ฟิสิกส์ราชมงคล

index 117

กำเนิดโลก

           เมื่อประมาณ 4,600 ล้านปีมาแล้ว กลุ่มก๊าซในเอกภพบริเวณนี้ ได้รวมตัวกันเป็นหมอกเพลิงมีชื่อว่า “โซลาร์เนบิวลา” (Solar แปลว่า สุริยะ, Nebula แปลว่า หมอกเพลิง) แรงโน้มถ่วงทำให้กลุ่มก๊าซยุบตัวและหมุนตัวเป็นรูปจาน ใจกลางมีความร้อนสูงเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิวชั่น กลายเป็นดาวฤกษ์ที่ชื่อว่าดวงอาทิตย์ ส่วนวัสดุที่อยู่รอบๆ มีอุณหภูมิต่ำกว่า รวมตัวเป็นกลุ่มๆ มีมวลสารและความหนาแน่นมากขึ้นเป็นชั้นๆ และกลายเป็นดาวเคราะห์ในที่สุด (ภาพที่ 1)


ภาพที่ 1 กำเนิดระบบสุริยะ

          โลกในยุคแรกเป็นของเหลวหนืดร้อน ถูกกระหน่ำชนด้วยอุกกาบาตตลอดเวลา องค์ประกอบซึ่งเป็นธาตุหนัก เช่น เหล็ก และนิเกิล จมตัวลงสู่แก่นกลางของโลก ขณะที่องค์ประกอบซึ่งเป็นธาตุเบา เช่น ซิลิกอน ลอยตัวขึ้นสู่เปลือกนอก ก๊าซต่างๆ เช่น ไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ พยายามแทรกตัวออกจากพื้นผิว ก๊าซไฮโดรเจนถูกลมสุริยะจากดวงอาทิตย์ทำลายให้แตกเป็นประจุ ส่วนหนึ่งหลุดหนีออกสู่อวกาศ อีกส่วนหนึ่งรวมตัวกับออกซิเจนกลายเป็นไอน้ำ เมื่อโลกเย็นลง เปลือกนอกตกผลึกเป็นของแข็ง ไอน้ำในอากาศควบแน่นเกิดฝน น้ำฝนได้ละลายคาร์บอนไดออกไซด์ลงมาสะสมบนพื้นผิว เกิดทะเลและมหาสมุทร สองพันล้านปีต่อมาการวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต ได้นำคาร์บอนไดออกไซด์มาผ่านการสังเคราะห์แสง เพื่อสร้างพลังงาน และให้ผลผลิตเป็นก๊าซออกซิเจน ก๊าซออกซิเจนที่ลอยขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศชั้นบน แตกตัวและรวมตัวเป็นก๊าซโอโซน ซึ่งช่วยป้องกันอันตรายจากรังสีอุลตราไวโอเล็ต ทำให้สิ่งมีชีวิตมากขึ้น และปริมาณของออกซิเจนมากขึ้นอีก ออกซิเจนจึงมีบทบาทสำคัญต่อการเปลี่ยนแปลงบนพื้นผิวโลกในเวลาต่อมา (ภาพที่ 2)



ภาพที่ 2 กำเนิดโลก

โครงสร้างภายในของโลก
          โลกมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 12,756 กิโลเมตร (รัศมี 6,378 กิโลเมตร) มีมวลสาร 6 x 1024 กิโลกรัม และมีความหนาแน่นเฉลี่ย 5.5 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (หนาแน่นกว่าน้ำ 5.5 เท่า) นักธรณีวิทยาทำการศึกษาโครงสร้างภายในของโลก โดยศึกษาการเดินทางของ “คลื่นซิสมิค” (Seismic waves) ซึ่งมี 2 ลักษณะ คือ



ภาพที่ 3 คลื่นปฐมภูมิ (P wave) และคลื่นทุติยภูมิ (S wave)

 คลื่นปฐมภูมิ (P wave) เป็นคลื่นตามยาวที่เกิดจากความไหวสะเทือนในตัวกลาง โดยอนุภาคของตัวกลางนั้นเกิดการเคลื่อนไหวแบบอัดขยายในแนวเดียวกับที่คลื่นส่งผ่านไป คลื่นนี้สามารถเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่เป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซ เป็นคลื่นที่สถานีวัดแรงสั่นสะเทือนสามารถรับได้ก่อนชนิดอื่น โดยมีความเร็วประมาณ 6 – 8 กิโลเมตร/วินาที คลื่นปฐมภูมิทำให้เกิดการอัดหรือขยายตัวของชั้นหิน ดังภาพที่ 3

 คลื่นทุติยภูมิ (S wave) เป็นคลื่นตามขวางที่เกิดจากความไหวสะเทือนในตัวกลางโดยอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนไหวตั้งฉากกับทิศทางที่คลื่นผ่าน มีทั้งแนวตั้งและแนวนอน คลื่นชนิดนี้ผ่านได้เฉพาะตัวกลางที่เป็นของแข็งเท่านั้น ไม่สามารถเดินทางผ่านของเหลว คลื่นทุติยภูมิมีความเร็วประมาณ 3 – 4 กิโลเมตร/วินาที คลื่นทุติยภูมิทำให้ชั้นหินเกิดการคดโค้ง
 


ภาพที่ 4 การเดินทางของ P wave และ S wave ขณะเกิดแผ่นดินไหว

          ขณะที่เกิดแผ่นดินไหว (Earthquake) จะเกิดแรงสั่นสะเทือนหรือคลื่นซิสมิคขยายแผ่จากศูนย์เกิดแผ่นดินไหวออกไปโดยรอบทุกทิศทุกทาง เนื่องจากวัสดุภายในของโลกมีความหนาแน่นไม่เท่ากัน และมีสถานะต่างกัน คลื่นทั้งสองจึงมีความเร็วและทิศทางที่เปลี่ยนแปลงไปดังภาพที่ 4 คลื่นปฐมภูมิหรือ P wave สามารถเดินทางผ่านศูนย์กลางของโลกไปยังซีกโลกตรงข้ามโดยมีเขตอับ (Shadow zone) อยู่ระหว่างมุม 100 – 140 องศา แต่คลื่นทุติยภูมิ หรือ S wave ไม่สามารถเดินทางผ่านชั้นของเหลวได้ จึงปรากฏแต่บนซีกโลกเดียวกับจุดเกิดแผ่นดินไหว โดยมีเขตอับอยู่ที่มุม 120 องศาเป็นต้นไป

โครงสร้างภายในของโลกแบ่งตามองค์ประกอบทางเคมี
          นักธรณีวิทยา แบ่งโครงสร้างภายในของโลกออกเป็น 3 ส่วน โดยพิจารณาจากองค์ประกอบทางเคมี ดังนี้ (ภาพที่ 5)
 เปลือกโลก (Crust) เป็นผิวโลกชั้นนอก มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นซิลิกอนออกไซด์ และอะลูมิเนียมออกไซด์

 แมนเทิล (Mantle) คือส่วนซึ่งอยู่อยู่ใต้เปลือกโลกลงไปจนถึงระดับความลึก 2,900 กิโลเมตร มีองค์ประกอบหลักเป็นซิลิคอนออกไซด์ แมกนีเซียมออกไซด์ และเหล็กออกไซด์

 แก่นโลก (Core) คือส่วนที่อยู่ใจกลางของโลก มีองค์ประกอบหลักเป็นเหล็ก และนิเกิล

ภาพที่ 5 องค์ประกอบทางเคมีของโครงสร้างภายในของโลก



ภาพที่ 6 โครงสร้างภายในของโลก

โครงสร้างภายในของโลกแบ่งตามคุณสมบัติทางกายภาพ
          นักธรณีวิทยา แบ่งโครงสร้างภายในของโลกออกเป็น 5 ส่วน โดยพิจารณาจากคุณสมบัติทางกายภาพ ดังนี้ (ภาพที่ 6)
           ลิโทสเฟียร์ (Lithosphere) คือ ส่วนชั้นนอกสุดของโลก ประกอบด้วย เปลือกโลกและแมนเทิลชั้นบนสุด ดังนี้
                    o เปลือกทวีป (Continental crust) ส่วนใหญ่เป็นหินแกรนิตมีความหนาเฉลี่ย 35 กิโลเมตร ความหนาแน่น 2.7 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร
                    o เปลือกสมุทร (Oceanic crust) เป็นหินบะซอลต์ความหนาเฉลี่ย 5 กิโลเมตร ความหนาแน่น 3 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร (มากกว่าเปลือกทวีป)
                    o แมนเทิลชั้นบนสุด (Uppermost mantle) เป็นวัตถุแข็งซึ่งรองรับเปลือกทวีปและเปลือกสมุทรอยู่ลึกลงมาถึงระดับลึก 100 กิโลเมตร
           แอสทีโนสเฟียร์ (Asthenosphere) เป็นแมนเทิลชั้นบนซึ่งอยู่ใต้ลิโทสเฟียร์ลงมาจนถึงระดับ 700 กิโลเมตร เป็นวัสดุเนื้ออ่อนอุณหภูมิประมาณ 600 – 1,000ฐC เคลื่อนที่ด้วยกลไกการพาความร้อน (Convection) มีความหนาแน่นประมาณ 3.3 กรัม/เซนติเมตร
           เมโซสเฟียร์ (Mesosphere) เป็นแมนเทิลชั้นล่างซึ่งอยู่ลึกลงไปจนถึงระดับ 2,900 กิโลเมตร มีสถานะเป็นของแข็งอุณหภูมิประมาณ 1,000 – 3,500ฐC มีความหนาแน่นประมาณ 5.5 กรัม/เซนติเมตร
           แก่นชั้นนอก (Outer core) อยู่ลึกลงไปถึงระดับ 5,150 กิโลเมตร เป็นเหล็กหลอมละลายมีอุณหภูมิสูง 1,000 – 3,500ฐC เคลื่อนตัวด้วยกลไกการพาความร้อนทำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลก มีความหนาแน่น 10 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร
           แก่นชั้นใน (Inner core) เป็นเหล็กและนิเกิลในสถานะของแข็งซึ่งมีอุณหภูมิสูงถึง 5,000 ?C ความหนาแน่น 12 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร จุดศูนย์กลางของโลกอยู่ที่ระดับลึก 6,370 กิโลเมตร

สนามแม่เหล็กโลก
          แก่นโลกมีองค์ประกอบหลักเป็นเหล็ก แก่นโลกชั้นใน (Inner core) มีความกดดันสูงจึงมีสถานะเป็นของแข็ง ส่วนแก่นชั้นนอก (Outer core) มีความกดดันน้อยกว่าจึงมีสถานะเป็นของเหลวหนืด แก่นชั้นในมีอุณหภูมิสูงกว่าแก่นชั้นนอก พลังงานความร้อนจากแก่นชั้นใน จึงถ่ายเทขึ้นสู่แก่นชั้นนอกด้วยการพาความร้อน (Convection) เหล็กหลอมละลายเคลื่อนที่หมุนวนอย่างช้าๆ ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า และเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลก (The Earth’s magnetic field)


ภาพที่ 7 แกนแม่เหล็กโลก

          อย่างไรก็ตามแกนแม่เหล็กโลกและแกนหมุนของโลกมิใช่แกนเดียวกัน แกนแม่เหล็กโลกมีขั้วเหนืออยู่ทางด้านใต้ และมีแกนใต้อยู่ทางด้านเหนือ แกนแม่เหล็กโลกเอียงทำมุมกับแกนเหนือ-ใต้ทางภูมิศาสตร์ (แกนหมุนของโลก) 12 องศา ดังภาพที่ 7


ภาพที่ 8 สนามแม่เหล็กโลก

          สนามแม่เหล็กโลกก็มิใช่เป็นรูปทรงกลม (ภาพที่ 8) อิทธิพลของลมสุริยะทำให้ด้านที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มีความกว้างน้อยกว่าด้านตรงข้ามดวงอาทิตย์ สนามแม่เหล็กโลกไม่ใช่สิ่งคงที่ แต่มีการเปลี่ยนแปลงความเข้มและสลับขั้วเหนือ-ใต้ ทุกๆ หนึ่งหมื่นปี ในปัจจุบันสนามแม่เหล็กโลกอยู่ในช่วงที่มีกำลังอ่อน สนามแม่เหล็กโลกเป็นสิ่งที่จำเป็นที่เอื้ออำนวยในการดำรงชีวิต หากปราศจากสนามแม่เหล็กโลกแล้ว อนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์และอวกาศ จะพุ่งชนพื้นผิวโลก ทำให้สิ่งมีชีวิตไม่สามารถดำรงอยู่ได้ (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมในบทที่ 3 พลังงานจากดวงอาทิตย์)

เกร็ดความรู้: ทิศเหนือที่อ่านได้จากเข็มทิศแม่เหล็ก อาจจะไม่ตรงกับทิศเหนือจริง ด้วยเหตุผล 2 ประการคือ
 ขั้วแม่เหล็กโลก และขั้วโลก มิใช่จุดเดียวกัน
 ในบางพื้นที่ของโลก เส้นแรงแม่เหล็กมีความเบี่ยงเบน (Magnetic deviation) มิได้ขนานกับเส้นลองจิจูด (เส้นแวง) ทางภูมิศาสตร์ แต่โชคดีที่บริเวณประเทศไทยมีค่าความเบี่ยงเบน = 0 ดังนั้นจึงถือว่า ทิศเหนือแม่เหล็กเป็นทิศเหนือจริงได้
 


การเคลื่อนตัวของเปลือกโลก


          เปลือกโลกมิได้เป็นแผ่นเดียวต่อเนื่องติดกันดังเช่นเปลือกไข่ หากแต่เหมือนเปลือกไข่แตกร้าว มีแผ่นหลายแผ่นเรียงชิดติดกันเรียกว่า “เพลต” (Plate) ซึ่งมีอยู่ประมาณ 20 เพลต เพลตที่มีขนาดใหญ่ ได้แก่ เพลตแปซิฟิก เพลตอเมริกาเหนือ เพลตอเมริกาใต้ เพลตยูเรเซีย เพลตแอฟริกา เพลตอินโด-ออสเตรเลีย และเพลตแอนตาร์กติก เป็นต้น เพลตแปซิฟิกเป็นเพลตที่ใหญ่ที่สุดและไม่มีเปลือกทวีป กินอาณาเขตหนึ่งในสามของพื้นผิวโลก เพลตทุกเพลตเคลื่อนตัวเปลี่ยนแปลงขนาดและรูปร่างอยู่ตลอดเวลา (ดูภาพที่ 1)


ภาพที่ 1 การเคลื่อนตัวของเพลต

กระบวนการเคลื่อนตัวของเปลือกโลก
          เพลตประกอบด้วยเปลือกทวีปและเปลือกมหาสมุทรวางตัวอยู่บนแมนเทิลชั้นบนสุด ซึ่งเป็นของแข็งในชั้นลิโทสเฟียร์ ลอยอยู่บนหินหนืดร้อนในชั้นแอสทีโนสเฟียร์อีกทีหนึ่ง หินหนืด (Magma) เป็นวัสดุเนื้ออ่อนเคลื่อนที่หมุนเวียนด้วยการพาความร้อนภายในโลก คล้ายการเคลื่อนตัวของน้ำเดือดในกาต้มน้ำ การเคลื่อนตัวของวัสดุในชั้นแอสทีโนสเฟียร์ทำให้เกิดการเคลื่อนตัวเพลต (ดูภาพที่ 2) เราเรียกกระบวนการเช่นนี้ว่า “ธรณีแปรสัณฐาน” หรือ “เพลตเทคโทนิคส์” (Plate Tectonics)


ภาพที่ 2 กระบวนการธรณีแปรสัณฐาน


            การพาความร้อนจากภายในของโลกทำให้วัสดุในชั้นแอสทีโนสเฟียร์ (Convection cell) ลอยตัวดันพื้นมหาสมุทรขึ้นมากลายเป็น “สันกลางมหาสมุทร” (Mid-ocean ridge) หินหนืดร้อนหรือแมกม่าซึ่งโผล่ขึ้นมาผลักพื้นมหาสมุทรให้เคลื่อนที่ขยายตัวออกทางข้าง
            เนื่องจากเปลือกมหาสมุทรมีความหนาแน่นมากกว่าเปลือกทวีป ดังนั้นเมื่อเปลือกมหาสมุทรชนกับเปลือกทวีป เปลือกมหาสมุทรจะมุดตัวต่ำลงกลายเป็น “เหวมหาสมุทร” (Trench) และหลอมละลายในแมนเทิลอีกครั้งหนึ่ง
            มวลหินหนืดที่เกิดจากการรีไซเคิลของเปลือกมหาสมุทรที่จมตัวลง เรียกว่า “พลูตอน” (Pluton) มีความหนาแน่นน้อยกว่าเปลือกทวีป จึงลอยตัวแทรกขึ้นมาเป็นแนวภูเขาไฟ เช่น เทือกเขาแอนดีสทางฝั่งตะวันตกของทวีปอเมริกาใต้


ภาพที่ 3 รอยต่อของเพลต

รอยต่อของขอบเพลต (Plate boundaries)
           เพลตแยกจากกัน (Divergent) เมื่อแมกม่าในชั้นแอสทีโนสเฟียร์ดันตัวขึ้น ทำให้เพลตจะขยายตัวออกจากกัน แนวเพลตแยกจากกันส่วนมากเกิดขึ้นในบริเวณสันกลางมหาสมุทร (ภาพที่ 3)
           เพลตชนกัน (Convergent) เมื่อเพลตเคลื่อนที่เข้าชนกัน เพลตที่มีความหนาแน่นสูงกว่าจะมุดตัวลงและหลอมละลายในแมนเทิล ส่วนเพลตที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าจะถูกเกยสูงขึ้นกลายเป็นเทือกเขา เช่น เทือกเขาหิมาลัย เกิดจากการชนกันของเพลตอินเดียและเพลตเอเชีย เทือกเขาแอพพาเลเชียน เกิดจากการชนกันของเพลตอเมริกาเหนือกับเพลตแอฟริกา
           รอยเลื่อน (Transform fault) เป็นรอยเลื่อนขนาดใหญ่ มักเกิดขึ้นในบริเวณเทือกเขากลางมหาสมุทร แต่บางครั้งก็เกิดขึ้นบริเวณชายฝั่ง เช่น รอยเลื่อนแอนเดรียส์ ที่ทำให้เกิดแผ่นดินไหวในรัฐแคลิฟอร์เนีย ประเทศสหรัฐอเมริกา เกิดจากการเคลื่อนที่สวนกันของเพลตอเมริกาเหนือและเพลตแปซิฟิก

วัฏจักรวิลสัน
          หินบนเปลือกโลกส่วนใหญ่มีอายุน้อยไม่กี่ร้อยล้านปี เมื่อเทียบกับโลกซึ่งมีอายุประมาณ 4,000 ล้านปี และเปลือกโลกก็มีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา นักธรณีวิทยาชาวแคนาดาชื่อ ทูโซ วิลสัน ได้ตั้งสมมติฐานไว้ว่า เพลตขนาดใหญ่ถูกทำลายและสร้างขี้นใหม่ในลักษณะรีไซเคิลทุกๆ 500 ล้านปี เนื่องจากโลกของเรามีเส้นรอบวงยาวประมาณ 40,000 กิโลเมตร จึงคำนวณได้ว่า เพลตเคลื่อนที่ด้วยความเร็วปีละ 4 เซนติเมตร ดังนั้นเพลตสองเพลตซึ่งแยกตัวออกจากกันในซีกโลกหนึ่ง จะเคลื่อนที่ไปชนกันในซีกโลกตรงข้ามโดยใช้เวลาประมาณ 500 ล้านปี ดูรายละเอียดในภาพที่ 4


ภาพที่ 4 วัฏจักรวิลสัน

           ภาพที่ 4 ก. เพลตเกิดขึ้นใหม่จากการโผล่ขึ้นของแมกม่าในจุดร้อนใต้มหาสมุทร แมกมาดันเปลือกทวีปทั้งสองแยกจากกัน และเคลื่อนที่ไปชนเปลือกมหาสมุทรในซีกโลกฝั่งตรงข้ามซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าและจมตัวลง การชนกันทำให้มหาสมุทรทางด้านตรงข้ามมีขนาดเล็กลง
           ภาพที่ 4 ข. เปลือกทวีปชนกันทำให้เกิดทวีปขนาดยักษ์ในซีกโลกหนึ่ง และอีกซีกโลกหนึ่งกลายเป็นมหาสมุทรขนาดยักษ์เช่นกัน
           ภาพที่ 4 ค. เมื่อเวลาผ่านไปเปลือกโลกเกิดการแยกตัวเนื่องจากจุดร้อนข้างใต้ ทำให้เกิดเปลือกมหาสมุทรอันใหม่ ดันเปลือกทวีปให้แยกตัวจากกัน และเคลื่อนที่ไปชนกับเปลือกมหาสมุทรในซีกตรงข้ามที่เย็นกว่า ทำให้มหาสมุทรทางด้านตรงข้ามมีขนาดเล็กลง และในที่สุดเปลือกทวีปทั้งสองจะชนกัน เป็นอันครบกระบวนการของวัฏจักรวิลสัน


