ฟิสิกส์ของพื้นผิวโลก ตอนที่ 2 ไฟป่า ท้องฟ้าสีเลือด และการสูญเสียหน้าดิน

          กลางปี ค.ศ.2019 ถึงกลางปี ค.ศ.2020 เป็นปีที่เกิดไฟป่าในหลายพื้นที่ทั่วโลก ไม่ว่าจะเป็นป่าแอมะซอน (Amazon) ในประเทศบราซิล ป่าในประเทศสหรัฐอเมริกา อินโดนีเซีย ออสเตรเลีย รวมถึงประเทศไทย ไฟป่าเหล่านี้ได้ทำลายสิ่งมีชีวิตกับหน้าดินในป่าไปเป็นจำนวนมากและส่งผลให้แก๊สจากการเผาไหม้ปริมาณมหาศาลถูกปลดปล่อยออกสู่บรรยากาศจนสามารถมองเห็นได้จากอวกาศ การเผาไหม้จะเกิดขึ้นได้ต้องอาศัยปัจจัย 3 อย่าง คือ เชื้อเพลิง อากาศ และความร้อน ภูมิอากาศและภูมิประเทศก็สำคัญเช่นกัน เพราะในพื้นที่ที่มีอากาศแห้ง ร้อน และลาดชัน ไฟป่าจะเกิดขึ้นง่ายและลุกลามได้เร็ว หน่วยงาน US Forest Service ได้นิยามไฟป่าว่า “ไฟที่ปราศจากการควบคุม ลุกลามไปอย่างอิสระ เผาผลาญสิ่งมีชีวิตและเชื้อเพลิงธรรมชาติในป่า” ซึ่งผู้ที่อยู่เบื้องหลังงานวิจัยเกี่ยวกับไฟป่าในประเทศสหรัฐอเมริกาก็คือนักฟิสิกส์นามว่า George Marsden Byram โดยประวัติย่อของเขามีดังต่อไปนี้           George Marsden Byram ลืมตาดูโลกที่เมือง Burns รัฐ Oregon ในปี ค.ศ.1909 เขาศึกษาสาขาฟิสิกส์ที่ University of California และเป็นนักวิจัยด้านไฟป่าที่ U.S. Forest Service โดยเขาได้ศึกษาทั้งการกำเนิด ชนิด พฤติกรรม ผลกระทบ รวมถึงการป้องกันไฟป่าจนเกือบครบถ้วนทุกแง่มุม และสร้างสมการที่เรียบง่ายสำหรับอธิบายการเผาไหม้ของไฟป่าเอาไว้ดังนี้

