หยาดน้ำฟ้า

หยาดน้ำฟ้า (Precipitation) เป็นชื่อเรียกรวมของหยดน้ำและน้ำแข็ง ที่เกิดจาการควบแน่นของไอน้ำแล้วตกลงมาสู่พื้น เช่น ฝน ลูกเห็บ หิมะ เป็นต้น หยาดน้ำฟ้าแตกต่างจากจากหยดน้ำหรือละอองน้ำในก้อนเมฆ (Cloud droplets) ตรงที่หยาดน้ำต้องมีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักมากพอที่จะชนะแรงต้านอากาศ และตกสู่พื้นโลกได้โดยไม่ระเหยเป็นไอน้ำเสียก่อน ฉะนั้นกระบวนการเกิดหยาดน้ำฟ้าจึงมีความสลับซับซ้อนมากกว่ากระบวนการควบแน่นที่ทำให้เกิดเมฆ หยาดน้ำฟ้าที่เกิดขึ้นในประเทศไทย ได้แก่
   - ละอองหมอก (Mist) เป็นหยดน้ำขนาด 0.005 – 0.05 มิลลิเมตร เกิดจากเมฆสตราตัส ทำให้เรารู้สึกชื้นเมื่อเดินผ่าน มักพบบนยอดเขาสูง
   - ฝนละออง (Drizzle) เป็นหยดน้ำขนาดเล็กกว่า 0.5 มิลลิเมตร เกิดจากเมฆสตราตัส พบเห็นบ่อยบนยอดเขาสูง ตกต่อเนื่องเป็นเวลานานหลายชั่วโมง
   - ฝน (Rain) เป็นหยดน้ำมีขนาดประมาณ 0.5 – 5 มิลลิเมตร ฝนส่วนใหญ่ตกลงมาจากเมฆนิมโบสตราตัส และเมฆคิวมูโลนิมบัส
   - หิมะ (Snow) เป็นผลึกน้ำแข็งขนาดประมาณ 1 – 20 มิลลิเมตร ซึ่งเกิดจากไอน้ำจากน้ำเย็นยิ่งยวด ระเหิดกลับเป็นผลึกน้ำแข็งแล้วตกลงมา (เคยมีหิมะตกที่จังหวัดเชียงราย ในปีที่อากาศหนาวเย็นมาก)
   - ลูกเห็บ (Hail) เป็นก้อนน้ำแข็งขนาดใหญ่กว่า 5 เซนติเมตร เกิดขึ้นจากกระแสในอากาศแนวดิ่งภายในเมฆคิวมูโลนิมบัส พัดให้ผลึกน้ำแข็งสะสมตัวจนมีขนาดใหญ่และตกลงมา
ในก้อนเมฆทั่วไป หยดน้ำเล็กๆ มีขนาดเท่ากันและตกลงมาอย่างช้าๆ ด้วยความเร็วเดียวกัน หยดน้ำเหล่านั้นจึงไม่มีโอกาสที่จะชนหรือรวมตัวกันให้มีขนาดใหญ่ขึ้นได้เลย แต่ภายในเมฆก่อตัวในแนวตั้ง เช่น เมฆคิวมูโลนิมบัสจะมีหยดน้ำหลายขนาด หยดน้ำขนาดใหญ่จะตกลงมาด้วยความเร็วที่มากกว่าหยดน้ำขนาดเล็ก จึงชนและรวมตัวกับหยดน้ำขนาดเล็กที่อยู่เบื้องล่าง ทำให้เกิดการสะสมตัวจนมีขนาดใหญ่ขึ้น ดังภาพที่ 1 เราเรียกกระบวนการนี้ว่า “กระบวนการชนและรวมตัวกัน” (Collision – coalescence process)

ภาพที่ 1 การหล่นของหยดน้ำขนาดเท่ากัน (ซ้าย) และขนาดแตกต่างกัน (ขวา)

นอกจากนั้นกระแสอากาศไหลขึ้น (Updraft) ยังช่วยให้เร่งอัตราการชนและรวมตัวให้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่อหยดน้ำมีขนาดใหญ่ประมาณ 1 มิลลิเมตร จะมีน้ำหนักมากพอที่จะชนะแรงพยุง และตกลงมาด้วยแรงโน้มถ่วงของโลก หยดน้ำที่ตกลงมาจากยอดเมฆชนและรวมตัวกับหยดน้ำอื่นๆ ในขาลงกลายเป็น “หยดน้ำฝน” (Rain droplets) ตกลงจากฐานเมฆ โดยมีขนาดประมาณ 2 - 5 มิลลิเมตร ดังภาพที่ 2

