พื้นผิวโลกได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์ ทำให้อากาศซึ่งอยู่บนพื้นผิวมีอุณหภูมิสูงขึ้นและลอยตัวสูงขึ้น เมื่อกลุ่มอากาศร้อนยกตัว ปริมาตรจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากความกดอากาศน้อยลง มีผลทำให้อุณหภูมิลดลงด้วยอัตรา 10°C ต่อ 1,000 เมตร จนกระทั่งกลุ่มอากาศมีอุณหภูมิเท่ากับสิ่งแวดล้อมก็จะหยุดลอยตัว และเมื่อกลุ่มอากาศมีอุณหภูมิต่ำกว่าสิ่งแวดล้อมก็จะจมตัวลงและมีปริมาตรลดลง เนื่องจากความกดอากาศที่เพิ่มขึ้น และส่งผลทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นด้วย ดังภาพที่ 1
ภาพที่ 1 เสถียรภาพของอากาศ
เมื่อกลุ่มอากาศยกตัวถึงระดับการควบแน่น อากาศจะอิ่มตัวด้วยไอน้ำ เนื่องจากอุณหภูมิลดต่ำจนถึงจุดน้ำค้าง หากอุณหภูมิยังคงลดต่ำไปอีก ไอน้ำในอากาศจะควบแน่นเปลี่ยนสถานะเป็นหยดน้ำขนาดเล็ก (ซึ่งก็คือเมฆที่เรามองเห็น) และคายความร้อนแฝงออกมา ทำให้อัตราการลดลงของอุณหภูมิเหลือ 5°C ต่อ 1,000 เมตร ดังภาพที่ 2
ภาพที่ 2 การควบแน่นเนื่องจากการยกตัวของอากาศ
จะเห็นได้ว่า เมฆ” เกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการยกตัวของอากาศเท่านั้น กลไกที่ทำให้เกิดการยกตัวของอากาศในแนวดิ่งมี 4 กระบวนการ ดังนี้
สภาพภูมิประเทศ: เมื่อกระแสลมปะทะภูเขา อากาศถูกบังคับให้ลอยสูงขึ้นจนถึงระดับควบแน่นก็จะกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ ดังจะเห็นได้ว่า บนยอดเขาสูงมักมีเมฆปกคลุมอยู่ บริเวณยอดเขาจึงมีความชุ่มชื้นและอุดมไปด้วยป่าไม้ กระแสลมพัดผ่านข้ามยอดเขาเป็นอากาศแห้งที่สูญเสียไอน้ำ จะจมตัวลงและมีอุณหภูมิสูงขึ้น ภูมิอากาศบริเวณหลังภูเขาจึงเป็นเขตที่แห้งแล้ง เรียกว่า “เขตเงาฝน” (Rain shadow)
ภาพที่ 3 อากาศยกตัวเนื่องจากสภาพภูมิประเทศ
แนวปะทะ: อากาศร้อนมีความหนาแน่นต่ำกว่าอากาศเย็น เมื่ออากาศร้อนปะทะกับอากาศเย็น อากาศร้อนจะยกตัวขึ้น และอุณหภูมิลดต่ำลงจนถึงระดับควบแน่น ทำให้เกิดเมฆและฝน ดังที่เรามักจะได้ยินข่าวพยากรณ์อากาศว่า ลิ่มความกดอากาศสูง (อากาศเย็น) ปะทะกับหย่อมความกดอากาศต่ำ (อากาศร้อน) ทำให้เกิดพายุฝน
ภาพที่ 4 อากาศยกตัวเนื่องจากแนวปะทะอากาศ
อากาศบีบตัว: เมื่อกระแสลมพัดมาปะทะกัน อากาศจะยกตัวขึ้น ทำให้อุณหภูมิลดต่ำลงจนเกิดอากาศอิ่มตัว ไอน้ำในอากาศควบแน่นเป็นหยดน้ำในก้อนเมฆ
ภาพที่ 5 อากาศยกตัวเนื่องจากอากาศบีบตัว
การพาความร้อน: พื้นผิวของโลกมีความแตกต่างกัน จึงมีการดูดกลืนและคายความร้อนไม่เท่ากัน ซึ่งมีผลทำให้กลุ่มอากาศที่ลอยอยู่เหนือบริเวณ มีอุณหภูมิแตกต่างกันไปด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงฤดูร้อน (ตัวอย่างเช่น กลุ่มอากาศที่ลอยอยู่เหนือพื้นคอนกรีตจะมีอุณหภูมิสูงกว่ากลุ่มอากาศที่ลอยอยู่เหนือพื้นหญ้า) กลุ่มอากาศที่มีอุณหภูมิสูงมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศในบริเวณโดยรอบจึงลอยตัวสูงขึ้น ดังจะสังเกตเห็นว่า ในวันที่มีอากาศร้อน นกเหยี่ยวสามารถลอยตัวอยู่เฉยๆ โดยไม่ต้องขยับปีกเลย
ภาพที่ 6 อากาศยกตัวเนื่องจากการพาความร้อน
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
ภาพที 7 เสถียรภาพของอากาศ
หมายเหตุ: การที่เราเห็นฐานของเมฆแบนเรียบเป็นระดับเดียวกัน เป็นเพราะว่าเมื่อกลุ่มอากาศ (ก้อนเมฆ) จมตัวลงต่ำกว่าระดับควบแน่น อากาศด้านล่างมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดน้ำค้างและยังไม่อิ่มตัว ละอองน้ำที่หล่นลงมาจึงระเหยเปลี่ยนในสถานะเป็นแก๊ส (ไอน้ำ) เราจึงมองไม่เห็น ซึ่งอาจกล่าวอีกอย่างว่า ฐานของเมฆถูกตัดด้วยความร้อนของอากาศด้านล่าง ความชื้นสัมพัทธ์ในเมฆเป็น 100% จึงเกิดการควบแน่น แต่ความชื้นสัมพัทธ์ใต้ฐานเมฆไม่ถึง 100% จึงไม่มีการควบแน่น