เสถียรภาพอากาศ

พื้นผิวโลกได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์ ทำให้อากาศซึ่งอยู่บนพื้นผิวมีอุณหภูมิสูงขึ้นและลอยตัวสูงขึ้น เมื่อกลุ่มอากาศร้อนยกตัว ปริมาตรจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากความกดอากาศน้อยลง มีผลทำให้อุณหภูมิลดลงด้วยอัตรา 10°C ต่อ 1,000 เมตร จนกระทั่งกลุ่มอากาศมีอุณหภูมิเท่ากับสิ่งแวดล้อมก็จะหยุดลอยตัว และเมื่อกลุ่มอากาศมีอุณหภูมิต่ำกว่าสิ่งแวดล้อมก็จะจมตัวลงและมีปริมาตรลดลง เนื่องจากความกดอากาศที่เพิ่มขึ้น และส่งผลทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นด้วย ดังภาพที่ 1

เมื่อกลุ่มอากาศยกตัวถึงระดับการควบแน่น อากาศจะอิ่มตัวด้วยไอน้ำ เนื่องจากอุณหภูมิลดต่ำจนถึงจุดน้ำค้าง หากอุณหภูมิยังคงลดต่ำไปอีก ไอน้ำในอากาศจะควบแน่นเปลี่ยนสถานะเป็นหยดน้ำขนาดเล็ก (ซึ่งก็คือเมฆที่เรามองเห็น) และคายความร้อนแฝงออกมา ทำให้อัตราการลดลงของอุณหภูมิเหลือ 5°C ต่อ 1,000 เมตร ดังภาพที่ 2

จะเห็นได้ว่า เมฆ” เกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการยกตัวของอากาศเท่านั้น กลไกที่ทำให้เกิดการยกตัวของอากาศในแนวดิ่งมี 4 กระบวนการ ดังนี้

• • สภาพภูมิประเทศ: เมื่อกระแสลมปะทะภูเขา อากาศถูกบังคับให้ลอยสูงขึ้นจนถึงระดับควบแน่นก็จะกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ ดังจะเห็นได้ว่า บนยอดเขาสูงมักมีเมฆปกคลุมอยู่ บริเวณยอดเขาจึงมีความชุ่มชื้นและอุดมไปด้วยป่าไม้ กระแสลมพัดผ่านข้ามยอดเขาเป็นอากาศแห้งที่สูญเสียไอน้ำ จะจมตัวลงและมีอุณหภูมิสูงขึ้น ภูมิอากาศบริเวณหลังภูเขาจึงเป็นเขตที่แห้งแล้ง เรียกว่า “เขตเงาฝน” (Rain shadow)

• • แนวปะทะ: อากาศร้อนมีความหนาแน่นต่ำกว่าอากาศเย็น เมื่ออากาศร้อนปะทะกับอากาศเย็น อากาศร้อนจะยกตัวขึ้น และอุณหภูมิลดต่ำลงจนถึงระดับควบแน่น ทำให้เกิดเมฆและฝน ดังที่เรามักจะได้ยินข่าวพยากรณ์อากาศว่า ลิ่มความกดอากาศสูง (อากาศเย็น) ปะทะกับหย่อมความกดอากาศต่ำ (อากาศร้อน) ทำให้เกิดพายุฝน

• • อากาศบีบตัว: เมื่อกระแสลมพัดมาปะทะกัน อากาศจะยกตัวขึ้น ทำให้อุณหภูมิลดต่ำลงจนเกิดอากาศอิ่มตัว ไอน้ำในอากาศควบแน่นเป็นหยดน้ำในก้อนเมฆ 

• การพาความร้อน: พื้นผิวของโลกมีความแตกต่างกัน จึงมีการดูดกลืนและคายความร้อนไม่เท่ากัน ซึ่งมีผลทำให้กลุ่มอากาศที่ลอยอยู่เหนือบริเวณ มีอุณหภูมิแตกต่างกันไปด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงฤดูร้อน (ตัวอย่างเช่น กลุ่มอากาศที่ลอยอยู่เหนือพื้นคอนกรีตจะมีอุณหภูมิสูงกว่ากลุ่มอากาศที่ลอยอยู่เหนือพื้นหญ้า) กลุ่มอากาศที่มีอุณหภูมิสูงมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศในบริเวณโดยรอบจึงลอยตัวสูงขึ้น  ดังจะสังเกตเห็นว่า ในวันที่มีอากาศร้อน นกเหยี่ยวสามารถลอยตัวอยู่เฉยๆ โดยไม่ต้องขยับปีกเลย

เมื่อกลุ่มอากาศยกตัว ปริมาตรจะเพิ่มขึ้นและอุณหภูมิลดต่ำลง ถ้ากลุ่มอากาศมีอุณหภูมิต่ำกว่าสภาวะแวดล้อม มันจะจมตัวกลับสู่ที่เดิม เนื่องจากมีความหนาแน่นมากกว่าอากาศโดยรอบ  เมื่อกลุ่มอากาศยกตัวสูงจนเหนือระดับควบแน่น เกิดเมฆในแนวราบและไม่สามารถยกตัวต่อไปได้อีก เราเรียกสภาวะเช่นนี้ว่า “อากาศมีเสถียรภาพ” (Stable air)  ซึ่งมักเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่มีอุณหภูมิต่ำ เช่น เวลาเช้า

แต่ในวันที่มีอากาศร้อน กลุ่มอากาศจะยกตัวขึ้นอย่างรวดเร็ว แม้จะมีความสูงเหนือระดับควบแน่นขึ้นไปแล้วก็ตาม กลุ่มอากาศก็ยังมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศโดยรอบ จึงลอยตัวสูงขึ้นไปอีก ทำให้เกิดเมฆก่อตัวในแนวตั้ง เช่น เมฆคิวมูลัสและเมฆคิวมูโลนิมบัส เราเรียกสภาวะเช่นนี้ว่า “อากาศไม่มีเสถียรภาพ” (Unstable air) อากาศไม่มีเสถียรภาพมักเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่มีอุณหภูมิสูง เช่น เวลาบ่ายของฤดูร้อน

หมายเหตุ: การที่เราเห็นฐานของเมฆแบนเรียบเป็นระดับเดียวกัน เป็นเพราะว่าเมื่อกลุ่มอากาศ (ก้อนเมฆ) จมตัวลงต่ำกว่าระดับควบแน่น อากาศด้านล่างมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดน้ำค้างและยังไม่อิ่มตัว ละอองน้ำที่หล่นลงมาจึงระเหยเปลี่ยนในสถานะเป็นแก๊ส (ไอน้ำ) เราจึงมองไม่เห็น  ซึ่งอาจกล่าวอีกอย่างว่า ฐานของเมฆถูกตัดด้วยความร้อนของอากาศด้านล่าง  ความชื้นสัมพัทธ์ในเมฆเป็น 100% จึงเกิดการควบแน่น แต่ความชื้นสัมพัทธ์ใต้ฐานเมฆไม่ถึง 100% จึงไม่มีการควบแน่น 

ปัจจัยที่ทำให้เกิดเมฆ | อุณหภูมิและความร้อน | กลไกการถ่ายเทความร้อน | การเปลี่ยนสถานะของน้ำ | ความดันไอน้ำ | อุณหภูมิอากาศ | ความชื้นสัมพัทธ์ | ความกดอากาศ | แกนควบแน่น | เมฆ | หมอก | หยาดน้ำฟ้า| ลม | เสถียรภาพอากาศ