ฟ้าผ่าก่อตัวได้อย่างไร?

กระแสไฟฟ้าของฟ้าผ่าสูงกว่ากระแสไฟฟ้าจากเต้ารับถึง 1,250 เท่า แต่ทำไมฟ้าผ่าถึงมีอยู่จริง, มันปล่อยประจุอย่างไร, และฟ้าร้องเกี่ยวข้องกับมันอย่างไร? มาหาคำตอบในบทความนี้กันเถอะ

ฟ้าผ่าเป็นการปล่อยประจุไฟฟ้าขนาดใหญ่ ซึ่งมาพร้อมกับแสงวาบและเสียงฟ้าร้อง เกือบทุกครั้งมันก่อตัวใน เมฆคิวมูโลนิมบัส บางครั้งในเมฆนิมโบสตราตัสขนาดใหญ่ ขอบบนของเมฆดังกล่าวมักจะสูงถึงสี่ไมล์ (เจ็ดกิโลเมตร) เหนือพื้นผิวโลกในขณะที่ส่วนล่างสามารถเกือบสัมผัสพื้นดิน การปล่อยประจุในบรรยากาศสามารถก่อตัวได้ทั้งภายในเมฆเดียวและระหว่างเมฆที่มีประจุไฟฟ้าใกล้เคียงกัน รวมถึงระหว่างเมฆและพื้นดิน

เมฆฟ้าร้องประกอบด้วยไอน้ำจำนวนมาก เนื่องจากอุณหภูมิต่ำที่ระดับความสูงสูง ไอน้ำจึงควบแน่นในรูปของผลึกน้ำแข็ง ก่อนที่เมฆจะกลายเป็นพายุฝนฟ้าคะนอง ผลึกน้ำแข็งเริ่มเคลื่อนที่อย่างแข็งขันภายในเมฆเนื่องจากกระแสอากาศอุ่นที่ลอยขึ้นจากพื้นผิวที่ร้อน อากาศอุ่นและชื้นลอยขึ้นไปข้างบน กลายเป็นประจุที่นั่น ปล่อยประจุอีกครั้ง (ฟ้าผ่า) ร้อนขึ้น และสุดท้ายแสดงออกมาเป็นเสียงดัง (ฟ้าร้อง) เราจะอธิบายกระบวนการนี้โดยละเอียดในบทความนี้

ฟ้าผ่าก่อตัวได้อย่างไร

ฟ้าผ่าเกิดขึ้นจากการชาร์จไฟฟ้าสถิตของหยดน้ำในเมฆฟ้าร้อง หยดน้ำมีประจุบวกในส่วนบนและประจุลบในส่วนล่าง เมื่อความแตกต่างของประจุสูงมาก สิ่งนี้จะสร้างสนามแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่

เมื่อฟ้าผ่าเกิดขึ้น ช่องทางประจุจะพบกัน - ไม่ว่าจะภายในเมฆเดียว ระหว่างเมฆ หรือระหว่างพื้นดินและเมฆฟ้าร้อง แรงดันไฟฟ้าจะปล่อยออกมาในแสงวาบของฟ้าผ่า (การปล่อยประจุแบบประกายไฟ) กระแสไฟฟ้าจำนวนมากไหลผ่าน อากาศในช่องทางฟ้าผ่าร้อนขึ้น และเกิดแสงวาบที่เป็นเอกลักษณ์

กระบวนการก่อตัวของฟ้าผ่าประกอบด้วยหลายขั้นตอน

ขั้นตอนของผู้นำ

การปล่อยประจุของฟ้าผ่าเริ่มต้นเมื่อผู้นำปรากฏขึ้น มีผลกระทบทางความร้อน กลไก และไฟฟ้าต่อวัตถุที่มันผ่าน

