ขณะฝนตกที่หน้าต่าง ตอนมองออกไปด้านนอก คุณเคยสงสัยไหมว่าเม็ดฝนเหล่านี้จะมีหน้าตาเป็นเช่นไร
เรามักมีภาพจำฝังหัวมาตั้งแต่เด็กว่าเม็ดฝนต้องมีรูปทรงเหมือนหยดน้ำตา...
คือจะต้องมีปลายแหลมอยู่ด้านบนและมีความโค้งมนอยู่ด้านล่าง แล้วเราก็จำมาจนถึงตอนโตเลยทีเดียว
แต่ก็ไม่แปลกใจเพราะตาเราไม่ได้สามารถมองได้ไวและละเอียดถึงขนาดมองเห็นหยดฝนได้ทีละเม็ดอยู่แล้ว
.
ถ้าว่ากันตามหลักฟิสิกส์นั้น รูปร่างของเม็ดฝนจะแตกต่างจากภาพจำเหล่านั้นอย่างสิ้นเชิง
จุดเริ่มต้นของฝนเกิดขึ้นบนชั้นบรรยากาศ เมื่อฝุ่นละอองหรือควันจับตัวกับความชื้นจนกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ ในช่วงแรกที่หยดน้ำลอยตัวอยู่ในก้อนเมฆ พวกมันจะมีรูปทรงเป็นทรงกลม (Spherical) ที่สมบูรณ์แบบ
รูปทรงนี้เกิดขึ้นจากแรงตึงผิว (Surface tension) ของน้ำเอง ที่ได้ไปดึงดูดโมเลกุลของน้ำให้จับตัวกันอย่างหนาแน่น
.
เมื่อหยดน้ำมีน้ำหนักมากพอและเริ่มร่วงหล่นลงมา รูปร่างของมันจะค่อยๆ เปลี่ยนไปตามขนาดและมวล
หากเม็ดฝนมีขนาดเล็กกว่า 1 มิลลิเมตร แรงตึงผิวจะยังมีอำนาจมากพอที่จะรักษาสภาพทรงกลมเอาไว้ได้
แต่ในระหว่างที่ตกลงมา เม็ดฝนจะพุ่งชนและรวมตัวกันจนมีขนาดใหญ่ขึ้น เมื่อขยายขนาดถึงช่วง 2 ถึง 3 มิลลิเมตร ความเร็วในการตกลงมาก็จะเพิ่มสูงขึ้น
ในจังหวะนี้มวลอากาศที่อยู่ด้านล่างจะพุ่งสวนทางขึ้นมาปะทะกับฐานของเม็ดฝนอย่างแรงจนเกิดเป็นแรงต้านอากาศ
.
แรงต้านอากาศมหาศาลนี้จะผลักและดันฐานของเม็ดฝนจนแบนราบ ในขณะที่ส่วนบนยังคงโค้งมนอยู่ เพราะแรงตึงผิวของน้ำยังสามารถทนแรงกดอากาศบริเวณด้านบนได้
รูปร่างของเม็ดฝนในระยะนี้จึงถูกบีบให้มีลักษณะคล้ายกับขนมปังแฮมเบอร์เกอร์ (Hamburger bun) หรือเมล็ดถั่ว
.
เพื่อพิสูจน์เรื่องนี้ เอช. อาร์. พรุปพาเชอร์ (H. R. Pruppacher) และ อาร์. แอล. พิตเตอร์ (R. L. Pitter) นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลิส (University of California, Los Angeles) ได้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์มาคำนวณความสมดุลของแรงต่างๆ ที่กระทำต่อหยดน้ำ
พวกเขาออกแบบการทดลองโดยปล่อยหยดน้ำให้ลอยตัวอย่างอิสระ แล้วใช้กระแสลมพุ่งปะทะภายในอุโมงค์ลม (Wind tunnel) ในแนวดิ่งขนาดใหญ่เพื่อจำลองสภาวะการตกของฝน
.
ภาพถ่ายจากการทดลองช่วยยืนยันอย่างชัดเจนว่า แรงกดพลศาสตร์อากาศ (Aerodynamic pressure) ทำให้ฐานของเม็ดฝนแบนลงเรื่อยๆ ตามมวลที่เพิ่มขึ้น
ยิ่งไปกว่านั้นเมื่อเม็ดฝนขยายขนาดใหญ่ทะลุ 4.5 มิลลิเมตรขึ้นไป แรงต้านอากาศจากด้านล่างจะมีพละกำลังมหาศาลจนเจาะทะลุฐานที่แบนราบของเม็ดฝนให้เว้าลึกเข้าไปด้านใน
รอยเว้าตรงกลางนี้จะขยายตัวอย่างรวดเร็วและดันโครงสร้างของเม็ดฝนให้โป่งพองออกจนมีรูปร่างคล้ายกับร่มชูชีพ (Parachute) ที่กำลังกางรับลม
.
