่องฟ้าผ่าที่นับว่าเป็นการเริ่มต้นของยุคปัจจุบัน นับได้ว่าเกิดขึ้นในช่วงคริสตทศวรรษที่ ๑๙๒๐ และ ๑๙๓๐ เมื่อ C.T.R. Wilson นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้เริ่มศึกษาฟ้าผ่าอย่างจริงจัง และนำความเข้าใจมาเสริมความรู้ทางด้านอนุภาคกำลังสูง จนได้รับรางวัลโนเบล ด้วยผลงานการทำห้องทำเมฆจำลอง

วิลสันเป็นท่านแรก ที่ใช้การวัดกำลังของสนามไฟฟ้า มาประเมินโครงสร้างของประจุไฟฟ้าในก้อนเมฆยามฟ้าคะนอง และประจุไฟฟ้าที่ถูกถ่ายทอดลงดินในยามฟ้าผ่า เป็นการเริ่มต้นการวิจัยฟ้าผ่ามาให้ความรู้เราจนถึงปัจจุบัน และมีการศึกษาวิจัยมากที่สุด มาตั้งแต่ ค.ศ. ๑๙๗๐ เป็นต้นมา สาเหตุที่เราทุ่มเทให้ความสนใจเรื่องฟ้าผ่ากันมาก ก็เนื่องจากภยันตรายจากฟ้าผ่า ต่อเครื่องบิน และยานอวกาศ รวมทั้งการสื่อสารคมนาคม ตลอดจนโรงไฟฟ้าใหญ่ๆ ทั่วโลก เนื่องด้วยอุปกรณ์อีเลคโทรนิคส์ต่างๆ จะได้รับผลกระทบมาก โลกของเราที่ต้องพึ่งอุปกรณ์เหล่านี้มากขึ้นทุกวัน ก็จำต้องหาทางเข้าใจภยันตรายต่างๆ อันจะนำผลเสียทางเศรษฐกิจมากมายมาให้

ฟ้าผ่าเกิดขึ้นเมื่อเมฆที่มีประจุไฟฟ้าสูงๆ สะสมกันมาก จนสามารถส่งกระแสกระโดดข้ามตัวกลางที่ไม่ใช่ตัวนำที่ดีคืออากาศ ได้นับเป็นกิโลเมตร ตัวก่อให้เกิดฟ้าผ่าที่มีมากที่สุดคือ เมฆที่ทำให้เกิดพายุฝนฟ้าคะนอง หรือ thunderstorm clouds ที่นักอุตุนิยมวิทยาเรียกว่า cumulonimbus (คิวมิวโลนิมบัส) ฟ้าผ่าอาจเกิดขึ้นได้ในเมฆชนิดอื่นอยู่บ้าง แต่งานวิจัยแทบจะทั้งหมด เน้นศึกษาแต่เมฆเฉพาะกลุ่มนี้ เพราะมันอยู่ใกล้พื้น จึงสังเกตการณ์ได้ง่ายที่สุด และจะเป็นฟ้าผ่าพวกที่กระทบเรามากที่สุดด้วย

นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน K. Berger เป็นผู้แรกที่จัดระบบฟ้าผ่า ตามแหล่งที่มาว่ามาจากก้อนเมฆหรือพื้นดิน ตามทิศทางการเดินทางว่าลงพื้นหรือขึ้นฟ้า ตามศักยะไฟฟ้าของส่วนนำหน้าของสายฟ้าว่าเป็นประจุบวกหรือลบ ฯลฯ ในปี ค.ศ. ๑๙๗๘


(ภาพแสดงฟ้าผ่า ๔ ชนิดโดย Berger ๑.ประจุลบจากเมฆลงพื้น ๒. ประจุบวกจากพื้นไปยังก้อนเมฆ ๓. ประจุบวกจากเมฆลงพื้น และ ๔. ประจุลบจากพื้นขึ้นก้อนเมฆ จากหนังสือ The Lightning Diacharge โดย Martin Uman)

