เมื่อแรงที่เกิดจากความชันของความกดอากาศมีค่ามาก

Page 1 of 5

เมื่อรับรู้ถึงการเปลี่ยนฤดู...ลมจะมาอีกแล้วซินะ...ลมอะไรกันนักหนา

ลม  คือ อากาศที่เคลื่อนที่จากบริเวณหนึ่งไปยังอีกบริเวณหนึ่งซึ่งเกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิ ความกดอากาศของ 2 พื้นที่ โดยลมจะพัดจากบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำซึ่งมีความกดอากาศสูงเข้าสู่บริเวณที่อุณหภูมิสูงซึ่งมีความกดอากาศต่ำ

บริเวณที่มีอุณหภูมิสูงจะมีความกดอากาศต่ำ เนื่องจากอุณหภูมิสูง อากาศขยายตัวทำให้มีความหนาแน่นต่ำ อากาศจะลอยไปข้างบน ส่วนบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ ความหนาแน่นของอากาศจะมากทำให้เป็นบริเวณที่มีความกดอากาศสูง สำหรับแผนที่อากาศจะใช้เส้นไอโซบาร์ (Isobar) เป็นแนวบอกค่าระดับความกดอากาศสูงหรือต่ำ (การอ่านค่าคล้ายกับการอ่าน Contour line : ดูที่ อ่านและแปลความจากเส้นชั้นความสูง) และใช้อักษร H และ L บอกบริเวณหย่อมความกดอากาศ โดยหย่อมความกดอากาศสูงใช้อักษร H หย่อมความกดอากาศต่ำใช้อักษร L

หากพิจารณาการเคลื่อนตัวของอากาศรอบโลกจะพบว่า บริเวณเขตเส้นศูนย์สูตรเป็นบริเวณที่ได้รับแสงอาทิตย์ตลอดทั้งปีมีอุณหภูมิสูง  อากาศร้อนจะลอยตัวสูงขึ้น(ความกดอากาศต่ำ) ไปจนถึงชั้นบรรยากาศโทรโปสเฟียร์ ซึ่งอากาศจะลอยไม่เกินระดับนี้ อากาศร้อนนี้จึงแผ่ออกไปยังขั้วโลกเหนือและใต้ และเมื่ออากาศร้อนที่แผ่ออกไปปะทะกับอากาศที่เย็นอุณหภูมิก็จะเริ่มลดลงจนถึงบริเวณแถบละติจูด 30° เหนือและใต้ของเส้นศูนย์สูตร อากาศที่เย็นลงเรื่อยๆ (ความกดอากาศสูง) ก็จะจมลงสู่ผิวโลก แต่เนื่องจากอากาศนี้มีความชื้นต่ำจึงทำให้บริเวณนี้แห้ง จึงพบทะเลทรายส่วนใหญ่ของโลกอยู่ในบริเวณนี้

อากาศเย็นที่บริเวณเส้นละติจูด 30° เหนือและใต้ ที่จมตัวลงพื้นผิวโลกเนื่องจากความกดอากาศสูงจะถูกกดและผลักให้ไหลไปยังบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำบริเวณเส้นศูนย์สูตร จนถึงบริเวณใกล้เส้นศูนย์สูตรและหมดกำลังทำให้เกิดเขตลมสงบ หรือลมอ่อน (doldrums)

ในขณะที่อากาศเย็นตัวที่จมลงกลับสู่ผิวโลกที่บริเวณเส้นละติจูด 30° เหนือและใต้ที่จมตัวลงพื้นผิวโลกเนื่องจากความกดอากาศสูงอีกส่วนหนึ่ง จะถูกกดและผลักให้ไหลไปทางขั้วโลกเหนือและใต้ และไปปะทะกับอากาศเย็นจากขั้วโลก แถบบริเวณเส้นละติจูด 60° เหนือและใต้ จึงเรียกบริเวณนี้ว่า แนวปะทะขั้วโลก (polar fronts)  การปะทะกันของอากาศที่มีอุณหภูมิต่างกัน ทำให้อากาศร้อนกว่าลอยตัวขึ้นโดยส่วนหนึ่งไหลย้อนกลับไปทางเส้นศูนย์สูตร ก่อนที่จะจมตัวลงแถบบริเวณเส้นละติจูด 30° เหนือและใต้อีกครั้งทำให้เกิดความกดอากาศสูงที่บริเวณนี้เพิ่มขึ้น อีกส่วนหนึ่งไหลเคลื่อนไปยังเขตขั้วโลกเหนือและใต้ปะทะกับอากาศเย็นขั้วโลกและจมลง แล้วไหลย้อนกลับไปยังบริเวณเส้นละติจูด 60° เหนือและใต้

          แม้ว่าอากาศจะเป็นแก๊ส แต่อากาศก็มีน้ำหนักเช่นเดียวกับของแข็งและของเหลว เราเรียกน้ำหนักของอากาศที่กดทับกันลงมาด้วยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงว่า “ความกดอากาศ” (Air pressure) ความกดอากาศจะมีความแตกต่างกับแรงที่เกิดจากน้ำหนักกดทับของของแข็งและของเหลวตรงที่ ความกดอากาศมีแรงดันออกทุกทิศทุกทางเช่นเดียวกับแรงดันของอากาศในลูกโป่ง

