ฝนตกอย่างไม่มีปี่มีขลุ่ยจากเมฆหน้าตาใจดีได้อย่างไร? โพสต์เมื่อ:
12:08 วันที่ 19 ส.ค. 2549 ชมแล้ว:
41,051  ตอบแล้ว:
6
มีใครเคยพบเหตุการณ์แบบนี้มั้ย ในวันที่มีแดด ไม่มีเค้าอันใดเลย จู่ ๆ ก็มีฝนตกลงมาอย่างทันทีทันใด เมื่อมองไปที่ท้องฟ้า ก็พบแต่เมฆ คิวมูลัส ก้อนกลม ๆ ที่ดูไม่ได้ดำทะมึนเหมือนเมฆฝนแต่อย่างใด อันที่จริงแล้ว ฝนจะเริ่มตกช้ากว่ามากในเมฆฝน stratiform clouds สีเทาเข้มไร้รูปร่างที่แน่นอน อันปกคลุมไปทั่วท้องฟ้า ขณะนี้ทีมนักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์จากอังกฤษและสวีเดนกล่าวอ้างว่าได้ทำการไขปมปริศนาทางอุตุนิยมวิทยานี้ได้แล้ว พวกเขาเชื่อว่ามันเป็นผลของการก่อตัวของสภาวะที่เรียกว่า fold caustics ซึ่งทำให้ ณ บริเวณเดียวกันในเมฆคิวมูลัส หยดละอองน้ำต่าง ๆ เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่างกันได้ ส่งผลให้มีการชนกันจนเกิดเป็นหยดฝน
เมื่ออณูละอองน้ำในเมฆเกิดการชนแล้วมีการรวมตัวกัน ก็จะเกิดเป็นหยดน้ำฝนขึ้น นักอุตุนิยมวิทยาคิดกันว่าฝนเริ่มตกอย่างทันทีทันใดจากเมฆคิวมูลัส (cumulus) ซึ่งก่อตัวขึ้นเนื่องจากการลอยสูงขึ้นของอากาศร้อนด้วยกระแสการพาความร้อน (convection) กระแสอากาศที่ลอยตัวสูงขึ้นนี้ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของกระแสอากาศที่หมุนวนอย่างปั่นป่วนที่เรียกว่า เทอร์บิวเลนท์ (turbulent) ขนาดเล็ก ๆ ในเมฆขึ้น เป็นผลให้ละอองน้ำซึ่งเล็กระดับไมโครเมตรเกิดการชนและรวมตัวกัน ก่อตัวเป็นหยดน้ำฝน
จริง ๆ แล้ว การจำลองทางคอมพิวเตอร์ก่อนหน้านี้ได้แสดงให้เห็นแล้วว่าอัตราการชนกันของละอองน้ำในเมฆ จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก เมื่อกระแสอากาศมีความปั่นป่วนมากพอ (ความเข้มของ turbulence มีค่ามากกว่าค่าวิกฤติค่าหนึ่ง) แต่ก็ยังไม่มีใครสามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดอัตราการชนกันจึงเพิ่มสูงขึ้นอย่างทันทีทันใด โดยขึ้นกับ ความเข้มของ turbulent ในลักษณะนี้
หลายทฤษฎีเพ่งเล็งไปยังการเกาะกลุ่มกันของละอองน้ำ แต่ทฤษฎีเหล่านี้ก็พ่ายแพ้ต่อปัญหาพื้นฐานบางประการที่ทฤษฎีไม่สามารถอธิบายได้ ตัวอย่างหนึ่งก็คือ การที่ละอองน้ำมีอยู่อย่างเบาบาง เพียงน้อยกว่า 1 อณูต่อลูกบาศก์มิลลิเมตร ซึ่งทำให้การเกาะกลุ่มกันน่าจะเกิดขึ้นได้ยาก นอกจากนี้ เนื่องจากละอองน้ำลอยในอากาศได้ดี ทำให้ความเร็วของละอองน้ำเกือบจะเท่ากับความเร็วของกระแสอากาศ ดังนั้นขณะที่ละอองน้ำ 2 หยดอยู่ใกล้กัน มันก็จะเคลื่อนที่ไปทางเดียวกันด้วยความเร็วที่แทบจะเท่ากัน ทำให้ต้องใช้เวลานานมากกว่าจะเกิดการรวมตัวกัน กล่าวโดย Bernhard Mehlig นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย the Göteborg University ในสวีเดน หนึ่งในผู้ร่วมงานวิจัย