กว่า ๙๐ % ของฟ้าผ่าจะเป็นชนิดที่ ๑ ดังภาพข้างบน คือประจุลบจากเมฆลงพื้น ที่เป็นประจุบวกจากก้อนเมฆลงพื้นนั้นมีน้อยกว่า ๑๐% เสียอีก ฟ้าผ่าโดยที่กระแสไฟฟ้าโดดจากพื้นขึ้นไปยังก้อนเมฆนั้น หายากมาก โดยมากมักจะเกิดในตึกที่สูงมากๆ หรือบนยอดเขาสูงๆ

แม้ฟ้าผ่าจากก้อนเมฆสู่ก้อนเมฆ จะมีมากกว่าครึ่งของจำนวนฟ้าผ่าทั้งหมด แต่มันไม่มีผลต่อมนุษย์แต่อย่างใด ในขณะที่ ฟ้าที่ผ่าจากก้อนเมฆลงดิน ทำความเสียหายสร้าง ภัยพิบัติ ให้แก่มนุษย์และทรัพย์สินเป็นจำนวนมาก เราจึงต้องศึกษาทำความเข้าใจฟ้าผ่าชนิดนี้ เพื่อความปลอดภัยของเราเอง ความเข้าใจของเรา เกี่ยวกับฟ้าฝ่าชนิดลงดิน จึงมีมากกว่าชนิดที่โดดจากเมฆสู่เมฆด้วยกัน

ฟ้าผ่า ก็คล้ายกับการดูดของไฟฟ้าสถิตย์ ที่เราโดนในหน้าหนาวที่มีอากาศแห้ง ยิ่งถ้าเดินบนพรม พอเอื้อมมือจะไปจับลูกบิดประตู หรือเปิดประตูรถ ฯลฯ ก็มักจะโดนไฟดูดจนสะดุ้ง ก็เนื่องมาจากความต่างศักย์ของตัวเรา กับสิ่งที่เราไปจับนั่นเอง ต่างกันก็เพียงแต่ว่า ความต่างศักย์ของเมฆกับพื้นนั้น มีมากกว่าที่เราโดนไฟดูดจากลูกบิดประตูเป็นล้านๆ เท่าทีเดียว

สาเหตุของการแยกตัวกันของประจุไฟฟ้าในก้อนเมฆ ก็ยังไม่เป็นที่เข้าใจได้ดีนัก อาจจะมีสาเหตุจากการที่ เมฆคิวมิวโลนิมบัสนั้นเป็นลำสูงขึ้นไป พาดระหว่างชั้นบรรยากาศที่แตกต่างกันมาก ทั้งอุณหภูมิ ความกดดันของอากาศ และจากการปะทะของแรงลมจากกระแสร้อนและเย็นที่ต่างกัน ในชั้นเหนือขึ้นไป หยดน้ำก็จับตัวเป็นน้ำแข็ง ในขณะที่ชั้นล่างยังเป็นหยดน้ำอยู่ หยดน้ำที่รวมตัวเข้าจนหนักขึ้นหนักขึ้น จนไหลลงด้านล่างของก้อนเมฆ จะเกิดมีประจุลบโดยสาเหตุใดเราก็ยังไม่เข้าใจดีนัก และการเกิดเกล็ดน้ำแข็งในส่วนบนของก้อนเมฆ และการกระจายตัวต่างๆ กันไป คงเป็นปัจจัยในการการแยกประจุไฟฟ้าภายในก้อนเมฆได้

แต่จะด้วยสาเหตุอันใดก็ตาม จากการศึกษาด้วยการถ่ายภาพมามากมาย ก็สามารถสรุปได้ว่า มีการแยกประจุขึ้นมา โดยด้านล่างของก้อนเมฆ จะมีอีเลคตรอนไปออกันอยู่มาก ส่วนโปรตอนจะขึ้นไปออกันอยู่ด้านบน จึงทำให้ด้านบนมีแต่ประจุบวก ที่ฐานจึงมีศักย์เป็นลบ

อีเลคตรอนในพื้นดินใต้ก้อนเมฆที่มีฐานลอยต่ำนี้ ก็ถูกผลักออกไปหมด ทำให้พื้นดินใต้ก้อนเมฆมีประจุไฟฟ้าบวกขึ้นมา ความต่างศักย์ที่เพิ่มมากขึ้น ทำให้กระแสไฟฟ้าร่ำๆ จะโดดมาหากัน แต่เนื่องจากอากาศเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่สู้จะดี จึงต้องอาศัยความต่างศักย์สูงมาก นับเป็นล้านๆ ถึงพันล้านโวลท์ กว่ากระแสไฟฟ้าจะโดดข้าม ถ่ายเทมาหากันกลายเป็น ฟ้าผ่า ได้

