ระเบิดนิวเคลียร์ พายุหมุน และกังหันลมยักษ์ เกี่ยวข้องกันอย่างไร?

ภาพล้อเลียนการทิ้งระเบิดนิวเคลียร์ลงในพายุเฮอร์ริเคน
ที่มา https://www.weathernationtv.com/news/dont-destroy-hurricanes-nuking/

 

          ทุกครั้งที่มีพายุขนาดใหญ่เกิดขึ้นที่ประเทศสหรัฐอเมริกาก็มักมีผู้คนจำนวนหนึ่งส่งคำถามไปยังหน่วยงานด้านวิทยาศาสตร์ว่า “ทำไมไม่ใช้ระเบิดนิวเคลียร์ทำลายพายุทิ้งซะ?” พอโดนถามด้วยคำถามเดียวกันบ่อยๆ ทาง National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ซึ่งเป็นหน่วยงานที่ศึกษาเกี่ยวกับมหาสมุทรและบรรยากาศจึงเขียนคำอธิบายเผยแพร่ลงในเว็บไซต์ แต่ก่อนที่ผู้เขียนจะกล่าวถึงผลกระทบจากการทิ้งระเบิดนิวเคลียร์ลงในพายุ เราต้องมาดูที่มาที่ไปของพายุกันก่อน ศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับพายุเรียกว่า พายุวิทยา (Tempestology) พายุหมุนเขตร้อน (Tropical Cyclone) จะเริ่มก่อตัวจากหย่อมความกดอากาศต่ำ (Low Pressure Area) เหนือพื้นทะเลที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 26.5 องศาเซลเซียส และมีความชื้นในอากาศสูง บริเวณ 23.5 องศาเหนือและใต้ โดยบริเวณที่พายุก่อตัวจะมีอากาศไหลเข้าสู่ศูนย์กลางที่ด้านล่างและไหลออกที่ด้านบนของพายุ หากความกดอากาศบริเวณดังกล่าวมีค่าต่ำลงเรื่อยๆ (ทวีความรุนแรงขึ้น) ก็จะกลายเป็นพายุที่มีความเร็วลมมากขึ้น โดยเรียงลำดับจากพายุดีเปรสชัน (Depression) พายุโซนร้อน (Tropical Storm) และพายุไต้ฝุ่น (Typhoon) ซึ่งแท้จริงแล้วพายุไต้ฝุ่น พายุไซโคลน และพายุเฮอร์ริเคนเป็นพายุชนิดเดียวกัน เพียงแต่มีชื่อเรียกแตกต่างกันตามสถานที่เกิดพายุ โดยมาตราที่ใช้บอกความรุนแรงของพายุเฮอร์ริเคนมีชื่อเรียกว่า Saffir-Simpson Hurricane Scale ดังรูป

ที่มา https://serc.carleton.edu/eslabs/hurricanes/2a.html

 

          เมื่อพิจารณาโครงสร้างของพายุหมุนเขตร้อนจะพบว่าโครงสร้างของมันถูกแบ่งออกเป็นชั้นต่างๆ ส่วนแรกคือ Outer Rain Bands หมายถึงอากาศที่ไหลเวียนอยู่ด้านนอกสุดของพายุมีทิศทางไหลเข้าสู่ศูนย์กลาง มีลมพัด และมีฝนตกเล็กน้อยถึงปานกลาง ส่วนที่สองคือ Inner Rain Bands หมายถึงอากาศที่ไหลเวียนอยู่ด้านในถัดเข้ามาใกล้แกนกลางพายุ มีฝนตกปานกลาง มีลมพัดแรง และมีเมฆปกคลุมเป็นส่วนใหญ่ ส่วนที่สามคือ Eye Wall หมายถึงบริเวณรอบแกนกลางพายุ มีเมฆก่อตัวชัดเจน มีลมพัดแรง และมีอุณหภูมิสูงกว่าขอบนอก และส่วนสุดท้ายคือ Eye หมายถึงบริเวณแกนกลางของพายุที่มีความกดอากาศต่ำซึ่งจะทำให้ระดับผิวน้ำทะเลด้านล่างยกตัวสูงขึ้นเล็กน้อย และมีลมพัดเบา

โครงสร้างของพายุเฮอร์ริเคน
ที่มา The National Hurricane Center/ Business Insider

 

กระบวนการทางเทอร์โมไดนามิกส์ของพายุเฮอร์ริเคน
ที่มา Hurricane Science Tutorial-Kerry Emanuel

 