ภาพที่ 5 โลกเมื่อ 200 ล้านปีก่อน

ทวีปในอดีต
          เมื่อมองดูแผนที่โลก หากเราตัดส่วนที่เป็นพื้นมหาสมุทรออก จะพบว่าส่วนโค้งของขอบแต่ละทวีปนั้น โค้งรับกันราวกับนำมาเลื่อนต่อกันได้เสมือนเกมส์ต่อแผนภาพ (Jigsaw หรือ puzzle) นักธรณีวิทยาพบว่า ตามบริเวณแนวรอยต่อของเพลตต่างๆ มักเป็นที่ตั้งของเทือกเขาสูงและภูเขาไฟ ทั้งบนทวีปและใต้มหาสมุทร การศึกษาการเคลื่อนที่ของเปลือกโลกด้วยทฤษฎีเพลตเทคโทนิคส์ ประกอบกับร่องรอยทางธรณีวิทยาในอดีตพบว่า เมื่อ 200 ล้านปีก่อน ทุกทวีปอยู่ชิดติดกันเป็นแผ่นดินขนาดใหญ่เรียกว่า “แพนเจีย” (Pangaea) โดยมีดินแดนทางตอนเหนือชื่อ “ลอเรเซีย” (Lawresia) และดินแดนทางใต้ชื่อ “กอนด์วานา” (Gonwana) ซึ่งแบ่งแยกด้วยทะเลเททิส ดังที่แสดงในภาพที่ 5



ภาพที่ 6 สภาพภูมิอากาศในอดีต สีเขียวคือป่าเขตร้อน สีขาวคือธารน้ำแข็ง

          ภาพที่ 6 แสดงให้เห็นว่าเมื่อ 200 ล้านปีก่อน ทางตอนใต้ของทวีปอเมริกาใต้ แอฟริกา อินเดีย ออสเตรเลีย เคยอยู่ชิดติดกับทวีปแอนตาร์กติกในบริเวณขั้วใต้ ซึ่งเป็นเขตหนาวเย็น โดยมีหลักฐานเป็นร่องรอยของธารน้ำแข็งในอดีต ในขณะที่ตอนใต้ของทวีปอเมริกาเหนือ ยุโรป และเอเชีย มีหลักฐานบ่งชี้ว่า เคยเป็นเขตร้อนแถบศูนย์สูตรมาก่อน เนื่องจากอุดมสมบูรณ์ด้วยถ่านหินและน้ำมัน ซึ่งเกิดจากการทับถมของพืชในอดีต ประกอบกับหลักฐานทางฟอสซิลในภาพที่ 7 แสดงให้เห็นว่า เมื่อครั้งก่อนแผ่นดินเหล่านี้เคยอยู่ชิดติดกัน พืชและสัตว์บางชนิดจึงแพร่ขยายพันธุ์บนดินแดนเหล่านี้ในอดีต


ภาพที่ 7 การแพร่พันธุ์ของสัตว์ในอดีต
 


  แร่ (Minerals)

แร่คืออะไร
          อะตอม (Atom) หมายถึง หน่วยที่เล็กที่สุดของอนุภาคของธาตุๆ หนึ่ง ซึ่งยังคงแสดงคุณสมบัติของธาตุชนิดนั้นไว้ อะตอมประกอบด้วย นิวเคลียส ซึ่งมีอนุภาคโปรตอน (+) และอนุภาคนิวตรอน (เป็นกลาง) อยู่ที่ศูนย์กลาง โดยมีอนุภาค
อีเล็กตรอน (-) โคจรรอบนิวเคลียสเป็นชั้น ธาตุแต่ละชนิดมีโปรตอน นิวตรอน และอีเล็กตรอนจำนวนไม่เท่ากัน แต่โดยปกติ โปรตอนจะมีจำนวนเท่ากับอีเล็กตรอน ธาตุไฮโดรเจนมีอะตอมที่เล็กที่สุดคือ ประกอบด้วยโปรตอนและอีเล็กตรอน อย่างละ 1 ตัว ไม่มีนิวตรอน ธาตุออกซิเจนมีอะตอมขนาดใหญ่กว่าคือ มีโปรตอน 8 ตัว และนิวตรอน 8 ตัว และมีอีเล็กตรอน 8 ตัว โคจรรอบนิวเคลียส จำนวน 2 ชั้น ชั้นในมีอีเล็กตรอน 2 ตัว ชั้นนอกมีอีเล็กตรอน 6 ตัว ดังภาพที่ 1


ภาพที่ 1 อะตอมของออกซิเจน

          ธาตุ (Element) หมายถึง ชนิดของสสารซึ่งไม่สามารถแตกย่อยไปกว่านี้ได้อีกแล้วโดยกระบวนทางเคมี ธาตุแต่ละชนิดมีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่แตกต่างออกกันไป เช่น ธาตุไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบาและมีจุดเดือดต่ำ ธาตุเหล็กมีน้ำหนักมากและมีจุดเดือดสูง ธาตุแต่ละธาตุจะมีโครงสร้างอะตอมเพียงรูปแบบเดียว เช่น ธาตุโซเดียม มีโครงสร้างตามที่นำเสนอในภาพที่ 1 ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ค้นพบธาตุจำนวน 112 ธาตุ ทั้งที่เกิดเองตามธรรมชาติ และจากการสังเคราะห์ขึ้นในห้องปฏิบัติการ ธาตุที่มีอยู่มากมายบนเปลือกโลกได้แก่ ออกซิเจน และซิลิกอน (รวมเป็นสารประกอบชื่อ ซิลิกอนไดออกไซด์)

ตารางที่ 1 ธาตุที่มีอยู่มากมายบนเปลือกโลก

ธาตุ
สัญลักษณ์
% โดยน้ำหนัก
% โดยปริมาตร
% โดยจำนวนอะตอม
ออกซิเจน
O
46.6
93.8
60.5
ซิลิกอน
Si
27.7
0.9
20.5
อะลูมิเนียม
Al
8.1
0.8
6.2
เหล็ก
Fe
5.0
0.5
1.9
แคลเซียม
Ca
3.6
1.0
1.9
โซเดียม
Na
2.8
1.2
2.5
โปแตสเซียม
K
2.6
1.5
1.8
แมกนีเซียม
Mg
2.1
0.3
1.4
ธาตุอื่นๆ
-
1.5
-
3.3

          โมเลกุล (Molecule) หมายถึง ส่วนที่เล็กที่สุดของสารประกอบซึ่งยังคงคุณสมบัติของสารนั้นไว้ โมเลกุลประกอบขึ้นด้วยธาตุเดียวหรือหลายธาตุ มายึดติดกันตามโครงสร้างของอะตอม เช่น โซเดียมคลอไรด์ (เกลือ) ประกอบด้วย อะตอมของโซเดียม และคลอรีน อย่างละ 1 ตัว (ภาพที่ 2)


ภาพที่ 2 โมเลกุลของโซเดียมคลอไรด์

          แร่ (Mineral) หมายถึง ธาตุหรือสารประกอบอนินทรีย์ (ไม่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิต) ที่มีสถานะเป็นของแข็ง เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและมีโครงสร้างภายในที่เป็นผลึก มีสูตรเคมีและสมบัติอื่นๆ ที่แน่นอนหรือเปลี่ยนแปลงได้ในวงจำกัด ตัวอย่างเช่น แร่เฮไลต์ (เกลือ) เป็นสารประกอบ (Compound) ซึ่งประกอบด้วยอะตอมของโซเดียมและคลอรีนจำนวนเท่ากัน เกาะตัวกันอยู่โดยมีโครงสร้าง 3 มิติเป็นผลึกลูกบาศก์ ซึ่งอะตอมของโซเดียม 1 ตัวจะถูกห้อมล้อมด้วยอะตอมของคลอรีน 6 ตัว ในขณะเดียวกันอะตอมของคลอรีน 1 ตัวก็จะถูกห้อมล้อมด้วยอะตอมของโซเดียมจำนวน 6 ตัว (ดังภาพที่ 3) ทั้งนี้ผลึกเกลือขนาดเท่าหัวเข็มหมุด ประกอบด้วยโซเดียมคลอไรด์หลายล้านโมเลกุล
 


ภาพที่ 3 โครงสร้างผลึกของโซเดียมคลอไรด์

คุณสมบัติทางกายภาพของแร่
          แร่มีอยู่มากมายหลายชนิด ในการจำแนกแร่โดยพิจารณาองค์ประกอบทางเคมีมิใช่ของง่าย ตัวอย่างเช่น แร่เฮไลต์ (NaCl) ประกอบด้วยการจับคู่หนึ่งต่อหนึ่งของอะตอมโซเดียมและคลอรีน โดยมีโครงสร้างผลึกทรงลูกบาศก์ การที่จะทราบเช่นนี้ เราจะต้องเก็บตัวอย่างแร่ไปทำการทดลองในห้องปฏิบัติการ ซึ่งต้องใช้เวลาและเงินจำนวนมาก ในทางปฏิบัตินักธรณีวิทยาจึงมีวิธีพิจารณาคุณสมบัติทางกายภาพของแร่ดังนี้

ผลึก (Crystal) หมายถึง ของแข็งที่มีเนื้อเดียวกัน มีรูปทรงสามมิติ ผิวหน้าแต่ด้านเป็นระนาบ ซึ่งเป็นผลมาจากการจัดตัวของอะตอมหรือโมเลกุลของธาตุที่ประกอบอยู่ในของแข็งนั้นอย่างมีแบบแผน ผลึกชุดหนึ่งจะประกอบด้วยระนาบผลึกซึ่งมีสมมาตรแบบเดียวกัน ซึ่งอาจประกอบด้วยรูปผลึก (Crystal shape) เพียงรูปแบบเดียว หรือหลายรูปผลึกติดกันก็ได้แต่ต้องสมมาตรกัน แร่บางชนิดมีองค์ประกอบจากธาตุเดียวกัน แต่มีรูปผลึกต่างกัน ก็มีคุณสมบัติต่างกัน เช่น เพชร และกราไฟต์ ประกอบด้วยอะตอมของธาตุคาร์บอน ซึ่งมีโครงสร้างผลึกต่างกัน เพชรมีผลึกรูปปิระมิดประกบจึงมีความแข็งแรงมาก ส่วนกราฟไฟต์มีผลึกเป็นแผ่นบางจึงอ่อนและแตกหักได้ง่าย


ภาพที่ 4 ตัวอย่างรูปผลึกแบบต่างๆ

แนวแตกเรียบ (Clevage) หมายถึง รอยที่แตกเป็นระนาบเรียบตามโครงสร้างอะตอมในผลึกแร่ โดยทั่วไปรอยแตกนี้จะขนานไปกับหน้าผลึกแร่ แนวแตกนี้อาจเป็นระนาบเดียวหรือหลายระนาบก็ได้ ตัวอย่างในภาพที่ 5 แสดงให้เห็นว่า (ก) แร่ไมก้า มีรอยแตกเรียบระนาบเดียว (ข) แร่เฟลด์สปาร์มีรอยแตกเรียบ 2 ระนาบตั้งฉากกัน (ค) แร่เฮไลต์มีรอยแตกเรียบ 3 ระนาบตั้งฉากกัน (ง) แร่แคลไซต์มีรอยแตกเรียบ 3 ระนาบเฉียงกัน


ภาพที่ 5 ตัวอย่างรอยแตกเรียบชนิดต่างๆ

แนวแตกประชิด (Fracture) หมายถึง แนวแตกบางๆ ซึ่งปรากฏเป็นแนวขนานบางๆ หลายแนวบนเนื้อแร่ และมิได้อยู่ในระนาบเดียวกับแนวแตกเรียบ

ความถ่วงจำเพาะ (Specific Gravity) เป็นอัตราส่วนระหว่างน้ำหนักของสสารต่อน้ำหนักของน้ำ ณ อุณหภูมิหนึ่งๆ (โดยปกติเป็นอุณหภูมิ 20ฐC) ถ้าหากแร่ชนิดหนึ่งมีน้ำหนัก 2.5 เท่า ของน้ำที่มีปริมาตรเท่ากัน แสดงว่า แร่ชนิดนั้นมีความถ่วงจำเพาะ 2.5 ความถ่วงจำเพาะมักเรียกโดยย่อว่า “ถ.พ.” แร่ทั่วไปมี ถ.พ.ประมาณ 2.7 ส่วนแร่โลหะจะมี ถ.พ.มากกว่านั้นมาก เช่น แร่ทองมี ถ.พ. 19, แร่เงินมี ถ.พ. 10.5, แร่ทองแดงมี ถ.พ. 8.9 เป็นต้น

ความแข็ง (Hardness) มาตราความแข็งของแร่ตามระบบสเกลของโมล (Mol’s scale) ประกอบด้วยแร่มาตรฐาน 10 ชนิด เรียงลำดับตั้งแต่แร่ที่ทนทานต่อการขูดขีดน้อยที่สุด ถึงมากที่สุด ตามตารางที่ 2

ตารางที่ 2 สเกลความแข็งของโมล

ค่าความแข็ง
แร่
วัตถุที่ใช้ทดสอบ
1
ทัลก์
ปลายนิ้ว
2
ยิปซัม
เล็บ
3
แคลไซต
เหรียญบาท
4
ฟลูออไรต์
มีดพก
5
อพาไทต์
กระจก
6
ออร์โทเคลส
เหล็กกล้า
7
ควอรซต์
กระเบื้อง
8
โทปาส
-
9
คอรันดัม (พลอย)
-
10
เพชร
-

สี (Color) เป็นคุณสมบัติที่เห็นได้ชัดเจนที่สุดแต่เชื่อถือไม่ได้ แร่บางชนิดเช่น แร่ควอรตซ์ (SiO2) ปกติใสไม่มีสี แต่ที่พบเห็นส่วนมากจะมีสีขาว เหลือง ชมพู หรือดำ เนื่องมีสารอื่นเจือปนทำให้ไม่บริสุทธิ์ แร่คอรันดัม (Al2O3) โดยปกติมีสีขาวอมน้ำตาลขุ่น แต่เมื่อมีธาตุโครเมียมจำนวนเล็กน้อยเจือปน ก็จะมีสีแดงเรียกว่า “ทับทิม” (Ruby) หรือถ้ามีธาตุเหล็กเจือปน ก็จะมีสีน้ำเงินเรียกว่า “ไพลิน” (Sapphire)

สีผงละเอียด (Streak) เป็นคุณสมบัติเฉพาะตัวของแร่แต่ละชนิด เมื่อนำแร่มาขีดบนแผ่นกระเบื้อง (ที่ไม่เคลือบ) จะเห็นสีของรอยขีดติดอยู่แผ่นกระเบื้อง ซึ่งอาจมีสีไม่เหมือนกับชิ้นแร่ก็ได้ เช่น ฮีมาไทต์และแมกเนไทต์ เป็นสินแร่เหล็กเหมือนกัน แต่ฮีมาไทต์ให้ผงสีแดง ส่วนแมกเนไทต์ให้ผงสีดำ การทดสอบด้วยสีผงละเอียดมีความน่าเชื่อถือกว่าการดูสีของตัวแร่เอง

ความวาว (Luster) หมายถึง คุณสมบัติในการสะท้อนแสงของผิวแร่ ความวาวมีหลายแบบ เช่น วาวแบบโลหะ แบบมุก แบบเพชร แบบน้ำมัน แบบแก้ว เป็นต้น ตัวอย่างเช่น แร่ควอรตซ์มีความวาวแบบแก้ว แร่แบไรต์มีความวาวแบบมุก


หิน (Rocks)

          หิน คือ มวลของแข็งที่ประกอบไปด้วยแร่ชนิดเดียวกัน หรือหลายชนิดรวมตัวกันอยู่ตามธรรมชาติ เนื่องจากองค์ประกอบของเปลือกโลกส่วนใหญ่เป็นสารประกอบซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) ดังนั้นเปลือกโลกส่วนใหญ่มักเป็นแร่ตระกูล
ซิลิเกต นอกจากนั้นยังมีแร่ตระกูลคาร์บอเนต เนื่องจากบรรยากาศโลกในอดีตส่วนใหญ่เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำฝนได้ละลายคาร์บอนไดออกไซด์บนบรรยากาศลงมาสะสมบนพื้นดินและมหาสมุทร สิ่งมีชีวิตอาศัยคาร์บอนสร้างธาตุอาหารและร่างกาย แพลงตอนบางชนิดอาศัยซิลิกาสร้างเปลือก เมื่อตายลงทับถมกันเป็นตะกอน หินส่วนใหญ่บนเปลือกโลกจึงประกอบด้วยแร่ต่างๆ ดังตารางที่ 1

ตารางที่ 1 แร่ประกอบหิน

ตระกูลซิลิเกต
เฟลด์สปาร์ (Feldspar) เป็นกลุ่มแร่ที่มีมากกว่าร้อยละ 50 ของเปลือกโลก ซึ่งเป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ของหินหลายชนุดในเปลือกโลก เฟลด์สปาร์มีองค์ประกอบหลักเป็นอะลูมิเนียมซิลิเกต รูปผลึกหลายชนิด เมื่อเฟลด์สปาร์ผุพังจะกลายเป็นอนุภาคดินเหนียว (Clay minerals)
ควอรตซ์ (SiO2) เป็นซิลิกาไดออกไซด์บริสุทธิ์ มีรูปผลึกทรงหกเหลี่ยมยอดแหลม มีอยู่ทั่วไปในเปลือกทวีป แต่หาได้ยากในเปลือกมหาสมุทรและแมนเทิล เมื่อควอรตซ์ผุพังจะกลายเป็นอนุภาคทราย (Sand) ควอรตซ์มีความแข็งแรงมาก ขูดแก้วเป็นรอย
ไมก้า (Mica) เป็นกลุ่มแร่ซึ่งมีรูปผลึกเป็นแผ่นบาง มีองค์ประกอบเป็นอะลูมิเนียมซิลิเกตไฮดรอกไซด์ มีอยู่ทั่วไปในเปลือกทวีป ไมก้ามีโครงสร้างเช่นเดียวกับ แร่ดินเหนียว (Clay minerals) ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญของดิน
แอมฟิโบล (Amphibole group) มีลักษณะคล้ายเฟลด์สปาร์แต่มีสีเข้ม มีองค์ประกอบเป็นอะลูมิเนียมซิลิเกตไฮดรอกไซด์ ที่มีแมกนีเซียม เหล็ก หรือ แคลเซียม เจือปนอยู่ มีอยู่แต่ในเปลือกทวีป ตัวอย่างของกลุ่มแอมฟิโบลที่พบเห็นทั่วไปคือ แร่ฮอร์นเบลนด์ ซึ่งอยู่ในหินแกรนิต
ไพร็อกซีน (Pyroxene group) มีสีเข้ม มีองค์ประกอบที่เป็นแมกนีเซียมและเหล็กซิลิเกตอยู่มาก มีลักษณะคล้ายแอมฟิโบล มีอยู่แต่ในเปลือกมหาสมุทร
โอลิวีน (Olivine) มีองค์ประกอบหลักเป็นแมกนีเซียมและเหล็กซิลิเกต มีอยู่น้อยมากบนเปลือกโลก กำเนิดจากแมนเทิลใต้เปลือกโลก
ตระกูลคาร์บอเนต
แคลไซต์ (Calcite) เป็นแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) เป็นองค์ประกอบหลักของหินปูนและหินอ่อน โดโลไมต์ (Dolomite) ซึ่งเป็นแร่คาร์บอเนตอีกประเภทหนึ่งที่มีแมงกานีสผสมอยู่ CaMg(CO3) 2 แร่คาร์บอเนตทำปฏิกิริยากับกรดเป็นฟองฟู่ให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา

วัฏจักรหิน (Rock cycle)
          นักธรณีวิทยาแบ่งหินออกเป็น 3 ประเภท ตามลักษณะการเกิดคือ หินอัคนี หินตะกอน และหินแปร เมื่อหินหนืดร้อนภายในโลก (Magma) และ หินหนืดร้อนบนพื้นผิวโลก (Lava) เย็นตัวลงกลายเป็น “หินอัคนี” ลมฟ้าอากาศ น้ำ และแสงแดด ทำให้หินผุพังสึกกร่อนเป็นตะกอน ทับถมกันเป็นเวลานานหลายล้านปี แรงดันและปฏิกิริยาเคมีทำให้เกิดการรวมตัวเป็น “หินตะกอน” หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า “หินชั้น” การเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลกและความร้อนจากแมนเทิลข้างล่าง ทำให้เกิดการแปรสภาพเป็น “หินแปร” กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นเป็นวงรอบเรียกว่า “วัฏจักรหิน” (Rock cycle) อย่างไรก็ตามกระบวนการไม่จำเป็นต้องเรียงลำดับ หินอัคนี หินชั้น และหินแปร การเปลี่ยนแปลงประเภทหินอาจเกิดขึ้นย้อนกลับไปมาได้ ขึ้นอยู่กับปัจจัยแวดล้อม ตามที่แสดงในภาพที่ 1


ภาพที่ 1 วัฏจักรหิน

หินอัคนี (Igneous rocks)
          หินอัคนี เป็นหินที่เกิดจากการแข็งตัวของหินหนืด (Magma) จากชั้นแมนเทิลที่โผล่ขึ้นมา เราแบ่งหินอัคนีตามแหล่งที่มาออกเป็น 2 ประเภท คือ
 หินอัคนีแทรกซอน (Intrusive igneous rocks) เป็นหินที่เกิดจากหินหนืดที่เย็นตัวลงภายในเปลือกโลกอย่างช้าๆ ทำให้ผลึกแร่มีขนาดใหญ่ และเนื้อหยาบ เช่น หินแกรนิต หินไดออไรต์ และหินแกบโบร