กลไกการเคลื่อนตัวของฟ้าผ่า


ฟ้าผ่าก่อตัวขึ้นในระดับสูง ๑๕,๐๐๐ ถึง ๒๕,๐๐๐ ฟิตเหนือระดับน้ำทะเล และจะต้องมีการเคลื่อนตัวของอากาศให้วนผสมกันได้ในแนวดิ่ง โดยปกติอากาศในบรรยากาศจะอยู่แยกกันเป็นชั้นๆ ต่างมีแรงกดดันต่างกัน จึงจะไม่วนผสมกันในแนวดิ่ง การจะเกิดการเคลื่อนตัวในแนวดิ่งที่ฝืนกับแรงกดดันได้ ก็ต้องมีแรงจากภายนอกมากระทำ เช่น โดยมากมักจะมากับภาวะที่ กระแสอากาศอุ่นมาปะทะกับกระแสอากาศเย็นอย่างกระทันหัน แล้วด้วยความที่ธรรมชาติของอากาศต้องเกิดการไหลวนเพื่อเฉลี่ยพลังงานความร้อนให้เท่าๆ กัน อากาศร้อนก็ถูกบีบพุ่งขึ้นสูง อากาศเย็นก็จะพยายามไหลลงมาแทนที่ การไหลวนนี้จะเกิดจากพลังงานด้วยแรงปะทะของกระแสอากาศจำนวนมาก จึงมีความไม่เสถียรในแนวดิ่งได้มากพอ แล้วไอน้ำก็กลั่นตัวรวมกันเป็นเมฆ การไหลวนของมวลในเมฆทำให้เมฆเช่นนี้ก่อตัวเป็นลำสูง ให้เกิดเมฆฝนที่เรียกว่า cumulonimbus clouds อันเป็นเมฆที่มีความสูงมาก พาดผ่านระดับต่างๆกันในบรรยากาศ ไอน้ำที่กลั่นตัวเป็นเม็ดฝนส่วนหนึ่ง จึงเคลื่อนตัวขึ้นไปยังที่สูง จนถึงที่อากาศเบื้องบนหนาวเย็นพอที่จะทำให้จับตัวเป็นเกล็ดน้ำแข็งได้

สำหรับสาเหตุอย่างละเอียดของการเกิดฟ้าผ่านั้น นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่อาจเห็นพ้องต้องกันได้ แต่เป็นที่ทราบกันว่า ฟ้าผ่ามักจะเกิดในระดับที่มีหยดน้ำฝนกับน้ำแข็งผสมอยู่ร่วมกัน ทำให้หยดน้ำและเกล็ดน้ำแข็งมาปะทะกันในกระแสวังวนภายในก้อนเมฆนั้น จะด้วยเหตุผลใดไม่เป็นที่ทราบกันแน่ชัด โปรตอนที่มีประจุไฟฟ้าบวกจะมารวมกันอยู่เฉพาะในหยดน้ำหรือเกล็ดน้ำแข็งขนาดเล็ก ที่มีขนาดเล็กกว่า ๑ มิลลิเมตร ที่มีชื่อเรียกรวมๆ กันว่า hydrometeor ส่วนอีเลคตรอนจะแยกไปเกาะอยู่กับหยดน้ำที่มีขนาดใหญ่ ด้วยแรงดึงดูดของโลก ในที่สุดเม็ดใหญ่ที่หนักกว่า ก็เคลื่อนตัวลงมาอยู่ด้านล่าง ทำให้ในก้อนเมฆเดียวกันเกิดมีภาวะทางไฟฟ้าต่างกันไปในชั้นล่างกับชั้นบน แล้วประจุไฟฟ้าจะเดินทางลงมาเป็นห้วงๆ เหมือนขั้นบันได ขั้นละประมาณ ๕๐-๑๐๐ เมตร เมื่อมันเจอสภาพบนพื้นที่ใดที่เป็นตัวนำไฟฟ้าได้ดี มันก็จะบรรจบวงจรได้ คือสามารถกระโดดลงมาหาตัวนำที่ทำให้ถ่ายเทกระแสไฟฟ้าจนเข้าสู่ภาวะสมดุลย์ได้

