การหมุนเวียนของบรรยากาศ และอิทธิพลของฤดูกาล

         เมื่อเราพูดถึง “ลม” เราหมายถึงการเคลื่อนที่หมุนเวียนถ่ายเทของอากาศ ในลักษณะเป็นวงรอบ (Circulation) ซึ่งเกิดขึ้นด้วยความแตกต่างของความกดอากาศ (อุณหภูมิ) เหนือพื้นผิว การหมุนเวียนอากาศมีทั้งวงรอบขนาดเล็ก ปกคลุมพื้นที่เพียงไม่ถึงตารางกิโลเมตร และวงรอบขนาดใหญ่ ปกคลุมพื้นที่ทั้งทวีปและมหาสมุทร เราแบ่งสเกลการหมุนเวียนอากาศ
ออกเป็น 3 ระดับ ดังนี้

สเกล
ช่วงเวลา
ขนาด (ระยะทาง)
ตัวอย่าง
ระดับใหญ่ (Macroscale)
     โลก
     ทวีป

สัปดาห์ - ปี
วัน - สัปดาห์

1,000 – 40,000 กิโลเมตร
100 – 5,000 กิโลเมตร

ลมค้า ลมเวสเทอรีส
์ลมมรสุม ไซโคลน พายุไต้ฝุ่น เฮอริเคน
ระดับกลาง (Mesoscale)
นาที - ชั่วโมง
1 - 100 กิโลเมตร ลมบก-ลมทะเล พายุฝนฟ้าคะนอง
ระดับเล็ก (Microscale)
วินาที - นาที
ี <1 กิโลเมตร ลมบ้าหมู ลมกรรโชก

ระบบลมท้องถิ่น
          ลมท้องถิ่น (Local winds) เป็นลมซึ่งเกิดขึ้นในช่วงวัน คลอบคลุมพื้นที่ขนาดจังหวัด การหมุนเวียนของอากาศในสเกลระดับกลางเช่นนี้ เกิดขึ้นเนื่องจากสภาพภูมิศาสตร์และความแตกต่างของอุณหภูมิภายในท้องถิ่น ตัวอย่างเช่น ลมบก-ลมทะเล ลมภูเขา-ลมหุบเขา

ภาพที่ 1 ลมบก ลมทะเล
คลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว

ลมบก – ลมทะเล
          เวลากลางวัน พื้นดินดูดกลืนความร้อนเร็วกว่าพื้นน้ำ อากาศเหนือพื้นดินร้อนและขยายตัวลอยสูงขึ้น (ความกดอากาศต่ำ) อากาศเหนือพื้นน้ำมีอุณหภูมิต่ำกว่า (ความกดอากาศสูง) จึงจมตัวและเคลื่อนเข้าแทนที่ ทำให้เกิดลมพัดจากทะเลเข้าสู่ชายฝั่ง เรียกว่า “ลมทะเล” (Sea breeze)
          เวลากลางคืน พื้นดินคลายความร้อนได้เร็วกว่าพื้นน้ำ อากาศเย็นเหนือพื้นดินจมตัวลง (ความกดอากาศสูง) และเคลื่อนตัวไปแทนที่อากาศอุ่นเหนือพื้นน้ำซึ่งยกตัวขึ้น (ความกดอากาศต่ำ) จึงเกิดลมพัดจากบกไปสู่ทะเล เรียกว่า “ลมบก” (Land breeze)

ภาพที่ 2 ลมหุบเขา ลมภูเขา
คลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว

ลมหุบเขา – ลมภูเขา
          เวลากลางวัน พื้นที่บริเวณไหล่เขาได้รับความร้อนมากกว่าบริเวณพื้นที่ราบหุบเขา ณ ระดับสูงเดียวกัน ทำให้อากาศร้อนบริเวณไหล่เขายกตัวลอยสูงขึ้น (ความกดอากาศต่ำ) เกิดเมฆคิวมูลัสลอยอยู่เหนือยอดเขา อากาศเย็นบริเวณหุบเขาเคลื่อนตัวเข้าแทนที่ จึงเกิดลมพัดจากเชิงเขาขึ้นสู่ลาดเขา เรียกว่า “ลมหุบเขา” (Valley breeze)  หลังจากดวงอาทิตย์ตก พื้นที่ไหล่เขาสูญเสียความร้อน อากาศเย็นตัวอย่างรวดเร็ว จมตัวไหลลงตามลาดเขา เกิดลมพัดลงสู่หุบเขา เรียกว่า “ลมภูเขา” (Mountain breeze) ในบางครั้งกลุ่มอากาศเย็นเหล่านี้ปะทะกับพื้นดินในหุบเขาซึ่งยังมีอุณหภูมิสูงอยู่ จึงควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำ ทำให้เกิดหมอก (Radiation fog)

