อนุภาคนาโนช่วยเพิ่มพลังให้กับพายุ

          ฝุ่นหรือละอองขนาดเล็กที่ปรากฏในธรรมชาตินั้นเกิดขึ้นจาก 2 แหล่งกำเนิด คือ ธรรมชาติสร้างขึ้น และมนุษย์สร้างขึ้น อย่างไรก็ตาม ฝุ่นละอองเหล่านี้เป็นสาเหตุหลักที่ส่งผลต่อสุขภาพของมนุษย์ทั้งทางตรงและทางอ้อม อาทิเช่น โรคผิวหนัง โรคที่เกี่ยวข้องทางเดินหายใจ โรคหัวใจ และโรคที่เกี่ยวข้องกับระบบหัวใจและหลอดเลือด เป็นต้น โดยทั่วไปแล้วประชาชนทราบถึงภัยของฝุ่นละอองมาตั้งแต่อดีต ทว่าเริ่มมาตระหนักถึงภัยของฝุ่นละอองมากขึ้นเมื่อช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาด้วยภาวะฝุ่น PM_2.5 กระจายตัวทั่วไทยที่ทำให้ไทยติดอันดับต้นๆ ของโลก (อย่างไม่สมัครใจ) นอกเหนือจากฝุ่นละอองจะมีผลต่อสุขภาพอย่างที่ทุกคนทราบกันดีอยู่แล้วนั้น ภัยแอบแฝงที่มากับฝุ่นละอองยังมีอีกมาก บทความนี้จะกล่าวถึงภัยของฝุ่นละอองที่มีผลต่อสภาพอากาศในระดับมหภาคซึ่งเป็นสาเหตุให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่มนุษย์เราอาจไม่พึงประสงค์นักในอนาคตอันใกล้นี้ อีกทั้งด้วยที่ประเทศไทยเรากำลังเข้าสู่ฤดูฝนอย่างเป็นทางการ การศึกษาหรือทำความเข้าใจเรื่องราวเหล่านี้จะทำให้เราสามารถเตรียมตัวรับกับสิ่งที่จะเกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ


          “ฝุ่นละออง” มีนิยาม คือ อนุภาคของแข็งและหยดละอองของเหลวแขวนลอยกระจายในอากาศ [1] ซึ่งสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ช่วงขนาด ได้แก่ 1. ฝุ่นรวม (Total Suspended Particulate: TSP) มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 100 ไมครอน (1 ไมครอน เท่ากับ 0.000001 เมตร) 2. ฝุ่นละอองขนาดไม่เกิน 10 ไมครอน (PM₁₀) ซึ่งขนาดเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผม 3. ฝุ่นละอองขนาดไม่เกิน 2.5 ไมครอน (PM_2.5) ซึ่งขนาดเทียบเคียงกับขนาดของเชื้อโรคบางชนิด ทั้งนี้ ฝุ่นละอองขนาดเล็กจะมีน้ำหนักเบาถูกทำให้ลอยได้ง่าย และตกลงพื้นได้ช้ากว่าฝุ่นละอองขนาดใหญ่เพราะมีมวลน้อยกว่าจะทำให้ถูกแรงโน้มถ่วงของโลกกระทำน้อยกว่า เป็นเหตุให้ลอยอยู่ในอากาศได้นานกว่าฝุ่นละอองขนาดใหญ่ เมื่อฝุ่นละอองเหล่านี้ลอยแพร่กระจายอยู่ในอากาศในปริมาณที่เพิ่มสูงขึ้นจะส่งผลต่อความชื้นสัมพัทธ์ ปริมาณน้ำฝน ทิศทางลม และความเร็วลมได้อีกด้วย เนื่องจากฝุ่นละอองเหล่านี้แทรกตัวเข้าไปในมวลของอากาศทำให้ความหนาแน่นของอากาศและความดันอากาศเกิดการเปลี่ยนแปลง 