            เมื่อ I คือกำลังของแนวไฟ (kW/m), η คือประสิทธิภาพในการเผาไหม้, Mfuel คือมวลเชื้อเพลิงแห้งต่อพื้นที่ (kg/m2), ∆H คือความร้อนของการเผาไหม้ (kJ/kg), R คืออัตราการลามของไฟ (m/s) และ Hf คือความสูงของเปลวไฟ (m)
          เมื่อไฟป่าลุกลามเป็นวงกว้าง ความร้อนระอุของไฟจะเผาทำลายใต้ดิน (Ground) ผิวดิน (Surface) และเรือนยอดของต้นไม้ (Crown) โดยความรุนแรงของไฟป่าสามารถคาดการณ์ได้จาก Keetch–Byram Drought Index (KBDI) ที่ถูกพัฒนาโดย Byram และ John Keetch ในปี ค.ศ.1968 ซึ่งเป็นวิธีคาดการณ์ความรุนแรงของการเกิดไฟป่าโดยพิจารณาจากความชื้นและปริมาณฝนในพื้นที่ ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาความชื้นและความแล้งของต้นไม้ในป่าได้จากดาวเทียม โดยทำการตรวจวัดดัชนีความแตกต่างของพืชพรรณ (Normalized Difference Vegetation Index หรือ NDVI) ที่มีค่าอยู่ระหว่าง -1 ถึง 1 ค่าดังกล่าวเกิดจากการวัดรังสีอินฟราเรดที่สะท้อนออกมาจากพืช พืชที่สมบูรณ์จะสะท้อนรังสีอินฟราเรดได้มาก แต่พืชที่ไม่สมบูรณ์จะสะท้อนรังสีอินฟราเรดได้น้อย จากผลการศึกษาเมื่อเดือนตุลาคม ค.ศ.2019 โดย Jet Propulsion Laboratory ด้วยอุปกรณ์ Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) ที่ติดตั้งอยู่บนดาวเทียม Aqua ได้แสดงให้เห็นว่าภาวะโลกร้อนกับการทำลายป่าในช่วง 20 ปีที่ผ่านมาได้ทำให้ความชื้นในบรรยากาศเหนือป่าแอมะซอนลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งปกติแล้วต้นไม้ในป่าจะดูดน้ำจากพื้นดินเพื่อใช้ในปฏิกิริยาสังเคราะห์ด้วยแสง (Photosynthesis) และลดอุณหภูมิของตัวเองลง ก่อนคายไอน้ำออกสู่บรรยากาศ รวมตัวเป็นเมฆแล้วตกลงมาเป็นฝน วงจรนี้สามารถสร้างฝนที่ตกเหนือป่าฝนเขตร้อนในฤดูแล้งได้มากถึง 80 เปอร์เซ็นต์ แต่เมื่อวงจรนี้ถูกขัดขวางโดยภาวะโลกร้อน ต้นไม้ก็ต้องดูดน้ำจากพื้นดินมากขึ้น แต่เนื่องจากน้ำในดินมีอยู่จำกัด การคายน้ำจึงลดต่ำลง ปริมาณฝนก็ลดลง และทำให้ไฟป่ามีโอกาสเกิดมากขึ้น
            ควันจากไฟป่าที่ลอยขึ้นสู่ท้องฟ้าสามารถก่อตัวเป็นเมฆขนาดใหญ่ได้ โดยองค์การอุตุนิยมวิทยาโลก (World Meteorological Organization หรือ WMO) กำหนดให้เรียกเมฆแบบนี้ว่า Flammagenitus หรือ Pyrocumulus ซึ่งมีความหมายว่า “เมฆที่กำเนิดจากไฟ” เมฆดังกล่าวสามารถพัฒนาไปเป็นเมฆฝนฟ้าคะนองที่เรียกว่า Pyrocumulonimbus ที่สามารถทำให้เกิดฟ้าผ่า ลมความเร็วสูงพุ่งลงมากระแทกพื้น (Downbursts) เสาหมุนไฟ (Firewhirl) รวมถึงทอร์นาโดไฟ (Firenado) ที่อาจโหมไฟป่าให้รุนแรงขึ้นจนเกิดสภาพอากาศขนาดเล็กที่แห้งและร้อนระอุจนหล่อเลี้ยงไฟป่าให้เติบโตจนยากต่อการดับ ในทางกลับกัน เมฆฝนฟ้าคะนองก็อาจทำให้เกิดฝนที่ช่วยบรรเทาให้ไฟป่าลดลงได้เช่นกัน           ช่วงเวลาที่เกิดไฟป่าเมื่อปีที่แล้วได้มีการแชร์ภาพ “ท้องฟ้าสีเลือด” ที่ปรากฏขึ้นเหนือเมืองหลายแห่ง ปรากฏการณ์ดังกล่าวเกิดจากฝุ่นของไฟป่าทำให้แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นกระเจิงออกไปจนเหลือเพียงแสงโทนสีแดง โดยกำลังของการกระเจิง (Scattering Power) จะแปรผกผันกับความยาวคลื่นของแสงยกกำลังสี่ แสงโทนสีฟ้าที่มีความยาวคลื่นน้อยจึงกระเจิงได้มาก ส่วนแสงโทนสีแดงที่มีความยาวคลื่นมากจะกระเจิงได้น้อยแล้วเคลื่อนที่มาตามทิศทางเดิม ส่งผลให้เรามองเห็นท้องฟ้ากลายเป็นสีแดงหรือสีส้ม เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การกระเจิงแบบเรย์ลี (Rayleigh Scattering) ไม่เพียงเท่านั้น หากฝุ่นเหล่านี้ตกสู่บริเวณที่ปกคลุมด้วยหิมะหรือน้ำแข็ง ฝุ่นที่มีสีคล้ำสามารถลดค่าการสะท้อนรังสี (Albedo) ส่งผลให้หิมะหรือน้ำแข็งละลายมากขึ้น ส่วนฝุ่นที่ตกสู่แหล่งน้ำก็จะทำให้น้ำขุ่น ปิดกั้นการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช อุดตันเหงือกของสัตว์น้ำ ทำให้ค่า pH ของน้ำเปลี่ยนแปลง หรืออาจทำให้สาหร่ายบางชนิดเพิ่มจำนวนขึ้นจนสิ่งมีชีวิตในน้ำตายไป           เมื่อป่าถูกทำลาย หลายท่านคงนึกถึงการฟื้นฟูป่า แต่การนำต้นไม้เข้าไปปลูกในป่าที่ถูกทำลายโดยละเลยหลักการทางนิเวศวิทยา (Ecology) ปฐพีศาสตร์ (Soil Science) และภูมิอากาศวิทยา (Climatology) ก็สามารถส่งผลเสียต่อการฟื้นตัวของพืชตามธรรมชาติ (Natural Regeneration) เช่น เกิดการรุกรานของชนิดพันธุ์ต่างถิ่น (Alien Species) เกิดการปนเปื้อนทางพันธุกรรมจนเกิดโรคพืช (Plant Disease) และทำให้ปริมาณรองรับทางชีวภาพ (Biological Carrying Capacity) เสียสมดุล จากความรู้ทางปฐพีฟิสิกส์ (Soil Physics) การนำต้นไม้จำนวนมากเข้าไปปลูกในดินที่มีความพรุน (Porosity) รูพรุนเหล่านี้มีสมบัติในการซึมซับน้ำ (Sponge Effect) ซึ่งมักพบในพื้นที่ชุ่มน้ำ (Wetland) อย่างป่าพรุ (Peat Swamp Forest) หรือป่าที่มีน้ำผิวดินและน้ำใต้ดิน ต้นไม้ที่เกาะกลุ่มกันอย่างหนาแน่นจะดูดน้ำในดินออกไปจนทำให้น้ำผิวดินและน้ำใต้ดินลดลง ไฟป่าจึงเกิดและลุกลามได้ง่าย นอกจากนี้ พืชบางชนิดยังตอบสนองต่ออุณหภูมิของอากาศและปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้นแล้วปลดปล่อยละอองเรณู (Pollen) จำนวนมากออกมา ละอองเรณูเหล่านี้สามารถล่องลอยไปตามลมแล้วเข้าปกคลุมตัวเมืองจนกลายเป็นสารก่อภูมิแพ้ (Allergy) และสารอินทรีย์ระเหยง่าย (Volatile Organic Compounds หรือ VOCs) บางชนิดที่พืชปลดปล่อยออกมายังสามารถทำปฏิกิริยากับแสงอาทิตย์และไนโตรเจนออกไซด์จนกลายเป็นโอโซนที่เป็นพิษ
            ปกติแล้วการแกว่งกวัดของภูมิอากาศ (Climate Oscillation) เช่น El Niño-La Niña, ENSO Cycle, Indian Ocean Dipole (IOD), Madden Julian Oscillation (MJO), North Atlantic Oscillation (NAO), Pacific Decadal Oscillation (PDO), Arctic Oscillation (AO), Antarctic Oscillation (AAO) และปรากฏการณ์อื่นๆ ล้วนส่งผลกระทบต่อสภาพภูมิอากาศในแต่ละพื้นที่ แต่การเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศทำให้ปรากฏการณ์เหล่านี้แปรปรวนและพยากรณ์ได้ยากขึ้น การรับมือกับพายุ น้ำท่วม น้ำแล้ง และไฟป่าจึงยากขึ้นตามไปด้วย


