กลไกการเกิดฝน
 การเกิดฝนเปนขั้นตอนหนึ่งของวัฏจักรน้้ำ (Water cycle) ดังแสดงในรูปที่ 1 เปนที่ทราบกันโดยทั่วไปวาน้ำเมื่อไดรับความร้อนก็จะระเหยเปลี่ยนสถานะภาพเปนก๊าซที่เรียกวาไอน้้ำลอยขึ้นสูบรรยากาศเมื่อไอน้ำกระทบกับความเย็นก็จะควบแนนจับตัวเปนกอนเมฆและเมื่ออนุภาคของไอน้ําจับตัวจนมีขนาดตางๆ กันในกอนเมฆ เมื่อมีขนาดใหญจนไมสามารถลอยตัวอยูในกอนเมฆไดก็จะตกมาเปนฝน และบางครั้งฝนก็ตกแผเปนบริเวณกว้างถึงร้อยๆ กิโลเมตรก็มีอยางไรก็ตามในขณะนี้ยังไมมีนักอุตุนิยมวิทยาคนใดเขาใจการกลไกเกิดของฝนไดอยางสมบูรณ์

รูปที่ 1 วัฏจักรน้ำ (Water cycle)

     
        ไอน้ำต้องการอนุภาคเล็กๆ ที่แขวนลอยอยูในอากาศเปน แกนควบแนน(condensation nuclei) แกนควบแนนเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติในการดูดซับน้ํา (Hygroscopic)ดังเชน ฝุน ควัน เกสรดอกไม
หรืออนุภาคเกลือ ซึ่งมีขนาดประมาณ 0.0002 มิลลิเมตร หากปราศจากแกนควบแนนแล้วไอน้ำบริสุทธิ์ไมสามารถควบแนนเปนของเหลวไดถึงแมจะมีความชื้นสัมพัทธมากกวา 100% ก็ตาม
        ฝนที่ตกลงมายังพื้นดินไดนั้นจะต้องมีเมฆเกิดในทองฟากอน เมฆมีอยูหลายชนิดและมีบางชนิดเทานั้นที่มีฝนตก เราไดกลาวไวในเรื่องการเกิดของเมฆวาไอน้ําจะกลั่นตัวเปนเมฆ ก็ตอเมื่อมีแกนควบแนน (Condensation nuclei) อยูเปนจํานวนมากเพียงพอและไอน้ำจะเกาะตัวบนอนุภาคเหลานั้นรวมกันทําใหเห็นเปนเมฆ เมฆจะกลั่นตัวเปนน้ําฝนไดก็ตองมีอนุภาคแข็งตัว (Freezingnuclei)หรือเม็ดน้ําขนาดใหญ ซึ่งจะดึงเม็ดน้ำขนาดเล็กมารวมตัวกันจนเกิดเปนเม็ดฝน
       สภาวะของน้ําที่ตกลงมาจากทองฟานั้น อาจจะเปนลักษณะของฝนหิมะ ฝนละอองหรือลูกเห็บ ซึ่งเราเรียกสิ่งเหลานี้รวมวาเปน น้ําฟา (Precipitation) การที่น้ําฟาจะตกลงมาเปนฝนหรือหิมะนั้นขึ้นอยูกับอุณหภูมิของอากาศวารอนเย็นแคไหน ลักษณะของหิมะหรือผลึกน้ําแข็งเล็กๆ แตละอันจะมีรูปรางตางๆกัน แตมีลักษณะที่คลายกันอยูอยางหนึ่งคือ หิมะหรือผลึกน้ําแข็งสวนมากจะเปนรูปหกเหลี่ยมทั้งสิ้น ดแสดงในรูปที่ 2