ภาพที่ 2 แหล่งกำเนิดหินอัคนี

 หินอัคนีพุ (Extrusive ingneous rocks) บางทีเรียกว่า หินภูเขาไฟ เป็นหินหนืดที่เกิดจากลาวาบนพื้นผิวโลกเย็นตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้ผลึกมีขนาดเล็ก และเนื้อละเอียด เช่น หินบะซอลต์ หินไรออไรต์ และหินแอนดีไซต์
          นอกจากนั้นนักธรณีวิทยายังจำแนกหินอัคนี โดยใช้องค์ประกอบของแร่ เป็น หินชนิดกรด หินชนิดปลางกลาง หินชนิดด่าง และหินอัลตราเมฟิก โดยใช้ปริมาณของซิลิกา (SiO2) เป็นเกณฑ์จากมากไปหาน้อยตามลำดับ (รายละเอียดในตารางที่ 2) จะเห็นได้ว่า หินที่มีองค์ประกอบเป็นควอรตซ์และเฟลด์สปาร์มากจะมีสีอ่อน ส่วนหินที่มีองค์ประกอบเป็นเหล็กและแมกนีเซียมมากจะมีสีเข้ม

ตารางที่ 2 ตัวอย่างหินอัคนี

อัคนีแทรกซอน
เย็นตัวช้าผลึกใหญ่
หินแกรนิต
หินไดออไรต์
หินแกรโบร
หินเพริโดไทต์
อัคนีพ
ุเย็นตัวเร็วผลึกเล็ก
หินไรโอไลต์
หินแอนดีไซต์
หินบะซอลต์
-
ชนิดของหิน
หินชนิดกรด(Felsic)
หินชนิดปานกลาง(Intermediate)
หินชนิดด่าง(Mafic)
อัลตราเมฟิก(Ultramafic)
องค์ประกอบ
ซิลิกา 72%อะลูมิเนียมออกไซด์ 14%เหล็กออกไซด์ 3%แมกนีเซียมออกไซด์ 1%อื่นๆ 10%์
ซิลิกา 59%อะลูมิเนียมออกไซด์ 17%เหล็กออกไซด8%แมกนีเซียมออกไซด์ 3%อื่นๆ 13%
ซิลิกา 50%อะลูมิเนียมออกไซด์ 16%เหล็กออกไซด์ 11%แมกนีเซียมออกไซด์ 7%อื่นๆ 16%
ซิลิกา 45%อะลูมิเนียมออกไซด์ 4%เหล็กออกไซด์ 12%แมกนีเซียมออกไซด์ 31%อื่นๆ 8%
แร่หลัก
ควอรตซ์
เฟลด์สปาร์
เฟลด์สปาร์
แอมฟิโบล
เฟลด์สปาร์
ไพร็อกซีน
ไพร็อกซีน
โอลิวีน
แร่รอง
ไมก้า และ แอมฟิโบล
ไพร็อกซีน
โอลิวีน
เฟลด์สปาร์
สีที่พบเห็นโดยทั่วไป
สีอ่อน
เทา หรือ เขียว
เทาแก่
เขียวเข้ม หรือดำ

หินอัคนีที่สำคัญ
            หินแกรนิต (Granite) เป็นหินอัคนีแทรกซอนที่เย็นตัวลงภายในเปลือกโลกอย่างช้าๆ จึงมีเนื้อหยาบซึ่งประกอบด้วยผลึกขนาดใหญ่ของแร่ควอรตซ์สีเทาใส แร่เฟลด์สปาร์สีขาวขุ่น และแร่ฮอร์นเบลนด์ หินแกรนิตแข็งแรงมาก ชาวบ้านใช้ทำครก เช่น ครกอ่างศิลา ภูเขาหินแกรนิตมักเตี้ยและมียอดมน เนื่องจากเปลือกโลกซึ่งเคยอยู่ชั้นบนสึกกร่อนผุพัง เผยให้เห็นแหล่งหินแกรนิตซึ่งอยู่เบื้องล่าง
 


ภาพที่ 3 ผลึกแร่ในหินแกรนิต (ควอรตซ์ - เทาใส, เฟลด์สปาร์ – ขาว, ฮอร์นเบลนด์ – ดำ)

            หินบะซอลต์ (Basalt) เป็นหินอัคนีพุ เนื้อละเอียด เกิดจากการเย็นตัวของลาวา มีสีเข้มเนื่องจากประกอบด้วยแร่ไพร็อกซีนเป็นส่วนใหญ่ อาจมีแร่โอลิวีนปนมาด้วย เนื่องจากเกิดขึ้นจากแมกมาใต้เปลือกโลก หินบะซอลต์หลายแห่งในประเทศไทยเป็นแหล่งกำเนิดของอัญมณี (พลอยชนิดต่างๆ) เนื่องจากแมกมาดันผลึกแร่ซึ่งอยู่ลึกใต้เปลือกโลก ให้โผล่ขึ้นมาเหนือพื้นผิว
            หินไรโอไลต์ (Ryolite) เป็นหินอัคนีพุซึ่งเกิดจากการเย็นตัวของลาวา มีเนื้อละเอียดซึ่งประกอบด้วยผลึกแร่ขนาดเล็ก มีแร่องค์ประกอบเหมือนกับหินแกรนิต แต่ทว่าผลึกเล็กมากจนไม่สามารถมองเห็นได้ ส่วนมากมีสีชมพู และสีเหลือง
            หินแอนดีไซต์ (Andesite) เป็นหินอัคนีพุซึ่งเกิดจากการเย็นตัวของลาวาในลักษณะเดียวกับหินไรโอไรต์ แต่มีองค์ประกอบของแมกนีเซียมและเหล็กมากกว่า จึงมีสีเขียวเข้ม
            หินพัมมิซ (Pumice) เป็นหินแก้วภูเขาไฟชนิดหนึ่งซึ่งมีฟองก๊าซเล็กๆ อยู่ในเนื้อมากมายจนโพรกคล้ายฟองน้ำ มีส่วนประกอบเหมือนหินไรโอไลต์ มีน้ำหนักเบา ลอยน้ำได้ ชาวบ้านเรียกว่า หินส้ม ใช้ขัดถูภาชนะทำให้มีผิววาว
            หินออบซิเดียน (Obsedian) เป็นหินแก้วภูเขาไฟซึ่งเย็นตัวเร็วมากจนผลึกมีขนาดเล็กมาก เหมือนเนื้อแก้วสีดำ หินออบซิเดียน

ภาพที่ 4 หินพัมมิซ และหินออบซิเดียน

หินตะกอน (Sedimentary rocks)
          แม้ว่าหินจะเป็นของแข็ง แต่มันก็มิสามารถดำรงอยู่ได้อย่างถาวร หินเมื่อถูกแสงแดด ลมฟ้าอากาศ และน้ำ หรือ ถูกกระแทก ก็แตกเป็นก้อนเล็กๆ หรือผุกร่อน เสื่อมสภาพลง เศษหินที่ผุพังทั้งอนุภาคใหญ่และเล็กถูกพัดพาไปสะสมอัดตัวกัน เป็นชั้นๆ เกิดความกดดันและปฏิกิริยาเคมีจนกลับกลายเป็นหินอีกครั้ง หินที่เกิดใหม่นี้เราเรียกว่า “หินตะกอน” หรือ “หินชั้น” ปัจจัยที่ทำให้เกิดหินตะกอนหรือหินชั้น มีดังต่อไปนี้
            การผุพัง (Weathering) คือ การที่หินผุพังทำลายลง (อยู่กับที่) ด้วยกรรมวิธีต่างๆ จากลมฟ้าอากาศ สารละลาย และรวมทั้งการกระทำของต้นไม้ แบคทีเรีย ตลอดจนการแตกตัวทางกลศาสตร์ มีการเพิ่มอุณหภูมิและลดอุณหภูมิสลับกันเป็นต้น ภาพที่ 5 แสดงให้เห็นถึงการผุพังของหินชั้นบน ประกอบกับการดันตัวจากใต้เปลือกโลก ทำให้เกิดภูเขาหินแกรนิต


ภาพที่ 5 ภูเขาหินแกรนิตซึ่งกำลังผุพังจากสภาพลมฟ้าอากาศ

ตารางที่ 3 ตัวอย่างกระบวนการผุพังทางเคมี (Chemical Weathering)

            การกร่อน (Erosion) หมายถึง กระบวนการที่ทำให้สารเปลือกโลกหลุด ละลายไป หรือกร่อนไป (โดยมีการเคลื่อนที่กระจัดกระจายไปจากที่เดิม) โดยมีต้นเหตุคือตัวการธรรมชาติ ซึ่งได้แก่ ลมฟ้าอากาศ กระแสน้ำ ธารน้ำแข็ง การครูดถู ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง


ภาพที่ 6 การกร่อนด้วยกระแสลม

            การพัดพา (Transportation) หมายถึง การเคลื่อนที่ของมวลหิน ดิน ทราย โดยกระแสน้ำ กระแสลม หรือธารน้ำแข็ง ภายใต้แรงดึงดูดของโลก อนุภาคขนาดเล็กจะถูกพัดพาให้เคลื่อนที่ไปได้ไกลกว่าอนุภาคขนาดใหญ่

 


ภาพที่ 7 การคัดขนาดตะกอนด้วยการพัดพาของน้ำ

ตารางที่ 3 ขนาดของอนุภาคตะกอน

ขนาดอนุภาค(มิลลิเมตร)
ชื่อเรียก
ประเภทของตะกอน
ชนิดของหินตะกอน
>256
ก้อนหินใหญ่
กรวด
หินกรวดมน
หินกรวดเหลี่ยม
<256
ก้อนหินเล็ก
<64
กรวดมน
<2
อนุภาคทราย
ทราย
หินทราย
<0.02
อนุภาคทรายแป้ง
โคลน
หินดินดาน
หินโคลน
<0.002
อนุภาคดินเหนียว


            การทับถม (Deposit) เกิดขึ้นเมื่อตัวกลางซึ่งทำให้เกิดการพัดพา เช่น กระแสน้ำ กระแสลม หรือธารน้ำแข็ง อ่อนกำลังลงและยุติลง ตะกอนที่ถูกพัดพาจะสะสมตัวทับถมกัน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางอุณหภูมิ ความกดดัน ปฏิกิริยาเคมี และเกิดการตกผลึก หินตะกอนที่อยู่ชั้นล่างจะมีความหนาแน่นสูงและมีเนื้อละเอียดกว่าชั้นบน เนื่องจากแรงกดดันซึ่งเกิดขึ้นจากน้ำหนักตัวทับถมกันเป็นชั้นๆ (หมายเหตุ: การทับถมบางครั้งเกิดจากการระเหยของสารละลาย ส่วนที่เป็นน้ำระเหยไปในอากาศทิ้งสารที่เหลือให้ตกผลึกไว้เช่นเดียวกับการทำนาเกลือ)

            การกลับคืนเป็นหิน (Lithification) เมื่อเศษตะกอนทับถมกันจะเกิดโพรงขึ้นประมาณ 20 – 40% ของเนื้อตะกอน น้ำพาสารละลายเข้ามาแทนที่อากาศในโพรง เมื่อเกิดการทับถมกันจนมีน้ำหนักมากขึ้น เนื้อตะกอนจะถูกทำให้เรียงชิดติดกันทำให้โพรงจะมีขนาดเล็กลง จนน้ำที่เคยมีอยู่ถูกขับไล่ออกไป สารที่ตกค้างอยู่ทำหน้าที่เป็นซีเมนต์เชื่อมตะกอนเข้าด้วยกันกลับเป็นหินอีกครั้ง


ภาพที่ 8 ขั้นตอนที่ตะกอนกลับคืนเป็นหิน

ประเภทของหินตะกอน
นักธรณีวิทยาจำแนกหินตะกอนตามลักษณะการเกิดออกเป็น 3 กลุ่มคือ
          1. หินตะกอนอนุภาค (Clastic rocks) ได้แก่
                    o หินกรวดมน (Congromorate) เป็นหินเนื้อหยาบเกิดจากตะกอนซึ่งเป็นหิน กรวด ทราย ที่ถูกกระแสน้ำพัดพามาอยู่รวมกัน สารละลายในน้ำใต้ดินทำตัวเป็นซิเมนต์ประสานให้อนุภาคใหญ่เล็กเหล่านี้ เกาะตัวกันเป็นก้อนหิน
                    o หินทราย (Sandstone) เป็นหินตะกอนเนื้อละเอียดปานกลาง เกิดจากการทับถมตัวของทราย มีองค์ประกอบหลักเป็นแร่ควอรตซ์ คนโบราณใช้หินทรายแกะสลัก สร้างปราสาท และทำหินลับมีด
                    o หินดินดาน (Shale) เป็นหินตะกอนเนื้อละเอียดมาก เนื่องจากประกอบด้วยอนุภาคทรายแป้งและอนุภาคดินเหนียวทับถมกันเป็นชั้นบางๆ ขนานกัน เมื่อทุบหินจะแตกตัวตามรอยชั้น (ฟอสซิลมีอยู่ในหินดินดาน) ดินเหนียวที่เกิดดินดานใช้ทำเครื่องปั้นดินเผา


ภาพที่ 9 สัดส่วนของหินตะกอนบนเปลือกโลก

          2. หินตะกอนเคมี (Chemical sedimentary rocks) ได้แก่
                    o หินปูน (Limestone) เป็นหินตะกอนคาร์บอเนต เกิดจากการทับถมของตะกอนคาร์บอเนตในท้องทะเล ทั้งจากสารอนินทรีย์ และซากสิ่งมีชีวิต เช่น ปะการัง และกระดองของสัตว์ทะเล ซึ่งถับถมกันภายใต้ความกดดันและตกผลึกใหม่เป็นแร่แคลไซต์จึงทำปฏิกิริยากับกรด หินปูนใช้ทำเป็นปูนซิเมนต์ และใช้ในการก่อสร้าง
                    o หินเชิร์ต (Chert) หินตะกอนเนื้อแน่น แข็ง เกิดจากการตกผลึกใหม่ เนื่องจากน้ำพาสารละลายซิลิกาเข้าไปแล้วระเหยออก ทำให้เกิดผลึกซิลิกาแทนที่เนื้อหินเดิม หินเชิร์ตมักเกิดขึ้นใต้ท้องทะเล เนื่องจากแพลงตอนที่มีเปลือกเป็นซิลิกาตายลง เปลือกของมันจะจมลงทับถมกัน หินเชิร์ตจึงปะปะอยู่ในหินปูน

          3. หินตะกอนอินทรีย์ (Organic sedimentary rocks) ได้แก่
                    o ถ่านหิน (Coal) เกิดจากการทับถมของซากพืชที่ยังไม่เน่าเปื่อยไปหมดเนื่องจากสภาวะออกซิเจนต่ำ สภาวะเช่นนี้เกิดตามห้วยหนองคลองบึง ในแถบภูมิอากาศแบบเส้นศูนย์สูตร การทับถมทำให้เกิดการแรงกดดันที่จะระเหยขับไล่น้ำและสารละลายอื่นๆออกไป ยิ่งมีปริมาณคาร์บอนมากขึ้นถ่านหินจะยิ่งมีสีดำ ลิกไนต์ (Lignite) เป็นถ่านหินคุณภาพปานกลาง มีมากที่เหมืองแม่เมาะ จ.ลำปาง แอนทราไซต์ (Anthracite) เป็นถ่านหินคุณภาพสูง ต้องนำเข้าจากต่างประเทศ
หมายเหตุ น้ำมันและก๊าซเชื้อเพลิง เกิดจากการทับถมของสิ่งมีชีวิตเล็กๆ ในทะเล เช่น ไดอะตอม (Diatom) และสาหร่ายเซลล์เดียว (Algae) เกิดตะกอนใต้มหาสมุทร ตะกอนโคลนเหล่านี้ขาดการไหลถ่ายเทของน้ำ การเน่าเปื่อยผุพังจึงหยุดสิ้นก่อนเนื่องจากออกซิเจนหมดไป ตะกอนที่ถูกทับถมไว้ภายใต้ความกดดันและอุณภูมิสูง เป็นเวลานานหลายร้อยล้านปีจึงกลายเป็นน้ำมัน (Oil)

ตารางที่ 4 ตัวอย่างหินตะกอน

รูป
หิน
แร่หลัก
ลักษณะ
ที่มา
หินกรวดมน
Conglomerate
ขึ้นอยู่กับก้อนกรวดซึ่งประกอบกันเป็นหิน
เนื้อหยาบ เป็นกรวดมนหลายก้อนเชื่อมติดกัน
เม็ดกรวดที่ถูกพัดพาโดยกระแสน้ำ และเกาะติดกันด้วยวัสดุประสาน
หินทราย
Sandstone
ควอรตซ์SiO2
เนื้อหยาบสีน้ำตาล สีแดง
ควอรตซ์ในหินอัคนี ผุพังกลายเป็นเม็ดทรายทับถมกัน
หินดินดาน
Shale
แร่ดินเหนียวAl2SiO5(OH) 4
เนื้อละเอียดมาก สีเทา ผสมสีแดงเนื่องจากแร่เหล็ก
เฟลด์สปาร์ในหินอัคนี ผุพังเป็นแร่ดินเหนียวทับถมกัน
หินปูน
Limestone
แคลไซต์CaCO3
เนื้อละเอียดมีหลายสี ทำปฏิกิริยากับกรด
การทับถมกันของตะกอนคาร์บอนเนตในท้องทะเล
หินเชิร์ต
Chert
ซิลิกาSiO2
เนื้อละเอียด แข็งสีอ่อน
การทับถมของซากสิ่งมีชีวิตเล็กๆ ในท้องทะเล จนเกิดการตกผลึกใหม่ของซิลิกา

หินแปร (Metamorphic rocks)
          หินแปร คือหินที่แปรสภาพไปจากโดยการกระทำของความร้อน แรงดัน และปฏิกิริยาเคมี หินแปรบางชนิดยังแสดงเค้าเดิม บางชนิดผิดไปจากเดิมมากจนต้องอาศัยดูรายละเอียดของเนื้อใน หรือสภาพสิ่งแวดล้อมจึงจะทราบที่มา อย่างไรก็ตามหินแปรชนิดหนึ่งๆ จะมีองค์ประกอบเดียวกันกับหินต้นกำเนิด แต่อาจจะมีการตกผลึกของแร่ใหม่ เช่น หินชนวนแปรมาจากหินดินดาน หินอ่อนแปรมาจากหินปูน เป็นต้น
หินแปรส่วนใหญ่เกิดขึ้นในระดับลึกใต้เปลือกโลกหลายกิโลเมตร ที่ซึ่งมีความดันสูงและอยู่ใกล้กลับหินหนืดร้อนในชั้นแอสทีโนสเฟียร์ แต่การแปรสภาพในบริเวณใกล้พื้นผิวโลกเนื่องจากสิ่งแวดล้อมโดยรอบก็คงมี นักธรณีวิทยาแบ่งการแปรสภาพออกเป็น 2 ประเภท คือ

            การแปรสภาพสัมผัส (Contact metamorphism) เป็นการแปรสภาพเพราะความร้อน เกิดขึ้น ณ บริเวณที่หินหนืดหรือลาวาแทรกดันขึ้นมาสัมผัสกับหินท้องที่ ความร้อนและสารจากหินหนืดหรือลาวาทำให้หินท้องที่ในบริเวณนั้นแปรเปลี่ยนสภาพผิดไปจากเดิม


ภาพที่ 10 การแปรสภาพสัมผัส

            การแปรสภาพบริเวณไพศาล (Regional metamophic) เป็นการแปรสภาพของหินซึ่งเกิดเป็นบริเวณกว้างใหญ่ไพศาลเนื่องจากอุณหภูมิและความกดดัน โดยปกติการเปรสภาพแบบนี้จะไม่มีความเกี่ยวพันกับมวลหินอัคนี และมักจะมี “ริ้วขนาน” (Foliation) จนแลดูเป็นแถบลายสลับสี บิดย้วยแบบลูกคลื่น ซึ่งพบในหินชีสต์ หินไนส์ ทั้งนี้เป็นผลมาจากการการตกผลึกใหม่ของแร่ในหิน ทั้งนี้ริ้วขนานอาจจะแยกออกได้เป็นแผ่นๆ และมีผิวหน้าเรียบเนียน เช่น หินชนวน


ภาพที่ 11 การแปรสภาพบริเวณไพศาล

ตารางที่ 5 ตัวอย่างหินแปร

หินแปร
แร่หลัก
หินต้นกำเนิด
คำอธิบาย

หินไนซ์ (gneiss)
ควอรตซ์
เฟลด์สปาร์
ไมก้า

หินแกรนิต
หินแปรเนื้อหยาบ มีริ้วขนาน หยักคดโค้งไม่สม่ำเสมอ สีเข้มและจางสลับกัน แปรสภาพมาจากหินแกรนิต โดยการแปรสภาพบริเวณไพศาล ที่มีอุณหภูมิสูงจนแร่หลอมละลาย และตกผลึกใหม่ (Recrystallize)

หินควอร์ตไซต์ (Quartzite)
ควอรตซ์

หินทราย
(Sandstone)
หินแปรเนื้อละเอียด เนื้อผลึกคล้ายน้ำตาลทราย มีสีเทา หรือสีน้ำตาลอ่อน โดยการแปรสภาพบริเวณไพศาลที่มีอุณหภูมิสูงมาก จนแร่ควอรตซ์หลอมละลายและตกผลึกใหม่ จึงมีความแข็งแรงมาก

หินชนวน
(Slate)
แร่ดินเหนียว

หินดินดาน
(Shale)
หินแปรเนื้อละเอียดมาก เกิดจากการแปรสภาพของหินดินดานด้วยความร้อนและความกดอัดทำให้แกร่ง และเกิดรอยแยกเป็นแผ่นๆ ขึ้นในตัว โดยรอยแยกนี้ไม่จำเป็นต้องมีระนาบเหมือนการวางชั้นหินดินดานเดิม หินชนวนสามารถแซะเป็นแผ่นใหญ่

หินชีตส์
(Schist)
ไมก้า

หินชนวน
(Slate)
หินแปรมีเนื้อเป็นแผ่น เกิดจากการแปรสภาพบริเวณไพศาลของหินชนวน แรงกดดันและความร้อนทำให้ผลึกแร่เรียงตัวเป็นแผ่นบางๆ ขนานกัน

