Contents :

  1. พื้นผิวที่มีการแลกเปลี่ยนพลังงาน (Active Layer)
  2. การแลกเปลี่ยนพลังงานชั้นพื้นผิว (Exchange Energy of Surface Layer)
  3. ความเสถียรของบรรยากาศ (Stability of atmosphere)
  4. ความเร็วลมในบรรยากาศในแต่ละความเสถียรของบรรยากาศ
  5. ภาวะอุณหภูมิผกผัน (inversion)
  6. เอกสารอ้างอิง
    1. Basic Physical Boundary layer climate เรียบเรียงโดบ นพ.ชลทิศ อุไรฤกษ์กุลBasic Physical Boundary layer climate เรียบเรียงโดบ นพ.ชลทิศ อุไรฤกษ์กุล
    2. Boundary Layer Climate 2nd Edition , T.R.OKEBoundary Layer Climate 2nd Edition , T.R.OKE

Active Surface

แสงอาทิตย์ที่ส่องลงยังโลก เป็นรังสีคลื่นสั้น (K) โดย บรรยากาศของโลก เมฆ และพื้นผิวโลกสะท้อนรังสีกลับอวกาศไปบางส่วน บางส่วนดูดกลืนไว้ วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 0 องศาสัมบูรณ์ (เคลวิน) ไม่ว่าจะเป็นบรรยากาศ เมฆ หรือพื้นดิน จะสามารถแผ่รังสีคลื่นยาว (L)ได้ (emission Long Wave) ได้ โดยพื้นผิวที่สามารถแลกเปลี่ยนพลังงานได้ เรียกว่า Active Surface พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นที่บริเวณพื้นผิวประกอบด้วย

สสารต่างๆ เช่น ดิน ทราย น้ำ น้ำแข็ง อากาศ มีค่า ความหนาแน่น (ρ) ความร้อนจำเพาะ ( c ) , ความจุความร้อน ( C ) ,การนำความร้อน (k) การแพร่กระจายความร้อย (K) และการยอมให้ความร้อนผ่าน (μ) ที่แตกต่างกัน ความแตกต่างกันดังกล่าวทำให้สสารต่างๆ สะท้อน ดูดกลืน แผ่ความร้อนที่แตกต่างกัน เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิในแต่ละสถานที่ ตัวอย่างของคุณสมบัติของความร้อนของวัสดุทางธรรมชาติ ได้แก


การแลกเปลี่ยนพลังงานของชั้นพื้นผิว (Exchange of surface layer)

แบ่งระดับของพื้นผิวได้เป็น
  1. Sub Surface layer(ชั้นใต้พื้นผิว) การเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อนต่อหน่วนพื้นที่ (heat flux หรือ ∆Q) เป็นสัดส่วนกับระยะทางที่ลึกลงไปในดิน (∆z) โดย

  2. Laminar layer (ชั้นที่อากาศเคลื่อนที่แบบราบเรียบ) เป็นชั้นของอากาศที่ติดกับพื้นผิวสูงจากพื้นผิวประมาณ 1-2 มม. การเคลื่อนที่ของอากาศจะเป็นเส้นตรง หลังจากเคลื่อนที่ไประยะหนึ่งจะเริ่มเคลื่อนที่ไม่เป็นระเบียบ ขึ้นกับ ความเร็วของกระแสลม ระยะทางที่เคลื่อนที่ไป และความหนืด อากาศชั้น laminar sublayer นั้นจะอยู่ติดกับ Surface ซึ่งในชั้นนี้ จะไม่มีการพาความร้อนในแนวดิ่ง (convection) และการถ่ายเทความร้อนเป็นแบบการนำความร้อน (Conduction หรือ molecular diffusion) โดย


