air pollution มลพิษในอากาศ

Topic : Air Pollution

กลับหน้าเดิม
  1. กรอบแนวคิดเกี่ยวกับเรื่อง Air pollution
  2. การปล่อยสารพิษสู่อากาศ (Emission of pollution)
  3. การควบคุมโดยบรรยากาศ (Atmosphere Control)
    1. การกระจายตัวของมลพิษ
      1. ความเสถียรของบรรยากาศและความผกผันของอุณหภูมิ
      2. ผลจากความเร็วลมในการเจือจาง (dilute) หรือเคลื่อนย้าย (transport) มลพิษในอากาศ
    2. กระบวนการเปลี่ยนรูปของมลพิษ (Process of pollutant transformation)
    3. กระบวนการกำจัดมลพิษในอากาศ (Removal)
      1. การตกลงของมลพิษจากแรงโน้มถ่วง (Gravitation settling)
      2. การดูดซึมที่ผิวพื้นดินหรือพื้นน้ำหรือจากพืซ (surface absorbtion or dry deposition)
      3. การจัดการมลพิษโดยไปรวมกับละอองน้ำบนเมฆแล้วตกลงมาของฝน/หิมะ (Precipitation scavenger)
    4. การกระจายและแบบแผนการกระจายของมลพิษในอากาศ
      1. แบบลูป (Looping)
      2. แบบโคน (Conning)
      3. แบบพัด (Fanning)
      4. แบบกระจายขึ้นบน (Lofting)
      5. แบบรมควัน (Fumugation)
    5. ตัวอย่างของแบบแผนการกระจายมลพิษแบบรมควัน (Fumugation)
  4. สมการตัวแปรในการคำนวณความเข้มข้นของมลพิษในอากาศ:  X(x)  = X * ∆x / uh* 
  5. เอกสารอ้างอิง
    1. Air Pollution เรียบเรียงจากหนังสือ Boundary Layer Climate T.R.OKE โดยจาก นพ.ชลทิศ อุไรฤกษ์กุล
    2. Boundary Layer Climate 2 nd Edition T.R.OKE Chapter 9

กรอบแนวคิดเกี่ยวกับเรื่อง Air Pollotion

  Air pollution คือสารที่อยู่ในบรรยากาศในเงื่อนไขที่เหมาะสม อาจเป็นอันตรายต่อคน สัตว์ พืช และสิ่งมีชีวิติเล็ก รวมถึงสิ่งแวดล้อมทางธรรมชาติ ทรัพย์สิน อาคาร สิ่งก่อสร้าง หรือรบกวนการใช้ประโยชน์หรือก่อความรำคาญ  กรอบแนวคิดเกี่ยวกับเรื่องมลพิษในอากาศ ประกอบด้วย 3 ประเด็น คือ คือ แหล่งผลิตมลพิษ (Source)  สภาวะของบรรยากาศ (State of atmosphere) ที่จะเป็นตัวส่งเสริมให้มลพิษกระจายตัว หรือเปลี่ยนรูป หรือถูกกำจัด และประเด็นสุดท้าย คือ เมื่อมลพิษทางอากาศจมลงใกล้พื้นผิวโลกก็จะส่งผลต่อทั้งสิ่งมีชีวิตและไม่มีชีวิต
    1. แหล่งกำเนิด (Source)  จะพิจารณาในเรื่องการปล่อยมลพิษไปสู่บรรยากาศ (emission) ได้แก่  อัตราการปล่อย (rate) ประเภทของการปล่อย (type) ลักษณะของแหล่งกำเนิด
    2. สภาวะของบรรยากาศ (State of Atmosphere)  ประกอบด้วย
      1. การกระจายตัว (dispersion)  ไปทางแนวดิ่ง หรือแนวนอน   ซึ่งเมื่ออากาศมีการกระจายตัว สารต่างๆในอากาศของจะกระจายตัวไปตามอากาศด้วย ปัจจัยที่มีผลต่อการกระจายตัวในรูปแบบต่างๆได้แก่
        1. ความเสถียรของชั้นบรรยากาศ (stability) โดยแบ่งบรรยากาศเป็น 2 ประเภทคือ บรรยากาศแบบเสถียร (stable) เกิดในช่วงที่อากาศเย็นในเวลากลางคืน  โดยอากาศเย็นจะจมตัวลงด้านล่าง ทำให้ส่วนใหญ่ของชั้นบรรยากาศหดตัวลงมา (เหลือ 200-300 เมตร) สารที่อยู่ในบรรยากาศจะเคลื่อนที่ตามแนวดิ่งน้อยลงและอยู่คงที่ไม่กระจายตัวขึ้นด้านบนไปไกล  และความเข้มข้นจะสูง แบบที่ 2 บรรยากาศแบบไม่เสถียร (unstable) เกิดในช่วงอากาศร้อนเช่นในเวลากลางวัน  ความร้อนทำให้อากาศลอยตัวขึ้นด้านบน โดยจะลอยสูงขึ้นไปเรื่อยๆ จนสามารถลอยสูงขึ้นไปได้ถึง 2,000-3,000 เมตร ขึ้นกับความแตกต่างของ อุณหภูมิของอากาศ ทำให้พาสสารต่างๆที่อยู่ในอากาศกระจายตัวได้ดีในแนวดิ่ง ส่งผลให้ความเข้มข้นต่ำ
        2. กระแสหมุนวน (Tubulance)  พลังงานสามารถเปลี่ยนรูปไปมาได้จาก พลังงานความร้อนเป็นพลังงานจลน์ ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอากาศเป็นแบบกระแสหมุนวน ซึ่งความแรง และทิศทางของกระแสหมุนวนจะส่งผลต่อการกระจายตัวของอากาศในแนวดิ่ง
        3. ความเร็วลม มีผลต่อการกระจายตัวของอากาศในแนวราบ ถ้าความเร็วลมมากก็จะกระแสตัวได้ดี  นอกจากนั้นทิศทางลมก็จะมีผลทิศทางของกระจายตัวของกาศด้วย ว่าจะไปทิศทางที่ทวนลมหรือตามลม ภูมิประเทศที่ลมพัดผ่านก็จะส่งผล ถ้าภูมิประเทศที่มีต้นไม้ใหญ่ หรืออาคารสูงกระแสลมก็จะถูกกีกขวางทำให้เกิดการเปลี่ยนของทิศทางและความเร็วลม ซึ่งจะส่งผลต่อการกระจายตัวของอากาศ
      2. การเปลี่ยนรูป (Transformation) จากปฏิกิริยาทางเคมี เช่นการเกิดการ Chemical Smog เกิดจาก สารไฮโดรคาร์บอนที่เกิดจากการเผาไหม้
      3. การกำจัดมลพิษ (Removal) เช่น ฝุ่นที่มีขนาดใหญ่เมื่อลอยอยู่ในบรรยากาศสักพักแล้วตกลงสู่พื้น (Settle)  หรือการตกลงสู่พื้นแล้วถูกพื้นดิน พื้นน้ำหรือพืชดูดซึมเข้าไป (Scavenging Absorption) หรือถูกอัดแน่น (impaction)
    3. บรรยากาศที่มีมลพิษเมื่อจมลงในระดับที่ส่งผลต่อทั้งสิ่งมีชวิตและไม่มีชีวิต (Sink)    ตัวรับมลพิษเข้าไปจะเกิดการปฏิกริยาตอบสนอง (Receptor Response) เช่น การผลต่อสุขภาพ  พืชเจริญเติบโตช้าลงหรือตาย หรือการเกิดการปนเปื้อนดิน หรือกัดกร่อนสิ่งก่อสร้างหรือสิ่งแวดล้อมทางธรรมชาติ