หินอ่อน
(Marble)
แคลไซต์

หินปูน
(Limestone)
หินแปรเนื้อละเอียดถึงหยาบ แปรสภาพมาจากหินปูน โดยการแปรสัมผัสที่มีอุณหภูมิสูงจนแร่แคลไซต์หลอมละลายและตกผลึกใหม่ ทำปฏิกิริยากับกรดทำให้เกิดฟองฟู่ หินอ่อนใช้เป็นวัสดุตกแต่งอาคาร

บทสรุปของวัฏจักรหิน
          ภาพที่ 12 แสดงให้เห็นถึงวัฏจักรการเกิดหินทั้งสามประเภท ดังนี้
            แมกมาในชั้นแมนเทิล แทรกตัวขึ้นสู่เปลือกโลก เนื่องจากมีอุณหภูมิสูง ความหนาแน่นต่ำ แรงดันสูง แมกมาที่ตกผลึกภายในเปลือกโลกกลายเป็นหินอัคนีแทรกซอน (มีผลึกขนาดใหญ่) ส่วนแมกมาที่เย็นตัวบนพื้นผิวกลายเป็นหินอัคนีพุ (มีผลึกขนาดเล็ก)
            หินทุกชนิดเมื่อผุพัง สึกกร่อน จะถูกพัดพาให้เป็นตะกอน ทับถม และกลายเป็นหินตะกอน
            หินทุกชนิดเมื่อถูกกดดัน หรือทำให้ร้อน เนื้อแร่จะตกผลึกใหม่ กลายเป็นหินแปร
            หินทุกชนิดเมื่อหลอมละลาย จะกลายเป็นแมกมา เมื่อมันแทรกตัวขึ้นสู่เปลือกโลก จะเย็นตัวลงกลายเป็นหินอัคนี


ภาพที่ 12 วัฏจักรการเกิดหินทั้งสามประเภท
 


ดิน

          ดิน (Soil) คือ วัตถุธรรมชาติที่ปกคลุมผิวโลกอยู่บางๆ เกิดขึ้นจากผลของการแปรสภาพหรือผุพังของหินและแร่ และอินทรียวัตถุผสมคลุกเคล้ากัน โดยมีส่วนประกอบดังนี้
            อนินทรียวัตถุ (Mineral matter) ได้แก่ส่วนของแร่ต่างๆ ภายในหินซึ่งผุพังสึกกร่อนเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย โดยทางเคมี ฟิสิกส์ และชีวเคมี
            อินทรียวัตถุ (Organic matter) ได้แก่ส่วนที่เกิดจากการเน่าเปื่อยผุพังหรือสลายตัวของซากพืชซากสัตว์ที่ทับถมกัน มีอยู่ประมาณ
            น้ำ ในสารละลายซึ่งพบอยู่ในช่องระหว่างเม็ดดิน (Aggregate) หรืออนุภาคดิน (Particle)
            อากาศ อยู่ในที่ว่างระหว่างเม็ดดินหรืออนุภาคดิน ก๊าซส่วนใหญ่ที่พบทั่วไปในดิน ได้แก่ ไนโตรเจน ออกซิเจน และคาร์บอนไดออกไซด์
          ปริมาตรของแต่ละส่วนประกอบของดินที่เหมาะสมแก่การเพาะปลูก โดยทั่วไปจะมีแร่ 45% อินทรียวัตถุ 5% น้ำ 25% และอากาศ 25% ดังภาพที่ 1


ภาพที่ 1 องค์ประกอบของดิน

กำเนิดดิน
          ดินประกอบขึ้นจากหินที่ผุพัง จึงมีองค์ประกอบเป็นแร่ดินเหนียว (Clay mineral) ซึ่งพัฒนามาจากแร่ประกอบหินบนเปลือกโลก ได้แก่ เฟลด์สปาร์ ควอรตซ์ ไมก้า เป็นต้น ตารางที่ 1 แสดงให้เห็นถึงการผุพังของแร่แต่ละชนิด ซึ่งทำให้เกิดแร่ดินเหนียวและประจุต่างๆ ซึ่งอยู่ในรูปของสารละลาย

ตารางที่ 1 การผุพังของแร่

แร่
CO2 และ H2O
ผลิตผลหลัก
 
ผลิตผลรอง
เฟลด์สปาร์
--->
แร่ดินเหนียว
+
ทราย, ประจุ (โซเดียม แคลเซียม โปแตสเซียม)
ควอรตซ์
--->
ทราย
 
 
ไมก้า
--->
แร่ดินเหนียว
+
ทราย, เหล็กออกไซด์, ประจุ (โซเดียม แคลเซียม โปแตสเซียม แมกนีเซียม)
แคลไซต์
--->
-
->
ประจุ (แคลเซียม ไบคาร์บอเนต)


          ในภาพที่ 2 แสดงให้เห็นถึงการผุพังของแร่เฟลด์สปาร์ซึ่งเป็นส่วนประกอบของหินต้นกำเนิดดิน (Parent rock) เมื่อฝนตกลงมา น้ำฝนจะละลายคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ ทำให้มีสภาพเป็นกรดอ่อนๆ (กรดคาร์บอนิก) น้ำฝนบนพื้นผิวซึมลงสู่เบื้องล่างและทำปฏิกิริยากับแร่เฟลด์สปาร์ที่อยู่ในหิน ทำให้เกิดการผุพังทางเคมี (Chemical weathering) แตกสลายเป็นเม็ดทราย (ซิลิกา), แร่ดินเหนียว (Clay mineral), ประจุโซเดียม แคลเซียม และโปแตสเซียม ในรูปของสารละลาย ซึ่งเป็นแร่ธาตุที่สำคัญสำหรับพืชต่อไป


ภาพที่ 2 การผุพังของเฟลด์สปาร์

          ดิน เป็นตะกอนวัสดุบนเปลือกโลก ที่มีพัฒนาการที่เกี่ยวข้องกับสิ่งแวดล้อมอันได้แก่ บรรยากาศ น้ำ และสิ่งมีชีวิต เราจะเรียกตะกอนวัสดุเหล่านี้ว่า“ดิน” ก็ต่อเมื่อมีส่วนประกอบของสิ่งมีชีวิต เช่น ซากพืช ซากสัตว์ เข้ามาเกี่ยวข้อง หากเป็นแต่เพียงตะกอนวัสดุที่ไม่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตก็จะเรียกว่า “เรโกลิธ” (Regolith) เช่น ผงตะกอนบนดวงจันทร์ ซึ่งเกิดจากการพุ่งชนของอุกกกาบาต แม้ว่าเราจะเห็นว่ามีดินอยู่โดยทั่วไป ทว่าความจริงดินมีอยู่น้อยมากเมื่อเทียบสัดส่วนปริมาณกับหินที่อยู่บนเปลือกโลก แต่กระนั้นดินก็มีความสำคัญมากสำหรับสิ่งมีชีวิตบนพื้นโลก ดินตรึงธาตุไนโตรเจนและคาร์บอนจากบรรยากาศมาสร้างธาตุอาหารที่สำคัญสำหรับสิ่งมีชีวิต ในเวลาเดียวกันสิ่งมีชีวิตเองก็ทำให้หินผุพังกลายเป็นดิน จะเห็นได้ว่า ดิน สิ่งมีชีวิต และสิ่งแวดล้อม มีอิทธิพลซึ่งกันและกันเป็นอย่างมาก ดังที่แสดงในภาพที่ 3


ภาพที่ 3 ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อดิน

          ดินมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา คุณสมบัติบางประการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว เช่น อุณหภูมิ และปริมาณน้ำ (ทุกนาที) ในขณะที่คุณสมบัติบางประการเปลี่ยนแปลงช้ามาก เช่น ชนิดของแร่ (อาจต้องใช้เวลาเป็นร้อยหรือพันปี) คุณสมบัติของดินจะเป็นอย่างไรนั้น ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักสำคัญ 5 ประการ ดังนี้
                    1. วัตถุต้นกำเนิดดิน ดินจะเป็นอย่างไรขึ้นกับวัตถุต้นกำเนิดดิน ได้แก่ หินพื้น (Parent rock) อินทรียวัตถุ ผิวดินดั้งเดิม หรือชั้นหินตะกอนที่เกิดจากการพัดพาของน้ำ ลม ธารน้ำแข็ง ภูเขาไฟ หรือวัตถุที่เคลี่อนที่ลงมาจากพื้นที่ลาดชัน
                    2. สภาพภูมิอากาศ ความร้อน ฝน น้ำแข็ง หิมะ ลม แสงแดด และแรงกระทบจากสิ่งแวดล้อมอื่นๆ ซึ่งทำให้วัตถุต้นกำเนิดผุพัง แตกหัก และมีผลต่อกระบวนการเกิดดินว่า จะเกิดเร็วหรือช้า
                    3. สิ่งมีชีวิต พืชและสัตว์ทั้งหมดที่อาศัยอยู่ในดินหรือบนดิน (รวมถึงจุลินทรีย์ และมนุษย์) ปริมาณน้ำและธาตุอาหารที่พืชต้องการมีผลต่อการเกิดดิน สัตว์ที่อาศัยอยู่ในดินจะช่วยย่อยสลายของเสียและช่วยเคลื่อนย้ายวัตถุต่างๆ ไปตามหน้าตัดดิน ซากพืชและสัตว์ที่ตายแล้วจะกลายเป็นอินทรียวัตถุ ซึ่งทำให้ดินสมบูรณ์ขึ้น การใช้ที่ดินของมนุษย์ก็มีผลต่อการสร้างดินด้วยเช่นกัน
                    4. ภูมิประเทศ สภาพภูมิอากาศจะมีผลต่อดินอย่างไรนั้น ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของดินตามลักษณะภูมิประเทศเช่น ดินที่เชิงเขาจะมีความชื้นมากกว่าดินในบริเวณพื้นที่ลาด และพื้นที่ที่ได้รับแสงอาทิตย์โดยตรงจะทำให้ดินแห้งเร็วขึ้น
                    5. เวลา ปัจจัยข้างต้นทั้งหมดเกี่ยวข้องกับเวลา เนื่องจากเมื่อเวลาผ่านไปการพัฒนาของชั้นดินจะเพิ่มขึ้น

ตาราง 2 สมบัติของดินที่เปลี่ยนไปตามเวลา

คาบเวลา นาที ชั่วโมง วัน
คาบเวลา เดือน ปี
คาบเวลา ร้อยปี พันปี หมื่นปี
 อุณหภูมิ  ปฏิกิริยาของดิน  ชนิดของหินแร่
 ปริมาณความชื้น  สีของดิน  การกระจายของขนาดอนุภาคดิน
 ช่องว่างของในดิน  โครงสร้างของดิน  การสร้างชั้นดิน
   ปริมาณอินทรียวัตถุในดิน  
   ความอุดมสมบูรณ์ของดิน  
   จุลินทรีย์ดิน  
   ความหนาแน่น  

หน้าตัดดิน
          ปัจจัยต่างๆ ของการกำเนิดดิน ทำให้ได้ดินที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันอย่างมาก ดินในภูมิประเทศหนึ่งๆ จะมีลักษณะเฉพาะของตัวเอง เราเรียกภาคตัดตามแนวดิ่งของชั้นดินเรียกว่า “หน้าตัดดิน” (Soil Horizon) หน้าตัดดินบอกถึงลักษณะทางธรณีวิทยา และประวัติภูมิอากาศของภูมิประเทศที่เกิดขึ้นมาก่อนหน้านี้นับพันปี รวมถึงว่ามนุษย์ใช้ดินอย่างไร อะไรเป็นสาเหตุให้ดินนั้นมีสมบัติเช่นในปัจจุบัน ตลอดจนแนวทางที่ดีที่สุดในการใช้ดิน


ภาพที่ 4 ชั้นดิน

          หน้าตัดดินประกอบด้วยดินที่ทับถมกันเป็นชั้นๆ เรียกว่า “ชั้นดิน” (Soil horizon) ชั้นดินบางชั้นอาจจะบางเพียง 2-3 มิลลิเมตร หรือหนากว่า 1 เมตร ก็ได้ เราสามารถจำแนกชั้นดินแต่ละชั้นจากสี และโครงสร้างของอนุภาคดินที่แตกต่างกัน นอกจากนั้นยังสามารถใช้คุณสมบัติอื่นๆ ที่แตกต่างกันระหว่างดินชั้นบนและดินชั้นล่างได้อีกด้วย ดินบางชั้นเกิดจากการพังทลายและถูกชะล้างโดยกระแสน้ำ ดินบางชั้นเกิดจากตะกอนทับถมกันนานหลายพันปี นักปฐพีวิทยากำหนดชื่อของชั้นดินโดยใช้ลักษณะทางกายภาพ ดังนี้

            ชั้นโอ (O Horizon) เป็นดินชั้นบนสุดมักมีสีคล้ำเนื่องจากประกอบด้วยอินทรียวัตถุ (Organic) หรือ ฮิวมัส ซึ่งเป็นซากพืชซากสัตว์ ซึ่งทำให้เกิดความเป็นกรด ดินชั้นโอส่วนใหญ่จะพบในพื้นที่ป่า ส่วนในพื้นที่การเกษตรจะไม่มีชั้นโอในหน้าตัดดิน เนื่องจากถูกไถพรวนไปหมด
            ชั้นเอ (A Horizon) เป็นดินชั้นบน (Top soil) เป็นส่วนที่มีน้ำซึมผ่าน ดินชั้นเอส่วนใหญ่ประกอบด้วยหินแร่และอินทรียวัตถุที่ย่อยสลายสมบูรณ์แล้วอยู่ด้วย ทำให้ดินมีสีเข้ม ในพื้นที่เกษตรกรรมดินชั้นเอจะถูกไถพรวน เมื่อมีการย่อยสลายของรากพืชและมีการสะสมอินทรียวัตถุ โดยปกติโครงสร้างของดินจะเป็นแบบก้อนกลม แต่ถ้าดินมีการอัดตัวกันแน่น โครงสร้างของดินในชั้นเอจะเป็นแบบแผ่น
            ชั้นบี (B Horizon) เป็นชั้นดินล่าง (subsoil) เนื้อดินและโครงสร้างเป็นแบบก้อนเหลี่ยม หรือแท่งผลึก เกิดจากการชะล้างแร่ธาตุต่างๆ ของสารละลายต่างๆ เคลื่อนตัวผ่านชั้นเอ ลงมามาสะสมในชั้นบี ในเขตภูมิอากาศชื้น ดินในชั้นบีส่วนใหญ่จะมีสีน้ำตาลปนแดง เนื่องจากการสะสมตัวของเหล็กออกไซด์
            ชั้นซี (C Horizon) เกิดจากการผุพังของหินกำเนิดดิน (Parent rock) ไม่มีการตกตะกอนของวัสดุดินจากการชะล้าง และไม่มีการสะสมของอินทรียวัตถุ
            ชั้นอาร์ (R Horizon) เป็นชั้นของวัตถุต้นกำเนิดดิน หรือ หินพื้น (Bedrock)


เนื้อดิน (Soil Texture)
          เนื้อดิน หมายถึง องค์ประกอบเชิงกายภาพของดิน เราจะสังเกตได้ว่า ดินในแต่ละสถานที่มีลักษณะแตกต่างกัน เนื่องจากดินประกอบขึ้นจากของอนุภาคตะกอนหลาย ๆ ขนาด อนุภาคที่ใหญ่ที่สุดคืออนุภาคทราย (Sand) อนุภาคขนาดรองลงมาคือ อนุภาคทรายแป้ง (Silt) และอนุภาคที่มีขนาดเล็กที่สุดคือ อนุภาคดินเหนียว (Clay) ดังภาพที่ 5


ภาพที่ 5 อนุภาคของดิน

          ดินมีหลายชนิด เช่น ดินทราย ดินร่วน ดินเหนียว ขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาคของตะกอนที่ผสมกันเป็นดิน อาทิเช่น ดินทรายมีเนื้อหยาบ เนื่องจากประกอบด้วยอนุภาคขนาดใหญ่เช่นเม็ดทรายซึ่งมีขนาดใหญ่ จึงมีช่องว่างให้น้ำซึมผ่านอย่างรวดเร็ว ดินเหนียวมีเนื้อละเอียดมาก เนื่องจากประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กมาก จึงไม่มีน้ำช่องว่างให้น้ำซึมผ่าน ส่วนดินร่วนมีส่วนผสมเป็นอนุภาคขนาดปานกลางเช่น ทรายแป้ง เป็นส่วนใหญ่ จึงมีความเหมาะสมในการปลูกพืชส่วนใหญ่ เนื่องจากน้ำซึมผ่านได้ไม่รวดเร็วจนเกินไป สามารถเก็บกับความชื้นได้ดี

          นักปฐพีวิทยาแบ่งดินออกเป็น 12 ชนิด โดยการศึกษาสัดส่วนการกระจายอนุภาคของดินตามรูปที่ 6 เช่น
            ดินทรายร่วนประกอบด้วยอนุภาคทราย 80%, อนุภาคทรายแป้ง 10%, อนุภาคดินเหนียว 10%
            ดินร่วนประกอบด้วยอนุภาคทราย 40%, อนุภาคทรายแป้ง 40%, อนุภาคดินเหนียว 20%
            ดินเหนียวประกอบด้วยอนุภาคทราย 20%, อนุภาคทรายแป้ง 20%, อนุภาคดินเหนียว 60%
การจำแนกดินช่วยให้เราเข้าใจถึงคุณสมบัติของดินประเภทต่างๆ ได้แก่ ความสามารถในการกักเก็บน้ำ และการถ่ายเทพลังงานความร้อน ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในทางเกษตรกรรม และวิศวกรรม เป็นต้น


ภาพที่ 6 สัดส่วนการกระจายตัวของอนุภาคดิน

โครงสร้างดิน (Soil Structure)
          โครงสร้างดิน หมายถึง รูปแบบของการยึดและการเรียงตัวของอนุภาคเดี่ยวของดินเป็นเม็ดดินในหน้าตัดดิน เม็ดดินแต่ละชนิดมีความแตกต่างกันทั้งด้านขนาดและรูปร่าง ซึ่งแบ่งออกเป็น 7 ชนิดคือ
            แบบก้อนกลม (Granular ) มีรูปร่างคล้ายทรงกลม เม็ดดินมีขนาดเล็กประมาณ 1 - 10 มิลลิเมตร มักพบในดินชั้น A มีรากพืชปนอยู่มาก เนื้อดินมีความพรุนมาก จึงระบายน้ำและอากาศได้ดี
            แบบก้อนเหลี่ยม (Blocky) มีรูปร่างคล้ายกล่อง เม็ดดินมีขนาดประมาณ 1-5 เซนติเมตร มักพบในดินชั้น B มีการกระจายของรากพืชปานกลาง น้ำและอากาศซึมผ่านได้
            แบบแผ่น (Platy) ก้อนดินแบนวางตัวในแนวราบ และซ้อนเหลื่อมกันเป็นชั้น ขัดขวากรากพืช น้ำและอากาศซึมผ่านได้ยาก มักเป็นดินชั้น A ที่ถูกบีบอัดจากการบดไถของเครื่องจักรกลการเกษตร
            แบบแท่งหัวเหลี่ยม (Prismatic) ก้อนดินแต่ละก้อนมีผิวหน้าแบบและเรียบ เกาะตัวกันเป็นแท่งหัวเหลี่ยมคล้ายปริซึม ก้อนดินมีลักษณะยาวในแนวดิ่ง ส่วนบนของปลายแท่งมักมีรูปร่างแบน เม็ดดินมีขนาด 1 - 10 เซนติเมตร มักพบในดินชั้น B น้ำและอากาศซึมได้ปานกลาง
            แบบแท่งหัวมน (Columnar) มีการจับตัวคล้ายคลึงกับแบบแท่งหัวเหลี่ยม แต่ส่วนบนของปลายแท่งมีลักษณะกลมมน ปกคลุมด้วยเกลือ เม็ดดินมีขนาด 1 - 10 เซนติเมตร มักพบในดินชั้น B และเกิดในเขตแห้งแล้ง น้ำและอากาศซึมผ่านได้น้อย และมีการสะสมของโซเดียมสูง
            แบบก้อนทึบ (Massive) เป็นดินเนื้อละเอียดยึดตัวติดกันเป็นก้อนใหญ่ ขนาดประมาณ 30 เซนติเมตร ดินไม่แตกตัวเป็นเม็ด จึงทำให้น้ำและอากาศซึมผ่านได้ยาก
            แบบอนุภาคเดี่ยว (Single Grained) ไม่มีการยึดตัวติดกันเป็นก้อน มักพบในดินทราย ซึ่งน้ำและอากาศซึมผ่านได้ดี


แบบก้อนกลม

แบบก้อนเหลี่ยม

แบบแผ่น

แบบแท่งหัวเหลี่ยม

แบบแท่งหัวมน

แบบก้อนทึบ
 

แบบอนุภาคเดี่ยว

 


 

คุณสมบัติของน้ำ

          น้ำบริสุทธิ์ ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และไม่มีรส น้ำ 1 โมเลกุล (H2O) ประกอบด้วย ไฮโดรเจน 2 อะตอม และออกซิเจน 1 อะตอม เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนท์ (Covalent bonds) ซึ่งใช้อีเล็กตรอนร่วมกัน โดยที่อะตอมทั้งสามตัวเรียงกันทำมุม 105 องศา โดยมีออกซิเจนเป็นขั้วลบ และไฮโดรเจนเป็นขั้วบวก ดังรูปที่ 1