          หากมีพายุหมุนเขตร้อนหรือพายุหมุนนอกเขตร้อน (Extratropical Cyclone) จำนวน 2 ลูกเคลื่อนที่เข้าใกล้กันประมาณ 1,400 และ 2,000 กิโลเมตร ตามลำดับ พายุทั้งสองลูกสามารถรวมกันเป็นพายุที่มีขนาดใหญ่ขึ้นได้ เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า Fujiwhara Effect ซึ่งถูกค้นพบโดยนักอุตุนิยมวิทยาชื่อ Sakuhei Fujiwhara

การเกิด Fujiwhara Effect
ที่มา www.hko.gov.hk

 

          ต่อไปเราจะมาดูกันว่าหากทิ้งระเบิดนิวเคลียร์ใส่พายุเฮอร์ริเคนผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นอย่างไร เรื่องมีอยู่ว่าในปี ค.ศ.1961 นักอุตุนิยมวิทยาชื่อ Jack W. Reed แห่ง Sandia Laboratory ได้เสนอให้ใช้เรือดำน้ำที่ติดตั้งหัวรบนิวเคลียร์มุดน้ำไปใต้ตาของพายุ จากนั้นทำการระดมยิงตาพายุด้วยระเบิดนิวเคลียร์หลายๆ ลูก โดยหวังให้ความร้อนจากการระเบิดช่วยเพิ่มอุณหภูมิของพายุให้สูงขึ้นจนอากาศที่อุ่นลอยขึ้นสู่ชั้นสตราโตสเฟียร์ (Stratosphere) จากนั้นอากาศเย็นก็จะเข้ามาแทนที่อากาศอุ่นที่ลอยตัวขึ้นไป ผลคือลมพายุจะลดความเร็วลงแล้วสลายตัวในที่สุด จากการคำนวณของเขาพบว่าระเบิดนิวเคลียร์ขนาด 20 เมกะตันจะช่วยลดความเร็วลมของพายุจาก 100 น็อตลงมาเป็น 50 น็อตได้ แต่ข้อเสนอของเขาไม่เป็นที่ยอมรับเพราะใช้งบประมาณมหาศาล ทำให้เกิดการปนเปื้อนของฝุ่นรังสี (Fallout) และอาจทำให้เกิดความตึงเครียดเรื่องสงครามนิวเคลียร์กับประเทศอื่น ไม่เพียงเท่านั้น นักฟิสิกส์บรรยากาศหลายท่านก็ไม่เห็นด้วยกับความคิดของเขา เพราะพลังงานความร้อนที่พายุปลดปล่อยออกมามีค่าใกล้เคียงกับระเบิดนิวเคลียร์ขนาด 10 เมกะตันที่ถูกจุดระเบิดทุก 20 นาที หากทำการจุดระเบิดที่ใจกลางพายุก็จะส่งผลให้เกิดคลื่นกระแทก (Shock Wave) ที่เร็วกว่าเสียงแล้วผลักอากาศในพายุออกไปโดยรอบและส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความดันอากาศอย่างรวดเร็ว จากการคำนวณของ NOAA พบว่าหากต้องการลดความรุนแรงของพายุจากระดับ 5 ลงไปเป็นระดับ 2 สำหรับพายุที่มีแกนกลางขนาด 25 ไมล์ เราจะต้องเติมอากาศปริมาณ 500,000,000 ตันลงไปทดแทนเพื่อปรับสมดุลของความดันอากาศ ซึ่งเป็นเรื่องที่แทบจะจินตนาการไม่ออกเลยว่าต้องทำอย่างไร ดังนั้น การใช้ระเบิดนิวเคลียร์ “บึ้ม” พายุเฮอร์ริเคนจึงเป็นปฏิบัติการณ์ที่ไม่คุ้มเสี่ยง แต่การสร้างห้องนิรภัยใต้ดินที่มั่นคงแข็งแรงจะเป็นวิธีที่ประหยัดและได้ผลดีกว่า อย่างไรก็ตาม ผู้อ่านคงเห็นแล้วว่าพลังงานของพายุมีปริมาณมากกว่าพลังงานของระเบิดนิวเคลียร์หลายลูกรวมกันเสียอีก คำถามคือเรามีวิธีเก็บเกี่ยวพลังงานอันมหาศาลของพายุมาใช้ให้เกิดประโยชน์ได้หรือไม่?