การปล่อยสารพิษสู่บรรยากาศ (Emission of Pollution)

   สารต่างๆที่ปล่อยสู่อากาศทั้งจากธรรมชาติหรือจากการกระทำของมนุษย์นั้น ถ้าไม่มากจนธรรมชาติสามารถกำจัดได้ ก็ไม่เป็นอันตรายต่อสุขภาพและไม่เรียกว่ามลพิษ และสารบางอย่างก็ไม่สามารถจะหลีกเลี่ยงได้ เช่นการหายใจของคนจะปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เนื่องจากอากาศสามารถพามลพิษจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนี่งได้จึงเป็นมลพิษที่ข้ามพรมแดน (trans boundary) เกิดผลกระทบในวงกว้าง และเมื่อถูกปล่อยออกมาแล้วก็ไม่สามารถที่จำกัดขอบเขตได้ การป้องกันไม่ให้ปล่อยมลพิษออกมากจึงดีกว่าการแก้ไขเมื่อเกิดปัญหาแล้ว มลพิษทางอากาศที่สำคัญ และแหล่งผลิต สรุปได้ดังตาราง
  1. ฝุ่นละออง (PM)  เมื่อก่อนฝุ่นละอองในอากาศเกิดจากธรรมชาติมากกว่าการกระทำโดยมนุษย์  แต่ปัจจุบันเกิดจากการกระทำของมนุษย์มากกว่า  เช่น การเผาไหม่ของเครื่องยนต์โดยเฉพาะรถยนต์ การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล ของโรงไฟฟ้าหรือโรงงานอุตสาหกรรมต่างๆ เตาเผาขยะ หรือกระบวนการทางอุตสาหกรรมเช่น โรงงานผลติปูนซิเมนต์ โรงถลุงเหล็ก หรือการก่อสร้างต่างๆที่ทำให้เกิดฝุ่น  นอกจากนี้การเผาไร่ / นา เพื่อทำเกษตรกรรม เช่นทำไร่อ้อย หรือทำนา ซึ่งกำลังเป็นปัญหาสำหรับประเทศในขณะนี้ ฝุ่นละอองมีทั้งเป็นของแข็งหรือของเหลวและมีขนาดแตกต่างกันตั้งแต่ เล็กกว่า 1 ไมครอน จนถึง 100 ไมครอน ฝุ่นละอองส่วนใหญ่เป็น คาร์บอน หรือ ซิลิกา  ส่วนน้อยที่เป็น เหล็ก ตะกั่ว แมงกานิส แคดเมียม โครเมียม ทองแดง เบอริเลียม นิเกิล ใยหิน  ฝุ่นละออกแบ่งตามขนาดได้เป็น
    1. ฝุ่นละอองขนาดใหญ่ (ใหญ่กว่า 10 ไมครอน) ได้แก่ ฝุ่น ดินหรือกรวดขนาดเล็ก ขี้เถ่าที่ลอยในอากาศ ควันที่มองเห็นได้   เนื่องจากมีน้ำหนักมาก เมื่อถูกปล่อยออกมาก็จะตกลงสู่พื้นดินในบริเวณใกล้ๆที่ถูกปล่อยออกมา
    2. ฝุ่นละอองขนาดเล็ก (น้อยกว่า 10 ไมครอน) จะกระจายอยู่ในอากาศได้นานกว่าฝุ่นละอองขนาดใหญ่ โดยเฉพาะถ้าเล็กกว่า 1 ไมครอน สามารถลอยอยู่ในอากาศได้ไกลและนานหลายวัน ยิ่งในวันที่อากาศปิด จะทำให้เกิด หมอกควันขึ้นได้ (Smog )
  2. สารประกอบซัลเฟอร์ ถูกปล่อยเข้าสู่บรรยากาศในหลายรูปแบบได้แก่  เช่น ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) ก๊าซไข่เน่าหรือก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) หรือในรูปของ ซัลฟูรัส (H2SO3) หรือ ซัลฟูลิค (H2SO4) หรือเกลือของซัลเฟต ในรูปของฝุ่นละออง (PM)  ส่วนใหญ่ของสารประกอบซัลเฟอร์มาจากธรรมชาติ และก๊าซไขเน่าเกิดจากแบคทีเรีย  ที่เกิดจากการกระทำของมนุษย์ได้แก่ มักจะออกมาในรูปของเช่น ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) ซึ่งเกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่มีกำมะถัน เช่นการเผาไหม้ถ่านหินหรือน้ำมัน ในโรงไฟฟ้า โรงถลุงโลหะ และโรงกลั่นน้ำมัน
  3. ออกไชด์ชองคาร์บอน (COx)  กาซคาร์บอนมอนนอกไซด์เกิดโดยการกระทำของนุษย์มากกว่าเกิดโดยธรรมชาติ โดยมาจากการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ของเครื่องยนต์เป็นหลัก แหล่งอื่นๆได้แก่ การถลุงโลหะ การกลั่นน้ำมัน โรงงานทำกระดาษ และได้รับ CO จาการสูบบุหรี่   เมื่อหายใจเอา CO เข้าไปจะไปจับกับฮีโมโกลบินในเม็ดเลือด ซึ่งขัดขวางการแลกเปลี่ยนอากาศ ซึ่งทำให้เสียชีวิตได้   การกำจัด CO มีหลายวิธีได้แก่ CO ถูกออกซิไดซ์กลายเป็น CO2  หรือถูกดูดซึมเข้าไปในมหาสมุทร  พืชและสิ่งมีชีวิตเล็กๆในดินเป็นแหล่งใหญ่ที่สุดในการกำจัดออกไซด์ของคาร์บอน  ส่วน CO2 นั้นถูกพืชปล่อยออกมาในตอนกลางคืน  ส่วนในเวลากลางวันพืชนำไปใช้ในการสังเคราะห์แสง สำหรับมนุษย์นั้นขับ CO2 ในช่วงของหายใจออก   ก๊าซ CO2  ที่เกิดจากการหายใจของพืชหรือสัตว์รวมทั้งคนไม่ถือเป็นมลพิษ แต่การเผาไหม้ของเครื่องยนต์ หรือการเผาอื่นๆทำให้เกิด CO2 ถือว่าเป็นมลพิษ
  4. สารไฮโดรคาร์บอน (Hc) ส่วนน้อยเกิดจากย่อยสลายพืชตามธรรมชาติ แต่ส่วนใหญ่เกิดจากการกระทำของมนุษย์ได้แก่การเผาไหม้เครื่องยนต์ หรือการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลต่างๆ   Hc นอกจากมีผลต่อคน สัตว์และพืชแล้ว ยังส่งผลต่อเนื่องทำให้เกิดหมอกควันจากปฏิกริยาเคมีโดยมีแสงอาทิตย์เป็นตัวเสริม (Photochemical smog)
  5. ออกไซด์ของไนโตรเจน (NOx)  เกิดจากธรรมชาติได้แก่การย่อยสลายสารอินทรีย์ในดินหรือในมหาสมุทรเป็นส่วนน้อย ส่วนใหญ่เกิดจากการกระทำของคน โดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงภายใต้แรงดันอากาศที่สูง ทำให้เกิดการรวมตัวกันของ ออกชิเจน และไนโตรเจนเป็น ไนตริคออกไซด์ (NO) ซึ่งเป็นก๊าซที่ไม่เป็นอันตราย แต่เมื่อขึ้นสู่บรรยากาศ NO จะถูกออกซิไดซ์ เป็นก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO2)  ซึ่งมีสีเหลืองอมน้ำตาลเป็นสารพิษที่ระคายเคืองตา แหล่งกำเนิดหลักของออกไซด์ของไนโตรเจน เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงในรถยนต์  การเผาไหม้ถ่านหินหรือก๊าซธรรมชาติ หรือกระบวนการอุตสาหกรรมในโรงงานผลิตปุ๋ยและวัตถุระเบิด
  6. มลพิษทางอากาศที่พบน้อย แต่ถ้าเกิดขึ้นจะส่งผลต่อสิ่งมีชีวิตอย่างรุนแรง ได้แก่  ไฮโดรเจนฟลูออไรด์ ในโรงงานผลิตปุ๋ย โทอูลิน (โรงงานผลิตสี หรือสารละลาย)  สารกัมมันตรังสี (จากการทดลองระเบิดนิวเคลียร์ หรือกิจกรรมชองปรมาณูเพื่อสันติต่างๆ เช่นโรงไฟฟ้าปรมาณู หรือปรมาณูเพื่อการแพทย์ เป็นต้น)
  7. มลพิษทุติยภูมิ (Secondary Pollutant) เกิดจากปฏิกิริยาทางเคมีของมลพิษ 2 ชนิดขึ้นไป โดยมีสารในบรรยากาศ เป็นตัวช่วยเสริมหรือเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) เช่น  Photochemical smog  เกิดจากปฏิกิริยาลูกโซ่ เช่น โอโซน (O3)  เปอรอกซี่อะซิติล ไนเตรท (PAN) และ อัลดิไฮด์ (Aldehyde) เป็นต้น

