ละอองลอยที่บดบังแสงอาทิตย์กับเชื้อโรคบนท้องฟ้าที่ปั่นป่วน

          ปัจจุบัน มลพิษทางสิ่งแวดล้อม (Environmental Pollution) กำลังเป็นปัญหาใหญ่ที่แทบทุกประเทศจะต้องให้ความสำคัญ แต่หากย้อนเวลากลับไปเมื่อประมาณ 80 ปีก่อน มลพิษทางสิ่งแวดล้อมยังไม่ใช่สิ่งที่ประชากรโลกในยุคนั้นคุ้นเคยความหมายกันเท่าไรนัก กระทั่งเกิดเหตุการณ์ L.A. Smog ในเดือนกรกฎาคม ค.ศ.1943 ที่ชาวเมืองลอสแองเจลิสต้องเผชิญหน้ากับสม็อกแบบแสง-เคมี (Photochemical Smog) และเหตุการณ์ Great Smog of London ในเดือนธันวาคม ค.ศ.1952 ที่ชาวลอนดอนต้องเผชิญกับสม็อกแบบซัลเฟอร์ (Sulfurous Smog) จากเหตุการณ์ทั้งสอง ชาวอเมริกันและชาวยุโรปจึงเริ่มตระหนักถึงมลพิษทางอากาศ (Air Pollution) หลังจากนั้นอีกราวหนึ่งทศวรรษ หนังสือ Silent Spring ของนักชีววิทยานามว่า Rachel Carson ที่ตีพิมพ์ในเดือนกันยายน ค.ศ.1962 ก็จุดกระแสให้รัฐบาลอเมริกาตระหนักถึงมลพิษที่ปนเปื้อนมากับดิน น้ำ และอากาศซึ่งเกิดจากการใช้สารเคมีกำจัดศัตรูพืชอย่างไร้ความรับผิดชอบ


          ปัจจุบัน ปัญหามลพิษทางดิน น้ำ และอากาศ ยังไม่มีทีท่าว่าจะบรรเทาลง แต่กลับทวีความรุนแรงมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งเราทุกคนคงเห็นได้ชัดจากปัญหาฝุ่นละอองหยาบ (PM10) และฝุ่นละอองละเอียด (PM2.5) ที่มักจะคุกคามประชากรโลกในช่วงฤดูหนาวหรือช่วงที่เกิดปรากฏการณ์อุณหภูมิผกผัน (Temperature Inversion) ซึ่งทำให้ควันและฝุ่นละอองถูกกดทับเอาไว้ใกล้พื้นดินเบื้องล่าง อย่างไรก็ตาม ผลการศึกษาเมื่อไม่นานมานี้ก็ชี้ให้เห็นว่าละอองลอย (Aerosol) ที่ล่องลอยอยู่ในบรรยากาศมีอิทธิพลต่อสภาพอากาศของโลกด้วย           เราจะเริ่มกันที่ละอองลอยที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ โดยงานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Geoscience เมื่อเดือนธันวาคมที่ผ่านมาของคณะวิจัยนำโดยรองศาสตราจารย์ Federico Bianchi แห่ง University of Helsinki's Institute for Atmospheric and Earth System Research (INAR) ได้ทำการเฟ้นหาสถานที่ที่มีอากาศบริสุทธิ์ไร้ซึ่งมลภาวะจากละอองลอยที่เกิดจากการทำอุตสาหกรรมเพื่อทำการศึกษาผลกระทบของละอองลอยตามธรรมชาติที่มีต่อภูมิอากาศ เพื่อการนั้น คณะวิจัยจึงทำการศึกษาตัวอย่างละอองลอยที่สถานีพีระมิด (Pyramid Station) ของหอสังเกตการณ์ภูมิอากาศแห่งเนปาล (Nepal Climate Observatory) ซึ่งตั้งอยู่ใกล้กับค่ายฐานเอเวอเรสต์ (Everest Base Camp) ที่ความสูง 5,050 เมตรจากระดับน้ำทะเล ที่นั่น พวกเขาสามารถตรวจสอบการก่อตัวของอนุภาคในบรรยากาศที่ห่างไกลจากกิจกรรมของมนุษย์ ซึ่งอนุภาคจำนวนมากสามารถก่อตัวขึ้นในหุบเขาของเทือกเขาหิมาลัยจากแก๊สที่ปล่อยออกมาตามธรรมชาติและสามารถเคลื่อนย้ายไปยังที่สูงโดยลมจากภูเขาและล่องลอยขึ้นสู่บรรยากาศเบื้องบน


          ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าลมในหุบเขาทำให้สารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (Volatile Organic Compound หรือ VOC) ที่ปลดปล่อยออกมาจากพืชบริเวณเชิงเขาหิมาลัยจะถูกเปลี่ยนสถานะเนื่องจากปฏิกิริยาเชิงแสง-เคมี (Photochemical Reaction) และกลายเป็นละอองลอยจำนวนมากอย่างรวดเร็ว จากนั้นละอองลอยเหล่านี้จะถูกเคลื่อนย้ายไปยังบรรยากาศชั้นโทรโพสเฟียร์ (Troposphere) และในที่สุด อนุภาคที่ถูกปลดปล่อยออกมาจะส่งผลกระทบต่อสภาพอากาศโดยทำหน้าที่เป็นนิวเคลียสสำหรับการควบแน่นของเมฆ (Cloud Condensation Nuclei) ซึ่งการค้นพบใหม่เกี่ยวกับกระบวนการก่อตัวของอนุภาคและแหล่งที่มาของพวกมันจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจสภาพภูมิอากาศในอดีตและอนาคตได้ดียิ่งขึ้น และยังมีส่วนสำคัญในการช่วยวิเคราะห์ผลกระทบของละอองลอยตามธรรมชาติและละอองลอยที่เกิดจากการทำอุตสาหกรรมของมนุษย์อีกด้วย


          จบเรื่องละอองลอยที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติไปแล้ว ต่อไปเราจะมาดูละอองลอยที่เกิดจากกิจกรรมของมนุษย์กันบ้าง ผลการศึกษาเมื่อหลายปีก่อนของคณะวิจัยนำโดย Jiwen Fan แห่ง U.S. Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory พบว่าอนุภาคขนาดนาโนที่ล่องลอยอยู่ในบรรยากาศสามารถทำให้เกิดลมกระโชกรุนแรงและลูกเห็บขนาดใหญ่ เนื่องจากฝุ่นและละอองลอยจะส่งผลกระทบต่อความร้อนแฝง (Latent Heat) ที่ทำให้สสารเปลี่ยนสถานะโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ เป็นผลให้เมฆคิวมูลัส (Cumulus) พัฒนาเป็นเมฆคิวมูโลนิมบัส (Cumulonimbus) หรือเมฆฝนฟ้าคะนองมีการก่อตัวในระดับความสูงที่ต่ำกว่าปกติและทวีความรุนแรงของลมพายุให้มากขึ้น!


          เมื่อไม่นานมานี้ คณะวิจัยของ Jiwen Fan ได้สร้างแบบจำลองทางฟิสิกส์บรรยากาศ (Atmospheric Physics) เพื่อจำลองรูปแบบของพายุจำนวน 2 ลูก โดยให้พายุลูกแรกก่อตัวขึ้นที่เมือง Houston ในรัฐ Texas และพายุลูกที่สองก่อตัวขึ้นที่เมือง Kansas ในรัฐ Missouri เพื่อศึกษาว่าละอองลอยที่เกิดจากเมืองของมนุษย์มีผลต่อพายุ ฝน และลูกเห็บอย่างไร เนื่องจากอาคารจำนวนมากในเมืองจะดูดกลืนความร้อนและปิดกั้นการไหลเวียนของอากาศทำให้เมฆก่อตัวง่ายขึ้นเนื่องจากความร้อนในตัวเมืองส่งเสริมการยกตัวของอากาศ ซึ่งผลการศึกษาพบว่าพายุที่หมุนอย่างรุนแรงและละอองลอยในเมือง Kansas มีผลกระทบต่อการเกิดลูกเห็บขนาดใหญ่ราว 20% ส่วนในเมือง Houston ที่ได้รับผลกระทบจากลมทะเล ละอองลอยในพายุฝนฟ้าคะนองจะทำให้ฝนเพิ่มปริมาณและตกนานขึ้น แต่สิ่งที่น่าสนใจก็คือเมื่อลบปัจจัยที่เกิดจากผลกระทบของตัวเมืองออกไปจากแบบจำลอง ผลลัพธ์คือสภาพอากาศที่ปั่นป่วนมีแนวโน้มที่จะบรรเทาลง!