ในท้ายที่สุด เมื่อโครงสร้างของมวลน้ำไม่สามารถทนทานต่อแรงต้านจากมวลอากาศได้อีกต่อไป ถุงร่มชูชีพน้ำนี้จะแตกกระจายออกเป็นเม็ดฝนขนาดเล็กจำนวนมาก และเม็ดฝนเล็กๆ เหล่านี้ก็จะเริ่มต้นวงจรการตกลงมาและรวมตัวกันใหม่อีกครั้ง
.
ในยุคปัจจุบันองค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ หรือ นาซา (NASA) และหน่วยงานพันธมิตร ได้ใช้เทคโนโลยีเรดาร์ขั้นสูงบนดาวเทียมในโครงการวัดหยาดน้ำฟ้าทั่วโลก (Global Precipitation Measurement) เพื่อศึกษาการกระจายตัวและขนาดของเม็ดฝนระดับจุลภาคแบบชั้นต่อชั้นแล้ว
การศึกษาและทำความเข้าใจโครงสร้างที่แท้จริงของเม็ดฝนเช่นนี้มีประโยชน์อย่างมหาศาลต่อวงการอุตุนิยมวิทยา
ข้อมูลรูปทรงที่เปลี่ยนไปตามขนาดเหล่านี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถอ่านและแปลผลสัญญาณคลื่นเรดาร์สะท้อนกลับได้อย่างแม่นยำ ทำให้สามารถประเมินปริมาณน้ำฝน
คาดการณ์ความรุนแรงของพายุ ล่วงรู้สภาพอากาศ และศึกษาโครงสร้างของสภาพภูมิอากาศระดับมหภาคได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
.
[แหล่งอ้างอิง]
[1] Water Science School. "Raindrop shape is determined by drop size, and air resistance." U.S. Geological Survey.
[2] Pruppacher, H. R., and Pitter, R. L. "A Semi-Empirical Determination of the Shape of Cloud and Rain Drops." Journal of the Atmospheric Sciences, 1971.
[3] NASA SVS. "The Anatomy of a Raindrop." Global Precipitation Measurement Mission, NASA.
#ฟิสิกส์ #วิทยาศาสตร์ #ความรู้ทั่วไป #เม็ดฝน #สาระน่ารู้ #ธรรมชาติ #สภาพอากาศ #ความลับธรรมชาติ #การทดลอง #ปรากฏการณ์ธรรมชาติ
https://www.facebook.com/share/p/1DJWTK7HF2/
🌧️ ฝนตกทุกวัน แล้วรู้ไหมฝนหน้าตาเป็นไง
เรามักมีภาพจำฝังหัวมาตั้งแต่เด็กว่าเม็ดฝนต้องมีรูปทรงเหมือนหยดน้ำตา...
คือจะต้องมีปลายแหลมอยู่ด้านบนและมีความโค้งมนอยู่ด้านล่าง แล้วเราก็จำมาจนถึงตอนโตเลยทีเดียว
แต่ก็ไม่แปลกใจเพราะตาเราไม่ได้สามารถมองได้ไวและละเอียดถึงขนาดมองเห็นหยดฝนได้ทีละเม็ดอยู่แล้ว
.
ถ้าว่ากันตามหลักฟิสิกส์นั้น รูปร่างของเม็ดฝนจะแตกต่างจากภาพจำเหล่านั้นอย่างสิ้นเชิง
จุดเริ่มต้นของฝนเกิดขึ้นบนชั้นบรรยากาศ เมื่อฝุ่นละอองหรือควันจับตัวกับความชื้นจนกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ ในช่วงแรกที่หยดน้ำลอยตัวอยู่ในก้อนเมฆ พวกมันจะมีรูปทรงเป็นทรงกลม (Spherical) ที่สมบูรณ์แบบ
รูปทรงนี้เกิดขึ้นจากแรงตึงผิว (Surface tension) ของน้ำเอง ที่ได้ไปดึงดูดโมเลกุลของน้ำให้จับตัวกันอย่างหนาแน่น
.
เมื่อหยดน้ำมีน้ำหนักมากพอและเริ่มร่วงหล่นลงมา รูปร่างของมันจะค่อยๆ เปลี่ยนไปตามขนาดและมวล
หากเม็ดฝนมีขนาดเล็กกว่า 1 มิลลิเมตร แรงตึงผิวจะยังมีอำนาจมากพอที่จะรักษาสภาพทรงกลมเอาไว้ได้
แต่ในระหว่างที่ตกลงมา เม็ดฝนจะพุ่งชนและรวมตัวกันจนมีขนาดใหญ่ขึ้น เมื่อขยายขนาดถึงช่วง 2 ถึง 3 มิลลิเมตร ความเร็วในการตกลงมาก็จะเพิ่มสูงขึ้น
ในจังหวะนี้มวลอากาศที่อยู่ด้านล่างจะพุ่งสวนทางขึ้นมาปะทะกับฐานของเม็ดฝนอย่างแรงจนเกิดเป็นแรงต้านอากาศ
.
