ฟิสิกส์ของฝุ่นจิ๋ว

มลภาวะอากาศเหนือ Salt Lake Valley รัฐ Utah ประเทศสหรัฐอเมริกา
(ภาพจาก https://phys.org/news/2010-02-big-dirty-air-inversions.html)

ตั้งแต่ช่วงส่งท้ายปี พ.ศ.2561 จนถึงเดือนเมษายน พ.ศ.2562 หลายจังหวัดในประเทศไทยได้ประสบปัญหามลภาวะทางอากาศครั้งใหญ่ในรอบหลายปี เหตุการณ์นี้ได้ส่งผลให้ชื่อของฝุ่นจิ๋ว PM2.5 เป็นที่รู้จักอย่างแพร่หลายจนผู้คนทั่วบ้านทั่วเมืองพร้อมใจใส่หน้ากากอนามัยกันถ้วนหน้า


ฝุ่น PM หรือ Particulate Matters ถูกแบ่งออกเป็นฝุ่นหยาบ (PM10) ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.5 ถึง 10 ไมครอน กับฝุ่นละเอียด (PM2.5) ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 2.5 ไมครอน หรือประมาณ 1 ใน 25 ของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมมนุษย์ ซึ่งเราทุกคนคงได้รับข้อมูลข่าวสารมาอย่างต่อเนื่องว่า PM2.5 สามารถส่งผลกระทบในทางลบต่อปอด หัวใจ หลอดเลือด เป็นสาเหตุของโรคที่อันตรายอีกหลายโรค โดยเฉพาะในหญิงมีครรภ์ เด็ก คนชรา และคนที่มีโรคประจำตัว ต้องระมัดระวังดูแลตัวเองเป็นพิเศษ เพราะแหล่งกำเนิดของฝุ่นเหล่านี้มีอยู่รอบตัวเราทั้งจากการเผาไหม้ในที่โล่ง ควันเสียจากเครื่องยนต์ โรงไฟฟ้าที่มีการเผาไหม้ โรงงานอุตสาหกรรมบางประเภท การทำเหมือง และอื่นๆ อีกหลายสาเหตุ


ปัญหาของฝุ่น PM2.5 ไม่ใช่แค่ขนาดที่เล็กจนขนจมูกของมนุษย์ไม่สามารถกรองได้เท่านั้น แต่แหล่งกำเนิดและพฤติกรรมการกระจายตัวของมันก็เป็นปัญหาใหญ่เช่นกัน อย่างไรก็ตาม ก่อนที่ผู้เขียนจะเล่าเรื่องของฝุ่น ผู้เขียนจะต้องอธิบายแบบจำลองการกระจายตัวของมลภาวะในอากาศเสียก่อน


นักฟิสิกส์บรรยากาศ (Atmospheric Physicist) ซึ่งศึกษากระบวนการต่างๆ ในชั้นบรรยากาศ เช่น การเกิดเมฆ การแผ่รังสี พลวัตของอากาศ รวมถึงการกระจายตัวของมลภาวะในอากาศ ได้แบ่งแหล่งกำเนิดของมลภาวะเหล่านี้ออกเป็น 2 ประเภท คือ

1. แหล่งกำเนิดบนพื้นดิน เช่น ควันจากยานพาหนะและควันจากการเผาไหม้วัตถุต่างๆ

2. แหล่งกำเนิดเหนือพื้นดิน เช่น ควันจากปล่องไฟของโรงงาน ควันจากโรงไฟฟ้าบางประเภท และควันที่มีแหล่งกำเนิดอยู่บนที่สูงอย่างภูเขา

หากควันที่ถูกปลดปล่อยออกสู่อากาศมีลักษณะต่อเนื่องเป็นทางยาวจะเรียกว่า พลูม (Plume) แต่ถ้าควันถูกปล่อยออกมาเป็นช่วงๆ หรือเป็นก้อนไม่ต่อเนื่องจะเรียกว่า พัฟฟ์ (Puff)
เมื่อใดที่พลูมที่ถูกปลดปล่อยออกมาโดนกระแสลมพัดไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง กลุ่มควันจะค่อยๆ แผ่ออกด้านข้างเป็นฟังก์ชันของเวลา ความเข้มข้นของมลสารจะสูงที่สุดบริเวณกึ่งกลางของควัน ส่วนบริเวณขอบด้านข้างของควันจะมีความเข้มข้นน้อยกว่า เพราะอิทธิพลจากการพา (Convection) ในทิศตามลมมีค่ามากกว่าการแพร่กระจาย (Diffusion) ตามทิศขวางลม เรียกรูปแบบการกระจายตัวแบบนี้ว่า Gaussian Plume Dispersion Model

แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของการกระจายตัวของมลภาวะอากาศ

พฤติกรรมของพลูมขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของอากาศในแนวดิ่งและการเคลื่อนไหวของอากาศ หากในบรรยากาศมีกระแสหมุนวน (Eddy Current) น้อย พลูมจะมีความปั่นป่วนน้อย เคลื่อนที่เป็นแนวตรง และกระจายตัวช้า แต่ถ้าในบรรยากาศมีกระแสหมุนวนขนาดใหญ่ พลูมจะมีความปั่นป่วนสูงและกระจายตัวเร็ว ผลของปัจจัยดังกล่าวส่งผลให้พลูมมีรูปร่างหน้าตาแตกต่างกัน ดังรูปนี้

พลูมรูปแบบต่างๆ ที่สามารถเกิดขึ้นได้
(ภาพดัดแปลงจาก Geiger et al. 1995)

คราวนี้เราลองพิจารณาว่าแหล่งกำเนิดของพลูมตั้งอยู่ใกล้กับตัวเมืองที่มีตึกและอาคารอยู่มาก โดยสมมุติให้พลูมที่ถูกกระแสลมพัดเข้าหาตัวเมืองมีความปั่นป่วนน้อย ตามหลักกลศาสตร์ของไหล เส้นกระแส (Stream Lines) ของพลูมก่อนเข้าปะทะกับตัวเมืองจะมีความเป็นระเบียบสูง แต่เมื่อพลูมเข้าปะทะกับสิ่งก่อสร้างจะเกิดการปั่นป่วน (Wake) ของพลูมที่ด้านหลังสิ่งก่อสร้างเนื่องจากคุณสมบัติด้านความหนืดของของไหล หมายความว่าหากสิ่งก่อสร้างมีจำนวนมาก พลูมก็อาจถูกลมพัดออกไปได้ช้านั่นเอง

 

พฤติกรรมของพลูมเมื่อเคลื่อนที่ผ่านสิ่งปลูกสร้าง
(ภาพจาก U.S. Environmental Protection Agency)

กลับมาที่เรื่องปัญหาฝุ่นละอองในบ้านเรา สาเหตุที่ทำให้ฝุ่นละอองเหล่านี้คงอยู่เป็นเวลานานไม่ได้เกิดจากการใช้รถยนต์และการเผาในที่โล่งเป็นจำนวนมากเท่านั้น แต่ปัจจัยสำคัญที่ทำให้ฝุ่นละอองจมตัวไม่ลอยไปไหนเกิดจากปรากฏการณ์ อุณหภูมิผกผัน (Temperature Inversion) ซึ่งอาจเกิดจากพื้นดินคายความร้อนออกมาอย่างรวดเร็วในรูปของการแผ่รังสี ส่งผลให้อากาศที่อยู่ติดพื้นดินเย็นลงจนมีอุณหภูมิต่ำกว่าอากาศที่อยู่สูงขึ้นไป ควันและฝุ่นละอองจึงถูกกักเอาไว้ในอากาศชั้นล่าง (ปรากฏการณ์นี้สามารถเกิดจากมวลอากาศเย็นแทรกตัวเข้าไปอยู่ใต้มวลอากาศอุ่น หรือเกิดจากความกดอากาศสูงกดทับอากาศด้านล่างได้เช่นกัน)
 

ภาพเปรียบเทียบสภาพอากาศปกติและขณะเกิด Inversion
(ภาพจาก https://www.sciencelearn.org.nz/images/1883-temperature-inversion)

นอกจากผลกระทบด้านสุขภาพ ฝุ่นละอองที่ลอยอยู่ในอากาศยังทำให้ทัศนวิสัยในการมองเห็นลดต่ำลงด้วย เนื่องจากฝุ่นละอองมีคุณสมบัติในการกระเจิงและดูดกลืนแสง ซึ่งค่าการลดทอนแสงอาทิตย์จะขึ้นอยู่กับขนาดและปริมาณฝุ่นละออง หากฝุ่นละอองมีมาก ท้องฟ้าก็มีแนวโน้มที่จะขุ่นมัว เพราะสัมประสิทธิ์ความขุ่นมัวของอังสตรอม (Angstrom 's Turbidity Coefficient) มีค่ามากนั่นเอง (นี่คือสาเหตุที่ทำให้บางเที่ยวบินต้องถูกยกเลิกหรือเลื่อนเวลาออกไป)