          ละอองลอยไม่เพียงทำให้สภาพอากาศและคุณภาพอากาศเปลี่ยนแปลงไปเท่านั้น แต่ยังมีผลต่อสมบัติเชิงแสงของบรรยากาศอย่างสัมประสิทธิ์ความขุ่นมัวของอังสตรอม (Angstrom’s Turbidity Coefficient) เนื่องจากขนาดและปริมาณของละอองลอยจะส่งผลต่อการกระเจิง (Scattering) และการดูดกลืน (Absorption) ของแสงในบรรยากาศ โดยนักวิทยาศาสตร์จะสนใจสิ่งที่เรียกว่า Atmospheric Planetary Boundary Layer (PBL) ซึ่งเป็นบริเวณส่วนล่างของบรรยากาศชั้นโทรโพสเฟียร์ที่มีอิทธิพลต่ออุณหภูมิ ความชื้น และการไหลเวียนของอากาศ ซึ่งเกี่ยวพันอย่างแน่นแฟ้นกับการกระจายตัวของมลพิษทางอากาศที่มีผลต่อมนุษย์
            จากการศึกษารูปแบบของละอองลอยที่มีผลต่อสมบัติเชิงแสงในบรรยากาศ โดยคณะวิจัยของศาสตราจารย์ Xin Jinyuan แห่ง Institute of Atmospheric Physics (IAP) ของ Chinese Academy of Sciences คณะวิจัยได้ทำการศึกษารูปแบบของละอองลอยที่เรียกว่า Stove Effect, Dome Effect และ Umbrella Effect โดย PBL จะประกอบด้วย Bottom-Up Structure of a Near-Surface Stable Boundary Layer (SBL), Residual Layer (RL), Convection Boundary Layer (CBL) และ Capping Inversion Layer (CIL) ในเวลากลางวันและกลางคืน โดย Stove Effect จะเกิดขึ้นเมื่อละอองลอยจมอยู่ใกล้กับพื้นผิวและทำให้อากาศใกล้พื้นผิวร้อนขึ้นเนื่องจากการดูดกลืนความร้อน, Dome Effect จะเกิดขึ้นเมื่อละอองลอยเกาะกลุ่มอยู่เหนือบรรยากาศชั้นล่างของพื้นผิวและทำให้บริเวณเหนือบรรยากาศชั้นล่างของพื้นผิวร้อนขึ้นเนื่องจากการดูดกลืนความร้อน ส่วน Umbrella Effect จะแตกต่างออกไปเนื่องจากละอองลอยจะทำหน้าที่กระเจิงแสงซึ่งสามารถเกิดได้ทั้งบริเวณใกล้พื้นผิวและเหนือพื้นผิวของเมือง โดยองค์ประกอบของ PBL และปรากฏการณ์ต่างๆ สามารถอธิบายได้ด้วยภาพต่อไปนี้

            หากผู้อ่านคิดว่ามลพิษทางอากาศอย่างแก๊สพิษ ควัน ฝุ่น และละอองลอยน่ากลัวแล้วละก็ ผู้เขียนขอบอกเลยว่าความน่ากลัวของพวกมันยังไม่หมดครับ เพราะเมื่อไม่นานมานี้ นักวิทยาศาสตร์จาก University of Granada (UGR) ได้ค้นพบว่าจุลินทรีย์บางกลุ่มสามารถเดินทางจากทวีปหนึ่งไปยังอีกทวีปหนึ่งด้วยการซุกซ่อนตัวอยู่ในฝุ่นที่ล่องลอยอยู่ในบรรยากาศ โดยจุลินทรีย์เหล่านี้สามารถติดมากับอนุภาคขนาดใหญ่ที่เรียกว่า ไอเบอรูไลต์ (Iberulite) ซึ่งประกอบขึ้นจากเศษชิ้นส่วนของแร่ที่มีอยู่ตามธรรมชาติและสารที่ผลิตโดยสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก สิ่งที่น่าสนใจก็คือไอเบอรูไลต์ก่อตัวขึ้นในบรรยากาศชั้นโทรโพสเฟียร์ด้วยกระบวนการทางอุทกพลศาสตร์ (Hydrodynamic) บริเวณทะเลทรายซาฮาราที่อุดมไปด้วยฝุ่น ซึ่งปรากฏการณ์ Saharan Air Layer (SAL) จะพัดพาฝุ่นเหล่านี้ให้กระจายไปทั่วโลกและกลายเป็นนิวเคลียสสำหรับการควบแน่นของเมฆ ส่วนสาเหตุที่จุลินทรีย์สามารถมีชีวิตอยู่ภายในไอเบอรูไลต์ได้นานก็เป็นเพราะไอเบอรูไลต์มีสมบัติในการปกป้ององค์ประกอบภายในจากแสงอาทิตย์และมีสารอาหารที่จำเป็นต่อจุลินทรีย์อยู่เป็นจำนวนมากนั่นเอง