แบบแผนการปล่อยมลพิษสู่อากาศ (Source Configulation)
    1. เป็นจุด (Point ) เช่นปล่อยไอเสียจากปล่องของโรงงาน
    2. เป็นสาย (line) เช่นการปล่อยมลพิษจากท่อไอเสียรถยนต์ที่วิ่งตามท้องถนน
    3. เป็นพื้นที่ (Area) เช่นเขตเมือง หรือไฟป่า

3.การควบคุมโดยบรรยากาศ (Atmosphere Control)

3.1การกระจายตัวของมลพิษ

3.1.1 ความเสถียรของบรรยากาศและความผกผันของอุณหภูมิ

     ผลของความเสถียรของชั้นบรรยากาศต่อการกระจาย (Effect of Stability on dispersion)   การเคลื่อนที่ของบรรยากาศจะพามวลสารต่างๆที่อยู่ในอากาศเคลื่อนที่ตามไปด้วย  ความแตกต่างของอุณหภูมิที่ความสูงระดับต่างๆของชั้นบรรยากาศ มีผลต่อการเคลื่อนที่ของมวลสารต่างๆเข้าไปแทรกหรืออยู่ในชั้นบรรยากาศ  โดยวิธีการหลัก ที่สารต่างๆเข้าไปแทรกในชั้นบรรยากาศที่มีปริมาตรที่กว้างใหญ่ไฟศาลเรียกว่า Free convection โดยความสูงในแนวดิ่งที่มวลสารต่างๆเข้าไปผสมกับอากาศเรียกระดับความสูงนั้นว่า Mixed layer ใช้แทนด้วยอักษรย่อว่า h* ระดับ  มวลสารต่างๆจะแทรกหรือผสมเข้าไปในบรรยากาศได้ดี เมื่อขอบเขตของบรรยากาศที่ไม่เสถียร (unstable boundary layer) ซึ่งมีชั้น Mixed layer สูงมาก ซึ่งจะเกิดในหน้าร้อนในวันที่อากาศแจ่มใส ไม่มีเมฆ การแผ่คลื่นความร้อนซึ่งเป็นความยาวคลื่นช่วงยาวจะทำให้บรรยากาศที่ใกล้ผิวดินร้อน อากาศที่ร้อนจะลอยตัวขึ้นด้านบนแบบหมุนวน (terbulance) พามวลสารหรือมลพิษหมุนวนขึ้นไปด้านบนได้สูงถึง 2000-3000 เมตร (ชั้น Mixed layer หรือ h*)  ในทางตรงกันข้าม การกระจายของมวลสารต่างๆเข้าไปแทรกในบรรยากาศจะทำได้ไม่ดี ในฤดูหนาวที่มีเมฆมาก เกิดการผกผันของอุณหภูมิ (Temperature of inversion) ทำให้ขอบเขตของชั้นบรรยากาศเป็นแบบเสถียร (stable boundary layer) เนื่องจากบรรยากาศในระดับที่ใกล้พื้นผิวดินมีอุณหภูมิต่ำกว่าบรรยากาศที่อยู่ด้านบน  อากาศเย็นจะจมลงแทนที่จะลอยตัวขึ้นด้านบน การเคลื่อนที่แบบหมุนวน (Terbulance) ก็จะทำไม่ได้ ชั้น mixed layer หรือ h* จะลดลงไม่เกิน 200-300 เมตรเท่านั้น เมื่ออากาศเสถียรหรือนิ่ง การกระจายตัวของมลพิษก็จะกระจายตัวไปได้น้อยเช่นกัน  ความผกผันของอุณหภูมิในชั้นบรรยากาศ (Temperature inversion) ตามนิยามคือ การที่มีชั้นอากาศร้อน ทับซ้อนอยู่บนชั้นอากาศเย็น โดยปกติที่ไม่ผกผันนั้น อุณหภูมิของชั้นบรรยากาศจะเป็นลักษณะข้างล่างร้อน แล้วค่อยๆเย็นลงลดหลั้นไปเรื่อยๆเมื่อระดับสูงขึ้น (ยิ่งสูงยิ่งหนาว) แต่เมื่อไรก็ตามที่มีชั้นอากาศร้อนไปแทรกอยู่ระหว่างอากาศเย็นเมื่อไร จะเรียกว่าปรากฎการณ์นั้นว่าอุณหภูมิผกผันของชั้นบรรยากาศ  ซึ่งแบ่งได้เป็น
  1. ความผกผันที่เกิดจากการทำให้เย็น (Inversion due to cooling)
  2. ความผกผันที่เกิดจากการทำให้ร้อน (Inversion due to warmimg)
  3. ความผกผันที่เกิดจากการปะทะกันของมวลอากาศในแนวราบ (Inversion due to advection) 

ความผกผันที่เกิดจากการทำให้เย็น (Inversion due to cooling)