  3. Roughness of layer (ชั้นที่มีความหยาบไม่ราบเรียบ) Roughness of layer ทำให้เกิด Flow ของอากาศที่ซับซ้อน ขึ้นกับความสูงและรูปร่างของพื้นผิวนั้นๆ ส่งผลให้เกิดการไหลของอากาศแบบหมุนวนหรือไหลวน(eddies หรือ Vortice)
  4. Turbulance surface layer (ชั้นที่อากาศเคลื่อนที่แบบปั่นป่วน) Turbulance surface layer ไม่สามารถระบุความสูงที่แน่นอนของชั้นนี้ได้ ประมาณว่าอยู่สูงจากระดับ laminar layer ไปถึงระดับ 10 % ของ planetary leyer (1 ก.ม.) การเคลื่อนที่ของอากาศจะหมุนวนแบบ eddies ในชั้นนี้การพาความร้อนจะตามแนวดิ่ง(Convection) โดยอากาศในส่วนที่ร้อนกว่าจะลอยขึ้นด้านบนแบบหมุนวน ค่าการแพร่ความร้อน (Eddy Diffusivity หรือ K) จะไม่คงที่ โดยค่า K จะแปรผันตามความสูงจากระดับพื้นผิว โดยที่ใกล้พื้นผิวที่มีความปั่นป่วนน้อย ค่า K = 10-5 ตรม./วินาที ส่วนระดับบนสุดค่า K= 10 ตรม./วินาที
  5. Outer layer Outer layer ส่วนของบรรยากาศที่ต่อจาก Turbulance surface layer ขึ้นไปจนถึงระดับ planetary layer หรือครอบคลุมส่วนบนร้อยละ 90 ของ planetary boundary layer โดยความสูงของชั้นนี้มีแตกต่างกันมาก โดยช่วงกลางวันในวันที่ท้องฟ้าโปร่งใส ไม่มีเมฆ ชั้นนี้อาจสูงขึ้น 1-2 กิโลเมตร โดยสูงถึงระดับชั้นเมฆได้ ในช่วงกลางวัน แต่ในตอนกลางคืนที่อากาศเย็นชั้นนี้จะหดตัวลงเหลือ 200-300 เมตร เท่านั้น

ความเสถียรของบรรยากาศ (Stability of Atmospher)

ความเสถียรของบรรยากาศ มี 3 ประเภทคือ
  1. บรรยากาศไม่เสถียร (Unstable) คือบรรยากาศที่มีการเคลื่อนที่ของโมเลกุลอากาศในแนวดิ่ง (Convection) หรือการเคลื่อนที่อย่างปั่นป่วน (Tubulance Flow) มาก มักเกิดในเวลากลางวันที่อากาศร้อน มีเมฆน้อย ความร้อนจะทำให้อากาศลอยขึ้นเบื้องบน ทำให้ชั้นของบรรยากาศถูกขยายขึ้นเบื้องบนอย่างไม่จำกัด อาจะจะสูงถึง 1,000-2,000 เมตร เรียกชั้นนี้ว่า Mixed Layer ใช้สัญญลักษณ์ว่า h*
  2. บรรยากาศเสถียร (Stable) คือบรรยากาศที่มีการเคลื่อนที่ของโมเลกุลอากาศในแนวดิ่งหรือเคลื่อนที่แบบปั่นป่วน (Tubulance Flow) ต่ำ มักเกิดในตอนกลางตืนที่อากาศเย็น ชั้นบรรยากาศที่เรียกว่า Mixed layer จะบาง หรือไม่มีเลยก็ได้  (h* = 0)
  3. บรรยากาศสมดุลย์ คือชั้นที่แทบไม่มีการเคลื่อนที่ของอากาศในแนวดิ่ง
ระดับบรรยากาศชั้นล่างสุดที่เรียกว่า Surface layer นั้น การแลกเปลี่ยนพลังงานจะเป็นแบบ convection ซึ่งกลไกในการควบคุม convection คือความแตกต่างของอุณหภูมิที่ความสูงระดับต่างๆ บนสมมุติฐานว่ามวลอากาศเคลื่อนที่แบบ adiabatic (เคลื่อนที่โดยพลังงานภายในโดยไม่มีพลังงานจากภายนอกเข้ามาเกี่ยวข้อง) อาณุภาคของอากาศ (Air parcel) ด้านล่างมีความกดอากาศสูงกว่าด้านบน อากาศที่ความกดอากาศสูงกว่า เมื่อลอยขึ้นสู่ด้านบนที่มีความกดอากาศรอบข้างต่ำกว่า จะทำให้อากาศดังกล่าวมีการขยายตัว ทำให้ความกดอากาศลดลงเท่ากับรอบข้าง และเมื่อลอยขึ้นด้านบนอุณหภูมิจะลดลงตามระดับความสูง โดยอากาศแห้ง เมื่อลอยสูงขึ้นอุณหภูมิจะลดลงเท่ากับ 9.8*10^ -3 องศา เซลเซียส ต่อเมตร หรือประมาณ 10 องศาเซลเซียส ต่อกิโลเมตร ค่านี้เรียกว่า Dry adiabatic Lapse Rate (Γ) ซึ่งค่านี้ต่างจากค่า Environmental Lapse Rate (ELR) ซึ่งเป็นค่าของอุณหภูมิที่วัดได้ ณ.ความสูงระดับต่างๆ z1