ระบบการหมุนเวียนของบรรยากาศโลก
          โลกมีสัณฐานเป็นทรงกลม โคจรรอบดวงอาทิตย์ 1 รอบ ใช้เวลา 1 ปี หากโลกหมุนไม่หมุนรอบตัวเอง บริเวณเส้นศูนย์สูตรของโลกจะเป็นแถบความกดอากาศต่ำ (อุณหภูมิสูง) เนื่องจากแสงอาทิตย์ตกกระทบเป็นมุมชัน ส่วนบริเวณขั้วโลกทั้งสองจะเป็นแถบความกดอากาศสูง (อุณหภูมิต่ำ) เนื่องจากแสงอาทิตย์ตกกระทบเป็นมุมลาด อากาศร้อนบริเวณศูนย์สูตรยกตัวขึ้น ทำให้อากาศเย็นบริเวณขั้วโลกเคลื่อนตัวเข้าแทนที่ เราเรียกการหมุนเวียนของอากาศทั้งสองซีกโลกว่า “แฮดเลย์เซลล์” (Hadley cell) ดังรูปที่ 3

ภาพที่ 3 การหมุนเวียนของบรรยากาศ หากโลกไม่หมุนรอบตัวเอง

          ในความเป็นจริง โลกหมุนรอบตัวเอง 1 รอบ ใช้เวลา 24 ชั่วโมง เซลล์การหมุนเวียนของบรรยากาศจึงแบ่งออกเป็น 3 เซลล์ ได้แก่ แฮดเลย์เซลล์ (Hadley cell), เฟอร์เรลเซลล์ (Ferrel cell) และ โพลาร์เซลล์ (Polar cell) ในแต่ละซีกโลก ดังภาพที่ 4

ภาพที่ 4 การหมุนเวียนของบรรยากาศ เนื่องจากโลกหมุนรอบตัวเอง

          แถบความกดอากาศต่ำบริเวณเส้นศูนย์สูตร (Equator low) เป็นเขตที่ได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์มากที่สุด กระแสลมค่อนข้างสงบ เนื่องจากอากาศร้อนชื้นยกตัวขึ้น ควบแน่นเป็นเมฆคิวมูลัสขนาดใหญ่ และมีการคายความร้อนแฝงจำนวนมาก ทำให้เป็นเกิดพายุฝนฟ้าคะนอง อากาศชั้นบนซึ่งสูญเสียไอน้ำไปแล้ว เคลื่อนตัวไปทางขั้วโลก
          แถบความกดอากาศสูงกึ่งศูนย์สูตร (Subtropical high) ที่บริเวณละติจูดที่ 30° เป็นเขตแห้งแล้ง เนื่องจากเป็นบริเวณที่อากาศแห้งจากแฮดลีย์เซลล์ และเฟอร์เรลเซลล์ ปะทะกันแล้วจมตัวลง ทำให้พื้นดินแห้งแล้งเป็นเขตทะเลทราย และพื้นน้ำมีกระแสลมอ่อนมาก เราเรียกเส้นละติจูดที่ 30° ว่า “เส้นรุ้งม้า” (horse latitudes) เนื่องจากเป็นบริเวณที่กระแสลมสงบ จนบางครั้งเรือใบไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ ลูกเรือต้องโยนสินค้า ข้าวของ รวมทั้งม้าที่บรรทุกมาทิ้งทะเล อากาศเหนือผิวพื้นบริเวณเส้นรุ้งม้าเคลื่อนตัวไปยังแถบความกดอากาศต่ำบริเวณเส้นศูนย์สูตร ทำให้เกิด “ลมค้า” (Trade winds) แรงโคริออริสซึ่งเกิดจากการหมุนรอบตัวของโลกเข้ามาเสริม ทำให้ลมค้าทางซีกโลกเหนือเคลื่อนที่มาจากทิศตะวันออกเฉียงเหนือ และลมค้าทางซีกโลกใต้เคลื่อนที่มาจากทิศตะวันออกเฉียงใต้ ลมค้าทั้งสองปะทะชนกันและยกตัวขึ้นบริเวณเส้นศูนย์สูตร แถบความกดอากาศต่ำนี้จึงมีอีกชื่อหนึ่งว่า “แนวปะทะอากาศยกตัวเขตร้อน” หรือ “ITCZ” ย่อมาจาก Intertropic convection zone
          แถบความกดอากาศต่ำกึ่งขั้วโลก (Subpolar low) ที่บริเวณละติจูดที่ 60° เป็นเขตอากาศยกตัว เนื่องจากอากาศแถบความกดอากาศสูงกึ่งศูนย์สูตร (H) เคลื่อนตัวไปทางขั้วโลก ถูกแรงโคริออริสเบี่ยงเบนให้เกิดลมพัดมาจากทิศตะวันตก เรียกว่า “ลมเวสเทอลีส์” (Westerlies) ปะทะกับ “ลมโพลาร์อีสเทอลีส์” (Polar easteries) ซึ่งพัดมาจากทิศตะวันออก โดยถูกแรงโคริออริสเบี่ยงเบนมาจากขั้วโลก มวลอากาศจากลมทั้งสองมีอุณหภูมิแตกต่างกันมาก ทำให้เกิด ”แนวปะทะอากาศขั้วโลก” (Polar front) มีพายุฝนฟ้าคะนอง อากาศชั้นบนซึ่งสูญเสียไอน้ำไปแล้ว เคลื่อนตัวไปยังจมตัวลงที่เส้นรุ้งม้า และบริเวณขั้วโลก