ความผกผันที่เกิดจากถูกทำให้เย็น (Inversion due to cooling) พื้นดินเย็น ทำให้ชั้นบรรยากาศที่ติดกับพื้นดินเย็นกว่าชั้นบนที่ถัดขึ้นไป (Inversion by cooling) ซึ่งชั้นนี้อาจจะสูงจากพื้นดินได้ถึง 50-100 เมตร ส่วนใหญ่เกิดในตอนกลางคืนที่อากาศเย็น  แต่เมื่อพระอาทิตย์ขึ้น ความร้อนที่ผิวดินจะร้อนขึ้นๆ และลอยขึ้นไปผสมกับชั้นนี้ทำให้ชั้นนี้บางลงๆจนหมดไป (erode) แต่ในบางพื้นที่ที่อากาศหนาวเย็นและมีเมฆมาก อากาศปิดลมไม่แรง ชั้นบรรยากาศที่มีอุณหภูมิผกผันจะไม่หมดไป และอยู่ได้เป็นสัปดาห์ถึงจะหมดไป (erode) ในกรณีมลพิษทางอากาศก็จะถูกกักไว้ในพื้นที่ไม่ถ่ายเทไปไหน เนื่องจากชั้นอากาศร้อนที่อยู่ด้านบนจะทำหน้าที่เหมือนฝาชี ปิดไม่ให้มวลอากาศที่อยู่ด้านล่างขึ้นแทรกหรือผสมกับมวลอากาศที่อยู่ด้านบนในแนวนิ่งได้  และถ้ากระแสลมไม่แรง ก็ไม่สามารถพัดพามลพิษไปทางแนวราบได้เช่นกัน กรณีทีเกิด PM 2.5 ที่ กทม.และปริมณฑลในช่วงเดือน มกราคม 2562 เกิดจากกิจกรรมที่มีการปล่อย PM 2.5 มาก (การเผาไหม้ของเครื่องยนต์รถที่มากในเขต กทม. ร่วมกับการเผาไร่นา หรือเผาขยะในเขตปริมณฑล ร่วมกับเป็นฤดูหนาว เกิดภาวะผกผันของอุณหภูมิทำให้ระดับ PM 2.5 เพิ่มขึ้น ร่วมกับเกิด Photochemical smog หรือหมวกควันปกคลุมทั่ว กทม.และปริมณฑล การที่รู้สึกแสบคอ แสบตา และแสบจมูกเนื่องจากมลพิษทางอากาศในกลุ่มไนโตรเจนไดออกไซด์ และ PAN (Peroxy Acetyl Nitrate)

ความผกผันที่เกิดจากถูกทำให้ร้อน (Inversion due to warming) 

 ในชั้นบรรยากาศระดับ Middle Troposhere เมื่อมวลอากาศเย็นที่อยู่ด้านบนจมตัวลง รูป (a) อย่างช้าๆ ประมาณวันละ 1 กิโลเมตร  จาก รูป (b) ในระดับความสูง A ถ้ามวลอากาศจมลงมาสู่ระดับความสูง B  บรรยากาศด้านล่างที่ระดับ B จะมีความกดอากาศสูงกว่า จะบีบให้ให้มวลอากาศที่จมลงจาก A ไป B มีปริมาตรเล็กลง ส่งผลให้อุณหภูมิสูงขึ้น ในบรรยากาศที่ไม่อิ่มตัวด้วยไอน้ำ (unsaturated) เมื่อเคลื่อนตัวลงมาด้านล่างอุณหภูมิจะสูงขึ้น ในอัตรา 9.8 องศาเซลเซียส ต่อ กิโลเมตร (Dry adiabatic rapse rate หรือ ᴦ ) ถ้าอากาศเคลื่อนต่ำลงวันละ 1 กิโลเมตร นั่นคือ อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้น 9.8 องศาเซลเซียส ต่อวัน ทำให้ด้านล่างสุดมีชั้นของอากาศร้อน เกิดบรรยากาศผกผันเนื่องจากการเคลื่อนของมวลอากาศลงด้านล่าง (Subsidence inversion)  และชั้นนี้จะเสมือนฝาชีที่ปิดกั้นมวลอากาศด้านล่าง ไม่ให้ไปผสมกับมวลอากาศด้านบนที่มีปริมาตรมหาศาล

Inversion due to warming ยังเกิดได้ในอีก 2 สถานการณ์ได้แก่

  1. บริเวณหุบเขาด้านที่เป็นที่ร่มเนื่องจากถูกเงาของภูเขาบัง และอยู่ใต้ลม รูป ( c ) ในฤดูหนาวทำให้พื้นดินบริเวณหุบเขาเย็นกว่าอีกด้านที่ถูกแสงอาทิตย์ บรรยากาศบริเวณหุบเขาจะเย็นกว่า ทำให้อากาศร้อนที่อยู่ด้านบนเคลื่อนลงมาด้านล่างเกิดชั้นอุณหภูมิผกผันขึ้น
  2. การเกิดอุณหภูมิผกผันบริเวณใต้เมฆ รูป (d) ในฤดูร้อนในเวลากลางวัน โดยความร้อนจากพื้นผิวจะทำให้มวลอากาศร้อนลอยขึ้นบนโดยพาเอาความชื้นขึ้นไปด้วย  ซึ่งเมื่อลอยตัวขึ้นบนจะไปปะทะกับอากาศเย็นที่อยู่ด้านบน ทำให้ไอน้ำกลั่นตัวกลายเป็นละอองน้ำก่อตัวเป็นเมฆชนิดคิวมูลัส มวลอากาศขาขึ้นจะถูกแทนที่ด้วยมวลอากาศที่อยู่ด้านบนจมตัวลงมา บรรยากาศที่อยู่ด้านล่างมีความกดอากาศสูงกว่า จะบีบให้มวลอากาศนั้นมีปริมาตรเล็กลง ส่งผลให้อุณหภูมิสูงขึ้น เกิดเป็นชั้นของมวลอากาศร้อนกั้นระหว่างอากาศเย็นที่อยู่ด้านบน กับที่อยู่ด้านล่าง เกิดอุณหภูมิผกผันเนื่องจากการเคลื่อนตัวลงมาของมวลอากาศ

ความผกผันที่เกิดจากการปะทะกันของมวลอากาศในแนวราบ (Inversion due to advection)

 ตัวอย่างก่อนหน้าเป็นการเคลื่อนตัวของมวลอากาศในแนวดิ่งที่เรียกว่า Convection  แต่ตัวอย่างนี้เป็นการเคลื่อนตัวมาปะทะกันของมวลอากาศที่มีอุณหภูมิแตกต่างกันในแนวนอนที่เรียกว่า Advection  ในกรณีที่มวลอากาศเย็นเคลื่อนที่มาปะทะอากาศร้อนและเข้ามาแทนที่อากาศร้อนเป็นรูปลิ่ม อากาศเย็นที่หนักกว่าจะอยู่ด้านล่าง ส่วนอากาศร้อนจะอยู่ด้านบน เรียกว่าแนวประทะอากาศเย็น (cold front) จะเกิดอุณหภูมิผกผันดังรูป (a)  ในทางกลับกันกรณีที่มวลอาศร้อนมาประทะอากาศเย็น มวลอากาศร้อนจะนอนอยู่ด้านบนของมวลอากาศเย็น เรียกแนวประทะอากาศร้อน (Warm Front) ดังรูป (b) ปกติการเกิด Inversion จะกินเวลาไม่นาน และไม่ได้ส่งผลต่อมลพิษทางอากาศเท่าไรนัก  แต่ปัญหาจะเกิดในกรณีของแนวประทะอากาศร้อนที่อากาศร้อนเคลื่อนที่ช้า จะทำให้เกิดความชันต่ำ เฉลี่ยไม่เกิน 1:200 และอุณหภูมิผกผันในส่วนของอากาศร้อนจะสูงจากพื้นดินไม่มาก และในส่วนของ Mixed layer ค่อนข้างบาง ทำให้การกระจายตัวของมลพิษได้น้อย จนกว่าแนวประทะอากาศร้อนจะเคลื่อนผ่านไป 