          จากการศึกษาอนุภาคของละอองขนาดเล็กที่มีขนาดเล็กกว่า 50 นาโนเมตร ที่เกิดขึ้นจากกิจกรรมของมนุษย์ (ไอเสียจากยานพาหนะ ไอเสียจากกระบวนการทางอุตสาหกรรม หรือควันจากการเผาป่า) ซึ่งเดิมนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าละอองอนุภาคเหล่านี้มีขนาดเล็กเกินกว่าจะส่งผลกระทบต่อการก่อตัวของเมฆ และมีเพียงละอองขนาดใหญ่กว่า 100 นาโนเมตรเท่านั้นที่มีผลต่อการก่อตัวของเมฆคิวมูโลนิมบัส (Cumulonimbus) จนทำให้เกิดพายุฝนฟ้าคะนอง (Thunderstorm) ได้ ทว่าความคิดเหล่านี้ต้องเปลี่ยนไปเมื่อทีมนักวิทยาศาสตร์จากนานาชาติ นำโดย จิเวน แฟน (Jiwen Fan) จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือ (Pacific Northwest National Laboratory) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้แสดงให้เห็นว่าอนุภาคของละอองขนาดเล็กกว่า 50 นาโนเมตร นั้น ส่งผลให้พายุฝนฟ้าคะนองในป่าฝนอเมซอนทวีความรุนแรงเพิ่มมากขึ้น โดยข้อมูลดังกล่าว จิเวน แฟน และทีมงาน ได้เก็บข้อมูลที่ป่า อเมซอนบริเวณที่ติดกับ “เมืองมาเนาส์” ทางตอนเหนือของประเทศบราซิล ซึ่งเป็นเมืองหลวงของรัฐอามาโซนัส ตั้งอยู่บริเวณจุดบรรจบกันของแม่น้ำเนโกรและแม่น้ำโซลิโมย โดยเมืองมาเนาส์มีประชากรกว่าสองล้านคน ผู้คนจากทั่วโลกต่างไปเที่ยวชมความสวยงามทางธรรมชาติ แต่ในอีกทางหนึ่ง เมืองมาเนาส์ก็สร้างมลพิษทางอากาศรวมถึงฝุ่นละอองขนาดต่างๆ จากการขยายพื้นที่ทางการเกษตรเพื่อปลูกถั่วเหลือง ข้าวโพด อ้อย และทำฟาร์มปศุสัตว์ขนาดใหญ่ รวมทั้งมีการสร้างถนนเพื่อขนส่งสินค้าทางการเกษตรออกจากตัวเมืองมาเนาส์ 


          โดยปกติแล้วพายุฝนฟ้าคะนองเกิดจากเมฆที่ก่อตัวขึ้นในแนวดิ่งขนาดใหญ่ที่เรียกว่าเมฆคิวมูโลนิมบัสซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้เกิดสภาพอากาศรุนแรง การเกิดพายุฝนฟ้าคะนองมีลำดับ 3 ขั้นตอน ได้แก่ ขั้นก่อตัว (Cumulus stage) ขั้นเจริญเต็มที่ (Mature stage) และขั้นสลายตัว สำหรับขั้นก่อตัวนั้นจะเกิดขึ้นเมื่อกลุ่มอากาศร้อนลอยตัวขึ้นสู่บรรยากาศ พร้อมกับการมีแรงบางชนิดมากระทำ (อาทิเช่น ลม) ให้มวลอากาศยกตัวสูงขึ้น เมื่อได้ความสูงระดับหนึ่งมวลอากาศจะเย็นตัวลงและควบแน่นเป็นละอองน้ำเล็กๆ ก่อตัวเป็นเมฆคิวมูลัส ในขณะที่มีการควบแน่น ความร้อนแฝงของไอน้ำที่คายออกมาจะช่วยให้อัตราการลอยตัวมวลอากาศภายในก้อนเมฆสูงขึ้นเป็นเหตุให้ขนาดของเมฆคิวมูลัสมีขนาดใหญ่ขึ้น และยอดเมฆสูงเพิ่มขึ้นเป็นลำดับ เมื่อความสูงของก้อนเมฆถึงจุดจุดหนึ่งแล้วจะไม่มีการเพิ่มความสูงอีก เรียกการไหลขึ้นของมวลอากาศหรือกระแสอากาศนี้ว่า “อัพดราฟต์ (Updraft)” เมื่อก่อตัวแล้วจะเข้าสู่ขั้นเจริญเต็มที่ ซึ่งเป็นช่วงที่กระแสอากาศมีทั้งไหลขึ้นและไหลลง ปริมาณความร้อนแฝงที่เกิดขึ้นจากการควบแน่นถูกใช้ (ไปกับการทำให้มวลอากาศไหลขึ้น) จนเหลือน้อย ทำให้อัตราการเคลื่อนที่ลงของกระแสอากาศจะมีค่าเพิ่มขึ้นเป็นลำดับ กระแสอากาศที่เคลื่อนที่ลงมาซึ่งเรียกว่า "ดาวน์ดราฟต์" (Downdraft) จะแผ่ขยายตัวออกด้านข้างในแนวกว้าง ทำให้เกิดลมแรง อุณหภูมิจะลดลงและความกดอากาศจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว สุดท้ายขั้นสลายตัว เป็นระยะที่พายุฝนฟ้าคะนองกลายเป็นหยาดน้ำฟ้าตกลงมาอย่างรวดเร็วและหมดไป พร้อม ๆ กับกระแสอากาศที่ไหลลงก็จะเบาบางลง