ภาพที่ 5 แกนของโลกเอียงขณะที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ทำให้เกิดฤดูกาล

อิทธิพลของฤดูกาล
          เนื่องจากแกนของโลกเอียง 23.5° ขณะที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ในช่วงฤดูร้อนของซีกโลกเหนือ (ภาพที่ 5 ด้านซ้าย) โลกจะหันซีกโลกเหนือเข้าหาดวงอาทิตย์ และจะหันขั้วโลกใต้เข้าหาดวงอาทิตย์ในอีกหกเดือนต่อมา ซึ่งจะเป็นช่วงฤดูหนาวของซีกโลกเหนือ (ภาพที่ 5 ด้านขวา) การเปลี่ยนแปลงเช่นนี้ส่งผลให้ “แนวปะทะอากาศยกตัวเขตร้อน” หรือ ICTZ เลื่อนขึ้นทางเหนือในฤดูร้อนของซีกโลกเหนือ และเลื่อนลงทางใต้ในฤดูหนาวของซีกโลกเหนือ ดังในภาพที่ 6 การหมุนเวียนของบรรยากาศโลกที่เปลี่ยนแปลง ทำให้เกิดการกระจายความร้อนบนพื้นผิวโลก และมีผลต่อลมฟ้าอากาศดังนี้

ภาพที่ 6 การเคลื่อนที่ของ ITCZ เนื่องจากฤดูกาล

อุณหภูมิและแสงอาทิตย์
          ในช่วงฤดูร้อน ซีกโลกที่เป็นฤดูร้อนจะได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์มากกว่าซีกโลกที่เป็นฤดูหนาว กลางวันยาวนานกว่ากลางคืน อุณหภูมิของกลางวันและกลางคืนมีความแตกต่างกันมาก ในเขตละติจูดสูงใกล้ขั้วโลกจะได้รับผลกระทบมาก แต่ในเขตละติจูดต่ำใกล้กับเส้นศูนย์สูตรไม่มีความแตกต่างมากนัก

ทิศทางลม
          ลมเกิดขึ้นจากความแตกต่างของความกดอากาศ (แรงเกรเดียนความกดอากาศ) ดังนั้นการเปลี่ยนตำแหน่งของหย่อมความกดอากาศย่อมมีผลต่อทิศทางของลม ลมจึงมีการเปลี่ยนแปลงทิศทางไปตามฤดูกาล ลมมรสุมเป็นตัวอย่างหนึ่งของลมประจำฤดู คำว่า “มรสุม” (Monsoon) มีรากฐานมากจากคำภาษาอารบิกซึ่งแปลว่า “ฤดูกาล” ลมมรสุมเกิดขึ้นในเขตเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ โดยมีความเกี่ยวเนื่องมาจากอุณหภูมิพื้นผิวและสภาพภูมิศาสตร์ คล้ายกับการเกิดลมบกลมทะเล แต่มีสเกลใหญ่กว่ามาก