ในขณะนี้ ทีมวิจัยของพวกเขา ซึ่งนอกจาก Mehlig แล้ว ยังมี Michael Wilkinson จากมหาวิทยาลัย the Open University แห่งสหราชอาณาจักร และผู้ร่วมงานอื่น ๆ อีก สามารถระบุกลไกที่อธิบายการก่อตัวของหยดน้ำฝนอย่างรวดเร็วได้สำเร็จ กุญแจสำคัญก็คือความเฉื่อยในการเคลื่อนที่ของละอองน้ำ ถ้าความต้านทานอากาศไม่ได้มีมากเกินไป ละอองน้ำที่เดิมอยู่ในกระแสอากาศที่เคลื่อนที่เร็ว เมื่อเข้าไปสู่กระแสอากาศที่เคลื่อนที่ช้า ละอองน้ำนั้นจะไม่ช้าลงในทันที เช่นเดียวกันละอองน้ำที่เดิมวิ่งช้าก็จะไม่เร่งความเร็วในทันทีทันใดขณะเข้าไปในส่วนของอากาศที่เคลื่อนที่เร็ว แต่มันจะรักษาความเร็วเดิมต่อไปอีกชั่วขณะหนึ่งอันเนื่องมาจากความเฉื่อย (หรือการรักษาสภาพการเคลื่อนที่) ดังนั้นในการหมุนวนของกระแสอากาศแบบ turbulent ที่มีความปั่นป่วนมากพอ ละอองน้ำต่างๆ ในกระแสอากาศเดียวกันจึงไม่จำเป็นต้องวิ่งด้วยความเร็วที่เท่ากัน ทำให้ละอองที่วิ่งเร็วกว่าสามารถไล่ทันละอองน้ำที่วิ่งช้ากว่า และอัตราการชนกันสามารถเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว
พวกเขาได้พัฒนาทฤษฎีการวิเคราะห์ง่าย ๆ ทฤษฎีหนึ่งของการเคลื่อนที่ของอนุภาคในการไหลแบบสุ่ม (random flow) แต่ด้วยเหตุว่าละอองน้ำที่เคลื่อนที่เร็วกว่าสามารถแซง (หรือไล่ทัน) ละอองน้ำที่วิ่งช้ากว่าได้ ทฤษฎีจึงทำนายการอุบัติขึ้นของ fold caustics ซึ่งเมื่อเกิดขึ้น ละอองน้ำต่างๆ ที่บริเวณเดียวกัน สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่างกันได้ (ดูรูปในความคิดเห็นที่ 1)
การเคลื่อนที่สัมพัทธ์เป็นผลให้เกิดการชนกัน นักวิจัยกล่าว จริง ๆ ถ้าพูดกันในเชิงเทคนิกแล้ว ทฤษฎีทำนายว่าอัตราการชนกันของละอองน้ำจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่อ Stokes number ซึ่งเป็นค่าพารามิเตอร์ที่บรรจุข้อมูลเกี่ยวกับ turbulence ในเมฆ และรัศมีของละอองน้ำ มีค่าเพิ่มสูงขึ้นเหนือค่าขีดจำกัด (threshold value) ถ้ามีบริเวณที่กว้างพอในเมฆที่มีความเข้มของ turbulence ที่สูงเพียงพอ ทฤษฎีของพวกเราก็จะอธิบายว่าทำไมการที่ฝนตกจึงเริ่มในเวลาเพียงไม่กี่นาที อย่างที่สังเกตเห็นในชีวิตประจำวันได้ กล่าวโดย Mehlig
นี่เป็นผลงานที่ดีชิ้นหนึ่ง กล่าวโดย Gregory Falkovich นักฟิสิกส์แห่งสถาบัน the Weizmann Institute of Science ในเมืองเรโฮวอท ประเทศอิสราเอล ผู้ซึ่งชี้ให้เห็นถึงความสำคัญของผลจากความเฉื่อยเป็นคนแรกในปี ค. ศ. 2002 แต่ความปั่นป่วนของกระแสอากาศอาจจะเพิ่มสูงขึ้น จากการที่มีการแปรผันของความหนาแน่นของจำนวนละอองน้ำในเมฆด้วย เขากล่าว ดังนั้นการวิเคราะห์นี้ยังไม่ใช่คำตอบสุดท้าย เมฆนั้นมีความหลากหลาย แบบที่ทำให้การเหมาเอาว่าปัจจัยใดสำคัญ (หรือไม่สำคัญ) ในการพิจารณาไปหมดในทุกกรณี ควรจะกระทำอย่างระมัดระวัง