Advection Inversion ยังเกิดจากสาเหตุของ อากาศร้อนเคลื่อนผ่านพื้นผิวที่เย็น เช่นจากอากาศร้อนจากแผ่นดิน เคลื่อนผ่านผืนน้ำที่เย็นกว่าหรือผืนน้ำที่ปกคลุมด้วยน้ำแข็งเป็นต้น ดังรูป ( c ) ความเย็นของผืนน้ำที่อยู่ด้านล่างทำให้เกิด inversion โดยฐานของ Inversion อยู่ที่ระดับพื้นผิว จากรูป ( c )  θ คือ ค่าอุณหภูมิศักยภาพ (Potential temperature) เนื่องจากมวลอากาศเมื่อเคลื่อนจากตำแหน่งที่สูงกว่า ลงมายังตำแหน่งที่ต่ำกว่า อุณหภูมิจะสูงขึ้น เนื่องจากด้านล่างมีความกดอากาศสูงกว่า จึงบีบให้ปริมาตรของมวลอากาศเล็กลง เมื่อเล็กลงโมเลกุลของอากาศจะชนกันมากขึ้นทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น เพื่อให้เป็นมาตรฐานเดียวกันจึงกำหนด Potential Temperature (θ) ซึ่งคือระดับอุณหภูมิที่เคลื่อนจากจุดเดิมลงมาอยู่ ณ.ตำแหน่งมาตรฐานเดียวกันที่ความดัน 100 kPa  จากรูป ( c ) ถ้าตำแหน่งของ θ ไปทางขวามือกว่าแสดงว่า ส่วนพื้นดิน (Land) อุณหภูมิศักยภาพจะสูงกว่าระดับที่อยู่สูงขึ้นไป จนถึงระดับหนึ่งแล้วจะมีค่าคงที่  ส่วนผิวน้ำ (Lake or sea) จะเห็นอุณหภูมิศักยภาพ ระดับผิวน้ำต่ำกว่าด้านบน จนถึงระดับหนึ่ง อุณหภูมิศักยภาพคงที่  พื้นที่ใต้เส้นปะคือพื้นที่ที่มีอุณหภูมิศักยภาพต่ำกว่าด้านบน จึงเกิดอุณหภูมิผกผันขึ้นโดยมี ชั้นของอุณหภูมิผกผันด้านล่างอยู่ที่ระดับพื้นผิว ส่วนด้านบนคือเส้นที่เชื่อมต่อระหว่างจุดที่เปลี่ยนจากเส้นโค้งเป็นเส้นตรงของเส้น  θ  ในกรณีที่ลมพัดจากผืนน้ำ (lake)ที่เย็นไปยังผืนดิน (land) ที่ร้อนในรูป (d)  ที่ตำแหน่งที่ 1 อุณหภูมิศักยภาพของบรรยากาศที่ระดับพื้นน้ำเย็นกว่าบรรยากาศที่อยู่เหนือขึ้นไป ทำให้เกิด Invesion โดยขอบล่างของ Inversion อยู่ที่ระดับพื้นผิวน้ำ ส่วนขอบบนอยู่ที่จุดบนส่วนโค้งอุณหภูมิศักยภาพสูงสุด (อยู่ทางขวาสุด) เปลี่ยนทิศไปทางซ้าย (อุณหภูมิศักยภาพลดลง)  เมื่อไปถึงตำแหน่งที่ 2  ระดับพื้นดินจะมีอุญหภูมิศักยภาพสูงที่สุดแล้วค่อยๆลดลงเมื่อระดับสูงขึ้น จุดเปลี่ยนของเส้นโค้งแรกคือ ขอบล่างของ inversion ที่ถูกยกสูงขึ้น ส่วนขอบบนของ Inversion คือจุดเปลี่ยนของเส้นโค้งจากอุณหภูมิศักยภาพสูงสุด(ขวาสุด)เริ่มลดลง และเมื่อเคลื่อนเข้าตำแหน่ง 3 ของล่างของ inversion ก็จะถูกยังสูงขึ้นอีก และ inversion หมดไปเมื่อถึงตำแหน่งที่ 4
หมายเหตุ  ทบทวนหน่วยของความกดอากาศ Pa = 1 ปาสคาล หรือ 1 นิวตัน ต่อ ตารางเมตร)  โดย 1 บาร์ เท่ากับ 100 K Pa และ 1 บรรยากาศ (atm) = 1.01325 บาร์ (bar) หรือ 101.325 kPa  ส่วน 1 เฮกโตปาสคาล (hPa) = 100 Pa  หรือ 0.1 kPa  หรือ 1 บรรยากาศ = 1013.25 hPa  ค่า เฮกโตปาสคาล คือ ค่าที่นิยมใช้เป็นหน่วยที่รายงานของกดอากาศในปัจจุบัน )


ผลจากความเร็วลมในการเจือจาง (dilute) หรือเคลื่อนย้าย (transport) มลพิษในอากาศ

 ความเร็วลม (wind speed)  กระแสลมสามารถที่จะเจือจาง (dilute) หรือเคลื่อนมลพิษออกไป (Transport) ถ้ากระแสหมุนวน (eddy) เล็กกว่ากลุ่มของมลพิษแล้ว มันจะเจือจางมลพิษ แต่ถ้ากระแสหมุนวนใหญ่กว่ามลพิษ มันที่เคลื่อนมลพิษออกไป  โดยการเจือจางมลพิษนั้นไปในทิศทางที่ตามลม หรือเกิดกระแสหมุนวนไปในทิศทางแนวขวางหรือแนวดิ่ง   จากรูป (a) ถ้ามลพิษถูกพ่นจากปล่องด้วย 1 puff ต่อ วินาทีและความเร็วลมเท่ากับ 2 เมตร/วินาที  กลุ่มมลพิษ (แทนด้วยวงกลมทึบสีดำ) ที่ถูกพ่นออกมาจะอยู่ห่างกัน 2 เมตร แต่ถ้าความเร็วลงเพิ่มเป็น 6 เมตร/วินาที  กลุ่มมลพิษจะห่างกันทุก 6 เมตร และเราจะเห็นกลุ่มของมลพิษใหญ่ขึ้นเนื่องจากความเร็วลมที่มาก จะทำให้กระแสไหลวนมากขึ้น จึงเจือจางกลุ่มมลพิษได้มากขึ้นทำให้ขยายวงออกได้มากขึ้น รูป (b)  และกระแสลมที่แรงก็จะไปมลพิษไปได้ไกลจากแหล่งกำเนิด อีกทั้งเจือจางไปกับอากาศได้มากขึ้นทำให้ความเข็มข้นของมลพิษลดลง
ลมท้องถิ่น เช่น ลมบกลมทะเล ลมหุบเขา ลมเชิงเขา หรือลมชนบทและเมือง (city wind) มีผลต่อการเจือจางหรือเคลื่อนย้ายมลพิษน้อยมาก เนื่องจาก
  1. ความเร็วลมต่ำ เฉลี่ยแล้วไม่เกิน 7 เมตร/วินาที
  2. ในช่วงกลางวันจะพัดไปทิศทางหนึ่งพอกลางคืนก็จะพัดกลับไปยังทิศทางเดิม เช่นลมบก ลมทะเล ในช่วงกลางวันลมทะเลจะพัดจากทะเลไปสู่บก พอเวลากลางคืนลมบกจะพัดจากบกไปสู่ทะเล ทำให้มลพิษไม่สามารถถูกพัดไปได้ไกล
  3. เป็นลมที่พัดในระบบปิด คือกระแสลมจะพัดแล้วหมุนกลับมาที่เดิมเป็นวงกลม มีการทดลองโดยปล่อยบอลลูนที่ชายฝั่งเวลา 9.00 น. ลมจะพัดบอลลูนออกจากฝั่งเข้าสู่พื้นดินเป็นระยะทาง 4 กม. จากนั้นเวลา 9.45 น.อากาศเย็นปะทะกับอากาศร้อน เกิดแนวปะทะอากาศเย็นทิศทางเคลื่อนไปทางพื้นดิน แนวปะทะอากาศเย็นทำให้อากาศร้อนยกตัวสูงขึ้นจากระดับ 800 ม.ขึ้นไป 1000 ม.เกิด counter flow พัดกลับไปยังพื้นน้ำไกลสุดได้ 2 กม. จากนั้นก็หมุนกลับไปยังพื้นดินตามเดิม กลับไปที่เดิมเวลา 11.00 น.จากนั้นบอลลูนก็ลอยเข้าไปในพื้นดินไปได้ไกล 6 กม. ในเวลา 11.15 น.ซึ่งเป็นช่วงแดดจัด อากาศร้อนบนพื้นดินทำให้อากาศลอยขึ้นบนยกบอลลูนให้ลอยขึ้นบน (เส้นที่ 3 ใน รูป d) จากนั้นบอลลูนก็ลอยเข้าไปในพื้นดินไกลถึง 13 กม.แล้วลอยหายไป (ผ่านเส้นที่ 4 ในรูป d)