ภาพที่ 7 ลมมรสุมตะวันออกเฉียงเหนือ และ ลมมรสุมตะวันตกเฉียงใต้

          ในช่วงเดือนพฤศจิกายน – กุมภาพันธ์ อากาศแห้งบริเวณตอนกลางของทวีปมีอุณหภูมิต่ำกว่าอากาศชื้นเหนือมหาสมุทรอินเดีย กระแสลมพัดจากหย่อมความกดอากาศสูงในเขตไซบีเรีย ในลักษณะตามเข็มนาฬิกา (แอนตี้ไซโคลน) มายังหย่อมอากาศต่ำในมหาสมุทรอินเดีย ทำให้เกิด “ลมมรสุมตะวันออกเฉียงเหนือ” พัดผ่านประเทศไทย ทำให้อากาศหนาวเย็น และแห้งแล้ง ท้องฟ้าใส
          ในช่วงเดือนมีนาคม – ตุลาคม อากาศบริเวณตอนกลางทวีปมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศเหนือมหาสมุทรอินเดีย อากาศร้อนยกตัวพัดเข้าหาแผ่นดินใจกลางทวีป ในลักษณะทวนเข็มนาฬิกา (ไซโคลน) ทำให้เกิด “ลมมรสุมตะวันตกเฉียงใต้” เมื่ออากาศชื้นปะทะเข้ากับชายฝั่งและภูมิประเทศซึ่งเป็นภูเขา มันจะยกตัวอย่างรวดเร็วและควบแน่น ทำให้เกิดเมฆและพายุฝนฟ้าคะนอง

ปริมาณไอน้ำในอากาศ และความชื้นสัมพัทธ์
          อุณหภูมิมีผลต่อปริมาณไอน้ำในอากาศ ฤดูร้อนมีปริมาณไอน้ำในอากาศมาก อากาศจึงมีความชื้นสัมพัทธ์สูง และมีอุณหภูมิของจุดน้ำค้างสูงกว่าด้วย ฤดูหนาวมีปริมาณไอน้ำในอากาศน้อย อากาศมีความชื้นสัมพันธ์ต่ำ และมีอุณหภูมิของจุดน้ำค้างต่ำ อากาศจึงแห้ง

ปริมาณเมฆ และหยาดน้ำฟ้า
          เมฆและหยาดน้ำฟ้าเกิดขึ้นจากการควบแน่นของอากาศยกตัว ดังนั้นการเคลื่อนตัวของแนว ITCZ แนวปะทะอากาศขั้วโลก ย่อมตามมาด้วยการเปลี่ยนแปลงปริมาณเมฆและหยาดน้ำฟ้า ในแต่ละภูมิภาค

ภาพที่ 8 หมอกแดด ซึ่งเกิดจากละอองอากาศ (ใต้ฐานเมฆคิวมูลัส)

ละอองอากาศ
          ในเขตความกดอากาศต่ำ อากาศร้อนยกตัวขึ้นทำให้มีปริมาณอนุภาคขนาดเล็ก เช่น ฝุ่นละออง เขม่าควัน จากพื้นดินขึ้นไปแขวนลอยในอากาศ ซึ่งเรียกโดยรวมว่า “ละอองอากาศ” (Aerosols) หากอากาศมีละอองอากาศจำนวนมากก็จะเกิด “หมอกแดด” (Haze) หรือ ฟ้าหลัว ทำให้ทัศนวิสัยต่ำ แสงแดดกระทบพื้นดินได้น้อย หมอกแดดเป็นกลุ่มละอองอากาศ มิได้เกิดขึ้นจากการควบแน่นของไอน้ำในอากาศดังเช่น เมฆ และหมอก ในทางตรงข้ามในเขตอากาศสูง อากาศเย็นจะจมตัวลง ทำให้ละอองอากาศไม่สามารถลอยขึ้นได้ ท้องฟ้าจึงโปร่งใส นอกจากนี้เราจะเห็นได้ว่า หลังจากฝนตกหนัก ท้องฟ้าจะโปร่งใส ทั้งนี้เนื่องจากน้ำฝนชะล้างละอองอากาศให้ตกลงสู่พื้น

ภาพที่ 9 กราฟแสดงปริมาณคาร์บอนได้ออกไซด์ในอากาศของแต่ละปี

องค์ประกอบของอากาศ
          บรรยากาศมีปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในช่วงฤดูร้อนน้อยกว่าฤดูหนาว (เส้นกราฟขึ้น-ลง ในภาพที่ 9) ทั้งนี้เนื่องจากในฤดูร้อนพืชพรรณเจริญเติบโต จึงมีการสังเคราะห์แสง และตรึงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศมาสร้างอาหาร เป็นจำนวนมาก ส่วนในฤดูหนาวต้นไม้ผลัดใบ เจริญเติบโตได้ช้ากว่า แต่การหายใจออกเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ยังคงเดิม ในทางกลับกัน ในช่วงฤดูร้อนจะมีปริมาณก๊าซโอโซนในอากาศมากกว่าฤดูหนาว ทั้งนี้เนื่องจากแสงแดดช่วยให้เร่งปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้เกิดก๊าซโอโซน