ภาพที่ 1 โมเลกุลน้ำ

          โมเลกุลแต่ละโมเลกุลของน้ำเชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจน (Hydrogen-bonds) เรียงตัวต่อกันเป็นรูปจัตุรมุข (Tetrahedral) ดังรูปที่ 2 ทำให้น้ำต้องใช้ที่ว่างมากเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็ง ดังนั้นเมื่อเราเพิ่มความร้อนให้กับก้อนน้ำแข็ง พันธะไฮโดรเจนที่เชื่อมระหว่างโมเลกุลจะถูกทำลาย (พันธะโควาเลนท์มีความแข็งแกร่งกว่าพันธะไฮโดรเจน) ทำให้น้ำแข็งละลายเป็นของเหลว โครงสร้างผลึกยุบตัวลง น้ำในสถานะของเหลวจึงใช้เนื้อที่น้อยกว่าน้ำแข็ง นี่เองคือ สาเหตุว่าทำไมน้ำแข็งจึงมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำ

          ตัวอย่างที่แสดงพันธะไฮโดรเจนที่เห็นได้ชัดคือ แรงตรึงผิวของน้ำ (Surface tension) เราจะเห็นว่า หยดน้ำบนพื้น หรือบนใบบัว จะเป็นทรงกลมคล้ายเลนส์นูน หรือเวลาที่เติมน้ำให้เต็มแก้ว น้ำจะพูนโค้งอยู่สูงเหนือปากแก้วเล็กน้อย หากปราศจากแรงตรึงผิวซึ่งเกิดจากพันธะไฮโดรเจนแล้ว น้ำจะเต็มเรียบเสมอปากแก้วพอดี ไม่มีการนูน แรงตรึงผิวเป็นคุณสมบัติพิเศษของน้ำ ซึ่งมีมากกว่าของเหลวชนิดอื่น ยกเว้นปรอท (Mercury) ซึ่งเป็นธาตุชนิดเดียวที่เป็นของเหลว แรงตรึงผิวทำให้น้ำเกาะรวมตัวกัน และไหลชอนไชไปได้ทุกหนแห่ง แม้แต่รูโหว่และรอยแตกของหิน


ภาพที่ 2 พันธะไฮโดรเจน


การเปลี่ยนสถานะของน้ำ

          ภายใต้ความกดอากาศ ณ ระดับน้ำทะเลปานกลาง น้ำมีสถานะเป็นของเหลว น้ำจะเปลี่ยนสถานะเป็นก๊าซ (ไอน้ำ) เมื่อมีอุณหภูมิสูงถึง “จุดเดือด” (Boiling point) ที่อุณหภูมิ 100°C และจะเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง เมื่ออุณหภูมิลดต่ำถึง “จุดเยือกแข็ง” (Freezing point) ที่อุณหภูมิ 0°C การเปลี่ยนสถานะของน้ำมีการดูดกลืนหรือการคายความร้อน โดยที่ไม่ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เราเรียกว่า “ความร้อนแฝง” (Latent heat)

          ความร้อนแฝงมีหน่วยเป็น แคลอรี
          1 แคลอรี = ปริมาณความร้อนซึ่งทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1°C (ดังนั้นหากเราเพิ่มความร้อน 10 แคลอรี
ให้กับน้ำ 1 กรัม น้ำจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น 10°C)


ภาพที่ 3 พลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของน้ำ

          ก่อนที่น้ำแข็งละลาย น้ำแข็งต้องการความร้อนแฝง 80 แคลอรี/กรัม เพื่อทำให้น้ำ 1 กรัม เปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว น้ำแข็งดูดกลืนความร้อนนี้ไว้โดยยังคงรักษาอุณหภูมิ 0°C คงที่ไม่เปลี่ยนแปลงจนกว่าน้ำแข็งจะละลายหมดก้อน ความร้อนที่ถูกดูดกลืนเข้าไปจะทำลายโครงสร้างผลึกน้ำแข็ง ทำให้น้ำแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว ในทางกลับกัน เมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็ง ก็จะคายความร้อนแฝงออกมา 80 แคลอรี/กรัม
          เมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำ น้ำต้องการความร้อนแฝง 600 แคลอรี เพื่อที่จะเปลี่ยน น้ำ 1 กรัม ให้กลายเป็นไอน้ำ ในทำนองกลับกัน เมื่อไอน้ำควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำ น้ำจะคายความร้อนแฝงออกมา 600 แคลอรี/กรัม ทำให้เรารู้สึกร้อน ก่อนที่จะเกิดฝนตก

ความหนาแน่นของน้ำ
          ภายใต้ความกดอากาศ ณ ระดับน้ำทะเลปานกลาง น้ำจะเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งเมื่อมีอุณหภูมิ 0°C แต่น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่อุณหภูมิ 4°C เมื่ออยู่ในสถานะของเหลว ตามเส้นกราฟที่แสดงในภาพที่ 7 เมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง น้ำจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้นถึงร้อยละ 9 เราจะเห็นได้ว่า เมื่อใส่น้ำเต็มแก้วแล้วนำไปแช่ห้องแข็ง น้ำแข็งจะล้นออกนอกแก้ว หรือไม่ก็ดันให้แก้วแตก ในทำนองเดียวกันเมื่อน้ำในซอกหินแข็งตัว มันจะขยายตัวทำให้หินแตกได้


ภาพที่ 4 ความหนาแน่นของน้ำ ณ อุณหภูมิต่างๆ

          สสารโดยทั่วไปจะมีความหนาแน่นมากขึ้นเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง แต่น้ำมีความหนาแน่นน้อยลงเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง น้ำแข็งจึงลอยอยู่บนน้ำ หากน้ำแข็งมีความหนาแน่นกว่าน้ำแล้ว เมื่ออากาศเย็นตัวลง น้ำในมหาสมุทรแข็งตัวและจมตัวลงสู่ก้นมหาสมุทร หากเป็นเช่นนี้แล้ว สัตว์ที่อาศัยอยู่บริเวณพื้นมหาสมุทรจะไม่สามารถมีชีวิตรอดได้เลย การที่น้ำมีคุณสมบัติแตกต่างจากสสารอื่น กลับเป็นผลดีที่เอื้ออำนวยต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก เมื่อน้ำในมหาสมุทรเย็นตัวลง น้ำแข็งจะลอยตัวบนผิวมหาสมุทร ทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกัน มิให้น้ำทะเลที่อยู่เบื้องล่างสูญเสียความร้อน จนกลายเป็นน้ำแข็งไปหมด เหตุนี้เองช่วยให้สิ่งมีชีวิตจึงสามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ในท้องทะเลและมหาสมุทร

ความจุความร้อน
          เคยสังเกตบ้างไหมว่า เวลาเล่นน้ำทะเลตอนกลางวัน เรารู้สึกเย็นสบาย แต่เมื่อเล่นน้ำทะเลตอนกลางคืน เรากลับรู้สึกว่าน้ำทะเลมีความอบอุ่น ทั้งนี้เนื่องจากความจุความร้อนของน้ำ (Heat capacity) น้ำมีความร้อนจำเพาะเท่ากับ 4.184 จูล/กรัม/องศาเซลเซียส นั่นหมายถึง การที่จะทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1°C จะต้องใช้พลังงานเท่ากับ 4.184 จูล ถ้าต้องการให้น้ำจำนวน 1 กิโลกรัม (1,000 กรัม) มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1°C จะต้องใช้พลังงานถึง 4,184 จูล ดังนั้นการที่จะทำให้อุณหภูมิของน้ำทะเลสูงขึ้นได้ จะต้องอาศัยพลังงานมหาศาลจากดวงอาทิตย์ นั่นเป็นเหตุให้อุณหภูมิของน้ำทะเลต่ำกว่าอุณหภูมิของอากาศเวลากลางวัน หลักฐานของการคงอยู่ของความจุความร้อนของน้ำก็คือ ความอบอุ่นของน้ำทะเลในเวลากลางคืน ซึ่งเกิดจากการดูดกลืนพลังงานจากดวงอาทิตย์เวลากลางวัน ความจุความร้อนทำให้สภาพภูมิอากาศในแต่ละภูมิภาคแตกต่างกัน ในพื้นที่ห่างไกลจากทะเล เช่น บริเวณใจกลางทวีปมีอุณหภูมิกลางวัน – กลางคืน แตกต่างกันมาก ส่วนบริเวณพื้นที่ชายฝั่งและหมู่เกาะกลางมหาสมุทร มีอุณหภูมิกลางวัน – กลางคืน แตกต่างกันเพียงเล็กน้อย

ตัวทำละลาย
          เมื่อเทียบกับสารประกอบชนิดอื่นแล้ว น้ำเป็นตัวทำละลายที่ดีที่สุด เมื่อโมเลกุลของน้ำอยู่รวมตัวกัน ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไฮโดรเจน โดยมีแรงที่ชื่อว่า “อีเล็กโตรสแตติก” (Electrostatic forces) นอกจากโมเลกุลของน้ำจะเชื่อมต่อกันเองแล้ว โมเลกุลของน้ำยังสามารถยึดเหนี่ยวกับโมเลกุลอื่นได้ด้วย โมเลกุลของสารประกอบบางชนิดยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไอออนิก (Ionic bonds) โดยมีแรงอีเล็กโตรสแตติกระหว่างประจุบวกและประจุลบของอะตอมแต่ละตัว แรงอีเล็กโตรสแตติกของโมเลกุลเหล่านี้จะลดลงเหลือเพียง 1 / 80 เมื่อถูกรบกวนจากแรงอีเล็กโตรสแตติกของน้ำ
          น้ำเป็นตัวทำละลายที่ดี เนื่องจากแรงอีเล็กโตรสแตกติกของโมเลกุลน้ำจะมีพลังมากกว่าแรงอีเล็กโตรสแตกติกของโมเลกุลอื่นเสมอ ตัวอย่างเช่น เกลือโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) มีโมเลกุลของโซเดียม (Na+) เป็นประจุบวก ยึดติดกับโมเลกุลของคลอรีน (Cl-) ซึ่งเป็นประจุลบ เมื่อใส่ผลึกเกลือลงในน้ำ แรงอีเล็กโตรสแตติกระหว่างโมเลกุลของโซเดียมคลอไรด์จะถูกลดลง 80 เท่า ทำให้ขั้วบวกของโมเลกุลน้ำ (ไฮโดรเจน) ดึงดูด Cl- ไว้ และขั้วลบของโมเลกุลน้ำ (ออกซิเจน) ดึงดูด Na+ ไว้ ตามที่แสดงในภาพที่ 5

ภาพที่ 5 การทำละลายของน้ำ

          น้ำทะเล มีรสเค็มเนื่องจากเป็นที่รวมของสารละลายชนิดต่างๆ ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็น ประจุโซเดียม และประจุคลอไรด์ นอกจากน้ำเป็นตัวทำละลายของแข็งแล้ว น้ำยังเป็นตัวทำละลายก๊าซอีกด้วย น้ำฝนละลายคาร์บอนได้ออกไซด์ในอากาศ จึงมีฤทธิ์เป็นกรดอ่อน น้ำในแหล่งน้ำทำละลายออกซิเจนในฟองอากาศ ทำให้สิ่งมีชีวิตในน้ำได้หายใจ การทำละลายก๊าซของน้ำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของอากาศ ปลาหลายชนิดชอบน้ำเย็นมากกว่าน้ำอุ่น ก็เพราะว่า น้ำเย็นละลายก๊าซออกซิเจนได้ดีกว่าน้ำอุ่น ความเข้มข้นของก๊าซซึ่งละลายอยู่ในน้ำมักมีหน่วยวัดเป็น ppb หรือ parts per billion นั่นก็คือ ต่อพันล้านส่วน เช่น ค่าออกซิเจนในน้ำ = 5 ppb ย่อมหมายถึง ในน้ำ 1 พันล้านส่วน มีก๊าซออกซิเจนละลายอยู่ 5 ส่วน

สภาพการนำไฟฟ้าของน้ำ
          ตามปกติแล้ว น้ำบริสุทธิ์จะไม่มีการเหนี่ยวนำไฟฟ้า การนำไฟฟ้าของน้ำแสดงถึง การเจือปนของสารละลายในน้ำ การเหนี่ยวนำไฟฟ้าของน้ำมีหน่วยวัดเป็น ไมโครซีเมนส์ ต่อ เซนติเมตร (mS/cm) น้ำสะอาดจะมีค่าการนำไฟฟ้าเพียง 5 – 30 mS/cm

น้ำอ่อน – น้ำกระด้าง

          เมื่อเราใช้น้ำในบางแห่งอาบน้ำ โดยเฉพาะน้ำบาดาล จะพบว่า น้ำไม่ทำให้สบู่เป็นฟอง และเช็ดคราบสบู่ออกจากตัวไม่เกลี้ยง เราเรียกน้ำในลักษณะนี้ว่า “น้ำกระด้าง” (Hard water) ซึ่งหมายถึง น้ำที่มีสารละลายแคลเซียมคาร์บอเนตปนอยู่มาก และมักมีฤทธิ์เป็นกรดอ่อน ซึ่งมักเกิดจากหินปูนละลายปนอยู่ในน้ำ เมื่อนำน้ำไปต้มจนแห้ง ก็จะมีซากตะกรันแข็งติดอยู่ที่ผนังกา ส่วน “น้ำอ่อน” (Soft water) หมายถึง น้ำในสภาพปกติทั่วไป


ความเป็น กรด – เบส
          กรด (Acid) หมายถึง สสารที่ปล่อยประจุไฮโดรเนียม (H3O+) ให้กับสารละลาย ตัวอย่างเช่น เมื่อผสมน้ำกับกรดเกลือ ทำให้เกิด ประจุไฮโดรเนียม และประจแคลเซียม ตามสูตร H2O + HCl -> (H3O+) + Cl- สสารที่เป็นกรด ได้แก่ กรดกำมะถัน (H2SO4) น้ำส้มสายชู (CH3COOH)
          เบส (Base) หมายถึง สสารที่ปล่อยประจุไฮดรอกไซด์ (OH-) ให้กับสารละลาย ตัวอย่างเช่น โซเดียมไฮดรอกไซด์ เมื่อแตกตัวจะให้ประจุไฮดรอกไซด์ ตามสูตร NaCL -> Na+ + OH- เมื่อโลหะไฮดรอกไซด์ละลายน้ำ มันจะปล่อยประจุไฮดรอกไซด์ออกมา เราเรียกว่า “ด่าง” (Alkali) สสารที่เป็นเบส ได้แก่ ปูนซีเมนต์ (CaO) แอมโมเนีย (NH3)

 

ตารางที่ 1 คุณสมบัติของ กรด และ ด่าง

กรด
เบส
รสเปรี้ยว รสขม
เปลี่ยนกระดาษลิตมัสสีน้ำเงินเป็นสีแดง เปลี่ยนกระดาษแดงสีน้ำเงินเป็นสีน้ำเงิน
ให้โปรตอน ขณะที่ทำปฏิกิริยา กรด-เบส รับโปรตอน ขณะที่ทำปฏิกิริยา กรด-เบส
ทำปฏิกิริยากับโลหะ เกิดก๊าซไฮโดรเจน ทำให้เกิดไฮดรอกไซด์ และประจุของโลหะ ซึ่งไม่ละลายน้ำ

          ในการวัดความเป็น กรด – เบส ในสารละลายนั้น เราใช้คำว่า “pH” เป็นตัวบ่งชี้ ตัว p ย่อมาจาคำว่า power ซึ่งมีความหมายในเชิงยกกำลัง ส่วน H นั้นหมายถึง ความเข้มของประจุไฮโดรเจน pH มีค่าเป็นตัวเลขตั้งแต่ 0 – 14 สารประกอบที่มีค่า pH 5 มีประจุไฮโดรเจนมากกว่า สารประกอบที่มีค่า pH 6 ถึง 10 เท่า

          น้ำบริสุทธิ์มีค่า pH เป็นกลางอยู่ที่ pH 7 นั้นหมายถึง น้ำ 1 ลิตร ที่อุณหภูมิ 25°C มีประจุไฮโดรเจน และประจุไฮดรอกไซด์ อยู่จำนวนเท่ากันคือ 1 x 10 –7 โมล
          pH มีค่าน้อย แสดงว่า สารประกอบนั้นมีความเป็นกรดสูง เช่น น้ำมะนาวมี pH = 2.3
          pH มีค่ามาก แสดงว่า สารประกอบนั้นมีความเป็นเบสสูง เช่น น้ำยาทำความสะอาดพื้นมี pH = 13

         สิ่งมีชีวิตในน้ำส่วนมากมักอาศัยอยู่ในน้ำที่มีค่า pH 6.5 – 9 โดยปกติน้ำฝนตามธรรมชาติจะมีความเป็นกรดเล็กน้อย เนื่องจากการละลายก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ แต่ทว่าในเขตอุตสาหกรรมที่มีการปล่อยก๊าซเสียออกมา จะทำให้เกิดสภาวะฝนกรด น้ำฝนที่สะสมอยู่ในแหล่งน้ำทำให้ค่า pH ต่ำลง เมื่อ pH ต่ำกว่า 5.5 ปลาจะตายหมด เมื่อ pH มีค่าต่ำกว่า 4 จะไม่มีสิ่งมีชีวิตใดทนทานได้เลย การศึกษาความเป็นกรด – เบส ของน้ำจึงมีความสำคัญมากต่อการประมงและการเกษตร



ภาพที่ 6 pH ของสารประกอบชนิดต่างๆ
 

 

วัฏจักรน้ำ

กำเนิดทะเลและมหาสมุทร
          โลกของเราเกิดขึ้นพร้อมๆ กับดวงอาทิตย์ และดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ ในระบบสุริยะเมื่อประมาณ 4,600 ล้านปีมาแล้ว ก๊าซและฝุ่นรวมตัวก่อกำเนิดเป็นดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ โลกในยุคแรกเป็นของเหลวหนืดร้อน ถูกกระหน่ำชนด้วยอุกกาบาตขนาดใหญ่ตลอดเวลา (ภาพที่ 1) องค์ประกอบซึ่งเป็นธาตุหนัก เช่น โลหะ จมตัวลงสู่แก่นกลางของโลก องค์ประกอบซึ่งเป็นธาตุเบา เช่น ซิลิกอน และก๊าซต่างๆ ลอยตัวขึ้นสู่พื้นผิว บรรยากาศส่วนใหญ่เป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ทำให้เกิดภาวะเรือนกระจก โลกจึงมีความอบอุ่นแม้ว่าดวงอาทิตย์จะยังมีขนาดเล็กก็ตาม


ภาพที่ 1 โลกในอดีต

          ในเวลาต่อมาโลกเริ่มเย็นตัวลง ไอน้ำที่แทรกซึมขึ้นมาจากเปลือกโลก ลอยตัวสูงขึ้น และเกิดการควบแน่นเป็นหยดน้ำ ฝนในยุคแรกๆ ตกลงมาไม่ทันถึงพื้นก็ระเหยกลับเป็นไอน้ำไปหมด เนื่องจากพื้นโลกยังมีความร้อนสูงมาก จนกระทั่งโลกเย็นตัวลงอีกและเกิดฝนจำนวนมาก น้ำฝนละลายคาร์บอนไดออกไซด์ลงมาบนพื้นผิวโลก ทำให้ปริมาณของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ลดลง น้ำฝนที่ตกลงมาสู่พื้นไหลรวมตัวกันกันในบริเวณที่ต่ำ เกิดเป็นแม่น้ำลำคลอง ไหลไปรวมกันในแอ่งที่ราบต่ำ กลายเป็นทะเลและมหาสมุทร ในช่วงเวลานั้นเริ่มเกิดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตในยุคแรกอาศัยอยู่ใต้ท้องมหาสมุทร ดำรงชีวิตด้วยพลังงานเคมี และความร้อนจากภูเขาไฟใต้ทะเล จนกระทั่ง 2,000 ล้านปีต่อมา สิ่งมีชีวิตในมหาสมุทรวิวัฒนาการให้มีการสังเคราะห์แสง เช่น แพลงตอน และสาหร่าย ดึงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศและน้ำทะเล มาสร้างน้ำตาล และให้ผลผลิตเป็นก๊าซออกซิเจนออกมา องค์ประกอบของบรรยากาศโลกจึงเปลี่ยนแปลงไป ก๊าซออกซิเจนที่ทวีจำนวนมากขึ้น ลอยตัวสูง แตกตัวและรวมตัวเป็นก๊าซโอโซน ปกป้องมิให้รังสีอุลตราไวโอเล็ตจากดวงอาทิตย์แผ่ลงมาถึงพื้นโลกได้ สิ่งมีชีวิตที่เคยอยู่ในมหาสมุทร จึงขยายพันธุ์อพยพขึ้นบนบกได้

ดาวเคราะห์สีน้ำเงิน
          โลกเป็นดาวเคราะห์ดวงเดียวของระบบสุริยะที่มีน้ำดำรงอยู่ครบทั้งสามสถานะคือ ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ (ภาพที่ 2) โลกอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ 150 ล้านกิโลเมตร ด้วยระยะห่างขนาดนี้โลกได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์เพียง 1,370 กิโลวัตต์/ตารางเมตร ซึ่งทำให้โลกมีอุณหภูมิ –18ฐC แต่เนื่องจากบรรยากาศของโลกมีก๊าซเรือนกระจก เช่น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ โลกจึงมีอุณหภูมิเฉลี่ย 15ฐC ทำให้น้ำสามารถดำรงอยู่ได้ทั้งสามสถานะ (รายละเอียดอยู่ในบทที่ 3 พลังงานจากดวงอาทิตย์)