         นอกจากผลกระทบต่อบรรยากาศ ไฟป่าและการตัดไม้ทำลายป่าก็ส่งผลต่อหน้าดินด้วยเช่นกัน เพราะไฟป่าและการตัดไม้จะทำให้ตะกอนถูกพัดพาลงสู่แม่น้ำลำธารได้ง่ายขึ้น โดยปริมาณตะกอนที่สูญเสียต่อหน่วยพื้นที่ (A) สามารถประมาณค่าได้จากสมการการสูญเสียดินสากล (Universal Soil Loss Equation) ซึ่งเกิดจากผลคูณของหลายตัวแปร ได้แก่ R คือปัจจัยการกัดเซาะจากฝน (Rainfall Erosivity Factor) K คือปัจจัยความคงทนของดินต่อการกัดเซาะ (Soil Erodibility Factor) L คือปัจจัยความยาวของการลาดเท (Slope Length Factor) S คือปัจจัยความลาดเท (Slope Gradient Factor) C คือปัจจัยการจัดการพืช (Cropping Management Factor) และ P คือปัจจัยการอนุรักษ์หน้าดิน (Conservation Practice Factor)           ในช่วงเวลาสุดท้ายของชีวิต George Marsden Byram จากโลกนี้ไปเมื่อปี ค.ศ.1996 ที่เมือง Dunedin รัฐ Florida นับอายุได้ 87 ปี แต่ปณิธานในการรักษาผืนป่าด้วยความรู้ทางวิทยาศาสตร์ยังคงได้รับการสืบสานโดยคนรุ่นหลังที่ศึกษาและทำงานเกี่ยวกับไฟป่ามาจนถึงปัจจุบัน สิ่งสำคัญคือเขาเริ่มต้นจากการเป็นนักฟิสิกส์ แต่เลือกที่จะใช้ความรู้ทางฟิสิกส์ที่ร่ำเรียนมาเพื่อค้นคว้าวิจัยเกี่ยวกับป่า แสดงให้เห็นว่าแท้จริงแล้ววิทยาศาสตร์แต่ละสาขาไม่ได้ถูกแบ่งแยกออกจากกัน แต่มักจะเชื่อมโยงถึงกันอย่างน้อยทางใดทางหนึ่ง ซึ่งสิ่งนี้เองที่ทำให้วิทยาศาสตร์งดงามและน่าศึกษาเรียนรู้