การตรวจวัดความเข้มข้นของฝุ่นละอองในอากาศสามารถทำได้โดยใช้วิธีที่เรียกว่า Gravimetric ซึ่งมีหลักการที่ไม่ซับซ้อน คือ ใช้ปั๊มดูดอากาศผ่านแผ่นกรองภายใต้อัตราการไหล อุณหภูมิ ความดัน และเวลาที่กำหนด จากนั้นคำนวณความเข้มข้นของฝุ่นละอองจากน้ำหนักของฝุ่นละอองหารด้วยปริมาตรอากาศ ผลลัพธ์ที่ได้จะรายงานในหน่วยไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตร หรืออาจใช้วิธี Beta Ray Absorption โดยฉายรังสีเบต้าลงบนกระดาษกรองที่มีฝุ่นและไม่มีฝุ่น แล้วเปรียบเทียบปริมาณรังสีที่เหลือที่ผ่านออกจากกระดาษกรองเพื่อหาความเข้มข้นของฝุ่นละอองที่ตรวจวัดได้


ผู้อ่านทุกท่านคงทราบว่าอากาศจะดีหรือไม่ดีสามารถพิจารณาได้จากดัชนีคุณภาพอากาศ (Air Quality Index หรือ AQI) ซึ่งประกอบด้วย PM2.5 PM10 แก๊สโฮโซน แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ แก๊สไนโตรเจนไดออกไซด์ และแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ หากค่าดังกล่าวสูงก็หมายความว่าคุณภาพอากาศไม่ดี ซึ่งประเทศไทยกำหนดว่า AQI มากกว่า 51 จัดเป็นคุณภาพอากาศปานกลาง


พออ่านมาถึงจุดนี้ หลายท่านคงมีคำถามว่าประชาชนทั่วไปมีวิธีใดบ้างในการปกป้องตัวเองจากฝุ่นจิ๋วเหล่านี้ วิธีการที่ง่าย รวดเร็ว และประหยัดที่สุดคงเป็นการใส่หน้ากากอนามัยชนิด N95 ติดเครื่องกรองอากาศภายในบ้าน ติดตั้งหัวพ่นหมอกในบริเวณบ้าน (สามารถช่วยลดฝุ่นได้เพียงเล็กน้อย) ปลูกต้นไม้ใบเล็กและมีลักษณะเป็นพุ่มรอบตัวบ้าน เพราะไม้พุ่มสามารถชะลอการไหลของอากาศ ทำให้ฝุ่นตกลงพื้นและเกาะติดตามผิวใบได้มากขึ้น


สำหรับมาตรการลดฝุ่นในระดับประเทศ ต้องควบคุมการเผาในที่โล่ง ติดตั้งผนังต้นไม้หรือ Green Wall ตามผนังอาคาร ปลูกไม้พุ่มใบเล็กตามถนน (มีงานวิจัยระบุว่าการปลูกต้นไม้ริมถนนประมาณ 30% ของพื้นที่ สามารถลดปริมาณฝุ่นได้เกือบ 70%) แทนที่ยานพาหนะแบบเก่าด้วยยานพาหนะไฟฟ้า ลดการใช้พลังงานฟอสซิล เร่งพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อเพิ่มสัดส่วนพลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม พลังงานไฮโดรเจน และพลังงานนิวเคลียร์


จากที่กล่าวมาทั้งหมด ท่านผู้อ่านคงพบว่าปัญหาฝุ่นละอองไม่ใช่ปัญหาที่จะแก้ไขได้ในระยะเวลาอันสั้น แต่ความหวังก็ไม่ได้เป็นศูนย์เสียทีเดียว เพราะหากมีการผลักดันมาตรการที่ถูกต้องอย่างแข็งขันโดยเร็ว ความฝันที่จะเห็นเมืองไทย(เกือบ)ไร้ฝุ่นก็คงไม่ไกลเกินเอื้อมครับ



 

เรียบเรียงโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

• [1] หนังสือ มลภาวะอากาศ โดย วงศ์พันธ์ ลิมปเสนีย์ และคณะ
• [2] หนังสือ มลพิษทางอากาศ โดย ศิวพันธุ์ ชูอินทร์
• [3] หนังสือ รังสีอาทิตย์ โดย รองศาสตราจารย์ ดร.เสริม จันทร์ฉาย
• [4] บทบาทของพื้นที่สีเขียวบริเวณริมถนนกับปริมาณฝุ่นละอองขนาดเล็ก โดย ศิรภัสร์ โคตรสีวงษ์ และคณะ
• [5] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26896893
• [6] http://elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/AtmosphericChemistry/ch10s03.html
• [7] https://www.wrh.noaa.gov/slc/climate/TemperatureInversions.php