เฮอร์ริเคนกับฟิสิกส์

คงเป็นที่ทราบกันแล้วว่าในช่วงสัปดาห์ผ่านมา พายุเฮอร์ริเคนที่มีชื่อว่าเออร์มา ซึ่งก่อตัวในทะเลแคริบเบียน ได้พัดเข้าถล่มประเทศคิวบาและกำลังเข้าสู่รัฐฟลอริดาประเทศสหรัฐอเมริกา โดยคาดว่าจะสร้างความเสียหายทางเศรษฐกิจประมาณ 2.9 แสนล้านดอลลาร์ หรือประมาณ 9 ล้านล้านบาท ถือว่าเป็นวาตภัยที่ร้ายแรงที่สุดครั้งหนึ่งของสหรัฐอเมริกา

ภาพถ่ายจากดาวเทียม GOES-16 ของพายุเฮอร์ริเคนเออร์มา ขณะเคลื่อนจากทะเลแคริบเบียน ณ วันที่ 8 กันยายน 2560 เวลา 4:17 น.
ที่มาของภาพ : Cooperative Institute for Research in the Atmosphere (CIRA)

ความรุนแรงของพายุนั้นจะขึ้นอยู่ความเร็วลม โดยพายุเฮอร์ริเคนเออร์มามีความเร็วลมสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 298 กิโลเมตรต่อชั่วโมงซึ่งมีค่าใกล้เคียงกับความเร็วสูงของรถไฟความเร็วสูงของประเทศอังกฤษและอิตาลีเลยทีเดียว เฮอร์ริเคนเออร์มาจึงถูกจัดอยู่ในพายุที่มีความรุนแรงระดับ 5 ตามเกณฑ์ของ Saffir–Simpson Hurricane Scale (SSHS) ซึ่งถือว่าเป็นพายุที่มีความรุนแรงระดับสูงสุดและเป็นพายุที่มีความรุนแรงที่สุดที่เคยเกิดขึ้นในมหาสมุทรแอตแลนติก

ปัจจัยสำคัญในกำหนดความเร็วลมของพายุคือ อุณหภูมิที่ผิวน้ำทะเลหรือมหาสมุทร (T_o) และ อุณหภูมิที่ระดับสูงสุดของเมฆหรือที่เรียกว่าอุณหภูมิยอดเมฆ (T_a) โดยทั่วไปแล้วเมื่อเกิดพายุเฮอร์ริเคน อุณหภูมิที่ผิวทะเลจะสูงกว่าอุณหภูมิยอดเมฆ โดยพายุสามารถเปรียบได้กับ “เครื่องยนต์ความร้อน” (heat engine) รูปแบบหนึ่ง ซึ่งจะดึงความร้อนจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่า (บริเวณผิวน้ำทะเล) และเปลี่ยนพลังงานความร้อนบางส่วนเป็นพลังงานจลน์มากขึ้นทำให้เกิดเป็นพายุหมุนที่มีความเร็วลมมากขึ้น และถ่ายโอนความร้อนไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า (บริเวณยอดเมฆ) แต่อย่างไรก็ตามพายุจะเสียพลังงานบางส่วนไปเนื่องจากแรงเสียดทานกับมวลอากาศโดยรอบ เปรียบเสมือนกับเครื่องยนต์ใบพัดขนาดยักษ์ที่มีทะเลเป็นแหล่งเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ยักษ์นี้ที่มีการเสียดสีกับสิ่งต่าง ๆ รอบตัว

ภาพถ่ายจากดาวเทียม GOES-16 ของศูนย์กลางพายุเฮอร์ริเคนเออร์มา ณ วันที่ 8 กันยายน 2560 สามารถรับชมภาพเคลื่อนไหวได้ที่
http://rammb.cira.colostate.edu/ramsdis/online/loop.asp?data_folder=loop_of_the_day/goes-16/20170908000000&number_of_images_to_display=200&loop_speed_ms=50

ที่มาของภาพ : Cooperative Institute for Research in the Atmosphere (CIRA)

หลังจากการขับเขี้ยวอันเกรี้ยวกราดระหว่างพลังงานที่เพิ่มขึ้นจากการเปลี่ยนพลังงานความร้อนจากน้ำทะเลกับการสูญเสียพลังงานจากแรงเสียดทาน พายุจะเข้าสู่จุดสมดุลคือมีการรับและสูญเสียพลังงานในอัตราที่เท่ากัน และพายุจะมีความเร็วลมสูงสุด (V_max) ตามความสัมพันธ์

จะเห็นได้ว่าความเร็วลมสูงสุดของพายุนั้นขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิที่ผิวน้ำทะเลและอุณหภูมิยอดเมฆ โดยปกติแล้วอุณหภูมิยอดเมฆจะอยู่ที่ประมาณ -73 องศาเซลเซียส ขณะที่อุณหภูมิที่ผิวน้ำทะเลที่ต่ำที่สุดในการทำให้เกิดพายุเฮอร์ริเคนได้อยู่ที่ประมาณ 27.8 องศาเซลเซียส และจากข้อมูลพบว่าขณะที่พายุเฮอร์ริเคนเออร์มากำลังก่อตัว อุณหภูมิที่ผิวน้ำทะเลสูงกว่า 30 องศาเซลเซียส จึงทำให้พายุเฮอร์ริเคนเออร์มามีความเร็วลมมากกว่าพายุเฮอร์ริเคนทั่วไป

แหล่งอ้างอิง

1. Physics Today. “How Strong can a hurricane get?, DOI:10.1063/PT.6.1.20170908a. 8 Sep. 2017
2. Emanuel, K., 2017: A fast intensity simulator for tropical cyclone risk analysis. Nat. Hazards, DOI 10.1007/s11069-017-2890-7.
3. https://www.accuweather.com 
4. www.cira.colostate.edu
5. https://earthobservatory.nasa.gov
6. http://www.unl.edu/physics/