กระบวนการเปลี่ยนรูปของมลพิษ (Process of pollutant transformation)

กระบวนการเปลี่ยนรูปของมลพิษ คือการที่มลพิษทางอากาศไปทำปฏิกริยาลูกโซ่ทางเคมี แล้วเกิดมลพิษตัวใหม่หรือหลายตัว ประกอบด้วย
  1. การเปลี่ยนรูปจากมลพิษปฐมภูมิคือ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) ซึ่งเกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล จาก SO2 เปลี่ยนเป็น ซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ (SO3 ) ซึ่งทำปฏิกิริยากับไอน้ำในอากาศ เปลี่ยนเป็นหมอกของกรดซัลฟูลิค (H2SO4) ซึ่งกรดซัลฟูลิคทำปฏิกิริยาสารอื่นๆ กลายเป็น ฝุ่นละอองขนาดเล็กของเกลือซัลเฟต ซึ่งถ้าเกิดในภาวะที่อากาศปิดทำให้การกระจายอากาศได้ไม่ดีร่วมกันวันที่มีหมอกด้วย ก็จะเกิดหมอกควันขึ้น (smog) ซึ่งเคยเกิดที่ London ในเดือนธันวาคม ปี 1952  ทำให้เกิดหมอกควันหนานานถึง 4-5 วัน และสัมพันธ์กับการเสียชีวิตมากถึง 4000 คน ซึ่งทำให้เกิดฝนกรดขึ้นด้วย ทำให้แหล่งน้ำปนเปื้อนสารกรด
  2. หมอกควันที่การจากเกิดปฏิกิริยาเคมีซึ่งมีแสงอาทิตย์เป็นตัวเร่ง (Photochemical Smog)  มลพิษปฐมภูมิคือ ไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO2) และทำปฏิกิริยาเป็นลูกโซ่โดยมีแสงแดดเป็นตัวเร่ง เกิด Nitric oxide (NO) และ Atomic Oxygen (O)  และ Atomic Oxygen รวมกับ O2 ในอากาศเป็น โอโซน (O3)  และ โอโซนไปทำปฏิกิริยากับไนตริกออกไซด์ ได้ ไนโตรเจนไดออกไซด์ และ ออกซิเจน  ส่วน Atomic Oxygen เมื่อทำปฏิกิริยากับสารไฮโดรคาร์บอน (Hc ) ซึ่งท้ายที่สุดจะได้ Adehydes และ Ketones  Ozone และ Peroxyacetyle Nitrate (PAN) ซึ่งเป็นฝุ่นละอองขนาดเล็ก (PM)  นอกจากจะทำให้เกิดหมอกควันแล้ว  NO2 เป็นสารมีสีน้ำตาลเหลือง และ Aldehyde , PAN,Ozone,NO2 ทำให้ระคายเคลือง และ Adehyde เป็นสารที่มีกลิ่นเหม็นไหม้   Photochemical Smog เคยเกิดที่ Los Angeles ในปี 1970  ซึ่งมีการใช้รถเป็นจำนวนมากส่งผลให้เกิดการปล่อย NO , NO2 และ สาร Hydrocarbon

กระบวนการกำจัดมลพิษในอากาศ

การกำจัดมลพิษจากบรรยากาศ มี 3 วิธีได้แก่

  1. การตกลงตามแรงโน้มถ่วง (Gravitational Settling) โดยเฉพาะในกลุ่มของฝุ่นละอองขนาดเล็ก (PM) โดยฝุ่นละอองขนาดใหญ่กว่า 10 ไมครอนนั้นจะตกลงพื้นดินตามแรงโน้มถ่วงไม่ไกลจากแหล่งกำเนิดภายในไม่กี่นาทีหลังจากที่ถูกปล่อยออกมา  ถ้าเป็นฝุ่นละอองที่ขนาดเล็กกว่า 1 ไมครอน จะลอยค้างอยู่ในอากาศได้นานขึ้นกับความแรงของกระแสลมหรือกระแสหมุนวนของอากาศ (Terbulance)  และในทางทฤษฎีสามารถที่จะลอยค้างอยู่ในอากาศได้นานมากหรือไม่ตกลงพื้นเลยก็ได้ 
  2. การดูดซับที่พื้นผิว (Dry Deposition หรือ surface adsorption)  โดยมลพิษที่ลอยอยู่ในอากาศได้นานเท่าไรก่อนที่จะตกลงมาสู่พื้นดินหรือพื้นน้ำขึ้นกับ กระแสหมุนวน (Turbulance Transfer proces) การลอยตัวของอากาศขึ้นหรือลงก็จะพามลพิษขึ้นลงตามไปด้วย  เมื่อตกลงพื้นดินแบคทีเรียในดินก็จะทำการย่อยสลาย ถ้าตกลงใบพืช ปากใบก็จะดูดซับมลพิษนั้นเข้าไป  ถ้าเป็นพื้นน้ำจะขึ้นกับความตึงผิวของน้ำ ว่าจะให้มลพิษนั้นแทรกเข้าไปได้มากน้อยเพียงไร  นอกจากนี้ความเร็วในการกำจัดมลพิษนั้นขึ้นกับแรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิต ปฏิกิริยาเคมีระหว่างพื้นผิวกับมลพิษนั้นด้วย  สรุปการกำจัดมลพิษนั้นเขียนเป็นสมการได้เป็น    Fp = Xa / (ra + rc )  โดย
    • Fp =Vetical Flux of pollution   
    • Xa  =Atmospheric pollution loading
    • ra + rc   = ความเร็วที่มลพิษตกลงสู่พื้นดิน/พื้นน้ำ
  3. การจัดการมลพิษโดยการตกลงมาของฝน/หิมะ (Precipitation scavenger)  เป็นวิธีการกำจัดมลพิษทางอากาศที่เป็นก๊าซหรือฝุ่นละอองขนาดเล็ก  โดยก๊าซหรือฝุ่นละอองขนาดเล็กจะลอยขึ้นด้านบนกระทบกับความเย็นด้านบนควบแน่นกลายเป็นเมฆ ซึ่งเมฆก็คือเกร็ดน้ำแข็งขนาดเล็ก ซึ่งได้ดูดซึมฝุ่นละอองขนาดเล็กหรือก๊าซเหล่านั้นเข้าไปด้วย และเมื่อขนาดใหญ่ขึ้นก็จะกลายเป็นน้ำหยาดฟ้า (ฝน/หิมะ) ตกลงมา กระบวนการนี้เรียกว่า in clound scavening หรือ rainout  กระบวนที่อยู่ใต้ก้อนเมฆก็มีความสำคัญ โดยฝนที่ตกลงมาก็จะทำการชะล้างมลพิษที่อยู่ในบรรณยากาศด้วย โดยอัตราการชะล้างขึ้นกับ ปริมาณฝนที่ตก และแรงดูดของไฟฟ้าสถิตระหว่างหยาดฝนกับมลพิษ เมื่อฝนที่รวมกับมลพิษตกลงมายังพื้นดินหรือพื้นน้ำ จากนั้นเข้าสู่กระบวนการดูดซับที่พื้นผิวต่อไป  ข้อควรระวัง แม้หลังฝนตกจะทำให้หมอกควันที่เคยปกคลุมดูน้อยลง ทัศนวิสัยมองได้ไกลขึ้น แต่หาใช่ว่าจะจัดการมลพิษในอากาศได้ทุกตัว เพราะอาจจะกำจัดแต่ฝุ่นละอองขนาดใหญ่แต่ฝุ่นละอองขนาดเล็กกว่า 2.5 ไมครอนอาจจะลดน้อยลงไม่มากก็ได้  โดยให้คำนึงถึงปัจจัยของกระแสลมเพราะถ้าฟ้าไม่ปิดกระแสลมแรง จะสามารถพามลพิษไปได้ไกลๆทำให้มลพิษลดลง หรือในช่วงกลางวันที่บรรยากาศไม่เสถียร (unstable) ทำให้อากาศพามลพิษขึ้นสู่ด้านบนได้มาก เมื่อชั้น Mixed layer สูงขึ้นก็จะทำให้มลพิษกระจายไปยังปริมาตรที่มากขึ้น ความเข้มข้นก็จะน้อยลง