ภาพที่ 2 โลก ดาวเคราะห์สีน้ำเงิน

          พื้นที่ 2 ใน 3 ของโลกปกคลุมด้วยน้ำในมหาสมุทร แม้ว่าจะมีน้ำอยู่อย่างมากมายบนโลก แต่น้ำจืดซึ่งจำเป็นต่อการดำรงชีวิตของมนุษย์กลับมีน้อยมาก หากสมมติว่าน้ำทั้งหมดบนโลกเท่ากับ 100 ลิตร จะเป็นน้ำทะเล 97 ลิตร ที่เหลืออีกเกือบ 3 ลิตรเป็นน้ำแข็ง มีน้ำจืดที่เราสามารถใช้บริโภคอุปโภคได้เพียง 3 มิลลิลิตร (ภาพที่ 3)
 


ภาพที่ 3 เปรียบเทียบแหล่งน้ำบนโลก

วัฏจักรน้ำ
          แม้ว่าจะปริมาณน้ำส่วนใหญ่จะอยู่ในทะเลและมหาสมุทร แต่น้ำก็มีอยู่ในทุกหนแห่งของโลก ไม่ว่าจะเป็นน้ำแม่น้ำ น้ำใต้ดิน น้ำในบรรยากาศ รวมทั้งเมฆ และหมอก นอกจากนั้นในร่างกายของเรายังมีองค์ประกอบเป็นน้ำร้อยละ 65 ร่างกายของสัตว์น้ำบางชนิด เช่น แมงกะพรุน มีองค์ประกอบเป็นน้ำร้อยละ 98 ดังนั้นจึงสามารถกล่าวได้ว่า น้ำ คือ ปัจจัยที่สำคัญที่สุดของสิ่งมีชีวิต เนื่องด้วยน้ำมีคุณสมบัติที่โดดเด่นกว่าสารประกอบอื่นๆ และมีปริมาณน้ำอยู่มาก น้ำจึงมีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงบนเปลือกโลกเป็นอย่างมาก ไม่ว่าจะต่อหิน ดิน บรรยากาศ หรือสิ่งมีชีวิต

ตารางที่ 1 แหล่งน้ำบนโลก
มหาสมุทร 97.2 % ทะเลสาบน้ำเค็ม 0.008 %
ธารน้ำแข็ง 2.15 % ความชื้นของดิน 0.005 %
น้ำใต้ดิน 0.62 % แม่น้ำ ลำธาร 0.00001 %
ทะเลสาบน้ำจืด 0.009 % บรรยากาศ 0.001 %

          แม้ว่าพื้นผิวโลกส่วนใหญ่จะปกคลุมไปด้วยน้ำ แต่ถ้าเปรียบเทียบน้ำหนักของน้ำ กับน้ำหนักของโลกทั้งดวงแล้ว น้ำมีน้ำหนักเพียงร้อยละ 0.2 ของน้ำหนักโลก อย่างไรก็ตามการหมุนเวียนของน้ำเป็นวัฎจักรก็ถือเป็นเรื่องสำคัญที่สุดเรื่องหนึ่งในการศึกษาระบบโลก ดวงอาทิตย์แผ่รังสีทำให้พื้นผิวโลกได้รับพลังงาน ปริมาณพลังงานแสงอาทิตย์ร้อยละ 22 ทำให้น้ำบนพื้นผิวโลกไม่ว่าจะในมหาสมุทร ทะเล แม่น้ำ หรือ ห้วย หนอง คลองบึง ระเหยเปลี่ยนสถานะเป็นก๊าซคือ ไอน้ำ ลอยขึ้นสู่บรรยากาศ อุณหภูมิที่ลดลงเมื่อลอยตัวสูงขึ้น ทำให้เกิดภาวะความชื้นสัมพันธ์ 100% จึงควบแน่นเป็นละอองน้ำเล็กๆ ที่เราเรียกว่า เมฆ หรือ หมอก เมื่อหยดน้ำเล็กๆ เหล่านี้รวมตัวกันจนมีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักพอที่จะชนะแรงต้านทานอากาศ ก็จะตกลงมากลายเป็นหิมะหรือน้ำฝน หิมะที่ตกค้างอยู่บนยอดเขาพอกพูนกันเป็นธารน้ำแข็ง น้ำฝนที่ตกลงถึงพื้นรวมตัวเป็นลำธาร ห้วย หนอง คลองบึง หรือไหลบ่ารวมกันเป็นแม่น้ำ ธารน้ำแข็งที่ละลายเพิ่มปริมาณน้ำให้แก่แม่น้ำ น้ำบนพื้นผิวโลกบางส่วนแทรกซึมตามรอยแตกของหิน ทำให้เกิดน้ำใต้ดิน และไหลไปรวมกันในท้องมหาสมุทร เป็นอันครบรอบวัฏจักรตามภาพที่ 4


ภาพที่ 4 วัฎจักรน้ำ

          วัฏจักรน้ำมิว่าจะเป็นส่วนที่อยู่ในบรรยากาศ บนพื้นผิว หรือใต้ดิน ล้วนเป็นกลไกที่สำคัญของระบบโลก ไอน้ำที่ระเหยออกจากน้ำในมหาสมุทร ทิ้งประจุแร่ธาตุต่างๆ ทำให้มหาสมุทรมีความเค็ม ไอน้ำที่ระเหยขึ้นไปนั้นเป็นน้ำจืดบริสุทธิ์ แต่เมื่อไอน้ำควบแน่นเป็นหยดน้ำและตกลงมาเป็นฝน น้ำฝนละลายก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ จึงมีสภาพเป็นกรดคาร์บอนิคอ่อนๆ ซึ่งทำปฏิกิริยากับหินบางชนิดโดยเฉพาะหินปูน ซึ่งมีองค์ประกอบเป็นแคลเซียมคาร์บอเนต ทำให้เกิดน้ำกระด้าง เนื่องจากน้ำเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นไปตามอุณหภูมิ น้ำจึงทำให้หินแตกได้ น้ำเป็นตัวละลายที่ดี จึงนำพาแร่ธาตุสารอาหารไปกระจายตามส่วนต่างๆ ของพื้นผิวโลก และสะสมตัวในดิน ทำให้พืชพรรณอุดมสมบูรณ์ และเป็นแหล่งอาหารของสรรพสัตว์ ต้นไม้สังเคราะห์แสงเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นอาหาร และปลดปล่อยออกซิเจนสู่บรรยากาศ พืชคายน้ำกลับคืนสู่บรรยากาศ สัตว์ควบคุมปริมาณต้นไม้ และปริมาณออกซิเจนโดยการหายใจคายก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา แม่น้ำลำธารไหลพัดพาแร่ธาตุไปสะสมกันในท้องทะเลและมหาสมุทร ซึ่งเป็นแหล่งอาหารที่สำคัญของโลก กระบวนการเปลี่ยนสถานะของน้ำเป็นกระบวนการสมดุลพลังงานของโลก
 


การไหลเวียนของน้ำในมหาสมุทร

         น้ำเป็นของไหลเช่นเดียวกับอากาศ การไหลเวียนของกระแสน้ำในมหาสมุทรจึงมีลักษณะคล้ายการไหลเวียนของกระแสลมในบรรยากาศ หากแต่การไหลเวียนของกระแสน้ำมีอุปสรรคขวางกั้น เนื่องจากหนึ่งในสามของพื้นผิวโลกเป็นแผ่นดิน ดังนั้นการไหลเวียนของน้ำในมหาสมุทรจึงไม่ปรากฏรูปแบบที่ชัดเจนเหมือนดังกระแสลม ข้อแตกต่างอีกประการหนึ่ง น้ำทะเลในมหาสมุทรมีความเค็มไม่เท่ากัน น้ำทะเลที่เค็มกว่ามีความหนาแน่นสูงจะเคลื่อนไปแทนที่น้ำทะเลที่มีความหนาแน่นต่ำ เราจึงแบ่งการไหลเวียนของน้ำในมหาสมุทรเป็น 2 ประเภทคือ กระแสน้ำบริเวณพื้นผิว (Surface currents) และกระแสน้ำลึก (Deep currents)

การไหลเวียนของกระแสน้ำบริเวณพื้นผิวมหาสมุทร
          กระแสน้ำพื้นผิวมหาสมุทรเกิดขึ้นเนื่องจากความฝืดของอากาศกับผิวน้ำในมหาสมุทร กระแสลมเคลื่อนที่ด้วยความแตกต่างของพลังงานจากดวงอาทิตย์ซึ่งอากาศสะสมไว้ พลังงานจากอากาศถ่ายทอดลงสู่ผิวน้ำอีกทีหนึ่ง กระแสลมพัดพาให้กระแสน้ำเคลื่อนที่ไปในทางเดียวกัน ภาพที่ 1 แสดงให้เห็นว่า ลมสินค้าตะวันออกบริเวณใกล้เส้นศูนย์สูตร มีอิทธิพลพัดให้น้ำในมหาสมุทรเคลื่อนตัวไปทางทิศตะวันตก และลมตะวันตกในบริเวณใกล้ขั้วโลก มีอิทธิพลพัดให้น้ำในมหาสมุทรเคลื่อนตัวไปทางทิศตะวันออก การไหลของน้ำในมหาสมุทรเคลื่อนที่เป็นรูปวงเวียน ในทิศทางตามเข็มนาฬิกาในซีกโลกเหนือ และในทิศทางทวนเข็มนาฬิกาในซีกโลกใต้


ภาพที่ 1 อิทธิพลของกระแสลมต่อกระแสน้ำในมหาสมุทร

          ทรงกลมของโลกทำให้น้ำในมหาสมุทรมีอุณหภูมิแตกต่างกัน พลังงานจากดวงอาทิตย์ตกกระทบบริเวณศูนย์สูตรมากกว่าขั้วโลก น้ำทะเลบริเวณเส้นศูนย์สูตรมีอุณหภูมิสูงจึงไหลไปทางขั้วโลก ในขณะที่น้ำทะเลบริเวณขั้วโลกมีอุณหภูมิต่ำกว่าไหลเข้ามาแทนที่ (ภาพที่ 2) เนื่องจากน้ำมีคุณสมบัติในการเก็บความร้อนได้ดีกว่าพื้นดินกล่าวคือ ใช้เวลาในการสะสมความร้อน และเย็นตัวลงนานกว่าพื้นดิน ดังนั้นกระแสน้ำพบพื้นผิวมหาสมุทรจึงพัดพาพลังงานความร้อนไปด้วยเป็นระยะทางไกล ทำให้เกิดผลกระทบต่อภูมิอากาศ และระบบนิเวศบนพื้นที่ชายฝั่งเป็นอย่างยิ่ง
          อย่างก็ตาม อิทธิพลของกระแสลมส่งผลกระทบกระแสน้ำในมหาสมุทร เพียงความลึก 1 กิโลเมตรเท่านั้น นั่นหมายถึง การไหลเวียนของกระแสน้ำผิวพื้น มีอิทธิพลต่อน้ำในมหาสมุทรประมาณร้อยละ 10


ภาพที่ 2 กระแสน้ำพื้นผิวมหาสมุทร

การไหลเวียนของกระแสน้ำลึกในมหาสมุทร
          น้ำทะเลมีรสเค็ม เนื่องจากมีเกลือซึ่งประกอบด้วยแร่ธาตุต่างๆ ปะปนอยู่ในรูปของสารละลาย ในน้ำทะเล 1 ลิตร (1,000 กรัม) มีเกลืออยู่ 35 กรัม ในบริเวณที่น้ำทะเลอุณหภูมิสูง เช่น ใจกลางมหาสมุทรบริเวณเส้นศูนย์สูตร แสงแดดมีความเข้มสูง ทำให้น้ำในมหาสมุทรระเหยเป็นไอน้ำ ทิ้งแร่ธาตุที่ตกค้างไว้ในจนน้ำทะเลมีความเข้มของเกลือมาก แต่ในที่หนาวเย็นที่บริเวณขั้วโลก แสงแดดตกกระทำพื้นผิวโลกเป็นมุมเฉียง พลังงานที่ตกกระทบน้อย ปริมาณการระเหยของน้ำทะเลย่อมน้อยตามไปด้วย ความเข้มของเกลือจึงไม่มาก ในบริเวณใกล้ปากแม่น้ำ ความเข้มของเกลือจะน้อยเนื่องจาก อิทธิพลของน้ำจืดจากแม่น้ำลำคลอง ทำให้น้ำทะเลเจือจาง

ตารางที่ 1 ประจุเกลือในน้ำทะเล
คลอไรด์ (Cl-) 54.3% แมกนีเซียม (Mg++) 3.7 %
โซเดียม (Na+) 30.2% แคลเซียม (Ca++) 1.2%
ซัลเฟต (SO4++) 7.6% โปแตสเซียม (K+) 1.1%
    ประจุอื่นๆ 1.9%

           เกลือในทะเลและมหาสมุทรมีกำเนิดมาจากแร่ธาตุบนพื้นโลก น้ำเป็นตัวทำละลายที่ดี น้ำฝนละลายก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศทำให้มีฤทธิ์เป็นกรดอ่อนๆ น้ำที่อยู่บนพื้นโลกละลายแร่ธาตุในหินและดิน และไหลรวมกันเป็นแม่น้ำลำธาร ไปสะสมกันในมหาสมุทร สารละลายเกลือเหล่านี้อยู่ในประจุของแร่ธาตุที่สำคัญได้แก่ ประจุโซเดียม (Na+) และประจุคลอไรด์ (Cl-) เมื่อน้ำระเหยออกไป ประจุเหล่านี้รวมตัวกันเป็นสารประกอบ ได้แก่ เกลือแกง (NaCl)
          น้ำทะเลในแต่ละส่วนของโลกมีความเค็มไม่เท่ากัน และมีความหนาแน่นไม่เท่ากัน น้ำทะเลที่มีความหนาแน่นสูงย่อมไหลไปแทนที่น้ำทะเลที่มีความหนาแน่นต่ำ การหมุนเวียนของกระแสน้ำลึกมีปัจจัยที่สำคัญ 2 ประการคือ ความร้อน (Thermo) และเกลือ (Haline) เราเรียกการไหลเวียนในลักษณะนี้ว่า “เทอร์โมฮาลีน” (Thermohaline)



ภาพที่ 3 การไหลเวียนของน้ำลึกในมหาสมุทร

          วงจรการไหลเวียนของกระแสน้ำลึกในมหาสมุทรมีชื่อเรียกว่า “แถบสายพานยักษ์” (Great conveyor belt) น้ำทะเลความหนาแน่นสูงอุณหภูมิต่ำจมตัวลงสู่ท้องมหาสมุทรแอตแลนติกเหนือไหลลึกลงทางใต้ แล้วเลี้ยวไปทางตะวันออก ขณะที่มันไหลผ่านมหาสมุทรอินเดียอุณหภูมิจะสูงขึ้น และลอยตัวขึ้นทางตอนเหนือของมหาสมุทรแปซิฟิก (ภาพที่ 3)
          น้ำทะเลความหนาแน่นต่ำอุณหภูมิสูงจากมหาสมุทรแปซิฟิก ไหลวกกลับผ่านมหาสมุทรอินเดียลงมาทางมหาสมุทรแอตแลนติกใต้ แล้วไหลย้อนมาทางมหาสมุทรแอตแลนติกเหนือ กระแสน้ำมีความเค็มมากขึ้นเนื่องจากการระเหยของน้ำประกอบกับการเดินทางเข้าใกล้ขั้วโลกทำให้อุณหภูมิต่ำลง จนจมตัวลงอีกครั้งเป็นการครบรอบวงจร ใช้เวลาประมาณ 500 – 2,000 ปี การไหลเวียนเช่นนี้ส่งผลกระทบต่อสภาพภูมิอากาศในระยะยาว อาทิเช่น ยุคน้ำแข็งเล็ก ในยุโรปเมื่อคริสต์ศตวรรษที่ 17 อิทธิพลของการไหลเวียนแบบเทอร์โมฮาลีน มีอิทธิพลต่อน้ำในมหาสมุทรประมาณร้อยละ 90
 


คลื่นสึนามิ

          คลื่นผิวน้ำที่เรารู้จักกันทั่วไปเกิดจากแรงลมพัด พลังงานจลน์จากอากาศถูกถ่ายทอดสู่ผิวน้ำทำให้เกิดคลื่น ขนาดของคลื่นจึงขึ้นอยู่กับความเร็วลม หากสภาพอากาศไม่ดีมีลมพายุพัด คลื่นก็จะมีขนาดใหญ่ตามไปด้วย ในสภาพปกติคลื่นในมหาสมุทรจะมีความสูงประมาณ 3 เมตร แต่เมื่อเกิดลมพายุ คลื่นอาจจะมีความสูงถึง 10 เมตร
          คลื่นสึนามิ (Tsunami) เป็นคลื่นขนาดยักษ์ “สึ” เป็นภาษาญี่ปุ่นแปลว่า “ท่าเรือ” นามิ แปลว่า “คลื่น” ที่เป็นเช่นนี้เป็นเพราะ ชาวประมงญี่ปุ่นออกไปหาปลา พอกลับมาก็เห็นคลื่นขนาดยักษ์พัดทำลายชายฝั่ง คลื่นสึนามิไม่ได้เกิดจากการเคลื่อนที่ของอากาศ หากแต่เกิดจากแรงสั่นสะเทือน เช่น ภูเขาไฟระเบิด แผ่นดินไหว ภูเขาใต้ท้องทะเลถล่ม หรืออุกกาบาตพุ่งชนมหาสมุทร แรงสั่นสะเทือนเช่นนี้ทำให้เกิดคลื่นยักษ์ที่มีฐานกว้าง 100 กิโลเมตร แต่สูงเพียง 1 เมตร เคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 700 – 800 เมตรต่อชั่วโมง เมื่อคลื่นเดินทางเข้าใกล้ชายฝั่ง สภาพท้องทะเลที่ตื้นเขินทำให้คลื่นลดความเร็วและอัดตัวจนมีฐานกว้าง 2 – 3 กิโลเมตร แต่สูงถึง 10 – 30 เมตร เมื่อกระทบเข้ากับชายฝั่งจึงทำให้เกิดภัยพิบัติมหาศาล เพื่อที่จะเข้าใจเรื่องสาเหตุของการเกิดคลื่นสึนามิได้อย่างถ่องแท้ จะต้องศึกษาให้เข้าใจความรู้พื้นฐานดังต่อไปนี้

โครงสร้างภายในของโลก
          โลกที่เราอาศัยอยู่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 12,756 กิโลเมตร (รัศมี 6,378 กิโลเมตร) โครงสร้างภายในของโลกแบ่งออกเป็นชั้นๆ ตามสถานะของวัสดุ (ภาพที่ 1) ที่ใจกลางของโลกมีอุณหภูมิสูงถึง 5,000 °C แก่นชั้นในเป็นเหล็กร้อนมีสถานะเป็นของแข็ง ส่วนแก่นชั้นนอกเป็นเหล็กหลอมละลายเคลื่อนที่ด้วยการพาความร้อน (convection) ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลก ถัดขึ้นมาเรียกว่า แมนเทิล เป็นวัสดุเนื้ออ่อน ส่วนที่อยู่ข้างนอกสุดคือ เปลือกโลก ซึ่งมีอยู่ 2 ชนิด คือ เปลือกทวีป และเปลือกมหาสมุทร ตั้งอยู่บนแมนเทิลชั้นบนสุด เรียกโดยรวมว่า ลิโทสเฟียร์ (Lithosphere) ซึ่งมีสถานะเป็นของแข็ง ลอยอยู่บนแมนเทิลชั้นบนที่ชื่อว่า แอสทีโนสเฟียร์ (Astenosphere) ซึ่งเป็นวัสดุเนื้ออ่อนเคลื่อนที่ด้วยการพาความร้อน หรือที่รู้จักกันโดยทั่วไปว่า แมกม่า (Magma) ขณะที่แอสทีโนสเฟียร์เคลื่อนที่ไป มันจะพาให้เปลือกโลกซึ่งอยู่ด้านบนเคลื่อนที่ไปด้วย เมื่อเปลือกโลกเคลื่อนที่ชนกัน ทำให้เกิดแผ่นดินไหว


ภาพที่ 1 โครงสร้างภายในของโลก

การเคลื่อนตัวของเปลือกโลก
          เปลือกโลกมิได้เป็นแผ่นเดียวต่อเนื่องติดกันดังเช่นเปลือกไข่ หากแต่เหมือนเปลือกไข่แตกร้าว มีแผ่นหลายแผ่นเรียงชิดติดกันเรียกว่า “เพลต” (Plate) ซึ่งมีอยู่ประมาณ 20 เพลต เพลตที่มีขนาดใหญ่ ได้แก่ เพลตแปซิฟิก เพลตอเมริกาเหนือ เพลตอเมริกาใต้ เพลตยูเรเซีย เพลตแอฟริกา เพลตอินโด-ออสเตรเลีย และเพลตแอนตาร์กติก เป็นต้น เพลตแปซิฟิกเป็นเพลตที่ใหญ่ที่สุดและไม่มีเปลือกทวีป กินอาณาเขตหนึ่งในสามของพื้นผิวโลก เพลตทุกเพลตเคลื่อนตัวเปลี่ยนแปลงขนาดและรูปร่างอยู่ตลอดเวลา (ดูภาพที่ 2)


ภาพที่ 2 การเคลื่อนตัวของเพลต

กระบวนการเคลื่อนตัวของเปลือกโลก
          เพลตประกอบด้วยเปลือกทวีปและเปลือกมหาสมุทรวางตัวอยู่บนแมนเทิลชั้นบนสุด ซึ่งเป็นของแข็งในชั้นลิโทสเฟียร์ ลอยอยู่บนหินหนืดร้อนในชั้นแอสทีโนสเฟียร์อีกทีหนึ่ง หินหนืด (Magma) เป็นวัสดุเนื้ออ่อนเคลื่อนที่หมุนเวียนด้วยการพาความร้อนภายในโลก คล้ายการเคลื่อนตัวของน้ำเดือดในกาต้มน้ำ การเคลื่อนตัวของวัสดุในชั้นแอสทีโนสเฟียร์ทำให้เกิดการเคลื่อนตัวเพลต (ดูภาพที่ 3) เราเรียกกระบวนการเช่นนี้ว่า “ธรณีแปรสัณฐาน” หรือ “เพลตเทคโทนิคส์” (Plate Tectonics)