สภาวะที่อำนวยให้เกิดฟ้าผ่านี้ จึงมีไม่เท่ากันทุกแห่งบนโลก โดยมากจะเกิดเหนือพื้นทวีป(ดูแผนที่ข้างล่าง) เพราะความแตกต่างของกระแสอากาศมีสูง คืออากาศเหนือพื้นดินสามารถร้อนขึ้นได้มากจากการที่พื้นโลกดูดซับพลังงานของดวงอาทิตย์ แล้วคายออกมาสู่อากาศเหนือพื้นโดยตรง จึงเป็นเงื่อนไขสำคัญที่ก่อให้เกิดพายุฝน อันเป็นแหล่งกำเนิดของฟ้าผ่า และบนพื้นโลก ก็ยังมีสิ่งก่อสร้างสูงๆ ทั้งโดยธรรมชาติและที่มนุษย์สร้างขึ้น มากกว่าที่จะหาได้ในท้องทะเลอันราบเรียบ อัตราการเกิดฟ้าผ่าจึงมีสูงมากในภาคพื้นทวีป ส่วนเหนือพื้นน้ำนั้น เนื่องจากน้ำอมความร้อนได้ดีมากจนคายออกมาน้อยมาก อากาศเหนือพื้นจึงไม่ได้ร้อนมากขึ้นเท่าใด เมื่อไม่มีกระแสอากาศร้อนติดพื้น ก็ไม่ค่อยมีการก่อเมฆฝน ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการทำให้เกิดฟ้าผ่า ประชากรในประเทศเกาะในมหาสมุทร มักจะไม่เจอปรากฏการณ์ฟ้าผ่ามากเท่าใด ภาษาพูดของประชากรเหล่านี้ จึงมีศัพท์เกี่ยวกับฟ้าผ่ากันไม่มากนัก

  
(แผนที่แสดงการเกิดฟ้าผ่าทั่วโลก โดยข้อมูลจากอุปกรณ์ถ่ายภาพจากอวกาศ บนยานอวกาศของนาซ่า คือที่มีอยู่บนยาน Optical Transient Detector (OTD) และอุปกรณ์ the Lightning Imaging Sensor (LIS) บนยาน The Tropical Rainstorm Measuring Mission(TRMM) ที่ถูกส่งขึ้นไปบันทึกข้อมูลการเกิดฟ้าผ่าทั่วโลก ตั้งแต่ปี ค.ศ. ๑๙๙๕ และ ๑๙๙๗ ตามลำดับ จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่า ฟ้าผ่าส่วนมากจะเกิดเหนือภาคพื้นทวีป โดยเฉพาะแถบทรอปิคส์เป็นส่วนใหญ่ ตัวอย่างเช่น ที่ฟลอริด้า จะมีกระแสพายุจากฝั่งมหาสมุทรแอตแลนติก และจากอ่าวเม็กซิโกมาปะทะกัน บีบดันให้อากาศพุ่งขึ้นในแนวดิ่ง จนเกิดภาวะอำนวยต่อการเกิดฟ้าผ่า ดังที่กล่าวมาแล้วข้างต้น ตัวเลขในแผนผัง บอกอัตราจำนวนฟ้าผ่าที่เกิดในพื้นที่ ๑ ตารางกิโลเมตรต่อปี)

จากการศึกษาด้วยภาพถ่ายและภาพยนต์ ที่จับภาพการพัฒนาตัวของฟ้าผ่าอย่างละเอียด ช่วยให้เราเข้าใจกลไกการเกิดฟ้าผ่าลงดินได้มาก เมื่อความต่างศักย์ระหว่างฐานก้อนเมฆ และพื้นดินใต้เมฆ มีสูงมากจนตัวกลางคืออากาศต้านไม่ไหวแล้ว ก็จะมีส่วนนำร่องแทรกตัวออกมาจากฐานเมฆ ที่เรียกว่า stepped leader เพราะการเคลื่อนตัวของสายฟ้า จะเป็นห้วงๆ ช่วงละ ๕๐-๑๐๐ เมตร ด้วยเวลาประมาณ ๐.๐๐๕๐ วินาที เท่านั้น ไม่ต่อเนื่องกัน แต่ด้วยความเร็วมากจนตาของเราแยกไม่ออก