          สำหรับผลการวิจัย พบว่า ฝุ่นละอองขนาดเล็กกว่า 50 ไมครอน เข้าไปมีส่วนในขั้นก่อตัวและขั้นเจริญเต็มที่ ดังภาพที่ 1. (ขวามือ) กล่าวคือ ฝุ่นละอองขนาดเล็กเข้าไปดูดซับความร้อนแฝงที่เกิดจากการควบแน่นของมวลอากาศเย็น ทำให้เมฆคิวมูลัสก่อตัวไม่สูงอย่างเท่าที่ควรจะเป็น ในขณะที่ความร้อนแฝงที่ฝุ่นละอองดูดซับมาจะถูกเปลี่ยนมาเป็นพลังงานที่ใช้ในการเคลื่อนตัวในขั้นเจริญเต็มที่เพื่อไปเสริมพลังงานในการเคลื่อนตัวลงมาของกระแสอากาศ หรือดาวน์ดราฟต์ ทำให้การเคลื่อนตัวของกระแสอากาศเร็วกว่าเดิม ส่งผลให้มีการแผ่ขยายตัวออกด้านข้างในแนวกว้างเพิ่มมากขึ้น ทำให้ลมแรงขึ้น อุณหภูมิและความกดอากาศจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว


          การศึกษาค้นคว้าวิจัยในเรื่องดังกล่าวอาจส่งผลกระทบกับการใช้ชีวิตประจำวันในหลายด้านของหลายบุคคล หลายอาชีพ และสัตว์หลายชนิด ด้วยเพราะเราทั้งหลายอยู่ในโลกที่ห้อมล้อมไปด้วยบรรยากาศ ผลกระทบเหล่านี้อาจมาถึงเร็วกว่าที่คาด ด้วยเมื่อเร็วๆ นี้ พบว่า มีพายุฟ้าผ่าเพิ่มขึ้นเหนือช่องทางการเดินเรือในมหาสมุทรอินเดียใกล้กับเส้นศูนย์สูตร ฉะนั้นแล้ว การป้องกันและการบรรเทาจึงเป็นสิ่งสำคัญที่ทุกคนควรตระหนักและช่วยกันทำให้ความรุนแรงของธรรมชาติลดลง หรือมีการเตรียมพร้อมป้องกันเพื่อลดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้น เหนือสิ่งอื่นใด คือ เพื่อความเป็นอยู่ของสรรพสิ่งบนโลกนี้จะได้คงอยู่ต่อไปอย่างยาวนาน  

อ้างอิง
[1] R. A. Houze Jr. “Cloud Dynamics” .Elsevier/Academic Press, ed. 2, (2014).