ชวนรู้จัก 'คอนเทรล' | บัญชา ธนบุญสมบัติ

หลายคนคงเคยเห็นเส้นสีขาวบนฟ้า ซึ่งบางครั้งก็เห็นเครื่องบินอยู่ด้วบ แต่บ่อยครั้งเครื่องบินก็บินลับหายไปแล้ว เส้นสีขาวที่ว่านี้ไม่ใช่ควันนะครับ แต่เป็นเมฆ และเป็นเมฆที่เกิดจากฝีมือมนุษย์ เรียกว่า คอนเทรล (contrail)

คำว่า contrail ย่อมาจาก condensation trail แปลว่า แนวเส้นที่เกิดจากไอน้ำกลั่นตัว บางครั้งฝรั่งก็เรียกว่า vapor trail หรือแนวไอน้ำ

ส่วนราชบัณฑิตยสภากำหนดให้เรียกคอนเทรลว่า แนวเมฆ หรือ แนวไอน้ำกลั่นตัว

คอนเทรลอาจจัดแบ่งประเภทได้หลายลักษณะขึ้นอยู่กับเกณฑ์ที่ใช้ เกณฑ์แบบแรกใช้ ‘กลไกการเกิด’ เป็นตัวตัดสิน

ตามเกณฑ์นี้คอนเทรลแบ่งเป็น 2 ประเภท ได้แก่ คอนเทรลที่เกิดจากไอเสีย และคอนเทรลเชิงอากาศพลศาสตร์

ลองมาดูแบบแรกคือ คอนเทรลที่เกิดจากไอเสีย (exhaust contrail) กันก่อนเพราะว่าเป็นแบบที่พบเห็นได้ง่ายกว่าและมักพบขณะที่เครื่องบินกำลังบินอยู่ในระดับความสูงเดินทาง (cruising level)

ไอเสียที่ถูกพ่นออกมาจากเครื่องยนต์มีทั้งอากาศร้อน ไอน้ำ และละอองลอย (ฝุ่นเขม่า) จากการเผาไหม้เชื้อเพลิง ไอน้ำที่ออกมาพร้อมกับไอเสียรวมกับไอน้ำที่มีอยู่เดิมในอากาศจะเกิดจากควบแน่นโดยมีฝุ่นเขม่าทำหน้าที่เป็นแกนกลั่นตัว

แต่เนื่องจากทีนี้เครื่องบินโดยสารเชิงพาณิชย์ปกติจะบินสูงราว 9-12 กิโลเมตร ซึ่งเป็นระดับที่มีอุณหภูมิเย็นจัด (ต่ำกว่า 0 องศามาก) หากอุณหภูมิมีค่า -38 องศาเซลเซียส หรือต่ำกว่า ผลก็คือหยดน้ำที่เกิดจากการควบแน่นจะแข็งตัวกลายเป็นผลึกน้ำแข็งขนาดเล็กจิ๋วทันที เมื่อมองผลึกน้ำแข็งจำนวนมหาศาลในภาพรวมจะเห็นเป็นเส้นสีขาวพาดบนฟ้า

สังเกตดีๆ จะเห็นว่าคอนเทรลที่เกิดจากไอเสียไม่ได้ปรากฏขึ้นทันทีตรงปลายท่อของเครื่องยนต์ แต่มีบริเวณที่ดูเหมือนเว้นว่างระยะหนึ่ง บริเวณนี้เป็นอากาศยังร้อนเกินกว่าจะเกิดการควบแน่น

ผมลองค้นรายละเอียดจากงานวิจัยเรื่อง Formation and radiative forcing of contrail cirrus ที่ตีพิมพ์ใน Natura Communications มาฝาก พบตัวเลขที่น่าสนใจดังนี้ครับ (ดูแผนภาพ)

0-0.1 วินาที : อนุภาคละอองลอยจากไอพ่น (ขนาด 10 นาโนเมตร)

0.1-1 วินาที : อนุภาคละอองลอยทำให้ไอน้ำโดยรอบควบแน่นเกิดเป็นหยดน้ำ (ขนาด 100 นาโนเมตร)

1-10 วินาที : หยดน้ำแข็งตัว และผลึกน้ำแข็งเติบโต (ขนาด 1000 นาโนเมตร)

10-100 วินาที : ผลึกน้ำแข็งเติบโตในส่วนบนของกระแสอากาศ และระเหิดหายไปในส่วนล่างของกระแสอากาศ

สังเกตว่ากว่าผลึกน้ำแข็งจะเริ่มเกิดขึ้นก็ใช้เวลาราว 1-10 วินาที จึงเกิดเป็นบริเวณที่ดูเว้นว่างหลังเครื่องยนต์นั่นเอง

คอนเทรลที่เกิดจากไอเสียยังอาจแบ่งเป็น 3 แบบย่อยขึ้นกับความระยะเวลาที่มันคงตัวอยู่

หนึ่ง – คอนเทรลอายุสั้น (short-lived contrail) : ปรากฏเป็นเส้นบางๆ ความยาวค่อนข้างคงที่ และดูเหมือนติดไปกับเครื่องบิน เมื่อเครื่องบินลับสายตาไป ก็จะไม่ทิ้งร่องรอยอะไรไว้ให้เห็น