ภาพที่ 1 บารอมิเตอร์ชนิดปรอท

        อุปกรณ์วัดความกดอากาศเรียกว่า “บารอมิเตอร์” (Barometer) หากเราบรรจุปรอทใส่หลอดแก้วปลายเปิด แล้วคว่ำลงตามภาพที่ 1 ปรอทจะไม่ไหลออกจากหลอดจนหมดแต่จะหยุดอยู่ที่ระดับสูงประมาณ 760 มิลลิเมตร เนื่องจากอากาศภายนอกกดดันพื้นที่หน้าตัดของอ่างปรอทไว้ความกดอากาศมีหน่วยวัดเป็น “มิลลิเมตรปรอท” “นิ้วปรอท” และ “มิลลิบาร์” โดยความกดอากาศที่พื้นผิวโลกที่ระดับน้ำทะเลปานกลางมีค่าเท่ากับ 760 มิลลิเมตรปรอท (29.92 นิ้วปรอท) หรือ 1013.25 มิลลิบาร์  

• ในปัจจุบันนักอุตุนิยมวิทยาใช้คำว่า เฮกโตพาสคาล (Hecto Pascal เขียนย่อว่า hPa) แทนคำว่า มิลลิบาร์ แต่แท้จริงแล้วทั้งสองคือหน่วยเดียวกัน 
• 1 เฮกโตปาสคาล = 1 มิลลิบาร์ = แรงกด 100 นิวตัน/พื้นที่ 1 ตารางเมตร 
  โดยที่แรง 1 นิวตันคือแรงที่ใช้ในการเคลื่อนมวล 1 กิโลกรัม ให้เกิดความเร่ง 1 (เมตร/วินาที)/วินาที

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อความกดอากาศ

• ยิ่งสูงขึ้นไปอากาศยิ่งบางอุณหภูมิยิ่งต่ำ ความกดอากาศยิ่งลดน้อยตามไปด้วยเพราะฉะนั้นความกดอากาศบนยอดเขาจึงน้อยกว่าความกดอากาศที่เชิงเขา
• อากาศร้อนมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศเย็นจึงมีความกดอากาศน้อยกว่าเรียกว่า “ความกดอากาศต่ำ” (Low pressure) ในแผนที่อุตุนิยมจะใช้อักษร “L” สีแดงเป็นสัญลักษณ์ (ดูภาพที่ 2)
• อากาศเย็นมีความหนาแน่นมากกว่าอากาศร้อน จึงมีความกดอากาศมากกว่า เรียกว่า “ความกดอากาศสูง” (High pressure) ในแผนที่อุตุนิยมจะใช้อักษร “H” สีน้ำเงิน เป็นสัญลักษณ์
  
  

การเคลื่อนที่ของอากาศ

        การพาความร้อน (Convection) ในบรรยากาศทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของอากาศทั้งแนวตั้งและแนวราบ 

• กระแสอากาศแนวตั้ง: 
• บริเวณความกดอากาศต่ำ (L) อากาศร้อนเหนือพื้นผิว ยกตัวขึ้นแล้วอุณหภูมิลดต่ำลง ทำให้เกิดการควบแน่นเป็นเมฆและฝน  
• บริเวณความกดอากาศสูง (H) อากาศเย็นด้านบนมีอุณหภูมิต่ำ เคลื่อนเข้ามาแทนที่อากาศร้อนที่อยู่เหนือพื้นผิว ทำให้เกิดแห้งแล้ง เนื่องจากอากาศเย็นมีไอน้ำน้อย 
• กระแสอากาศแนวดิ่ง: อากาศเย็นมีมวลและความหนาแน่นมากกว่าอากาศร้อน กระแสอากาศจึงเคลื่อนตัวจากหย่อมความกดอากาศสูง (H) ไปยังหย่อมความกดอากาศต่ำ (L) ทำให้เกิดการกระจายและหมุนเวียนอากาศไปยังตำแหน่งต่างๆบนผิวโลกเราเรียกกระแสอากาศซึ่งเคลื่อนตัวในแนวราบว่า “ลม” (Wind)

ภาพที่ 2 แผนที่อากาศ

        แผนที่อากาศในภาพที่ 2 แสดงให้เห็นความแตกต่างของความกดอากาศบนพื้นผิวโลก เส้นวงรอบความกดอากาศ เรียกว่า “ไอโซบาร์” (Isobars) พื้นที่ใต้เส้นไอโซบาร์เดียวกันมีความกดอากาศเท่ากัน  และความกดอากาศระหว่างเส้นไอโซบาร์แต่ละเส้นจะมีค่าเท่ากัน ดังเช่น เส้นไอโซบาร์แต่ละเส้นจะมีค่าความกดอากาศต่างกัน  6 มิลลิบาร์ หรือ 6 hPa เป็นต้น เราเรียกแรงซึ่งเกิดจากความกดอากาศที่แตกต่างกันระหว่างเส้นไอโซบาร์ว่า "แรงเกรเดียนของความกดอากาศ" (Pressure-gradiant force)  ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากเกิดจากพื้นผิวโลกแต่ละบริเวณได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ไม่เท่ากันอุณหภูมิและความดันขอบอากาศจึงแตกต่างกันไปด้วย เราสามารถคำนวณหาแรงเกรเดียนของความกดอากาศ โดยใช้สูตร

 แรงเกรเดียนของความกดอากาศ = ความกดอากาศที่แตกต่าง / ระยะทางระหว่างตำแหน่งทั้งสอง  

        ถ้าหากเส้นไอโซบาร์อยู่ใกล้ชิดกันแสดงว่าความกดอากาศเหนือบริเวณนั้นมีความแตกต่างกันมาก หรือมีแรงเกรเดียนมาก จึงมีลมพัดแรง   แต่ถ้าเส้นไอโซบาร์อยู่ห่างกันแสดงว่าความกดอากาศเหนือบริเวณนั้นมีความแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย  หรือมีแรงเกรเดียนน้อย แสดงว่ามีลมพัดอ่อน