กรณีที่ ELR > Γ
สภาวะเช่นนี้ จะเกิดในวันที่อากาศแจ่มใส แดดจัด ไม่มีเมฆ ทำให้พื้นดินร้อน และแผ่รังสีคลื่นยาวให้กับบรรยากาศสูง ทำให้เกิดมี ELR สูงกว่า Γ เมื่อทำการลากเส้น ELR กับ Γ จุดตัดคือ z1 เมื่อมวลอากาศเคลื่อนจาก z1 ขึ้นด้านบน อุณหภูมิของมวลอากาศเมื่อเคลื่อนขึ้นบนจะสูงกว่า ELR จะทำให้มวลอากาศลอยขึ้นไปเรื่อยๆ ถ้ามวลอากาศเกิดเคลื่อนต่ำกว่า z1 จะทำให้อุณหภูมิของมวลอากาศดังกล่าวเย็นกว่า ELR จึงจมลงสู่เบื้องล่าง สภาวะนี้จัดเป็น unstable หรือจะเขียนได้ว่า ∂θ/∂z < 0

กรณีที่ ELR < Γ
ถ้ามวลอากาศเคลื่อนไปตำแหน่งที่อยู่เหนือ z1 อุณหภูมิของ ELR จะมากกว่า Γ มวลอากาศที่เย็นกว่าอุหภูมิรอบด้าน จะทำให้มวลอากาศดังกล่าวจมลงไปยังจุด z1 ในทางตรงกันข้าม ถ้ามวลอากาศเคลื่อนต่ำกว่า z1 จะทำให้มวลอากาศร้อนกว่ารอบข้าง ทำให้มวลอากาศลอยขึ้นบน ไปยังจุด z1 การที่มวลอากาศที่เคลื่อนเหนือหรือต่ำกว่า z1 แล้วจะกลับลงมาในตำแหน่ง z1จึงเรียกอยู่ในภาวะ stable สภาวะเช่นนี้จะเกิดในช่วงกลางคืนที่อากาศที่ผิวดินเย็น หรือเรียกว่า inversion หรือจะเขียนได้ว่า ∂θ/∂z > 0

กรณีที่ ELR = Γ  ไม่มีภาพแสดง เป็นสภาวะที่เรียกว่า neutral หลังจากที่มวลอากาศเคลื่อนที่ขึ้นๆลงๆจากตำแหน่ง แล้ว ท้ายที่สุดจะถึงจุดสมดุล ที่อุณหภูมิไม่มีการเปลี่ยนแปลง จึงอยู่ในระดับเดิมคือไม่ลอยขึ้นหรือจมลงอีกต่อไป ภาวะ neutral จะเกิดในวันที่ท้องฟ้ามืดคลึ้มมีเมฆมาก และลมแรง ทำให้อุณหภูมิของพื้นผิวไม่ร้อนมาก และลมทำให้เกิดการระบายอากาศจาก mechanical convection. หรือจะเขียนได้ว่า ∂θ/∂z > 0

ความเร็วลมในแต่ละความเสถียรของบรรยากาศ

ลม (Wind) ลมคือการเคลื่อนที่ของอากาศในแนวราบ ถ้าเป็นการเคลื่อนที่ของอากาศในแนวดิ่งด้วยกลไกของ Convection เรียก กระแสอากาศ (air current) เมื่อลมพัดไปยังพื้นที่ไม่ราบเรียบจะส่งผลให้เกิดแรงเสียดทานขึ้น เกิดการเปลี่ยนแปลงของความเร็วลมหรือเกิด surface shearing stress (τ) หรือ Momentum โดย

Profile ของ eddies and wind gradient ใน Neutral ,stable ,Non stable stage

  1. ภาวะ Neutral (รูป b) เมฆมาก ลมแรง อุณหภูมิพื้นผิวไม่สูงมาก eddies เกิดจากอิทธิพลของ force convection จากแรงเสียดทานที่พื้นผิวมากกว่าอิทธิพลของอุณหภูมิ(free convection)  eddies จะเป็นรูปวงกลมและเส้นผ่าศูนย์กลางเพิ่มขึ้นตามระดับความสูง
  2. ภาวะ unstable (รูป c) เวลากลางวันที่ร้อนจัด ในระดับที่สูงขึ้นอิทธิพลจากอุณหภูมิจะโดดเด่นทำให้ eddies เป็นรูปวงรีตั้งและ wind gradient (∂u/∂z) ต่ำ
  3. ภาวะ stable(รูปd) หรือ มี inversion จะเห็น eddies รูปรีแบบนอน wind gradient (∂u/∂z)  สูง
  4. รูป e ความเร็วลมแปรผันตาม Log ของความสูงจากพื้น โดยความสูงไม่เกิน 2 เมตรอิทธิพลของ forece convection จะเด่น  สูงจากระดับนี้อิทธิพลของ Free convection จะเด่น

