เมฆและหยาดน้ำฟ้า

เมฆคือสัญญาณที่มองเห็นได้ของอากาศที่ลอยสูงขึ้นและเย็นลง และการก่อตัวของหยดน้ำและผลึกน้ำแข็งขนาดเล็กภายในเมฆจะเป็นตัวกำหนดว่าเมฆจะลอยผ่านไปเฉยๆ หรือจะปล่อยน้ำออกมาในรูปของฝน หิมะ หรือลูกเห็บ

Definition

เมฆคือการแขวนลอยที่มองเห็นได้ของหยดน้ำหรือผลึกน้ำแข็งที่ก่อตัวขึ้นเมื่ออากาศชื้นเย็นลงจนอิ่มตัว และหยาดน้ำฟ้าคือน้ำที่ตกลงมาจากเมฆเมื่ออนุภาคมีขนาดใหญ่และหนักพอที่จะเอาชนะกระแสลมยกตัวได้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการก่อตัวและการจำแนกประเภทของเมฆ การก่อตัวของหยดน้ำและผลึกน้ำแข็งบนละอองลอย และกระบวนการทางจุลกายภาพ รวมถึงการชนกันและการรวมตัวกัน (collision-coalescence) และกระบวนการน้ำแข็งแบบแบร์เฌอรง-ฟินไดเซน (Bergeron-Findeisen ice process) ซึ่งอนุภาคเมฆจะเติบโตเป็นหยาดน้ำฟ้า

Core questions

• หยดน้ำในเมฆและผลึกน้ำแข็งก่อตัวขึ้นได้อย่างไรและบนอนุภาคใด?
• เมฆถูกจำแนกตามระดับความสูงและรูปแบบได้อย่างไร?
• หยดน้ำในเมฆขนาดเล็กเติบโตเป็นเม็ดฝนได้อย่างไร?
• กระบวนการน้ำแข็งมีบทบาทอย่างไรในการสร้างหยาดน้ำฟ้า?

Key theories

กระบวนการชนกันและการรวมตัวกัน (ฝนอุ่น)

ในเมฆที่อุ่นกว่าจุดเยือกแข็ง หยดน้ำขนาดใหญ่จะตกลงมาเร็วกว่า ชนและดูดซับหยดน้ำขนาดเล็กกว่า และเติบโตโดยการรวมตัวกันจนกระทั่งมีน้ำหนักมากพอที่จะตกลงมาเป็นฝน

กระบวนการน้ำแข็งแบบแบร์เฌอรง-ฟินไดเซน

ในเมฆแบบผสม ความดันไอน้ำอิ่มตัวที่ต่ำกว่าบนน้ำแข็งทำให้ผลึกน้ำแข็งเติบโตโดยแลกกับการระเหยของหยดน้ำเย็นจัด ซึ่งเป็นเส้นทางที่มีประสิทธิภาพในการสร้างหยาดน้ำฟ้าส่วนใหญ่ของโลกนอกเขตร้อน

Mechanisms

เมฆก่อตัวขึ้นเมื่ออากาศที่ลอยสูงขึ้นและเย็นลงอิ่มตัว และไอน้ำควบแน่นบนแกนควบแน่นของเมฆ (cloud condensation nuclei) กลายเป็นหยดน้ำ หรือเกาะตัวบนแกนน้ำแข็ง (ice nuclei) กลายเป็นผลึก อนุภาคเหล่านี้มีขนาดเล็กเกินกว่าจะตกลงมาได้ ดังนั้นจึงต้องมีการเติบโต: ในเมฆอุ่นโดยการชนกันและการรวมตัวกันของหยดน้ำ และในเมฆเย็นหรือเมฆแบบผสมโดยกระบวนการแบร์เฌอรง-ฟินไดเซน ซึ่งผลึกน้ำแข็งจะเติบโตอย่างรวดเร็วในขณะที่หยดน้ำเย็นจัดระเหยไป เมื่ออนุภาคมีขนาดใหญ่พอที่จะเอาชนะกระแสลมยกตัวได้ ก็จะตกลงมาในรูปของฝน หิมะ ลูกเห็บ หรือน้ำแข็ง

Clinical relevance

ความเข้าใจในกระบวนการของเมฆและหยาดน้ำฟ้าเป็นพื้นฐานของการพยากรณ์ปริมาณน้ำฝนเชิงปริมาณ การตีความข้อมูลเรดาร์ การพยากรณ์การเกิดน้ำแข็งบนอากาศยาน และความพยายามในการปรับเปลี่ยนสภาพอากาศ เช่น การหว่านเมฆ (cloud seeding) และยังให้ข้อมูลว่าเมฆมีอิทธิพลต่อสมดุลพลังงานและสภาพภูมิอากาศของโลกอย่างไร

History

การจำแนกประเภทเมฆของลุค ฮาวเวิร์ด (Luke Howard) ในช่วงต้นศตวรรษที่สิบเก้าได้ให้ชื่อเมฆที่ยังคงใช้มาจนถึงปัจจุบัน ในศตวรรษที่ยี่สิบ แบร์เฌอรง (Bergeron) และฟินไดเซน (Findeisen) ได้ระบุกระบวนการผลึกน้ำแข็งของการเกิดหยาดน้ำฟ้า และการศึกษาในห้องปฏิบัติการและภาคสนามอย่างละเอียดที่สรุปไว้ในผลงานเช่นของพรูพพาเชอร์และเคลตต์ (Pruppacher and Klett) ได้สร้างจุลกายภาพสมัยใหม่ของเมฆและหยาดน้ำฟ้า

Key figures

• Luke Howard
• Tor Bergeron
• Walter Findeisen

Seminal works

• rogers1989
• pruppacher1997

Frequently asked questions

ทำไมเมฆบางก้อนถึงมีฝนตก แต่บางก้อนไม่มี?

เมฆจะผลิตหยาดน้ำฟ้าก็ต่อเมื่อหยดน้ำหรือผลึกน้ำแข็งมีขนาดใหญ่พอที่จะตกลงมาต้านกระแสลมยกตัวได้ ซึ่งต้องใช้เวลา ความชื้น และกระบวนการทางจุลกายภาพที่เหมาะสม ดังนั้นเมฆหลายก้อนจึงระเหยไปเฉยๆ โดยไม่มีฝนตกเลย

เมฆได้ชื่อมาได้อย่างไร?

เมฆถูกจำแนกตามระบบที่ลุค ฮาวเวิร์ด (Luke Howard) นำเสนอในปี 1802 โดยใช้รากศัพท์ภาษาละติน เช่น คิวมูลัส (cumulus) สำหรับเมฆกอง สเตรตัส (stratus) สำหรับเมฆชั้น และเซอร์รัส (cirrus) สำหรับเมฆสูงที่เป็นริ้วๆ โดยรวมกับคำนำหน้าสำหรับระดับความสูงและฝน