ผู้นำประกอบด้วยช่องทาง หัวช่องทาง และโซนสตรีมเมอร์ ช่องทางผู้นำเป็นการก่อตัวของพลาสมาที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ช่องทางเติบโตโดยการทะลุผ่านช่องว่างระหว่างเมฆและพื้นดิน มันมีศักยภาพมหาศาลถึงหลายสิบเมกะโวลต์ และกระแสไฟฟ้าในนั้นมีหลายร้อยแอมแปร์

ขั้นตอนลัดวงจร

นี่คือขั้นตอนหลักของการพัฒนาฟ้าผ่า ช่องทางการนำไฟฟ้าอุณหภูมิสูงลัดวงจรกับพื้นดิน กระตุ้นกระบวนการปล่อยประจุชั่วคราวของระบบประจุที่ขยายออกซึ่งผู้นำได้สร้างขึ้น ในขั้นตอนนี้ กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านช่องทางด้วยความเร็วแสง

ขั้นตอนลัดวงจรนี้มาพร้อมกับแสงวาบ แสงสว่างจ้า และฟ้าร้อง การสั่นสะเทือนในอากาศ เมื่อคลื่นอากาศที่ร้อนจากฟ้าผ่าชนกับอากาศเย็น ทำให้เกิดฟ้าร้อง

ขั้นตอนสุดท้าย

ในขั้นตอนสุดท้าย ช่องทางยังคงถ่ายโอนประจุไปยังพื้นดิน แต่มีความเข้มข้นน้อยลง อย่างไรก็ตาม ขั้นตอนนี้มีลักษณะของระยะเวลาของกระแสที่ยาวนานขึ้น ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากผลกระทบทางความร้อนของฟ้าผ่า

ประเภทของฟ้าผ่า

ฟ้าผ่ามาจากพื้นดินหรือไม่? บางครั้งใช่ แต่ไม่ใช่แค่จากพื้นดินเท่านั้น มาสำรวจรูปแบบต่างๆ ที่ฟ้าผ่าสามารถเกิดขึ้นได้

ฟ้าผ่าในเมฆและระหว่างเมฆ

โดยทั่วไปแล้ว ฟ้าผ่าจะเกิดขึ้นภายในเมฆเดียว (ฟ้าผ่าในเมฆ) แต่บางครั้งมันสามารถเดินทางระหว่างสองเมฆ (ฟ้าผ่าระหว่างเมฆ)

ฟ้าผ่าจากเมฆสู่พื้นดิน

ที่มา: Jrmichae, CC BY-SA 4.0, ผ่าน Wikimedia Commons

ฟ้าผ่าจากเมฆสู่พื้นดินเป็นแสงวาบที่สว่างจ้าที่วิ่งในแนวตั้งระหว่างฐานของเมฆและพื้นดิน มีสองรูปแบบของฟ้าผ่าจากเมฆสู่พื้นดิน: ฟ้าผ่าบวกและฟ้าผ่าลบ

ฟ้าผ่าลบโจมตีพื้นดินจากฐานเมฆที่มีประจุลบ 90% ของฟ้าผ่าจากเมฆสู่พื้นดินจะถ่ายโอนประจุลบไปยังพื้นดิน

ฟ้าผ่าบวกเกิดจากฐานเมฆที่มีประจุบวกและถ่ายโอนประจุบวกนี้ไปยังพื้นดิน มันมีความแรงเป็นสองเท่าของฟ้าผ่าทั่วไปและสามารถโจมตีได้หลายไมล์จากพายุฝนฟ้าคะนองจริง สิ่งนี้ทำให้มันไม่สามารถคาดเดาได้และจึงเป็นอันตรายมากสำหรับมนุษย์และสัตว์ ประมาณ 10% ของฟ้าผ่าเป็นฟ้าผ่าบวก แต่สัดส่วนของฟ้าผ่าบวกจะสูงขึ้นในฤดูหนาว