แบบแผนการกระจายของมลพิษทางอากาศ

การกระจายของมลพิษ  แบบแผนง่ายสุดคือมลพิษที่ปล่อยจากปล่อง  โดยปัจจัยที่มีผลต่อการกระจายมลพิษได้แก่
  1. ผลรวมของความสูงของปล่อง (hs)กับความสูงของลำของมลพิษที่ออกจากปากปล่อง (∆h) ใช้อักษรย่อว่า Hs ถ้าผลรวมของความสูงปล่องสูงจะทำให้ลำของมลพิษ (Plume) ไปได้ไกลกว่าปล่องที่เตี้ย และโอกาสที่ลำของมลพิษที่ถูกกดลงลงสู่พื้นจะน้อยกว่า 
  2. การออกแบบปล่องและเตาเผา ได้แก่ รัศมีของปล่อง อุณหภูมิของการเผา และความเร็วของการพ่นมลพิษออกจากปล่อง
  3. ตัวแปรทางอุตุนิยมวิทยา ได้แก่
    1. ความเร็วลม จะความเร็วลมมากจะพามลพิษไปทางแนวราบได้เร็วและไกล
    2. อัตราการลดลงของอุณหภูมิของอากาศที่อยู่ด้านบน (Rapse rate) ปกติอุณหภูมิของบรรยากาศที่ใกล้ผิวโลกจะร้อนกว่าอุณหภูมิที่อยู่สูงขึ้นไป ถ้าอัตราการลดลงของอุณหภูมิสูง(Rapse rate) ก็จะทำให้ลำของมลพิษขึ้นไปบนแนวดิ่งได้มากกว่า (unstable ) แต่ถ้าเกิดมีภาวะอุณหภูมิผกผัน (Temperature inversion) คือมีชั้นของอากาศร้อนกว่าคั่นอยู่กลาง ก็จะทำให้ลำของมลพิษไม่สามารถขึ้นไปด้านบนได้ เนื่องจากชั้นของอุณหภูมิผกผันทำหน้าที่เหมือนฝาชีครอบไว้ไม่ให้ขึ้นไปด้านบน
แบบแผนการกระจายของมลพิษในอากาศ
  1. แบบลูป (Looping)
  2. แบบโคน (Coning)
  3. แบบพัด (Fanning)
  4. แบบกระจายขึ้นบน (Lofting)
  5. แบบรมควัน (Fumugating)

Looping

แบบลูป (Looping)  เป็นการกระจายของกลุ่มควัน (plume) ในเวลากลางวันที่แดดจัดมีลมแรง และบรรยากาศเป็นแบบไม่เสถียร (unstable) ทำให้กระแสหมุนวนในบรรยากาศค่อนข้างแรง (eddy) และมีขนาดมากกว่าเส้นผ่าศูนย์กลางของลำของกลุ่มควัน จึงพาไอเสียไปแบบ transport มากกว่า แบบ disffuse  กระแสลมจึงพัดกลุ่มควันขึ้นๆลง และมีบางช่วงที่กลุ่มควันแตะพื้นด้านล่างในจุดใต้ลมที่ไม่ไกลจากแหล่งกำเนิดควัน เนื่องจากกลุ่มควันถูกพาในลักษณะ transport ทำให้ความเข้มข้นของควันสูงเพราะถูกเจือจางแบบ Diffuse น้อย

Conning

แบบโคน (Conning) สามารถเกิดขึ้นได้ทุกฤดูกาล ในวันที่ลมแรง และมีเมฆมาก บรรยากาศค่อข้างเสถียร ทำให้กระแสหมุนวนในบรรยากาศ (eddy) ที่พากลุ่มควันขึ้นด้านบนไม่แรง หรือน้อยกว่าเส้นผ่าศูนย์กลางของกลุ่มควัน โดยถูกพาไปด้วยการ Diffuse มากกว่าการ transport ทำให้การเคลื่อนที่ไปด้านข้างตามกระแสลม และการเคลื่อนขึ้นบนตามกระแสหมุนวนเกิดสมดุล เห็นลำของกลุ่มควันเป็นรูป cone และไม่มีจุดที่กลุ่มควันตกลงพื้น และความเข้มข้นของกลุ่มควันถูกเจือจางลงเรื่อยๆตามระยะทางที่ห่างออกไป

Fanning

แบบพัด (Fanning) เกิดในวันที่อากาศแจ่มใสในเวลากลางคืนที่บรรยากาศเหนือพื้นดินอุณหภูมิต่ำกว่าด้านบน เกิดอุณหภูมิผกผัน (Inversion) บรรยากาศมีความเสถียรสูง ทำให้อากาศไม่สามารถขึ้นไปสู่ด้านบนได้ เนื่องจากกระแสหมุนวนต่ำ ทำให้พากลุ่มควันไปในลักษณะ Transfer มากกว่า Diffusion  ทำให้ความเข้มข้นที่ปากปล่องและที่ถูกลมพัดไปใต้ลมนั้นมีความเข้มข้นไม่ต่างกัน แม้จะไปไกลถึง 100 กิโลเมตร  โดยปกติถ้าความสูงของปล่องสูงเพียงพอ  กลุ่มควันจะไม่ตกสู่พื้น แต่ถ้าปล่องเตี้ยหรือมีการเปลี่ยนทิศทางลม ก็จะเกิดอันตรายเนื่องจากความเข้มข้นที่ปลายทางไม่ต่างจากที่แหล่งกำเนิด

Alofting

แบบกระจายขึ้นบน (Lofting)  จะเกิดแบบแผนนี้ในช่วงเย็นที่ดวงอาทิตย์ตกแล้ว พื้นดินเริ่มเย็นทำให้บรรยากาศเหนือพื้นดินไม่มาก ประมาณ 150 เมตร (จากรูป)  มีภาวะอุณหภูมิผกผัน ด้านล่างของลำไอเสีย จะลงมาด้านล่างที่ต่ำกว่า 150 เมตรไม่ได้เนื่องจากอุณหภูมิต่ำกว่า แต่ด้านบนไม่เกิดอุณหภูมิผกผัน ทำให้ด้านบนของไอเสียสามารถกระจายตัวขึ้นบนได้ไปเรื่อยๆ  ทำให้ความเข้มข้นของไอเสียลดลงตามระยะทางที่ไกลจากปากปล่อง ภาวนี้จะเกิดขึ้นชั่วคราว  เพราะเมื่อผ่านจากช่วงเย็นไปหัวค่ำ เมื่อความหนาของ inversion มากกว่าความสูงของปล่อง + ความสูงของลำไอเสียแล้ว  ก็จะเปลี่ยนจาก Lofting เป็นแบบ Fanning แทน