ภาวะอุณหภูมิผกผัน (inversion)

ภาวะปกติของอุณหภูมิของบรรยากาศคือ อุณหภูมิด้านบนจะเย็นกว่าด้านล่าง หรือยิ่งสูงยิ่งหนาว ถ้าเกิดมีชั้นของอุณหภูมิสูง อยู่เหนือกว่าอุณหภูมิด้านล่าง จะเรียกภาวะนั้นว่าอุณหภูมิผกผัน หรือ Inversion โดย Inversion จะเกิดได้ใหนหลายกรณี ที่พบบ่อยได้แก่ Night inversion

จากภาพ จะเห็นความแตกต่างในช่วงกลางวันและกลางคืน โดยในเวลากลางวัน ในส่วนของบรรยากาศอุณหภูมิของอากาศข้างล่างร้อน ส่วนข้างบนเย็นกว่า (Lapse) ส่วนเวลากลางคืน อุณหภูมิจะตรงกันข้ามคือ ความร้อนด้านล่างเย็นกว่าด้านบน เรียกว่ามี inversion การเกิด inversion นั้นจะเป็นการชั่วคราว เมื่อถึงวันรุ่งขึ้น ความร้อนจากดวงอาทิตย์ที่แผ่ลงมา จะทำให้ชั้น inversion ดังกล่าวค่อยๆหมดไป แต่ถ้าชั้น inversion ไม่หมดไป จะเกิดอากาศร้อนคั้นอยู่ตรงกลางระหว่างอากาศเย็นทำให้อากาศด้านล่างไม่สามารถเคลื่อนไปสู่ด้านบนได้เกิดเป็นฝาชีครอบ
สภาพอากาศในเวลากลางวันและกลางคืน
จากรูป (a) คือช่วงกลางวัน อุณหภูมิของบรรยากาศเมื่อปรับระดับความดันคงที่ (θ) ที่ surface layer ด้านล่างจะร้อนกว่าด้านบน มวลอากาศที่ร้อนจะลอยขึ้นด้านบนแบบหมุนวน เป็นการพาความร้อนทางแนวดิ่ง(Convection) ความกดอากาศจะลดลงตามความสูง ทำให้อากาศขยายตัวการชนกันของโมเลกุลลดลง อุณหภูมิจะลดลง ทำให้ชั้น mixed layer อุณหภูมิ θ คงที่และเพิ่มขึ้นเพื่อพ้น mixed layer ส่วนกลางคืนนั้น ไม่มีชั้น mixed layer แต่เป็น inversion layer
หมายเหตุุ
  1. θ คือ Potential Temperature เนื่องจากค่าของอุณหภูมิอากาศที่ความดันอากาศค่าต่างๆมีค่าไม่เท่ากัน จึงมีการปรับอุณหภูมิที่ความดันอากาศมาที่ 100 kPa (1 บรรยากาศ หรือ amp=101.325 kPa) และเรียกอุณหภูมิที่ความดัน 100 kPa ว่า Potential Temperature (θ)
  2. h* คือ ระดับความสูงของ mixed layer (ชั้นที่มีการพาความร้อนในแนวดิ่งแบบปั่นป่วน โดยกลางวัน h* จะมากเนื่องจากอากาศร้อนจะลอยขึ้นบน ทำให้อากาศด้านล่างร้อนด้านบนเย็น (lapse) ส่วนกลางคืนชั้น h* จะไม่มี เกิด inversion layer แทนโดยชั้นนี้ ด้านล่างเย็น ด้านบนร้อน (inversion)