ฟ้าผ่าลงและฟ้าผ่าขึ้น

ที่มา: Raul Heinrich, CC BY-SA 3.0, ผ่าน Wikimedia Commons

ฟ้าผ่าที่เรียกว่าผู้นำเตรียมการปล่อยประจุที่มองเห็นได้ (การกลับคืน) ในเกือบทุกฟ้าผ่า ผู้นำเริ่มต้นในเมฆและเติบโตเป็นขั้นตอนของ 165-655 ฟุต (50-200 เมตร) ไปยังพื้นดิน (ฟ้าผ่าลง) ในกรณีพิเศษ (เช่น หอคอยสูงบนภูเขา) ผู้นำเริ่มต้นที่ยอดหอคอยและเติบโตขึ้นไปในเมฆฟ้าร้อง (ฟ้าผ่าขึ้น)

ฟ้าผ่าในชั้นมีโซสเฟียร์

ฟ้าผ่าที่ระดับสูงถูกสังเกตและบันทึกครั้งแรกโดยลูกเรือของเที่ยวบินกระสวยอวกาศประมาณ 30 ปีที่แล้ว ปรากฏการณ์เหล่านี้เกิดขึ้นในชั้นมีโซสเฟียร์และมีหลายประเภทที่เรียกว่าสไปรท์, เอลฟ์, และบลูเจ็ต

ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตการปล่อยประจุไฟฟ้าในบรรยากาศชั้นบนและรังสีที่มาพร้อมกันอย่างใกล้ชิด สำหรับการศึกษาของพวกเขา กล้องพิเศษถูกติดตั้งในภูเขาหรือบนดาวเทียมที่โคจร

ประวัติศาสตร์แล้ว ปรากฏการณ์แรกที่ได้รับการศึกษาคือสไปรท์ เหล่านี้เป็นการปล่อยประจุไฟฟ้าที่พุ่งขึ้นเหนือพายุฝนฟ้าคะนองหรือเมฆคิวมูโลนิมบัส สไปรท์ปรากฏเป็นการระเบิดของแสงสีส้มและแดง มักมีลำตัวหลัก, “ลำต้น”, และกิ่งก้านมากมาย ในเดือนกรกฎาคม 1989 นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยมินนิโซตาทำภาพแรกของสไปรท์ ตั้งแต่นั้นมา สไปรท์ได้รับการบันทึกอย่างสม่ำเสมอโดยทั้งนักวิทยาศาสตร์และมือสมัครเล่นและแม้แต่นักบินอวกาศจาก ISS

ที่มา: EarthSky

บ่อยครั้งที่สไปรท์มาพร้อมกับปรากฏการณ์อื่นที่เรียกว่า “เอลฟ์” (ELVES, Emission of Light and Very Low-Frequency perturbations due to Electromagnetic Pulse Sources) พวกมันปรากฏเป็นพื้นที่แสงสีแดงที่ขยายตัวอย่างรวดเร็วในรูปแบบของแผ่นดิสก์ที่สามารถมีเส้นผ่านศูนย์กลางหลายร้อยกิโลเมตร โดยทั่วไปแล้ว เอลฟ์ปรากฏที่ระดับความสูงประมาณ 100 กิโลเมตรเหนือพายุที่รุนแรงและคงอยู่เพียงไม่กี่มิลลิวินาที

เครดิตภาพ: Valter Binotto

อีกปรากฏการณ์หนึ่งคือบลูเจ็ต พวกมันดูเหมือนกระแสแสงที่ส่องออกมาจากศูนย์กลางที่มีความเคลื่อนไหวมากที่สุดของเมฆฟ้าร้อง เมื่อพวกมันแพร่กระจายขึ้นไป พวกมันจะขยายตัวอย่างค่อยเป็นค่อยไปด้วยมุมเปิดประมาณ 15 องศา แสงของพวกมันค่อยๆ จางหายไปที่ระดับความสูงประมาณ 40-50 กิโลเมตร บลูเจ็ตมีความสว่างมากกว่าสไปรท์และมีสีที่แตกต่างกัน แต่พบได้น้อยกว่า