   
            ก่อนที่จะจากกันไป เพื่อให้สอดคล้องกับสถานการณ์การแพร่ระบาดของโคโรนาไวรัสสายพันธุ์ใหม่ (SAR-CoV-2 หรือ Severe Acute Respiratory syndrome-Corona Virus-2) ที่เป็นสาเหตุของโรคโควิด-19 (COVID-19 หรือ Corona Virus Disease 2019) นักวิทยาศาสตร์พบว่ามลพิษทางอากาศ ละอองลอย และฝอยละออง (Droplet) มีผลต่อการแพร่กระจายของไวรัสเป็นอย่างมาก โดยผลการศึกษาด้านไวรัสภูมิอากาศวิทยา (Viroclimatology) พบว่าอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ (Relative Humidity) หรือปริมาณไอน้ำที่มีอยู่ในอากาศต่อปริมาณไอน้ำที่ทำให้อากาศอิ่มตัว ณ อุณหภูมิค่าหนึ่ง มีผลต่อการคงสภาพของไวรัสในฝอยละออง กล่าวคือเมื่อพิจารณาจากแผนภาพต่อไปนี้จะพบว่าฝอยละอองขนาด 100 ไมครอนที่มีการตกอย่างอิสระ (Free Falling) จากระดับความสูง 1.6 เมตรภายใต้ความชื้นสัมพัทธ์และอุณหภูมิค่าต่างๆ ระยะเวลาการคงสภาพของฝอยละอองจะมีค่าไม่เท่ากัน โดยฝอยละอองจะตกถึงพื้นตามจำนวนวินาทีที่แสดงด้วยสีภายใต้เส้นโค้ง แต่ที่เหนือเส้นโค้ง ฝอยละอองจะระเหยหายไปจนหมดโดยไม่ตกถึงพื้น
 
            กล่าวโดยสรุปคือ อุณหภูมิและความชื้นมีผลต่ออัตราการระเหย (Evaporation Rate) ที่แตกต่างกันของฝอยละออง เช่น ในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงและความชื้นต่ำ ฝอยละอองจะระเหยไปอย่างรวดเร็ว ไวรัสจึงสิ้นฤทธิ์ไว แต่ในบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำและความชื้นสูง ฝอยละอองจะคงสภาพอยู่ได้นานกว่าหลายเท่า ไวรัสจึงมีโอกาสแผลงฤทธิ์มาก ซึ่งผู้อ่านจำได้ใช่ไหมครับว่าปริมาณแสง อุณหภูมิ และความชื้นในบรรยากาศมีละอองลอยเป็นปัจจัยสำคัญในการควบคุม เห็นไหมครับ แม้ละอองลอยจะมีขนาดเล็กจิ๋ว แต่พวกมันก็มีผลกระทบต่อมนุษย์และโลกของเราอย่างมหาศาล!

 

อ้างอิง

• หนังสือ Silent Spring โดย Rachel Carson
• https://www.wired.com/2010/07/0726la-first-big-smog/
• https://www.history.com/news/the-killer-fog-that-blanketed-london-60-years-ago
• https://phys.org/news/2020-12-natural-himalayan-aerosol-factory-affect.html?fbclid=IwAR2Sw430oqDoK86xuWIvaZevpVd5uXlJ1wdbXxDkDZYqhhGx2eLZnWCtdNE
• https://phys.org/news/2020-12-urban-aerosols-amplify-hazardous-weather.html?fbclid=IwAR0O848j-1TlW3k16SpJT8FxfNgLdyecimAD6w57KTC6FbfPTQrfYxhRyDs
• https://phys.org/news/2020-07-stove-dome-umbrella-effects-atmospheric.html?fbclid=IwAR0B32B4mojsbgeQNEIkexllz1hpi1JXNhPTvw4lVnTGI8jLktNA98A6bs8
• https://phys.org/news/2020-12-bacteria-continent-atmospheric-particles.html?fbclid=IwAR2q9FuhuztaigWJ4rx7dJ2-WULNzGgI7bPpo6TxjbNWigFyJmIII_FLJzI
• https://phys.org/news/2020-08-humid-air-lifetime-virus-laden-aerosol.html?fbclid=IwAR30BXJa6gx4RbUTFCG9FV1V5OL8RMx709Q399lPJHPT_Zh3_zl-3DPzeHg
• https://phys.org/news/2020-12-atmospheric-pollution-covid-italy.html?fbclid=IwAR2PlTGjZjCETvFW_NhLN7qWyI8Z3ZuqKRCVRqcN1L7DtblWH4f7q59gh98
• https://www.sciencedaily.com/releases/2020/08/200820102503.htm