                                                        รูปที่ 2 ผลึกน้ําแข็งรูปหกเหลี่ยม

            น้ําฟาตองเกิดจากเมฆ ถาไมมีเมฆจะไมมีน้ำฟ้าแตเมื่อมีเมฆก็ไมจําเปนจะตองมีน้ำฟาเสมอไป เพราะมีเมฆหลายชนิดที่ลอยอยูในทองฟาเฉยๆ ไมตกลงมาและมีบางชนิดเทานั้นที่ทําใหเกิดน้ําฟาได
            เราไดเคยกลาวไวกอนแลววาเมื่ออากาศเย็นลงไอน้ําในบรรยากาศจะเกิดการกลั่นตัว(Condensation) เปนเมฆหรือหมอก เมฆหรือหมอกคือเม็ดน้ําเล็กๆ ซึ่งมีไอน้ํารวมตัวกันเกาะอยูบนอนุภาคดูดน้ํา (hygroscopicparticles) เชน อนุภาคเกลือเปนตน เราเรียกอนุภาคชนิดนี้วาอนุภาคกลั่นตัว อนุภาคกลั่นตัวนี้มีในธรรมชาติและมีความสําคัญในการชวยใหไอน้ํากลั่นตัวเปนเมฆหรือหมอกงายขึ้น ถ้าไมมีอนุภาคกลั่นตัวไอน้ําจะเปลี่ยนเปนหมอกหรือเมฆไดยากมาก
           เราไดกลาวแลววา เมฆประกอบดวยเม็ดน้ําและเม็ดน้ําแข็งขนาดเล็กมากเมื่อขนาดยังไมโตพอ เม็ดน้ําและเม็ดน้ําแข็งจะลอยอยในบรรยากาศเนื่องจากมีกระแสลมพัดขึ้นตามแนวตั้งคอยตานปะทะไมให้ตกลงมาตามธรรมดาเส้นผาศูนยกลางของเม็ดเมฆจะมีคาประมาณ 0.01 ถึง 0.02 มิลลิเมตร หรือเทากับ 10 ถึง 20 ไมครอน (1,000ไมครอน = 1มิลลิเมตร) เม็ดเมฆขนาด 10 ไมครอนนี้จะไมตกลงมายังพื้นดิน ตอเมื่อเม็ดเมฆรวมกันโตจนมีเสนผาศูนยกลางถึง 1 มิลลิเมตร หรือ 1,000 ไมครอน หรือใหญกวานี้ มันจะตกลงมาจากเมฆ ตามธรรมดาแล้วเม็ดฝน 1 เม็ด เกิดมาจากเม็ดเมฆรวมกันมากกวา 1 ลานเม็ดในรูปที่ 3 เปรียบเทียบขนาดเม็ดฝนตางๆ ดังนั้นจึงมีปัญหาวา เม็ดเมฆจํานวนมากกวา 1 ลานเม็ดนั้นรวมกันเปนฝน 1 เม็ดไดอยางไร ความรูในกลไกการรวมตัวนี้ยังไมสามารถทราบอยางชัดเจน แตในขณะนี้นักวิทยาศาสตร์ไดตั้งทฤษฎีของการรวมตัว (Coalescence) ของเม็ดเมฆจนเกิดเปนฝนไว 2 กระบวนการใหญๆ คือกระบวนการการชนกันแล้วรวมตัวกัน(Collision-coalescence-process)และกระบวนการเบอร์เจอรอน (Bergeron process)

รูปที่ 3 เปรียบเทียบขนาดเม็ดเมฆ แบบธรรมดา เม็ดขนาดใหญ เม็ดฝนปรอยขนาดใหญและเม็ดฝนขนาดธรรมดา

     1 กระบวนการการชนกันแลวรวมตัวกัน (Collision-coalescence-process) การจับตัวรวมกัน (Capture process) หรือกระบวนการของฝนในเขตรอน (Warm rain process)  กระบวนการที่มีชื่อตางๆ กันทั้ง 3 อยางนี้เปนกระบวนการเดียวกัน ซึ่งมีสมมุติฐานวา ในกอนเมฆกอนหนึ่งจะมีเม็ดเมฆ (Clouddroplets) ขนาดตางๆ หลายขนาดเม็ดเมฆขนาดใหญมีการเคลื่อนที่เร็วกวาเม็ดเมฆขนาดเล็ก จึงเคลื่อนเขาชนเม็ดขนาดเล็กในทางเดินของมัน จะมีอัตราและทิศของการเคลื่อนตัวตางกับเม็ดเมฆขนาดเล็ก โดยเหตุนี้เม็ดขนาดใหญและเล็กจึงชนกันเกิดการรวมตัวใหมีขนาดใหญยิ่งขึ้น (Collision and coalescence) ดังแสดงในรูปที่ 4 พฤติการณนี้จะเกิดซ้ําๆ ตอเนื่องกันอยางรวดเร็วจนเกิดเม็ดน้ําใหญมาก
และเม็ดใหญๆ จะแตกแยกออกแลวเกิดกรรมวิธีซ้ําๆ กัน อีกจนเกิดเปนปฏิกิริยาลูกโซทําใหเกิดฝนมากไดกรรมวิธีนี้เปนกรรมวิธีของการเกิดฝนในเขตรอน ซึ่งเมฆมีอุณหภูมิสูงกวา 0 °C

รูปที่ 4 กระบวนการการชนกันแลวรวมตัวกัน (Collision-coalescence-process)