สายฟ้านำร่องลงมาเป็นทีละขั้นๆ ด้วยการถ่ายพลังงานให้โมเลกุลของอากาศ เกิดการแตกตัวอย่างรวดเร็ว ดันให้อีเล็คตรอนของโมเลกุลอากาศ ถูกผลักออกไป จึงไม่มีแรงต้านจากอากาศในลำแคบๆ รอบๆ สายฟ้า เป็นลำกว้างเพียงประมาณสิบเซ็นติเมตร ทำให้กระแสไฟฟ้าพรั่งพรูลงมาได้อีกขั้นหนึ่ง เป็นอย่างนี้ทีละช่วงๆ
ขณะที่สายฟ้าเดินทางลงมาใกล้จะถึงพื้นแล้วนั้น หากมีอาคารสิ่งก่อสร้าง หรือต้นไม้สูงๆ โปรตอนภายในสิ่งสูงๆ เหล่านั้นบนพื้นดิน ก็จะกระโดดข้ามอากาศเป็นทาง เรียกว่า streamer ขึ้นไปหาลำกระแสอีเลคตรอนที่ฐานเฆฆ ที่กำลังพุ่งตัวลงมาเป็นห้วงๆ ในที่สุดลำประจุบวกจากพื้นดิน ก็จะบรรจบกันกับลำประจุลบที่ลงมาจากก้อนเมฆ พอทั้งสองบรรจบกันแล้ว ประจุบวกจำนวนมหาศาลจากพื้นดินก็จะโดดขึ้นไปยังก้อนเมฆ ให้เรามองเห็น เป็นลำไฟฟ้าที่มาจากพื้นกลับคืนขึ้นไปยังก้อนเมฆ ที่เรียกว่า return stroke ในเวลาน้อยกว่าชั่วพริบตาเสียอีก ซึ่งเป็นแสงที่เราเรียกว่าฟ้าผ่า สายฟ้าจะเดินทางด้วยความเร็วประมาณ หกหมื่นไมล์ ต่อวินาที

เมื่อลำไฟฟ้าลำแรกเปิดทางลงมาหาพื้นได้แล้ว ทางผ่านคือลำโมเลกุลอากาศที่แตกตัวเป็นไออ้อน เปิดให้สายฟ้าแทรกตัวชำแรกชั้นอากาศลงมาได้ ก็ยังเปิดตัวอยู่ชั่วขณะหนึ่ง อำนวยโอกาสให้ประจุไฟฟ้าในก้อนเมฆ เดินตามลงมาอีก เกิดเป็นฟ้าผ่าซ้อนๆ กัน ๓-๔ ครั้ง ในเวลารวมกันแล้วแค่ ๐.๒ วินาทีเท่านั้น ด้วยความที่มันเกิดขึ้นเร็วมาก เราจึงมองไม่ออก


สรุปผลรวมของการเกิดฟ้าผ่าดังนี้

ภาพแสดงการเกิดฟ้าผ่า โดย Dave Joly แห่ง National Geographic Society)

เมื่อฟ้าผ่าเกิดขึ้นจากความต่างศักย์ ที่มีมากพอที่จะทำให้โมเลกุลของอากาศแตกตัวเป็นไออ้อน จนสามารถเป็นตัวนำไฟฟ้าได้ ความต่างศักย์นี้ เรียกว่า breakdown potential ซึ่งมีค่า B=3x109 โว้ลท์/กิโลเมตร ในอากาศแห้ง ถ้าเราสามารถวัดค่าความยาวของสายฟ้าผ่าก็จะหาค่าความต่างศักย์นี้ได้จาก

ความต่างศักย์ = Bxความยาวของสายฟ้า(หรือความสูงจากพื้นของฐานเมฆ)