ภาพที่ 3 กระบวนการธรณีแปรสัณฐาน

       หินหนืดในชั้นแอสทีโนสเฟียร์ (Convection cell) ลอยตัวดันพื้นมหาสมุทรขึ้นมากลายเป็น “สันกลางมหาสมุทร” (Mid-ocean ridge) หินหนืดร้อนหรือแมกม่าซึ่งโผล่ขึ้นมาผลักพื้นมหาสมุทรให้เคลื่อนที่ขยายตัวออกทางข้าง
       เนื่องจากเปลือกมหาสมุทรมีความหนาแน่นมากกว่าเปลือกทวีป ดังนั้นเมื่อเปลือกมหาสมุทรชนกับเปลือกทวีป เปลือกมหาสมุทรจะมุดตัวต่ำลงกลายเป็น “เหวมหาสมุทร” (Trench) และหลอมละลายในแมนเทิลอีกครั้งหนึ่ง
       มวลหินหนืดที่เกิดจากการรีไซเคิลของเปลือกมหาสมุทรที่จมตัวลง เรียกว่า “พลูตอน” (Pluton) มีความหนาแน่นน้อยกว่าเปลือกทวีป จึงลอยตัวแทรกขึ้นมาเป็นแนวภูเขาไฟ เช่น เทือกเขาแอนดีสทางฝั่งตะวันตกของทวีปอเมริกาใต้


ภาพที่ 4 รอยต่อของเพลต

แผ่นดินไหวใต้มหาสมุทร
          เมื่อเพลตชนกันใต้ท้องท้องมหาสมุทร (ภาพที่ 5 ข.) แผ่นดินที่ยุบตัวลง ทำให้ระดับน้ำทะเลที่อยู่เหนือบริเวณนั้นยุบตามลงไปด้วย (ค.) น้ำทะเลในบริเวณข้างเคียงไหลเข้ามาแทนที่และปะทะกัน ทำให้เกิดคลื่น (ง.) แรงสั่นสะเทือนทำให้เกิดระลอกคลื่นกระจายออกทุกทิศทาง


ภาพที่ 5 ขั้นตอนการเกิดคลื่นสึนามิ

ขณะที่คลื่นยังอยู่เหนือมหาสมุทรที่มีน้ำลึก คลื่นมีขนาดใหญ่มาก มีฐานกว้าง 100 กิโลเมตร แต่สูงเพียง 1 เมตร เคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 700 – 800 เมตรต่อชั่วโมง แต่เมื่อคลื่นเดินทางเข้าใกล้ชายฝั่ง สภาพท้องทะเลที่ตื้นเขินทำให้คลื่นลดความเร็วและอัดตัวจนมีฐานกว้าง 2 – 3 กิโลเมตร แต่สูงถึง 10 – 30 เมตร และกระทบเข้ากับชายฝั่ง


ภาพที่ 6 ขนาดของคลื่นสึนามิ

คลื่นสึนามิในประเทศไทย
          จากสถิติที่ประวัติศาสตร์ได้บันทึกไว้ จะมีการเกิดคลื่นสึนามิขนาดใหญ่โดยเฉลี่ยทุกๆ 15 – 20 ปี แต่โดยส่วนมากแล้วจะเกิดขึ้นในมหาสมุทรแปซิฟิก เนื่องจากเป็นมหาสมุทรที่ใหญ่ที่สุดในโลก มีอาณาเขตปกคลุมครึ่งหนึ่งของเปลือกโลก จึงมีโอกาสเกิดแผ่นดินไหวได้มากที่สุด คลื่นสึนามิที่มีขนาดใหญ่ที่สุด มีขนาดสูงถึง 35 เมตร ที่เกาะสุมาตรา เกิดขึ้นจากแรงสั่นสะเทือนจากการระเบิดของภูเขาไฟกรากาตัว เมื่อวันที่ 27 สิงหาคม พ.ศ.2426
          คลื่นสึนามิที่เกิดขึ้นในประเทศไทย เมื่อวันที่ 26 ธันวาคม พ.ศ. 2547 เนื่องจากการเกิดแผ่นดินไหวบริเวณเหวมหาสมุทรซุนดรา (Sundra trench) ซึ่งมีการยุบตัวของพื้นมหาสมุทรตามรอยต่อของเพลตอินเดีย-ออสเตรเลีย และเพลตพม่า ทำให้เกิดแรงสั่นสะเทือน 9.0 ริกเตอร์ โดยมีศูนย์กลางอยู่ทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือของเกาะสุมาตรา ในเหตุการณ์นี้มีคนตายทั้งสิ้นมากกว่า 155,000 คน ตามชายฝั่งของมหาสมุทรอินเดีย ในจำนวนนี้เป็นคนไทยไม่น้อยกว่า 5,300 คน


ภาพที่ 7 ตำแหน่งศูนย์กลางการเกิดแผ่นดินไหว


ระบบแจ้งเตือนคลื่นสึนามิ
          เนื่องจากคลื่นสึนามิขณะอยู่กลางทะเลมีฐานกว้างถึง 100 กิโลเมตร แต่สูงเพียง 1 เมตร อีกทั้งยังมีคลื่นทะเลทั่วไปซึ่งเกิดจากกระแสลม อยู่วางซ้อนข้างบนอีก ดังนั้นการสังเกตการณ์จากเครื่องบิน หรือดาวเทียม จึงแยกแยะไม่ได้เลย การสังเกตการณ์จึงทำได้จากการตรวจจับสัญญาณจากทุ่นลอย และเครื่องตรวจวัดแผ่นดินไหวเท่านั้น
          ระบบแจ้งเตือนคลื่นสึนามิระบบแรกของโลกถูกจัดตั้งขึ้นหลังจากอุบัติภัยที่หมู่เกาะฮาวายในปี พ.ศ.2489 สหรัฐอเมริกาจัดตั้ง “ศูนย์แจ้งเตือนคลื่นสึนามิแปซิฟิก” (Pacific Tsunami Warning Center) หรือ PTWC โดยมีติดตั้งสถานีตรวจวัดแผ่นดินไหวจำนวน 50 แห่ง รอบมหาสมุทรแปซิฟิก ระบบทำงานโดยการตรวจจับคลื่นแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหว (Seismic wave) ซึ่งเดินทางรวดเร็วกว่าคลื่นสึนามิ 15 เท่า ข้อมูลที่ตรวจวัดได้จากทุกสถานีถูกนำรวมกันเพื่อพยากรณ์หาตำแหน่งที่มีความเป็นไปได้ที่จะเกิดคลื่นสึนามิ เมื่อคลื่นสึนามิถูกตรวจพบ ระบบจะแจ้งเตือนเมืองที่อยู่ชายฝั่ง รวมทั้งประมาณเวลาสถานการณ์ที่คลื่นจะเข้าถึงชายฝั่ง เพื่อที่จะอพยพประชาชนไปอยู่ที่สูง และให้เรือที่จอดอยู่ชายฝั่งเดินทางสู่ท้องทะเลลึกที่ซึ่งคลื่นสึนาส่งไม่ส่งผลกระทบอันใด อย่างไรก็ตามระบบเตือนภัยนี้สามารถทำการแจ้งเตือนล่วงหน้าเพียงไม่กี่ชั่วโมงเท่านั้น การอพยพผู้คนมักทำได้ไม่ทันท่วงที เนื่องจากคลื่นสึนามิเดินทางเร็วมาก


ภาพที่ 8 ระบบแจ้งเตือน DART

          DART ย่อมาจาก Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis เป็นระบบเตือนภัยยุคใหม่ซึ่งพัฒนาโดย องค์การบริหารบรรยากาศและมหาสมุทร (NOAA) ประเทศสหรัฐอเมริกา โดยการติดตั้งเซนเซอร์วัดแรงสั่นสะเทือนไว้ที่ท้องมหาสมุทร เซนเซอร์เก็บข้อมูลแผ่นดินไหวและส่งสัญญานไปยังทุ่นลอยซึ่งอยู่บนผิวน้ำ เพื่อรีเลย์สัญญาณไปยังดาวเทียม GOES และส่งกลับลงบนสถานีภาคพื้นอีกทีหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์นำข้อมูลที่ได้มาสร้างแบบจำลองด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์ เพื่อพยากรณ์แนวโน้มการเกิดคลื่นสึนามิ หากผลการจำลองและวิเคราะห์ว่ามีโอกาสความเป็นไปได้จะเกิดคลื่นยักษ์ ก็จะแจ้งเตือนไปยังศูนย์ชายฝั่ง เพื่อให้ประชาชนและชาวประมงในพื้นที่ รีบอพยพจากบริเวณที่อันตราย
 


พลังงานจากดวงอาทิตย์
 

          ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุด และเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญที่สุดของโลก ดวงอาทิตย์มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.4 ล้านกิโลเมตร อยู่ห่างจากโลก 150 ล้านกิโลเมตร มีองค์ประกอบเป็นไฮโดรเจน 74% ฮีเลียม 25% และธาตุชนิดอื่น 1% โครงสร้างของดวงอาทิตย์แบ่งออกเป็น 3 ส่วน คือ
           แก่นปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (Nuclear burning core) มีขนาดประมาณ 25% ของรัศมี เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิวชัน เผาไหม้ไฮโดรเจนให้กลายเป็นฮีเลียม มวลบางส่วนได้เปลี่ยนเป็นพลังงาน มีอุณหภูมิสูงถึง 15 ล้านเคลวิน
           โซนการแผ่รังสี (Radiative zone) อยู่ที่ระยะ 25-70% ของรัศมี พลังงานที่เกิดขึ้นจากแก่นปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถูกนำขึ้นสู่ชั้นบนโดยการแผ่รังสีด้วยอนุภาคโฟตอน
           โซนการพาความร้อน (Convection zone) อยู่ที่ระยะ 70-100% ของรัศมี พลังงานจากภายในถูกพาออกสู่พื้นผิว ด้วยการหมุนวนของก๊าซร้อน


ภาพที่ 1  โครงสร้างของดวงอาทิตย์

          อย่างไรก็ตาม พลังงานที่ถูกผลิตขึ้นจากแก่นปฏิกรณ์นิวเคลียร์ต้องใช้เวลาเดินทางนานถึง 170,000 ปี กว่าจะขึ้นสู่พื้นผิวของดวงอาทิตย์ และจะต้องใช้เวลาเดินทางอีก 8 นาที (ด้วยความเร็วแสง 300,000 กิโลเมตร/วินาที) กว่าจะถึงโลก

ใจกลางของดวงอาทิตย์
          อุณหภูมิ ณ ใจกลางของดวงอาทิตย์สูงหลายล้านเคลวิน ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน (P-P chain) โดยโปรตอนของไฮโดรเจน 6 ตัว รวมตัวกันเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม 1 ตัว และโปรตอนของไฮโดรเจนอีก 2 ตัว (6 mp = 1 mHe + 2 mp ดูภาพที่ 2 ประกอบ) มวลสารส่วนหนึ่งเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานจำนวนมหาศาล ตามสมการ มวล-พลังงาน ของ อัลเบิร์ต ไอสไตน์ (Albert Einstein)


ภาพที่ 2  ปฏิกิริยาแบบลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน (P-P chain)

สมการ มวล-พลังงาน ของไอสไตน์ (Einstein’s mass-energy equation)

E    =    mc^2
E = จำนวนพลังงานซึ่งเปลี่ยนรูปมาจากมวลสาร มีหน่วยเป็นจูล (J)
m = มวลสาร มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)
C = ความเร็วแสง = 300,000,000 เมตรต่อวินาที (m/s)


 

ตัวอย่างที่ 1: ปฏิกริยา P-P chain ณ ใจกลางของดวงอาทิตย์ ทำให้โปรตอนของไฮโดรเจน (mp) จำนวน 6 ตัว กลายเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม (mp)จำนวน 1 ตัว และโปรตอนของไฮโดรเจน (mp) จำนวน 2 ตัว อยากทราบว่า มวลสารที่หายไป เปลี่ยนเป็นพลังงานจำนวนเท่าไร

กำหนดให้:
6 mp
 = 1 mHe + 2 mp
mp
 = 1.674 x 10^-27 kg
1 mHe
 = 6.643 x 10^-27 kg

หามวลที่หายไป:
          6 mp = 6 x (1.674 x 10^-27) kg = 10.044 x 10^-27kg ……(1)
1 mHe + 2 mp = (6.643 x 10^-27) + 2 x (1.674 x 10^-27) kg= 9.991 x 10^-27kg ……(2)
          (1) - (2) = (10.044 x 10^-27) - (9.991 x 10^-27) kg = 0.053 x 10^-27 kg

พลังงานที่เกิดขึ้นจากมวลที่หายไป:
          E = mc^2
          E = (0.053 x 10^-27 kg) (3 x 108 m/s)^ 2
             = (0.053 x 10^-27 kg) (9 x 1016 m/s)
             = 4.77 x 10^-12 Joule

หมายเหตุ: พลังานที่เกิดขึ้นในแต่ละวินาทีบนดวงอาทิตย์ = (4.77 x 10^-12 ) x 10^34 = 4.77 x 10^22 Joule
 

 

ตัวอย่างที่ 2: ไฮโดรเจน 1 kg ถูกเปลี่ยนเป็นฮีเลียม 0.993 kg อยากทราบว่ามวลที่หายไป 0.007 kg เปลี่ยนเป็นพลังงานจำนวนเท่าไร

          E = mc^2
          E = (0.007 kg) (3 x 10^8 m/s)^ 2
             = (0.007 kg) (9 x 10^16 m/s)
             = 6.3 x 10^14 Joule

หมายเหตุ: เปรียบเทียบได้เท่ากับพลังงานที่ได้จากการเผาไหม้ถ่านหินจำนวน 20,000 ตัน หรือ 20 ล้านกิโลกรัม


          ในปัจจุบันดวงอาทิตย์มีกำลังส่องสว่าง 3.9 x 10^26 ล้านวัตต์ ทำให้ทราบว่า ทุกๆ 1 วินาที ดวงอาทิตย์เผาไหม้ไฮโดรเจน จำนวน 600,000 ล้านกิโลกรัม นักวิทยาศาสตร์คำนวณอัตราการเผาไหม้ กับปริมาณไฮโดรเจนและฮีเลียมที่มีอยู่บนดวงอาทิตย์ ทำให้ทราบว่า ดวงอาทิตย์มีอายุประมาณ 4,600 ล้านปีมาแล้ว และยังคงเหลือไฮโดรเจนให้เผาไหม้ได้ต่อไปอีก 5,000 ล้านปี

โฟโตสเฟียร์
          โฟโตสเฟียร์ (Photosphere) เป็นส่วนพื้นผิวของดวงอาทิตย์ที่เรามองเห็น มีสถานะเป็นก๊าซร้อน “โฟโต” แปลว่า แสง “สเฟียร์” แปลว่า ทรงกลม ดังนั้น “โฟโตสเฟียร์” จึงแปลว่า “ทรงกลมแสง” ใต้ชั้นโฟโตสเฟียร์ลงไปก๊าซอัดตัวกันแน่น จนแสงไม่สามารถโผล่ขึ้นมาได้ แสงอาทิตย์ที่เรามองเห็นมาจากชั้นโฟโตสเฟียร์ซึ่งมีความหนาเพียง 400 กิโลเมตร มีอุณหภูมิประมาณ 5,800 เคลวิน (0 เคลวิน = -273°C) โฟโตสเฟียร์ประกอบด้วย “แกรนูล” (Granule) ซึ่งเป็นเซลล์ของก๊าซร้อนหมุนวนพาความร้อน (convection) จากเบื้องล่างขึ้นมา แล้วเย็นตัวจมลง แกรนูลแต่ละเซลล์มีขนาดประมาณ 1,000 กิโลเมตร มีอายุนานประมาณ 15 นาที ถ้าเราสังเกตดวงอาทิตย์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสง เราจะสังเกตเห็นว่า ผิวของดวงอาทิตย์นั้นไม่ราบเรียบ แต่ประกอบด้วยเซลล์เล็กๆ จำนวนมากคล้ายกับผิวของลูกบาสเกตบอล


ภาพที่ 3  จุดดวงอาทิตย์ แกรนูล บนชั้นโฟโตสเฟียร์

จุดดวงอาทิตย์
          เมื่อดูดวงอาทิตย์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสง เราจะมองเห็นจุดสีคล้ำบนโฟโตสเฟียร์ซึ่งเรียกว่า “จุดดวงอาทิตย์” (Sunspots) มีมากมายหลายจุด มากบ้าง น้อยบ้าง เปลี่ยนแปลงไป บางครั้งก็เกิดขึ้นนานนับเดือน จุดเหล่านี้มีขนาดประมาณโลกของเราหรือใหญ่กว่า จุดเหล่านี้มิได้มืด แต่มีความสว่างประมาณ 10 เท่าของดวงจันทร์เต็มดวง มีอุณหภูมิประมาณ 4,500 เคลวิน


ภาพที่ 4  การหมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วที่แตกต่าง ทำให้เกิดจุดบนดวงอาทิตย์

          จุดดวงอาทิตย์เกิดจากการที่สนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์บิดเบือน เนื่องจากดวงอาทิตย์มีสถานะเป็นก๊าซ แต่ละส่วนหมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วไม่เท่ากัน (Differential rotation) กล่าวคือ ในการหมุนหนึ่งรอบ บริเวณใกล้เส้นศูนย์สูตรจะใช้เวลา 25 วัน ในขณะที่บริเวณใกล้ขั้วทั้งสองใช้เวลานานถึง 36 วัน ความแตกต่างในการหมุนรอบตัวเองเช่นนี้ มีผลทำให้สนามแม่เหล็กบิดเบือน ในบริเวณที่สนามแม่เหล็กมีกำลังสูง เส้นแรงแม่เหล็กจะกักอนุภาคก๊าซร้อนที่พุ่งขึ้นมาไว้ มิให้ออกนอกเขตของเส้นแรง เมื่อก๊าซร้อนเย็นตัวลงก็จะจมลง ณ ตำแหน่งเดิม ทำให้เรามองเห็นเป็นสีคล้ำ เพราะบริเวณนั้นจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าบริเวณโดยรอบ


ภาพที่ 5  กราฟแสดงวัฎจักรของจุดดวงอาทิตย์ทุกๆ 11 ปี

          จุดดวงอาทิตย์มักปรากฏให้เห็นในบริเวณละติจูดที่ 30 องศาเหนือและใต้ และมักปรากฏให้เห็นเป็นคู่เช่นเดียวกับขั้วแม่เหล็ก จุดดวงอาทิตย์มีปรากฏให้เห็นมากเป็นวัฏจักรทุกๆ 11 ปี ดังที่แสดงในกราฟในภาพที่ 5

พวยก๊าซ และการประทุจ้า
          ก๊าซร้อนบนดวงอาทิตย์พุ่งตัวสูงเหนือชั้นโฟโตสเฟียร์ขึ้นมาหลายหมื่นกิโลเมตร เรียกว่า “พวยก๊าซ” (Prominences) มันเคลื่อนที่เข้าสู่อวกาศด้วยความเร็ว 1,000 กิโลเมตร/วินาที หรือ 3.6 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง ในบางครั้งมีการระเบิดใหญ่กว่าเรียกว่า “การประทุจ้า” (Solar flare) ทำให้เกิดประจุอนุภาค (ion) พลังงานสูง แผ่รังสีเอ็กซ์ และอุลตราไวโอเล็ต ซึ่งเรียกว่า “พายุสุริยะ” เข้าสู่บรรยากาศชั้นบนของโลก และทำความเสียหายให้แก่ระบบโทรคมนาคม เช่น การสื่อสารผ่านดาวเทียม

โครโมสเฟียร์
          โคโมสเฟียร์ (Chromosphere) เป็นบรรยากาศชั้นกลางของดวงอาทิตย์ โคโมสเฟียร์แปลว่า “ทรงกลมสี” เพราะเราสามารถมองเห็นมันได้เป็นสีแดงตามขอบของดวงอาทิตย์ ขณะที่เกิดสุริยุปราคาเต็มดวง หรือมองดูด้วยกล้องโทรทรรศน์ติดตั้งแผ่นกรองแสงไฮโดรเจน-อัลฟา โครโมสเฟียร์มีความหนาประมาณ 2,000 กิโลเมตร และมีอุณหภูมิเกือบ 25,000 เคลวิน


ภาพที่ 6  การประทุจ้า (มุมบนซ้าย) พวยก๊าซ เหนือชั้นโครโมสเฟียร์ [ที่มา: NASA]

คอโรนา
          คอโรนา (Corona) เป็นบรรยากาศชั้นบนสุด สามารถมองเห็นได้เป็นแสงสีขาว เฉพาะเวลาที่เกิดสุริยุปราคาเต็มดวงมาก โดยมีรูปทรงสอดคล้องกับสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ คอโรนามีอุณหภูมิสูงกว่า 1 ล้านเคลวิน ทำให้อะตอมเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก อย่างไรก็ตามบริเวณคอโรนามิได้มีความร้อนสูง เนื่องจากมีก๊าซอยู่เบาบางมาก