อุณหภูมิและ Inversion ในช่วงเวลาต่างๆ (24 ชั่วโมง)
อุณหภูมิของพื้นผิวโลกใน 24 ชั่วโมง มีความแตกต่างกัน ในเวลากลางวันที่มีแสงแดด อุณหภูมิจะสูงกว่าในเวลากลางคืนที่ไม่มีแสงแดด จากภาพแสดงให้เห็นอุณหภูมิใน 24 ชั่วโมงต่อเนื่องกัน 2 วัน จะเห็นว่า ช่วง 0-6 น.ก่อนพระอาทิตย์ขึ้น (Sun Rise หรือ SR) พื้นผิวดินจะเย็นทำให้อากาศที่ติดกับพื้นดินเย็นตามไปด้วยเกิดอุณหภูมิผกผัน (inversion) ที่ระดับ 0-300 เมตร และชั้น Mixed layer ของวันก่อนหน้านั้นจะเริ่มอ่อนลงเนื่องจากไม่มีแสงแดด เมื่อพระอาทิตย์ขึ้น พื้นผิวร้อนขึ้นจากการได้รับแสงแดด ชั้น inversion ค่อยๆบางลงจนหมดไปประมาณ 9.00 น. ทำให้อุณหภูมิของชั้นบรรยากาศกลับมาเป็นแบบ Rapse rate คือ ด้านล่าอุณหภูมิสูง ส่วนด้านบนอุณหภูมิต่ำ บรรยากาศเป็นแบบไม่เสถียรคืออากาศลอยตัวขึ้นบนเรื่อยๆทำให้ชั้น Mixed layer สูงขึ้นๆ และขึ้นไปสูงสุดที่ 1.2 กม.ที่เวลาประมาณ 15 น. พอหลังพระอาทิตย์ตก (Sun set หรือ SS ) อุณหภูมิผิวโลกเย็นลงทำให้บรรยากาศที่ติดกับพื้นดินเย็นตาม เกิด inversion ขึ้นถึงเที่ยงคืนและต่อเนื่องไปถึงวันรุ่งขึ้น จนกว่าพระอาทิตย์ขึ้นชั้นอุณหภูมิผกผันจึงค่อยๆบางลงๆและหมดไป


แผนภาพด้านบนเป็นบรรยากาศระดับไม่เกิน 150 เมตรเหนือพื้นดิน อุณหภูมิ (θ) เมื่อความดันอากาศคงที่ ตามช่วงเวลา โดย 1 = ช่วงก่อนดวงอาทิตย์ขึ้น, 2= ช่วงที่ใกล้ดวงอาทิตย์ขึ้น, 3= ช่วงเที่ยง, 4= ช่วงดวงอาทิตย์ใกล้จะตก ส่วนภาพด้านล่าง เป็นอุณหภูมิ (T) โดยที่ไม่มีการปรับค่าความดันอากาศให้คงที่ จากภาพด้านล่าง ในช่วงก่อนดวงอาทิตย์ขึ้น ความสูงของบรรยากาศที่อยู่ในช่วง mixed layer = 0 โดยบรรยากาศที่ติดกับพื้นดินจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าด้านบนหรือมี inversion ส่วนช่วงใกล้ดวงอาทิตย์ขึ้นจะเริ่มมี mixed layer โดย inversion ค่อยๆลดลง จนหมดไปในช่วงช่วงเที่ยง ซึ่ง inversion จะหมดไป แต่มี mixed layer สูง จนถึงช่วงก่อนดวงอาทิตย์ตก จะเริ่มมี inversion และชั้น mixed layer หมดไป


ภาพแสดงให้เห็น Inversion จากภาพจะเห็นว่าปล่องที่ปล่อยควันสีขาวออกมา โดยควันสีขาวสามารถขึ้นไปถึงระดับหนึ่งเท่านั้น ไม่สามารถที่จะขึ้นต่อไปได้ และหมอกหรือเมฆก็สามารถที่จะลอยขึ้นบนได้ จากชั้น Inversion ที่เสมือนฝาชีครอบอยู่

ภาพแสดงความสูงของชั้น Inversion ,Mixed layer และ Surface layer และ อุณหภูมิศักยภาพ (θ) , ความเร็วลม(u) และความหนาแน่นของไอน้ำ (ρv) ในช่วงกลางวันและกลางคืน

  1. ภาพ a แสดงความสูงของชั้น inversion , Mixed layer ในแต่ละชั่วโมงของแต่ละวัน โดย SR = Sun Rise หรือพระอาทิตย์ขึ้น และ SS คือ Sun Set คือพระอาทิตย์ตก
  2. ภาพ b คืออุณหภูมิศักยภาพ (Potential Temperature ; θ ) คววามเร็วลม (u หรือ Wind speed) และ ρv = ความดันไอน้ำ (Vapour density) ในช่วงกลางวัน
  3. ภาพ c คืออุณหภูมิศักยภาพ (Potential Temperature ; θ ) คววามเร็วลม (u หรือ Wind speed) และ ρv = ความดันไอน้ำ (Vapour density) ในช่วงกลางวัน