ที่มา: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/A. Smith, CC BY 4.0, ผ่าน Wikimedia Commons

ฟ้าผ่าลูกบอล

ฟ้าผ่าลูกบอลเป็นปรากฏการณ์ที่หายากและยังไม่สามารถอธิบายได้ที่ลูกบอลพลาสมาที่ส่องแสงปรากฏในบรรยากาศ โดยทั่วไปในช่วงพายุฝนฟ้าคะนอง ตามคำบอกเล่าของพยาน มันดูเหมือนวัตถุทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 ถึง 20 เซนติเมตร แม้ว่าบางรายงานจะระบุขนาดที่ใหญ่กว่านี้

มีทฤษฎีหลายข้อเกี่ยวกับวิธีที่ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้น ทฤษฎีหนึ่งเสนอว่าฟ้าผ่าลูกบอลก่อตัวเมื่อฟ้าผ่าตีพื้นดิน ทำให้บรรยากาศรอบข้างกลายเป็นพลาสมาและสร้างลูกบอลพลาสมา อีกทฤษฎีหนึ่งเสนอว่าฟ้าผ่าลูกบอลเกิดขึ้นเมื่อฟ้าผ่าตีบรรยากาศ ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบฟ้าผ่า สนามแม่เหล็กนี้จะดักจับก๊าซที่มีประจุไฟฟ้า สร้างลูกบอลพลาสมา

ฟ้าผ่าลูกบอลสามารถคงอยู่ระหว่างไม่กี่วินาทีถึงหลายๆ นาที และมักจะมาพร้อมกับเสียงฟู่หรือเสียงแตก มันยังสามารถเคลื่อนที่ในลักษณะที่ไม่สามารถคาดเดาได้ บางครั้งลอยอยู่ในที่เดียวและบางครั้งเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วหรือกระเด้งออกจากพื้นผิว ฟ้าผ่าลูกบอลสามารถเข้าสู่ภายในอาคารผ่านหน้าต่างหรือประตูได้ แต่ไม่ค่อยทำให้เกิดความเสียหายหรือบาดเจ็บ

แม้จะมีการพบเห็นและรายงานฟ้าผ่าลูกบอลมากมายในช่วงหลายปีที่ผ่านมา แต่ก็ยังคงเป็นปรากฏการณ์ที่ลึกลับและไม่เข้าใจดีนัก นักวิทยาศาสตร์ยังคงศึกษาฟ้าผ่าลูกบอลเพื่อทำความเข้าใจการก่อตัวและพฤติกรรมของมันให้ดียิ่งขึ้น

ฟ้าผ่า: ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ

นี่คือข้อเท็จจริงที่น่าสนใจเกี่ยวกับฟ้าผ่า:

• ฟ้าผ่าต้นโอ๊กบ่อยกว่าต้นไม้อื่นๆ นี่เป็นเพราะต้นโอ๊กสูงกว่าต้นไม้อื่นๆ และมีระบบรากที่พัฒนามาก ซึ่งทำให้การปล่อยประจุสามารถเข้าถึงน้ำใต้ดินได้ง่าย

