ความดันไอน้ำ
ปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนสถานะของน้ำคือ อุณหภูมิ และความดัน ปัจจัยทั้งสองเกี่ยวพันใกล้ชิดจนเปรียบเสมือนด้านหัวและก้อยของเหรียญเดียวกัน ขึ้นอยู่ว่าเราจะมองด้านไหน การมองว่า “อุณหภูมิ” คือระดับของพลังงาน จะช่วยให้ทำความเข้าใจเรื่องปริมาณไอน้ำในอากาศได้ง่ายขึ้น ระดับพลังงาน ณ อุณหภูมิห้อง (10°C – 40°C) ทำให้โมเลกุลของน้ำสั่น น้ำจึงมีสถานะเป็นของเหลว หากพลังงานเพิ่มขึ้นโมเลกุลของน้ำก็จะสั่นมากขึ้น จนถึงระดับหนึ่งก็จะหลุดลอยเป็นอิสระและเปลี่ยนสถานะเป็นแก๊ส ซึ่งเรียกว่า “ไอน้ำ” ในทางกลับกันหากพลังงานลดต่ำลง โมเลกุลของน้ำจะเกาะตัวกันแน่นขึ้นจนกลายเป็นผลึกและมีสถานะเป็นของแข็ง เราจึงสรุปได้ว่า “วันที่มีอุณหภูมิสูงมีไอน้ำในอากาศมาก วันที่มีอุณหภูมิต่ำมีไอน้ำในอากาศน้อย” หรืออาจกล่าวอีกอย่างหนึ่งว่า “ฤดูร้อนย่อมมีไอน้ำในอากาศมากกว่าฤดูหนาว” “บริเวณร้อนชื้นแถบศูนย์สูตรย่อมมีไอน้ำในบรรยากาศมากกว่าบริเวณเขตหนาวขั้วโลก” ทั้งนี้จะเห็นได้ว่า ณ อุณหภูมิหนึ่งๆ จะมีปริมาณไอน้ำในอากาศ เป็นจำนวนที่ชี้เฉพาะขึ้นอยู่กับระดับของพลังงาน (อุณหภูมิ) เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจะมีแนวโน้มว่า มีไอน้ำในบรรยากาศมากขึ้น และหากอุณหภูมิลดต่ำลงจะมีแนวโน้มว่า ไอน้ำจะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวหรือของแข็ง
ภาพที่ 1 โมเลกุลน้ำในภาชนะ
หากมีกล้องวิเศษที่สามารถมองถังน้ำในภาพที่ 1 ด้วยกำลังขยายหนึ่งพันล้านเท่า เราจะมองเห็นโมเลกุลของน้ำเบียดเสียดวิ่งไปวิ่งมา โดยที่โมเลกุลแต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแตกต่างกัน ช้าบ้าง เร็วบ้าง ซึ่งค่าเฉลี่ยของความเร็วในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก็คือ อุณหภูมิของน้ำ (พลังงานจลน์) ถ้าโมเลกุลที่อยู่บริเวณผิวน้ำมีความเร็วมากพอ ก็จะเคลื่อนที่หลุดออกไปสู่อากาศ โมเลกุลเหล่านี้จะเปลี่ยนสถานะจากน้ำเป็นไอน้ำ ซึ่งก็คือ “การระเหย” นั่นเอง
เมื่อเราปิดฝาถังและดันเข้าไปดังเช่นรูปขวามือของภาพที่ 1 น้ำที่เคยระเหยเป็นไอน้ำ จะถูกควบแน่นกลับเป็นของเหลวอีกครั้งหนึ่ง หากจำนวนโมเลกุลของน้ำที่ระเหยกลายเป็นไอน้ำ จะเท่ากับจำนวนโมเลกุลของไอน้ำที่ควบแน่นกลับเป็นน้ำพอดี เราเรียกว่า “อากาศอิ่มตัวด้วยไอน้ำ” ในทางกลับกันหากดึงฝาเปิดออก ไอน้ำในอากาศซึ่งเคยอยู่ในถังจะหนีออกมา ทำให้จำนวนโมเลกุลของไอน้ำที่เหลืออยู่ข้างในน้อยลง อากาศจึงไม่เกิดการอิ่มตัว ปัจจัยในธรรมชาติที่ทำให้อากาศไม่เกิดการอิ่มตัวคือ กระแสลม เมื่ออากาศเสียดสีกับพื้นน้ำ โมเลกุลของอากาศจะส่งถ่ายพลังงานไปยังโมเลกุลของน้ำ เมื่อมีกระแสลมแรงพลังงานที่ส่งถ่ายมากขึ้น จนทำให้โมเลกุลของน้ำสั่นหลุดเป็นอิสระ เปลี่ยนสถานะกลายเป็นแก๊ส
ภาพที่ 2 โมเลกุลของแก๊สต่างๆ ในกลุ่มอากาศ
อากาศมีแรงดันทุกทิศทุกทาง ความดันเกิดจากการพุ่งชนกันของโมเลกุลของแก๊ส ถ้าสมมติให้กลุ่มอากาศ (Air parcel) ในภาพที่ 2 มีความกดอากาศ 1,000 mb (มิลลิบาร์) มีองค์ประกอบเป็นแก๊สไนโตรเจน 78% แก๊ส ออกซิเจน 21% และไอน้ำประมาณ 1% ด้วยสัดส่วนนี้แก๊สไนโตรเจนทำให้เกิดแรงดัน 780 mb แก๊สไนโตรเจนทำให้เกิดแรงดัน 210 mb และไอน้ำทำให้เกิดแรงดัน 10 mb จะเห็นได้ว่า ความดันไอน้ำ (Vapor pressure) มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับความดันของแก๊สทั้งหมด อย่างไรก็ตามหากเราเพิ่มความดันให้กับกลุ่มอากาศ โดยการเพิ่มปริมาณอากาศในลักษณะเดียวกับการเป่าลูกโป่ง ทำให้จำนวนโมเลกุลของไอน้ำอากาศมากขึ้น ความดันไอน้ำมากขึ้นย่อมทำให้อุณหภูมิสูงตามขึ้นไปตามกฎของแก๊ส
(อุณหภูมิของแก๊สแปรผันตามความดัน แต่แปรผกผันกับปริมาตร) เราจึงสรุปได้ว่า อุณหภูมิของอากาศแปรผันตามความดันไอน้ำหรือปริมาณของไอน้ำในอากาศ ดังนั้นอากาศชื้นย่อมมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศแห้ง