แหล่งข้อมูลและเอกสารอ้างอิง
ข่าวจาก Physicsweb
http://www.physicsweb.org/articles/news/10/8/5/1
ข่าวจาก Sciencemag
http://sciencenow.sciencemag.org/cgi/content/full/2006/714/2
บทความของ M. Wilkinson และผู้ร่วมงาน
Phys. Rev. Lett. 97, 048501 (2006) Caustic Activation of Rain Showers
http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=PRLTAO000097000004048501000001&idtype=cvips&gifs=yes
หรือบทความ preprint
http://www.arxiv.org/abs/cond-mat/0604166
ข้อมูลเพิ่มเติม
ข้อมูลเกี่ยวกับเมฆประเภทต่าง ๆ
ใน วิกิพีเดียไทย
http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%80%E0%B8%A1%E0%B8%86
ในสารานุกรมไทยสำหรับเยาวชน
http://kanchanapisek.or.th/kp6/BOOK2/chapter4/t2-4-m3.htm
ข้อมูลความรู้ในการทำฝน จากเว็บไซต์ สำนักฝนหลวงและการบินเกษตร
http://www.royalrainmaking.thaigov.net/story/rainmaking.html
เรื่องที่เกี่ยวข้องใน วิชาการดอทคอม
เกี่ยวกับ turbulence
(เกี่ยวกับ magnetic turbulence)
ข่าว: การค้นพบครั้งสำคัญทางด้านฟิสิกส์อวกาศ (15 ส.ค. 2548)
http://www.vcharkarn.com/include/vcafe/showkratoo.php?Pid=35589
ข่าว: จันทราไขปริศนาหลุมดำ (4 ก.ค. 2549)
http://www.vcharkarn.com/include/vcafe/showkratoo.php?Pid=55182
เกี่ยวกับเมฆและฝน
บทความ: ฟ้าผ่า โดยคุณพวงร้อย (4 ก.พ. 2545)
http://www.vcharkarn.com/include/article/showarticle.php?Aid=78
บทความ: บรรยากาศโลก (ตอนที่ ๓) โดยคุณพวงร้อย (24 ก.ย. 2547)
http://www.vcharkarn.com/include/article/showarticle.php?Aid=222
กระทู้: ภาพ เมฆจากที่หลังบ้าน มันเกิดขึ้นอยากไร อธิบายกันนะ (24 เม.ย. 2548)
http://www.vcharkarn.com/include/vcafe/showkratoo.php?Pid=30016
|
จำนวน 1 ความเห็น, หน้า่ | -1- ความเห็นเพิ่มเติมที่ 1 19 ส.ค. 2549 (12:11)
(image credit: Phys. Rev. Lett. 97 048501)
แผนภาพแสดงการเกิดของ caustic กราฟนี้แสดงให้เห็น (ในทางทฤษฎี) ถึงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วของละอองน้ำกับตำแหน่ง (a) ลักษณะกราฟในตอนเริ่มแรก: ความเร็วของละอองน้ำเป็นฟังก์ชันของตำแหน่งตามรูปแบบของเส้นกราฟใด ๆ (b) จากนั้นพัฒนาเป็น fold cautics: จากกราฟที่เห็นมีค่าความเร็วหลายค่าในบริเวณเดียวกัน และด้วยการพิจารณาแบบสัมพัทธ์ จะพบว่าความเร็วมีทิศทางตรงข้ามกัน ทำให้มีการชนกันของละอองน้ำได้
|
|