ที่มา: University of Florida Blogs

• 25% ของคนที่ถูกฟ้าผ่าตายจากภาวะหัวใจหยุดเต้น ผู้รอดชีวิตจะได้รับความเสียหายต่อสุขภาพอย่างมาก การสูญเสียความจำ ความไว ปัญหาการนอนหลับ และการสูญเสียการได้ยิน
• ฟ้าผ่าที่กระทบพื้นทรายสามารถสร้างแก้วได้ ดังนั้น หลังจากพายุฝนฟ้าคะนอง คุณอาจพบการก่อตัวของแก้วในทราย
• อะไรเกิดก่อน ฟ้าร้องหรือฟ้าผ่า? พวกมันเกิดขึ้นพร้อมกัน แต่แสงเดินทางเร็วกว่าเสียง ดังนั้นเราจึงเห็นฟ้าผ่าก่อนเสมอ และฟ้าร้องตามมา
• ฟ้าผ่าสามารถปรากฏไม่เพียงแค่บนโลกของเราเท่านั้น แต่ยังบนดาวเคราะห์อื่นๆ หากมีเงื่อนไขที่เหมาะสมสำหรับการก่อตัวของมัน - สื่อก๊าซ ดังนั้นจึงสามารถสังเกตปรากฏการณ์นี้ได้บนดาวเสาร์, ดาวยูเรนัส, ดาวศุกร์, และดาวพฤหัสบดี บนดาวเคราะห์บางดวงเหล่านี้ ฟ้าผ่ามีพลังมากกว่าฟ้าผ่าบนโลกหลายร้อย, หลายพัน, และแม้กระทั่งหลายล้านเท่า
• 80% ของฟ้าผ่าตีพื้นผิวที่แข็ง แม้ว่าสามในสี่ของโลกของเราจะถูกปกคลุมด้วยน้ำ นี่เป็นเพราะกระแสอากาศที่มีการพาความร้อนที่ทรงพลังซึ่งก่อตัวเหนือพื้นดิน
• มีเพียงหนึ่งในสี่ของฟ้าผ่าที่ถึงพื้นผิวโลก ส่วนที่เหลือจะปล่อยประจุระหว่างเมฆ
• แอฟริกากลางเป็นส่วนของโลกที่ฟ้าผ่าบ่อยที่สุด
• กิจกรรม 3 อันดับแรกที่ทำให้เกิดการเสียชีวิตจากฟ้าผ่ามากที่สุดในสหรัฐอเมริกาคือการตกปลา, ชายหาด, และการตั้งแคมป์ ในตารางด้านล่าง คุณสามารถดูรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับกิจกรรมที่ทำให้เกิดการเสียชีวิตจากฟ้าผ่า

ที่มา: National Weather Service

เคล็ดลับความปลอดภัยจากพายุฝนฟ้าคะนองและฟ้าผ่า

นี่คือวิธีที่คุณสามารถปลอดภัยในช่วงพายุฝนฟ้าคะนองและฟ้าผ่า:

• อยู่ในบ้านในช่วงพายุฝนฟ้าคะนอง หากคุณได้ยินฟ้าร้องหรือเห็นฟ้าผ่า ควรอยู่ภายในอาคารหรือรถยนต์ ฟ้าผ่าสามารถโจมตีคนได้แม้ว่าพวกเขาจะอยู่ใต้ต้นไม้หรือที่กำบังอื่นๆ
• ถอดปลั๊กอุปกรณ์ไฟฟ้า ถอดปลั๊กเครื่องใช้ไฟฟ้า รวมถึงโทรทัศน์ คอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ ในช่วงพายุฝนฟ้าคะนองเพื่อป้องกันพวกมันจากการกระชากไฟฟ้าที่เกิดจากฟ้าผ่า
• หลีกเลี่ยงน้ำ หลีกเลี่ยงการว่ายน้ำ, ล่องเรือ, หรืออาบน้ำในช่วงพายุฝนฟ้าคะนอง เนื่องจากน้ำเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี
• อย่ายืนใกล้วัตถุโลหะ รวมถึงรั้ว, เสา, และร่ม เนื่องจากพวกมันสามารถดึงดูดฟ้าผ่าได้
• รอให้พายุผ่านไป รออย่างน้อย 30 นาทีหลังจากฟ้าร้องครั้งสุดท้ายก่อนที่จะออกไปข้างนอก เพราะฟ้าผ่ายังสามารถโจมตีได้แม้หลังจากพายุผ่านไปแล้ว
• อยู่ต่ำ หากคุณติดอยู่นอกบ้านในช่วงพายุฝนฟ้าคะนองและไม่สามารถหาที่หลบภัยได้ ให้นั่งย่อตัวลงต่ำกับพื้น โดยให้เท้าอยู่ใกล้กัน และปิดหูของคุณ