ถ้าฐานเมฆอยูเหนือพื้น ๒ กิโลเมตร ความต่างศักย์จะมีค่า 6x10 Volt ความต่างศักย์ขนาด หกพันล้านโว้ลท์ ก็สามารถทำให้หัวใจคนหยุดเต้นได้สนิท ในขณะที่สายไฟแรงสูงจะมีความต่างศักย์ประมาณ สามแสนห้าหมี่นโว้ลท์ ทางที่ดี เราจึงควรเลี่ยงไม่ให้ถูกฟ้าผ่า

ฟ้าร้อง


(ภาพฟ้าผ่าที่รัฐโอคลาโฮมา โดย Purcell)

เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปในหมู่นักวิทยาศาสตร์แล้วว่า เมื่อเกิดฟ้าผ่า ลำอากาศรอบๆ สายฟ้า จะถูกอัดด้วยแรงกดดันมหาศาลจนฉีกตัวออกกลายเป็นพลาสม่า การขยายตัวอย่างฉับพลันของพลาสม่า ทำให้เกิดช้อคเวฟ ที่เมื่อเดินทางไประยะหนึ่ง จะลดกำลังลงกลายเป็นคลื่นเสียง
คลื่นเสียงเดินทางได้ช้ากว่าคลื่นแสงมาก เราจึงเห็นฟ้าผ่าก่อน แล้วจึงจะได้ยินเสียงฟ้าร้อง ความเร็วของคลื่นเสียงของฟ้าร้อง ขึ้นอยู่กับ อุณหภูมิ ความเร็วและทิศทางของลมพายุที่เกิดขึ้นในขณะเดียวกัน

จะประมาณระยะทางว่า ฟ้าผ่าเกิดขึ้นไกลจากเราไปเท่าไรได้อย่างคร่าวๆ โดยจับเวลาห่างกันที่เมื่อเราเห็นฟ้าผ่า กับที่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง แล้วหารด้วย ๓ ก็จะได้ระยะทางเป็นกิโลเมตรอย่างคร่าวๆ ในกรณีที่ไม่มีลมและอุณหภูมิประมาณ ๒๐ องศาเซลเซียส

โดยทั่วไปแล้ว คลื่นเสียงเดินทางได้เร็วขึ้นในอากาศที่อุ่นกว่า และเดินทางช้าลงเมื่ออากาศหนาวลง
และคลื่นเสียง ก็มีการหักเหในตัวกลางที่มีความหนาแน่นต่างกันเช่นเดียวกับคลื่นเสียง เมื่อเสียงจากฟ้าผ่าเหนือพื้นดินที่มีอากาศหนาวกว่า เดินทางลงมายังพื้นที่อุ่นกว่า ก็จะหักเหเบี่ยงขึ้นไป ทำให้ถ้าเราอยู่ห่างไปไกลๆ ออกไป ก็กลับจะไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง เพราะคลื่นเสียงหักเหย้อนขึ้นไปในอากาศ ระยะทางที่เราจะได้ยินหรือไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้องนี้ก็ขึ้นอยู่กับสภาพอากาศเป็นอย่างมาก ประมาณว่า ถ้าเราอยู่หางจากฟ้าผ่าประมาณ ๑๕-๒๕ กิโลเมตร ก็จะไม่ได้ยินเสียฟ้าร้อง แต่อาจจะได้ยินเสียงฟ้าร้องที่สะท้อนกลับจากก้อนเมฆอีกทีหนึ่ง เป็นเสียงอึงคนึงสะท้อนกลับไปกลับมา ที่ไม่กึกก้องอย่างที่หากเราได้ยินเสียงที่เดินทางมาหาเราโดยตรง

(ภาพโดย Dr. Nolan Atkins แห่ง คณะอุตุนิยมวิทยา Lynden State CollegeX



อ้างอิง
1. Golde, R.H., Lightning, Vol 1, Physics of Lightning, academic Press, London, 1977
2. Stull, R.B., Meteorology for Scientists and Engineers, Brooks/Cole, CA, 2000
3. Uman, M.A., The Lightning Discharge, International Geophysics Series V. 39, Academic Press Inc., Orlando, 1987 (อ่านบทที่เกี่ยวกับฟิสิกส์ของฟ้าผ่าได้ ที่นี่ ค่ะ)
4. NOAA's National Severe Storm Laboratory
5. บทความโดยนาซ่า Where Lightning Strikes

tags :

บทความอื่นๆ