ภาพที่ 2 การเพิ่มขนาดของหยดน้ำในก้อนเมฆ

ในเขตที่มีอากาศหนาวเย็น เช่น ในเขตละติจูดสูงหรือบนเทือกเขาสูง รูปแบบของการเกิดหยาดน้ำฟ้าจะแตกต่างไปจากเขตร้อน หยดน้ำบริสุทธิ์ในก้อนเมฆมิได้แข็งตัวที่อุณหภมิ 0°C หากแต่แข็งตัวที่อุณหภูมิประมาณ -40°C เราเรียกน้ำในสถานะของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0°C นี้ว่า “น้ำเย็นยิ่งยวด” (Supercooled water) น้ำเย็นยิ่งยวดจะเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งได้ก็ต่อเมื่อกระทบกับวัตถุของแข็งอย่างทันทีทันใด ยกตัวอย่าง เมื่อเครื่องบินเข้าไปในเมฆชั้นสูง ก็จะเกิดน้ำแข็งเกาะที่ชายปีกด้านหน้า การระเหิดกลับเช่นนี้ (Deposition) จำเป็นจะต้องอาศัยแกนซึ่งเรียกว่า “แกนน้ำแข็ง” (Ice nuclei) เพื่อให้ไอน้ำจับตัวเป็นผลึกน้ำแข็ง ในก้อนเมฆมีน้ำครบทั้งสามสถานะ คือ น้ำแข็ง หยดน้ำ และไอน้ำ และมีแรงดันไอน้ำที่แตกต่างกัน  ไอน้ำระเหยจากละอองน้ำโดยรอบ แล้วระเหิดกลับรวมตัวเข้ากับผลึกน้ำแข็งอีกทีหนึ่ง ทำให้ผลึกน้ำแข็งมีขนาดใหญ่ขึ้น ดังภาพที่ 3  เราเรียกกระบวนการนี้ว่า “กระบวนการเบอร์เจอรอน” (Bergeron process)

ภาพที่ 3 การเพิ่มขนาดของผลึกน้ำแข็ง

 เมื่อผลึกน้ำแข็งมีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักมากพอที่จะชนะแรงพยุง (Updraft) มันจะตกลงมาด้วยแรงโน้มถ่วงของโลก และปะทะกับหยดน้ำเย็นยิ่งยวดซึ่งอยู่ด้านล่าง ทำให้เกิดการเยือกแข็งและรวมตัวให้ผลึกมีขนาดใหญ่ยิ่งขึ้นไปอีก นอกจากนั้นผลึกอาจจะปะทะกันเอง จนทำให้เกิดผลึกขนาดใหญ่ที่เรียกว่า “เกล็ดหิมะ” (Snow flake) ในเขตอากาศเย็น หิมะจะตกลงมาถึงพื้น แต่ในวันที่มีอากาศร้อน หิมะจะเปลี่ยนสถานะกลายเป็น “ฝน” เสียก่อนแล้วจึงตกถึงพื้น

ภาพที่ 4 กระบวนการเกิดหยาดน้ำฟ้าในเมฆคิวมูโลนิมบัส

ในเขตร้อนเช่น ประเทศไทย อากาศมีอุณหภูมิสูง ทำให้เกิดเมฆคิวมูโลนิมบัส (Cumulonimbus) ซึ่งเป็นเมฆพายุฝนฟ้าคะนอง  ภายในเมฆคิวมูโลนิมบัสจะมีทั้งกระแสอากาศยกตัว (Updraft) และกระแสอากาศจมตัว (Downdraft) สลับกันดังท่ีแสดงในภาพที่ 4  หากเครื่องบินผ่านเข้าไปในเมฆคิวมูโลนิมบัสก็จะเกิดสภาวะ "ตกหลุมอากาศ" (Turbulence)  กระแสอากาศที่พัดขึ้นและลงสลับกันในแนวดิ่งจะทำให้หยดน้ำที่เกิดขึ้นสะสมตัวกันจนมีขนาดใหญ่ และหากถูกพัดให้สูงขึ้นสู่ด้านบนซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง  ก้อนน้ำแข็งที่เกิดขึ้นประทะกับน้ำเย็นยิ่งยวด แล้วสะสมตัวกันเป็นชั้นๆ จนมีขนาดใหญ่แล้วตกลงมาเป็นลูกเห็บ (Hail)  ซึ่งถ้าหากพิจารณาภาคตัดขวางของลูกเห็บจะเห็นว่า มีลักษณะเป็นเปลือกห่อหุ้มกันเป็นชั้นๆ ดังภาพที่ 5

ภาพที่ 5 ลูกเห็บ