       2 กระบวนการเบอรเจอรอน (Bergeron process)เปนกระบวนการการเกิดฝน ในเขตที่มีอากาศหนาวเย็น เชน ในเขตละติจูดสูง หรือบนเทือกเขาสูงรูปแบบของการเกิดหยาดน้ําฟาจะแตกตางไปจากเขตรอน หยดน้ําบริสุทธิ์ในก้อนเมฆไมไดแข็งตัวที่อุณหภูมิ 0 °C หากแตแข็งตัวที่อุณหภูมิประมาณ -40°C เราเรียกน้ําในสถานะของเหลวที่อุณหภูมิต่ํากวา 0 °C นี้วา น้ําเย็นยิ่งยวดจะเปลี่ยนสถานะเปนของแข็งไดก็ตอเมื่อกระทบกับวัตถุของแข็งอย่างทันทีทันใดยกตัวอยาง เมื่อเครื่องบินเขาไปในเมฆชั้นสูงก็
จะเกิดน้ําแข็งเกาะที่ชายปกด้านหน้าการระเหิดกลับ(Deposition) เชนนี้จําเปนจะต้องอาศัยแกนซึ่งเรียกวาแกนน้ําแข็ง (Ice nuclei)เพื่อใหไอน้ําจับตัวเปนผลึกน้ําแข็ง ในกอนเมฆมีน้ําครบทั้งสามสถานะและมีแรงดันที่แตกตางกัน ไอน้ําระเหยจากละอองน้ําโดยรอบ แลวระเหิดกลับรวมตัวเขากับผลึกน้ําแข็งอีกทีหนึ่ง ทําใหผลึกน้ําแข็งมีขนาดใหญขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 5 เมื่อผลึกน้ําแข็งมีขนาดใหญและมีน้ําหนักมากพอที่จะชนะแรงพยุง (Updraft) มันจะตกลงมาดวยแรงโนมถวงของโลกและปะทะกบหยดน้ำเย็นยิ่งยวดซึ่งอยู่ด้านลาง ทําใหเกิดการเยือกแข็งและรวมตัวใหผลึกมีขนาดใหญยิ่งขึ้นไปอีก นอกจากนั้นผลึกอาจจะปะทะกันเองจนทําใหเกิดผลึกขนาดใหญที่เรียกวา เกล็ดหิมะ (Snow flake) ในเขตอากาศเย็น หิมะจะตกลงมาถึงพื้น แตในวันที่มีอากาศร้อน หิมะจะเปลี่ยนสถานะกลายเปน ฝน เสียกอนแล้วจึงตกถึงพื้น

รูปที่ 5 กระบวนการเบอรเจอรอน (Bergeron process)

คำถาม

1. แกนควบแนนเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นอย่างไร

ตอบ  เป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติในการดูดซับน้ํา (Hygroscopic)

2. หากปราศจากแกนควบแนนแล้วไอน้ำบริสุทธิ์จะสามารถควบแน่นเป็นของเหลวได้หรือไม่

ตอบ ไมสามารถควบแนนเปนของเหลวไดถึงแมจะมีความชื้นสัมพัทธมากกวา 100% ก็ตาม

3. ถาไมมีเมฆจะไมมีน้ำฟ้าแตถ้ามีเมฆจำเปนต้องมีน้ำฟ้าหรือไม่
ตอบ  ไม่จำเป็นต้องมีน้ำฟ้าเสมอไป
4.น้ําที่ตกลงมาจากทองฟาอาจจะเปนลักษณะของฝนหิมะ ฝนละอองหรือลูกเห็บ สิ่งเหล่านี้เรียกรวมว่าอย่างไร
ตอบ น้ําฟา (Precipitation)
5. หยดน้ําบริสุทธิ์ในก้อนเมฆแข็งตัวที่อุณหภูมิเท่าใด
ตอบ แข็งตัวที่อุณหภูมิประมาณ -40°C
6. เราเรียกน้ําในสถานะของเหลวที่อุณหภูมิต่ํากวา 0 °C นี้วาอะไร
ตอบ น้ําเย็นยิ่งยวด
7. เราอาศัยแกนน้ำแข็งเพื่ออะไร
ตอบ  เพื่อใหไอน้ําจับตัวเปนผลึกน้ําแข็ง
8. การรวมตัวใหผลึกมีขนาดใหญ ผลึกอาจจะปะทะกันเองจนทําใหเกิดผลึกขนาดใหญเรียกวาอะไร
ตอบ  เกล็ดหิมะ (Snow flake)
9. หิมะจะตกลงมาถึงพื้น แตในวันที่มีอากาศร้อน หิมะจะเปลี่ยนสถานะกลายเปนอะไร
ตอบ ฝน 
10. เมฆจะกลั่นตัวเปนน้ําฝนไดก็ตองมีอนุภาคแข็งตัว (Freezingnuclei) ซึ่งจะดึงเม็ดน้ำขนาดเล็กมารวมตัวกันจนเกิดเปนอะไร
ตอบ เม็ดฝน

อ้างอิง
สารานุกรมไทยสําหรับเยาวชนฯเลมที่ 4 การเกิดฝน โดย นาวาเอกเจริญ เจริญรัชตภาคย
โครงการเรียนรูเรื่องโลกและอวกาศ

http://202.129.59.73/wm/Water/water9/water9.pdf


นางสาวเพ็ญพร ปิ่นหิรัญกาญจน์ ม.5/3 เลขที่ 20