          ในเมื่อผู้เขียนเกริ่นถึงการสูญเสียตะกอนบนผิวดินไปแล้ว ในบทความตอนหน้า ผู้เขียนจะเล่าเรื่องต้นกำเนิดและบทบาทหน้าที่ของตะกอนเม็ดเล็กจิ๋วว่ามีความสำคัญอย่างไรต่อภูเขา ป่า แม่น้ำ และทะเล โปรดติดตามตอนต่อไปครับ

 

อ้างอิง

• สื่อประกอบการบรรยาย Physics & Wildfire modeling โดย Aix-Marseille University
• https://airs.jpl.nasa.gov/
• http://media.bom.gov.au/social/blog/1618/when-bushfires-make-their-own-weather/
• https://oceanservice.noaa.gov/facts/ninonina.html
• https://www.weather.gov/mhx/ensowhat
• http://www.bom.gov.au/climate/iod/
• https://www.climate.gov/news-features/blogs/enso/what-mjo-and-why-do-we-care
• https://www.whoi.edu/know-your-ocean/ocean-topics/ocean-circulation/el-nio-other-oscillations/
• https://cloudatlas.wmo.int/flammagenitus.html
• https://www.sciencenewsforstudents.org/article/scientists-say-firewhirl-firenado?fbclid=IwAR2Q2vfsM1bh_PsLLbyNugwh9M4zwl4vygXMAVcaBkrIgpaUSJzSQRFdlsc
• http://www.omafra.gov.on.ca/english/engineer/facts/12-051.htm
• https://m.phys.org/news/2020-01-local-availability-permanently-forests.html?fbclid=IwAR1NXT3OiNMik-b1gLXWLKDapWtYqTagH0lvM8vrGAgv817rEN8inGNEDrA
• https://www.nationalgeographic.com/environment/2019/04/how-to-regrow-forest-right-way-minimize-fire-water-use/?fbclid=IwAR3Qqq8duszapnwnqK_4T8pcC8EFU2fRzfG7maFwmdb2diybQjsfE9BQGc8
• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5941124/?fbclid=IwAR0bfzHIkP3p-MIC_o1iP94NV-HeKGMz8VLp_oGQGujcMegtTk8PbFjUT1o
• https://www.scientificamerican.com/article/the-paradox-of-pollution-producing-trees/