          เป็นเวลานานมากแล้วที่เหล่านักวิทยาศาสตร์คาดว่าพลังงานของพายุหมุนเขตร้อนที่เกิดขึ้นในแต่ละปีน่าจะเพียงพอสำหรับหล่อเลี้ยงประชากรครึ่งหนึ่งของโลก จากแนวคิดนี้ ประเทศญี่ปุ่นจึงเกิดโครงการ Challenergy ซึ่งเป็นการระดมเงินทุนเพื่อก่อสร้างกังหันลมแกนตั้งขนาดใหญ่สำหรับเก็บเกี่ยวพลังงานจากพายุหมุนเขตร้อน กังหันลมนี้มีชื่อว่า Magnus Vertical Axis Wind Turbine (MVAWT)

Atsushi Shimizu วิศวกรเจ้าของแนวคิดกังหันลม Magnus

 

          กังหันลม Magnus แตกต่างจากกังหันลมทั่วไป เพราะมันถูกออกแบบมาเป็นพิเศษโดยอาศัยปรากฏการณ์มักนุส (Magnus Effect) ซึ่งถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันนามว่า Heinrich Gustav Magnus เมื่อปี ค.ศ.1852 โดยปรากฏการณ์ดังกล่าวจะเกิดขึ้นเมื่อมีวัตถุชิ้นหนึ่งที่กำลังหมุนและเคลื่อนที่ไปในทิศทางหนึ่งผ่านอากาศ ซึ่งวัตถุชิ้นนั้นจะเคลื่อนที่เป็นแนวโค้งไปในทิศทางเดียวกันกับการหมุน (จินตนาการถึงลูกฟุตบอลไซด์โค้ง) เนื่องจากพื้นผิวของวัตถุที่กำลังหมุนในทิศทางเดียวกับกระแสอากาศจะดึงอากาศใกล้ๆ พื้นผิวของวัตถุให้เคลื่อนที่ไปด้วยกัน อากาศบริเวณนั้นจึงเคลื่อนที่เร็วขึ้นและมีความดันลดลง ในขณะที่พื้นผิวฝั่งตรงข้ามที่หมุนสวนทางกับกระแสอากาศจะต้านทานการไหลของอากาศให้ช้าลงและมีความดันเพิ่มขึ้น วัตถุชิ้นดังกล่าวจึงเกิดแรงผลักให้โค้งไปในทิศทางเดียวกันกับแรงหมุน แรงผลักนี้เรียกว่า แรงมักนุส (Magnus Force)

การเกิดแรง Magnus
ที่มา www.wikiwand.com

 

          จากหลักการดังกล่าว กังหันลม Magnus จึงมีใบพัดเป็นแท่งทรงกระบอกจำนวนสามอันที่สามารถหมุนได้และถูกติดตั้งอยู่บนฐานของแกนหมุนอีกทีหนึ่ง กังหันลมต้นแบบได้ถูกทดสอบที่เมือง Nanjo ในจังหวัด Okinawa ซึ่งสามารถทำงานได้ภายใต้ความเร็วลม 144 กิโลเมตรต่อชั่วโมงโดยใบพัดของกังหันลมไม่เกิดความเสียหาย ซึ่งนักวิจัยคาดว่าหากมีกังหันลมลักษณะนี้จำนวนมากพอและมีพายุหมุนเขตร้อนขนาดใหญ่ระดับ 5 อย่างไต้ฝุ่น Hagibis เคลื่อนตัวเข้ามาเพียงลูกเดียว กังหันลมเหล่านี้จะสามารถเก็บเกี่ยวพลังงานจากพายุดังกล่าวจนมากพอสำหรับหล่อเลี้ยงประเทศญี่ปุ่นได้นานถึง 50 ปี เลยทีเดียว! (กรณีที่มีแบตเตอรี่ขนาดใหญ่และมีประสิทธิภาพในการกักเก็บพลังงานสูง)

กังหันลม Magnus ขนาดใหญ่
ที่มา www.eng.nipponsteel.com

 

          อย่างไรก็ตาม แม้กังหันลม Magnus จะสามารถเก็บเกี่ยวพลังงานจากพายุได้ดีกว่ากังหันลมแบบเก่า แต่มันยังต้องถูกพัฒนาและทดสอบในภาคสนามอีกมาก นอกจากนี้ นักวิจัยยังวางแผนนำพลังงานไฟฟ้าที่ได้จากกังหันลมมาใช้ในการแยกน้ำทะเลด้วยวิธี Electrolysis เพื่อผลิตแก๊สไฮโดรเจนสำหรับใช้เป็นเชื้อเพลิงของพลังงานไฮโดรเจนซึ่งเป็นเทคโนโลยีพลังงานสะอาดอีกด้วย

บทความโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์