Fumugation

แบบรมควัน (Fumigation) เป็นสถานการณ์ที่ตรงข้าม Lofting ช่วงทำให้เกิดอุณหภูมิเช่นว่านี้ได้คือ ในพื้นที่ชนบท ในช่วงกลางคืนและก่อนพระอาทิตย์ บรรยากาศด้านล่างเย็นกว่าด้านบน (เกิดอุหภูมิผกผัน) แต่หลังจากพระอาทิตย์ขึ้นใหม่ๆ  บรรยากาศที่ติดพื้นดินจะค่อยๆร้อนขึ้นและค่อยๆลดความหนาของชั้นบรรยากาศที่มีอุณหภูมิผกผัน (erode)  ในกรณีที่ยังลดชั้นนี้ได้ไม่หมด โดยในส่วนที่สูงกว่าความสูงของกลุ่มควัน(Plume) ยังเหลือชั้นของอุณหภูมิผกผันอยู่  ชั้นนี้จะทำหน้าที่เหมือนฝาชีครอบไว้ ไม่ให้กลุ่มควัน กระจายขึ้นบน ส่วนการที่อุณหภูมิของบรรยากาศด้านล่างร้อนกว่าด้านบน (บรรยากาศด้านล่างไม่เสถียร)  จะส่งผลให้กลุ่มควันกระจายตัวลงล่าง จนลงมาสู่พื้นดินได้ โดยช่วงเวลาที่จะเกิดการกระจายแบบนี้ได้ประมาณ 30 นาที เพราะเมื่อพระอาทิตย์ขึ้นเต็มที่แล้ว ชั้นของอุณหภูมิผกผันก็จะหมดไป และสามารถพากลุ่มควันไปได้ไกลหลายกิโลเมตรดจากแหล่งกำเนิด

ตัวอย่างที่ทำให้เกิดการกระจายตัวของมลพิษแบบ Fumigation

การตั้งโรงงานอยู่ชายฝั่ง

Sea breeze front (แนวปะทะลมทะเล)   จากรูป a ปล่องควัน ตั้งอยู่ริมชายฝั่ง ในวันที่อากาศดีในฤดูใบไม้ผลิที่มีบรรยากาศแบบเสถียร  บรรณยากาศเหนือพื้นดินส่วนที่ใกล้ชายฝั่งด้านล่างจะเย็นกว่าด้านบน เกิดอุณหภูมิผกผัน (inversion)  ทำให้ควันไม่สามารถลอยขึ้นไปได้ เป็นรูป Fanning  แต่เมื่อเข้าไปบนฝั่งที่ลึกเข้าไปถึงตำแหน่งของแนวปะลมทะเล (Sea breeze front) มวล มวลอากาศเย็นจากทะเลจะไหลไปแทนที่มวลอากาศร้อนบนบก  โดยมวลอากาศร้อนที่เบากว่าจะไหลขึ้นบน ทำให้เกิดแนวกำลังกั้นควัน (wall of smoke)  กั้นควันไม่ให้ไปตามลม แต่กระจายขึ้นบนแทน (smoke aloft)  ในส่วนของพื้นที่ที่อยู่หน้าแนวปะทะ ความร้อนจากพื้นดินจะค่อยๆลดความหนาของชั้นบรรยากาศที่มีอุณหภูมิผกผัน แต่ยังลดได้ไม่หมด จึงเสือนมีฝาชีครอบด้านบนทำให้ควันไม่สามารถที่จะกระจายขึ้นด้านบน แต่กระจายลงด้านล่างเนื่องจากระดับพื้นดินมีอุณหภูมิที่สูงกว่า เกิดรูปแบบการกระจายของควันแบบ fumigative ดังรูป a  ส่วนปล่องที่ตั้งอยู่ลึกเข้าไปในแผ่นดิน ซึ่งไม่ได้อิทธิพลความเย็นจากน้ำทะเลและทะเล แบบแผนการกระจายของควันจะเป็นแบบ Looping  

ลมจากชนบทพัดผ่านโรงงานเข้าสู่เมือง

ลมจากชนบทพัดเข้าสู่เมืองเกิด Urban Plume ในคืนที่ไม่มีเมฆและลมสงบในเมือง  และปล่องควันตั้งอยู่ในเขตชนบท เนื่องจากในเวลากลางคืนบรรยากาศเหนือพื้นดินจะเย็นกว่าด้านบน เกิดอุณหภูมิผกผัน (Inversion) ทำให้กลุ่มควันไม่สามารถขึ้นด้านบนได้ มีแบบแผนการกระจายแบบ fanning  พอเข้าไปในพื้นที่เขตเมือง (Urban boudary layer)  เนื่องจากในเมืองร้อนจากเกาะความร้อน (heat island) และในเมืองมีสิ่งอาคารสิ่งปลูกสร้างมากกว่า (roughness) มากกว่า จึงเกิดกระแสไหววน (Turbalance flow) ที่มากกว่า จึงสามารถกระจายตัวลงล่างได้ แต่กระจายขึ้นบนไม่ได้ แบบแผนการกระจายเป็นแบบ Fumigative ส่วนปล่องในชลบทที่อยู่ใต้ลม การกระจายของกลุ่มควันเป็นแบบ aloft เพราะบรรยากาศเหนือพื้นดินเย็นกว่าบรรณยากาศด้านบน

สมการตัวแปรในการคำนวณความเข้มข้นของมลพิษในอากาศ

ค่าเฉลี่ยของความเข้มข้นของมลพิษที่ตำแหน่ง x (X ;ก.ก. ต่อ ลบม.) ขึ้นกับ อัตราการปล่อยมลพิษ (emission) หักด้วยอัตราการกำจัด (removal) (X; กก ต่อ ตรม.ต่อ วินาที)  x ระยะทาง (x ;เมตร)  และ ความเร็วลม (u;เมตร/วินาที) และความสูงของ Mixed layer (h*) โดยเขียนเป็นสมการได้เป็น  
 X(x)  = X * ∆x / uh* 
จากสมการ สามารถสรุปได้ดังนี้
    1. ความเข้มข้นของมลพิษ แปรผันกับ อัตราการปล่อยและการกำจัดมลพิษ และ ระยะทางจากจุดกำเนิดมลพิษ และแปรผกผันกับความเร็วลม และความสูงของ mixed layer  
    2. ความเข้มข้นของมลพิษจะสูงในวันที่มีการปล่อยมลพิษในอัตราที่สูง การวัดมลพิษใกล้แหล่งกำเนิดมลพิษ และวันที่อากาศปิด ความเร็วลมต่ำ และชั้น mixed layer น้อยคือช่วงเวลากลางคืน
    3. ความเข้มข้นของมลพิษจะต่ำในวันที่มีการปล่อยมลพิษในอัตราที่ต่ำ การวัดมลพิษไกลจากแหล่งกำเนิดมลพิษและวันที่ความเร็วลมสูง และชั้น mixed layer มากคือช่วงเวลากลางวันที่อากาศร้อนไม่มีเมฆ
Credit :  Picture and Content from Boundary Layer Climate 2nd Edition . T.R.OKE Chapter 9
สมาคมส่งเสริมความรอบรู้ด้านสุขภาพไทย
Copyright © 2019 Thai Health Literacy Promotion Association.(THLA)