สอง – คอนเทรลอายุยืน (persistent contrail) : ยังคงปรากฏเป็นเส้นพาดฟ้าแม้เครื่องบินจะบินผ่านไปนานแล้ว แต่มีเส้นมีขนาดเล็ก โดยหากเรายื่นแขนออกไปจนสุด ก็จะพบว่าเส้นคอนเทรลหนาไม่เกิน 1 นิ้วมือ

สาม – คอนเทรลอายุยืนและแผ่กระจายออกไป (persistent spreading contrail) : นอกจากจะคงตัวอยู่นานแล้ว ยังแผ่ออกไปด้านข้างอีกด้วย

คอนเทรลอายุยืนและแผ่กระจายออกไปนี่สำคัญนะครับ เพราะหากแผ่ออกไปกลายเป็นเมฆซีร์รัสจะเรียกว่า คอนเทรลซีร์รัส (contrail cirrus) ส่วน International Cloud Atlas ขององค์การอุตุนิยมวิทยาโลกได้กำหนดให้เรียกคอนเทรลคงตัวที่อยู่นานอย่างน้อย 10 นาทีว่า Cirrus homogenitus (ซีร์รัส โฮโมเจนิตัส) แปลว่า เมฆซีร์รัสที่เกิดจากมนุษย์ คำว่า homo คือ มนุษย์ + genitus คือ ให้กำเนิด นึกถึงคำว่า generate ที่แปลว่า ผลิต ก็ได้ครับ

วงการวิชาการสนใจคอนเทรลซีร์รัสกันมาก เนื่องจากส่งผลต่อสภาวะโลกร้อนได้ เนื่องจากรู้กันมานานแล้วว่าเมฆซีร์รัสทำให้โลกอุ่นขึ้นได้ ส่วนภาพที่ใหญ่กว่าก็คือ เมฆมีผลกระทบต่อเรื่องโลกร้อน และเป็นตัวแปรที่กำลังศึกษากันอย่างเข้มข้นนี่ เอาไว้ผมจะหาจังหวะนำเสนออีกที

คราวนี้มาดูคอนเทรลประเภทที่สองกันบ้าง เรียกว่า คอนเทรลเชิงอากาศพลศาสตร์ (aerodynamic contrail) บ้าง แม้ว่าคอนเทรลประเภทนี้จะพบได้ยากกว่า แถมมักจะมีอายุสั้น แต่ก็มีแง่มุมนี่น่าสนใจมากทีเดียว

ลองดูบริเวณผิวบนของปีกเครื่องบินก่อน เมื่ออากาศไหลผ่านผิวบนของปีก ความดันอากาศใกล้ผิวบนจะลดลง ส่งผลให้อากาศบริเวณนี้ขยายตัวและเย็นลง หากอุณหภูมิลงลงต่ำกว่าจุดน้ำค้าง ไอน้ำจะเกิดการกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การควบแน่นเหนือปีก (condensation over wings)

การควบแน่นเหนือปีกนี้บ่อยครั้งมักจะเกิดขึ้นเฉพาะบริเวณเหนือปีกเครื่องบิน ซึ่งจะเรียกว่าคอนเทรลก็ไม่ถนัดปากนัก เนื่องจากคำว่า trail ในคำว่า contrail หมายถึงแนวเส้น แต่บางครั้งการควบแน่นนี้ก็อาจเกิดเป็นเส้นลากยาวออกไป ทำให้เห็นลักษณะของคอนเทรลตามความหมายของคำอย่างชัดเจน

การที่อากาศขยายตัวและเย็นลงนี้ ภาษาวิชาการเรียกว่า การขยายตัวแบบแอเดียแบติก (adiabatic expansion) และ การเย็นตัวลงแบบแอเดียแบติก (adiabatic cooling) คำว่า adiabatic หมายถึงไม่มีความร้อนเข้าหรือออกจากระบบ (บริเวณที่กำลังพิจารณา)

คราวนี้มีดูที่ปลายปีกกันบ้าง ในการทำให้เกิดแรงยกบนปีก ความดันอากาศใต้ปีกต้องสูงกว่าความดันอากาศเหนือปีก ผลก็คือสำหรับปีกซึ่งมีรูปร่างแบน ไม่งอนขึ้น ที่บริเวณปลายปีก อากาศจากบริเวณใต้ปีกซึ่งมีความดันสูงกว่าจะไหลขึ้นไปบริเวณเหนือปีก ส่งผลให้เกิดการไหลวนของอากาศเป็นรูปเกลียว เรียกว่า วอร์เทกซ์ปลายปีก (wingtip vortex)

การไหลวนของอากาศในวอร์เทกซ์นี้ส่งผลให้ความดันอากาศลดลง ผลก็คืออุณหภูมิลดลงตาม หากอุณหภูมิลดลงถึงจุดน้ำค้าง ไอน้ำที่บริเวณปลายปีกก็จะเกิดการควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำ ซึ่งเมื่อเครื่องบินเคลื่อนที่ไป เราเห็นเป็นเส้นคอนเทรลเชิงอากาศพลศาสตร์นั่นเอง

คอนเทรลเชิงอากาศพลศาสตร์มักจะเกิดในบริเวณที่มีอากาศค่อนข้างชื้นและมุมปะทะ (angle of attack) ค่อนข้างสูง เช่น ขณะที่เครื่องบินกำลังทะยานขึ้น หรือร่อนลง เป็นต้น

คอนเทรลยังมีแง่มุมสนุกๆ อีกมาก เอาไว้จะหาโอกาสเล่าให้อ่านกันอีกครับ!