แรงต้านอากาศมหาศาลนี้จะผลักและดันฐานของเม็ดฝนจนแบนราบ ในขณะที่ส่วนบนยังคงโค้งมนอยู่ เพราะแรงตึงผิวของน้ำยังสามารถทนแรงกดอากาศบริเวณด้านบนได้
รูปร่างของเม็ดฝนในระยะนี้จึงถูกบีบให้มีลักษณะคล้ายกับขนมปังแฮมเบอร์เกอร์ (Hamburger bun) หรือเมล็ดถั่ว
.
เพื่อพิสูจน์เรื่องนี้ เอช. อาร์. พรุปพาเชอร์ (H. R. Pruppacher) และ อาร์. แอล. พิตเตอร์ (R. L. Pitter) นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลิส (University of California, Los Angeles) ได้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์มาคำนวณความสมดุลของแรงต่างๆ ที่กระทำต่อหยดน้ำ
พวกเขาออกแบบการทดลองโดยปล่อยหยดน้ำให้ลอยตัวอย่างอิสระ แล้วใช้กระแสลมพุ่งปะทะภายในอุโมงค์ลม (Wind tunnel) ในแนวดิ่งขนาดใหญ่เพื่อจำลองสภาวะการตกของฝน
.
ภาพถ่ายจากการทดลองช่วยยืนยันอย่างชัดเจนว่า แรงกดพลศาสตร์อากาศ (Aerodynamic pressure) ทำให้ฐานของเม็ดฝนแบนลงเรื่อยๆ ตามมวลที่เพิ่มขึ้น
ยิ่งไปกว่านั้นเมื่อเม็ดฝนขยายขนาดใหญ่ทะลุ 4.5 มิลลิเมตรขึ้นไป แรงต้านอากาศจากด้านล่างจะมีพละกำลังมหาศาลจนเจาะทะลุฐานที่แบนราบของเม็ดฝนให้เว้าลึกเข้าไปด้านใน
รอยเว้าตรงกลางนี้จะขยายตัวอย่างรวดเร็วและดันโครงสร้างของเม็ดฝนให้โป่งพองออกจนมีรูปร่างคล้ายกับร่มชูชีพ (Parachute) ที่กำลังกางรับลม
.
ในท้ายที่สุด เมื่อโครงสร้างของมวลน้ำไม่สามารถทนทานต่อแรงต้านจากมวลอากาศได้อีกต่อไป ถุงร่มชูชีพน้ำนี้จะแตกกระจายออกเป็นเม็ดฝนขนาดเล็กจำนวนมาก และเม็ดฝนเล็กๆ เหล่านี้ก็จะเริ่มต้นวงจรการตกลงมาและรวมตัวกันใหม่อีกครั้ง
.
ในยุคปัจจุบันองค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ หรือ นาซา (NASA) และหน่วยงานพันธมิตร ได้ใช้เทคโนโลยีเรดาร์ขั้นสูงบนดาวเทียมในโครงการวัดหยาดน้ำฟ้าทั่วโลก (Global Precipitation Measurement) เพื่อศึกษาการกระจายตัวและขนาดของเม็ดฝนระดับจุลภาคแบบชั้นต่อชั้นแล้ว
การศึกษาและทำความเข้าใจโครงสร้างที่แท้จริงของเม็ดฝนเช่นนี้มีประโยชน์อย่างมหาศาลต่อวงการอุตุนิยมวิทยา
ข้อมูลรูปทรงที่เปลี่ยนไปตามขนาดเหล่านี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถอ่านและแปลผลสัญญาณคลื่นเรดาร์สะท้อนกลับได้อย่างแม่นยำ ทำให้สามารถประเมินปริมาณน้ำฝน
คาดการณ์ความรุนแรงของพายุ ล่วงรู้สภาพอากาศ และศึกษาโครงสร้างของสภาพภูมิอากาศระดับมหภาคได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
.
[แหล่งอ้างอิง]
[1] Water Science School. "Raindrop shape is determined by drop size, and air resistance." U.S. Geological Survey.
[2] Pruppacher, H. R., and Pitter, R. L. "A Semi-Empirical Determination of the Shape of Cloud and Rain Drops." Journal of the Atmospheric Sciences, 1971.
[3] NASA SVS. "The Anatomy of a Raindrop." Global Precipitation Measurement Mission, NASA.
#ฟิสิกส์ #วิทยาศาสตร์ #ความรู้ทั่วไป #เม็ดฝน #สาระน่ารู้ #ธรรมชาติ #สภาพอากาศ #ความลับธรรมชาติ #การทดลอง #ปรากฏการณ์ธรรมชาติ
https://www.facebook.com/share/p/1DJWTK7HF2/