ภาพที่ 7  โคโรนา

ลมสุริยะ
          ลมสุริยะ (Solar wind) มิใช่เป็นลมซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ของมวลอากาศดังเช่น บนโลกของเรา หากแต่เป็นอนุภาคพลังงานสูง ซึ่งเกิดจากสูญเสียก๊าซร้อนของดวงอาทิตย์สู่ห้วงอวกาศ ในรูปของโปรตอน อิเล็กตรอน และอนุภาคอื่นๆ ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 450 กิโลเมตร/วินาที ซึ่งใช้เวลาในการเดินทางถึงโลกประมาณ 4 วัน อนุภาคพลังงานสูงพวกนี้ บางครั้งทำความเสียหายให้แก่ ยานอวกาศ ดาวเทียม และระบบโทรคมนาคม ดังนั้นการเฝ้าสังเกตจุดดวงอาทิตย์ พวยก๊าซ และการประทุจ้าบนดวงอาทิตย์ จึงเป็นการพยากรณ์สภาพอวกาศ (space weather) และแจ้งเตือนล่วงหน้าได้


ภาพที่ 7 แกนแม่เหล็กโลก

สนามแม่เหล็กโลก
          โครงสร้างของโลกประกอบขึ้นเป็นชั้นหลายชั้น บางชั้นที่มีสถานะเป็นของแข็ง และบางชั้นมีสถานะเป็นของเหลว แก่นใจกลางของโลกมี 2 ชั้น คือ แก่นชั้นในและแก่นชั้นนอก แก่นชั้นใน (Inner core) เป็นของแข็งมีองค์ประกอบเป็นเหล็ก นิเกิล มีอุณหภูมิ 6,500 เคลวิน แก่นชั้นนอก (Outer core) มีอุณหภูมิต่ำกว่าและมีสถานะเป็นของเหลวหนืด ดังนั้นพลังงานความร้อนถูกถ่ายเทขึ้นสู่แก่นชั้นนอก (Outer core) ด้วยการพาความร้อน โดยโลหะหลอมละลายที่หมุนวนไปอย่างช้าๆ การเคลื่อนตัวเช่นนี้ก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า และเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก (The Earth’s magnetic field)


ภาพที่ 8  
สนามแม่เหล็กโลก

          แกนแม่เหล็กของโลกมีขั้วเหนือ-ใต้ เอียงทำมุม 12 องศา กับแกนเหนือ-ใต้ทางภูมิศาสตร์ซึ่งโลกหมุนรอบตัวเอง สนามแม่เหล็กของโลกมิได้มีลักษณะเป็นทรงกลมสมมาตร เนื่องจากอิทธิพลของลมสุริยะ (Solar wind) ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคโปรตอน อิเล็กตรอน และอนุภาคชนิดอื่น เคลื่อนที่จากดวงอาทิตย์เข้าหาโลกด้วยความเร็ว 450 กิโลเมตร/ชั่วโมง อนุภาคเหล่านี้มีความเร็วเหนือเสียง เมื่อกระทบเข้ากับสนามแม่เหล็กโลก ก็จะเกิดช็อคเวฟ (Shock wave) และลดความเร็วลง การปะทะกันเช่นนี้ทำให้เกิดการไหลเวียนของอนุภาคตามเส้นแรงแม่เหล็กซึ่งล้อมรอบโลก (Magnetosphere) อนุภาคบางส่วนถูกกักขังไว้ในเส้นแรงแม่เหล็ก ใน “แถบ ฟาน อัลเลน” (Van Allen belts) สองชั้นซึ่งอยู่สูงเหนือพื้นผิวโลกประมาณ 2,000 – 5,000 กิโลเมตร และ 13,000 – 19,000 กิโลเมตร แถบชั้นในเต็มไปด้วยอนุภาคโปรตอนพลังงานสูง ส่วนแถบชั้นนอกเป็นอนุภาคโปรตอนและอิเล็กตรอนพลังงานต่ำ ลมสุริยะมีคุณสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม เมื่อมันเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กโลก จะทำให้เกิดอนุภาคโปรตอนและอิเล็กตรอนความเร็วสูง เคลื่อนที่ในแนวเหนือ-ใต้ และเมื่ออนุภาคเหล่านี้พุ่งชนบรรยากาศชั้นบนของโลก อะตอมของก๊าซจะปลดปล่อยแสงสว่างออกมา เกิดเป็น “แสงเหนือ” หรือ “แสงใต้” (Aurora) ในบริเวณรอบขั้วแม่เหล็กโลก


ภาพที่ 9  ออโรรา [ที่มา: University of Alaska]

          สนามแม่เหล็กโลกไม่ใช่สิ่งคงที่ แต่มีการเปลี่ยนแปลงความเข้มของสนามแม่เหล็ก และสลับขั้วเหนือ-ใต้ ทุกๆ หนึ่งหมื่นปี ในปัจจุบันสนามแม่เหล็กโลกอยู่ในช่วงที่มีกำลังอ่อน สนามแม่เหล็กโลกเป็นสิ่งที่จำเป็นที่เอื้ออำนวยในการดำรงชีวิต หากปราศจากสนามแม่เหล็กโลกแล้ว อนุภาคพลังงานสูงจะพุ่งชนพื้นผิวโลก สิ่งมีชีวิตจะไม่สามารถดำรงอยู่ได้ นอกจากนั้นสิ่งมีชีวิตบางประเภท เช่น นก ยังใช้สนามแม่เหล็กโลก ในระบบการหาทิศทาง

เกร็ดความรู้: ทิศเหนือที่อ่านได้จากเข็มทิศแม่เหล็ก อาจจะไม่ตรงกับทิศเหนือจริง ด้วยเหตุผล 2 ประการคือ
           ขั้วแม่เหล็กโลก และขั้วโลก มิใช่จุดเดียวกัน
           ในบางพื้นที่ของโลก เส้นแรงแม่เหล็กมีความเบี่ยงเบน (Deviation) มิได้ขนานกับเส้นลองจิจูด (เส้นแวง) ทางภูมิศาสตร์ แต่โชคดีที่บริเวณประเทศไทย มีค่าความเบี่ยงเบน = 0 ดังนั้นจึงถือว่า ทิศเหนือแม่เหล็ก เป็นทิศเหนือจริงได้


ภาวะเรือนกระจก
 

          พลังงานจากดวงอาทิตย์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีทั้งรังสีคลื่นสั้นและคลื่นยาว บรรยากาศของโลกทำหน้าที่ปกป้องรังสีคลื่นสั้น ไม่ให้ลงมาทำอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตบนพื้นโลกได้ โมเลกุลของก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศชั้นบนสุด ดูดกลืนรังสีแกมมาและรังสีเอ็กซ์ จนทำให้อะตอมของก๊าซในบรรยากาศชั้นบนมีอุณหภูมิสูง และแตกตัวเป็นประจุ (บางครั้งเราเรียกชั้นบรรยากาศที่เต็มไปด้วยประจุนี้ว่า ไอโอโนสเฟียร์ มีประโยชน์ในการสะท้อนคลื่นวิทยุสำหรับการสื่อสาร) รังสีอุลตราไวโอเล็ตสามารถส่องผ่านบรรยากาศชั้นบนลงมา แต่ถูกดูดกลืนโดยก๊าซโอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์ที่ระยะสูงประมาณ 19 - 48 กิโลเมตร แสงแดดหรือแสงที่ตามองเห็นสามารถส่องลงมาถึงพื้นโลก รังสีอินฟราเรดถูกดูดกลืนโดยก๊าซเรือนกระจก เช่น
ไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นโทรโปสเฟียร์ ส่วนคลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุในบางความถี่สามารถส่องทะลุชั้นบรรยากาศได้


ภาพที่ 1  การกรองรังสีของบรรยากาศ

พลังงานที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์
          ร้อยละ 95 ของรังสีที่แผ่จากดวงอาทิตย์มีความยาวคลื่น 0.1 – 2.5 ไมโครเมตร (100 นาโนเมตร – 2,500 นาโนเมตร)
ในจำนวนนี้เป็นรังสีอุลตราไวโอเล็ต 7% แสงที่ตามองเห็น 43% รังสีอินฟราเรดใกล้ (Near Infrared) 49% โดยมีรังสีแกมมา
รังสีเอ็กซ์ และคลื่นวิทยุ เพียง 1% ทั้งนี้โดยมีความยาวคลื่นที่ให้พลังงานมากที่สุด (lmax) อยู่ที่ 500 นาโนเมตร ทำให้เรามองเห็นดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์สีเหลือง


ภาพที่ 2  การแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ และการแผ่รังสีของโลก

พลังงานที่โลกแผ่ออกมา
          เมื่อโลกได้รับรังสีจากดวงอาทิตย์ ก็จะดูดกลืนพลังงานและแผ่รังสีออกมาในรูปของรังสีอินฟราเรด ซึ่งมีความยาวคลื่น 2.5 – 30 ไมโครเมตร โดยมีความยาวคลื่นที่ให้พลังงานมากที่สุด (max) อยู่ที่ 10 ไมโครเมตร (0.01 มิลลิเมตร)
เรามักเรียกรังสีช่วงนี้ว่า “รังสีคลื่นสั้น” (Shortwave) เพราะว่ามี max อยู่ในย่านที่ตามองเห็น และเรียกรังสีที่โลกแผ่ออกมาว่า “รังสีคลื่นยาว” (Longwave) เพราะว่ามี max อยู่ในย่านอินฟราเรด ดังภาพที่ 2

          หมายเหตุ: 1 เมตร (m) = 1,000,000 ไมโครเมตร (mm) = 1,000,000,000 นาโนเมตร (nm)
 

ตัวอย่างที่ 1: โลกแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่น 10 ไมโครเมตร (0.00001008 m) สู่อวกาศ แสดงว่าโลกมีอุณหภูมิเฉลี่ยเท่าไร

       T = 0.00289 / max
          = 0.00289 / 0.00001008
          = 288 K
 

 

สมดุลพลังงานของโลก
          โลกของเราได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ 100% แต่จะสะท้อนพลังงานจำนวน 30% กลับคืนสู่อวกาศ พลังงานที่โลกดูดกลืนไว้ จะแผ่รังสีออกมาในรูปของคลื่นอินฟราเรด จากบรรยากาศเป็นจำนวน 58% และจากพื้นผิวเป็นจำนวน 12% ตามบัญชีที่แสดงต่อไปนี้

บัญชีพลังงานของโลก
(Planetary Energy Budget)

พลังงานขาเข้า
พลังงานขาออก
พลังงานที่ได้รับจากดวงอาทิตย์           100 สะท้อนกลับคืนอวกาศ           30
  บรรยากาศแผ่รังสีสู่อวกาศ     58
  พื้นโลกแผ่รังสีสู่อวกาศ          12
รวม 100
รวม 100



ภาพที่ 3  พลังงานที่โลกได้รับและสะท้อนออก

พลังงานที่แผ่จากโลก = พลังงานที่โลกดูดกลืนไว้

          ให้ อุณหภูมิของโลก = T
              รัศมีของโลก = R
              พื้นผิวของโลก = 4R^2
              พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่โลกได้รับต่อพื้นที่ (energy flux) = F = 1,370 วัตต์/ตารางเมตร

              กฎของสเตฟาน-โบลท์มานน์ F = T4
              โดยที่ = 5.67 x 10-8 วัตต์/ตารางเมตร K^4
              อัตราส่วนการสะท้อนแสงของโลก = A = 0.3

              พลังงานที่แผ่จากโลก = F x พื้นที่ผิวของโลก
                                      = T4 x 4R2 (กฎของสเตฟาน-โบลท์มานน์ S = T4)

              พลังงานที่โลกดูดกลืน = พลังงานที่โลกได้รับ – พลังงานที่สะท้อนออก (ภาพที่ 3)
                                       = R^2 x F - R^2 x F x A
                                       = R^2 x F (1-A)

              พลังงานที่แผ่จากโลก = พลังงานที่โลกดูดกลืนไว้
                      T^4 x R^2 = R^2 x F (1-A)
                                 T4 = F/4 (1-A)T
                                      = 4 F/4s (1-A)
                                      = 4 (1,370 / 4 x 5.67 x 10^-8) x (1-0.3) K^2
                                      = 255 K

          อุณหภูมิของโลก (T) ที่คำนวณได้จากตารางข้างบนมีค่า 255 K หรือ -18°C นั้น เป็นอุณหภูมิซึ่งเกิดจากพลังงานที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์เพียงอย่างเดียว ทว่าความจริงบนพื้นผิวโลกมีอุณหภูมิเฉลี่ย 288 K หรือ 15°C (จากตัวอย่างที่ 1) ซึ่งสูงกว่าที่คำนวณได้ถึง 15 - (-18)°C = 33°C นั่นหมายความว่า โลกมีแหล่งความร้อนในบรรยากาศ

ภาวะเรือนกระจก
          บรรยากาศของโลกประกอบด้วย ก๊าซไนโตรเจน 78% ก๊าซออกซิเจน 21% ก๊าซอาร์กอน 0.9% นอกนั้นเป็น ไอน้ำ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนเล็กน้อย แม้ว่าไนโตรเจน ออกซิเจน และอาร์กอน จะเป็นองค์ประกอบหลักของบรรยากาศ แต่ก็มิได้มีอิทธิพลต่ออุณหภูมิของโลก ในทางตรงกันข้ามก๊าซโมเลกุลใหญ่ เช่น ไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และมีเทน แม้จะมีอยู่ในบรรยากาศเพียงเล็กน้อย กลับมีความสามารถในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด และมีอิทธิพลทำให้อุณหภูมิของโลกอบอุ่น เราเรียกก๊าซพวกนี้ว่า “ก๊าซเรือนกระจก” (Greenhouse gas)

          ตารางที่ 1: ก๊าซเรือนกระจก

ก๊าซเรือนกระจก
ปริมาณก๊าซในบรรยากาศ (ต่อล้านส่วน)
ไอน้ำ
40,000
คาร์บอนไดออกไซด์
360
มีเทน
1.7
ไนตรัสออกไซด์
0.3
โอโซน
0.01

          “เรือนกระจก” หมายถึง โรงเพาะปลูกต้นไม้ ซึ่งมีผนังที่ห่อหุ้มด้วยวัสดุโปร่งใส เช่น แก้ว หรือพลาสติก เพื่อป้องกันมิให้สูญเสียความร้อนออกไป ทำให้อากาศภายในมีอุณหภูมิสูง ช่วยให้ต้นไม้เจริญเติบโต โลกของเราก็มีสภาวะนี้เรียกว่า           “ภาวะเรือนกระจก” (Greenhouse effect) โมเลกุลของก๊าซเรือนกระจกในบรรยากาศ จะทำหน้าที่ดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่โลกแผ่ออกมา ไม่ให้พลังงานสูญหายไปในอวกาศจนหมด ซึ่งช่วยให้โลกมีอุณหภูมิอบอุ่นขึ้น


ภาพที่ 4  ภาวะเรือนกระจก

          หากพิจารณาเปรียบเทียบโลกและดวงจันทร์ ซึ่งอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์พอๆ กัน โลกมีอุณหภูมิเฉลี่ย 15°C อุณหภูมิเวลากลางวันและกลางคืนบนโลกแตกต่างกันประมาณ 10 - 20°C แต่ด้านที่รับแสงอาทิตย์ของดวงจันทร์มีอุณหภูมิสูงถึง 130°C และด้านเงามืดมีอุณหภูมิต่ำถึง -180°C ดังนั้นกลางวันและกลางคืนบนดวงจันทร์จึงมีอุณหภูมิแตกต่างกันถึง 310°C การที่กลางวันและกลางคืนบนโลกไม่แตกต่างกันมากเป็นเพราะ โลกมีการถ่ายเทพลังงานในชั้นบรรยากาศ ในเวลากลางวันเมฆและบรรยากาศจะช่วยสะท้อนแสงอาทิตย์ส่วนหนึ่งออกไป ทำให้อุณหภูมิไม่สูงมาก และรังสีอินฟราเรดที่แผ่ออกมาจากไอน้ำและก๊าซเรือนกระจก ช่วยรักษาอุณหภูมิไว้ไม่ให้ต่ำมากเวลากลางคืน ส่วนบนดวงจันทร์ไม่มีบรรยากาศ ในหมุนเวียนพลังงาน และพาความร้อน กลางวันและกลางคืนจึงมีอุณหภูมิแตกต่างกันมาก


ภาพที่ 4  บทบาทของเมฆในการรักษาอุณหภูมิ

          จะเห็นได้ว่า ภาวะเรือนกระจกมีคุณประโยชน์ เพราะช่วยให้โลกมีความอบอุ่น และทำให้น้ำบนพื้นโลกมีครบทั้งสาม สถานะ จึงเป็นปัจจัยที่สำคัญที่เอื้ออำนวยต่อการดำรงชีวิต ดังนั้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์ต้องการจะหาดาวเคราะห์ที่มีความเป็นไปได้ที่จะมีสิ่งมีชีวิต เขาจะมองหาดาวที่มีสเปคตรัมของก๊าซเรือนกระจก


ภาพที่ 5  ภาวะเรือนกระจกที่ช่วยให้โลกอบอุ่น


กลไกการปรับสมดุลโลก

         ในปี พ.ศ.2515 เจมส์ เลิฟล็อค นักชีวเคมีชาวอังกฤษ ได้เสนอสมมติฐานที่ว่า โลกทั้งดวงคือ สิ่งมีชีวิตขนาดขนาดมหึมา สิ่งมีชีวิตทั้งหลายบนโลกนี้ ต่างเป็นเซลล์ชีวิตของโลก และมีอิทธพลในการรักษาสมดุลย์ของโลก เลิฟล็อคตั้งข้อสังเกตว่า ในสภาวะปกติ ร่างกายของมนุษย์รักษาอุณหภูมิ 37°C ไว้คงที่ ด้วยระบบต่างๆ อันได้แก่ ระบบหายใจ ระบบอาหาร ระบบประสาท เป็นต้น สำหรับโลกก็เช่นกัน อุณหภูมิของพื้นผิวโลกไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปมาก แม้ว่าโลกจะมีอายุหลายพันล้านปีแล้ว ทั้งนี้เป็นเพราะ โลกมีกลไกหลายระบบ อาทิเช่น บรรยากาศ น้ำ ธรณี และสิ่งมีชีวิต ทำงานร่วมกันเพื่อที่จะรักษาสมดุลไว้ เช่นเดียวกับร่างกายของมนุษย์ เลิฟล็อกตั้งชื่อสมมติฐานของเขาว่า “สมมติฐานไกอา” (Gaia hypothesis) คำว่า “ไกอา” เป็นภาษากรีกแปลว่า “เทพแห่งโลก”

อัลบีโด
          เป็นที่ทราบดีกันว่า พื้นผิวของวัตถุสีดำดูดกลืนรังสีได้ดีกว่าวัตถุสีขาว ถ้าเรายืนเท้าเปล่าบนพื้นสีดำเราจะร้อนกว่ายืนบนพื้นสีขาว ทั้งนี้เป็นเพราะพื้นผิวสีขาวสะท้อนแสงดีกว่าพื้น หรือกล่าวอีกอย่างหนึ่งว่า พื้นผิวสีดำดูดกลืนรังสีได้ดีกว่าพื้นผิวสีขาว เราเรียกความสามารถในการสะท้อนแสงของพื้นผิวว่า “อัลบีโด” (Albedo)


ภาพที่ 1  พื้นผิวสีเข้มดูดกลืนรังสีได้ดีกว่า

          อัลบีโด เป็นอัตราส่วนเปรียบเทียบค่าการสะท้อนแสงของพื้นผิว กับ ปริมาณรังสีทั้งหมดที่ตกกระทบ มักแสดงด้วยตัวเลขทศนิยมระหว่าง 0 – 1 กล่าวคือ วัตถุที่มีการดูดกลืนรังสีอย่างสมบูรณ์ ไม่มีการสะท้อนรังสีกลับคืนเลยจะมีอัลบีโด = 0 ส่วนวัตถุที่มีการสะท้อนแสง 100% และไม่มีการดูดกลืนรังสีเลยจะมีอัลบีโด = 1 ดังนั้นพื้นผิวที่มีสีคล้ำ เช่น พื้นดิน จึงมี
อัลบีโดต่ำประมาณ 0.10 ส่วนพื้นผิวสีขาวเช่น หิมะ มีอัลบีโดสูงประมาณ 0.80

          ตารางที่ 1: อัลบีโด

ชนิดของพื้นผิว
อัลบีโด
เมฆหนา
0.70-0.80
หิมะ (ที่ตกใหม่)
0.80–0.85
ทราย
0.20-0.30
หญ้า
0.20-0.25
ป่าไม้
0.05-0.10
น้ำ (ในเวลาที่ดวงอาทิตย์อยู่เหนือศีรษะ)
0.03-0.05
น้ำ (ในเวลาที่ดวงอาทิตย์อยู่ต่ำใกล้ขอบฟ้า)
0.50-0.80


ภาพที่ 2  โลกแห่งดอกเดซี่

โลกของดอกเดซี่ (Daisyworld)
          สมมติว่าในระบบสุริยะ มีดาวเคราะห์ดวงหนึ่งมีขนาดและวงโคจรเหมือนกับโลกของเรา พื้นผิวของดาวถูกปกคลุมไปด้วยดอกเดซี่หลายหลากสี มีทั้งสีเข้ม และสีอ่อน ดาวเคราะห์ดวงนี้ได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ เช่นเดียวกับโลกของเรา เมื่อระบบสุริยะยังมีอายุน้อย ดวงอาทิตย์ยังมีขนาดเล็กและแผ่พลังงานออกมาน้อย ต่อมาเมื่อดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่ขึ้น และแผ่รังสีออกมามาก อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิพื้นผิวของดาวเคราะห์ก็ยังคงที่ ด้วยกลไกการเจริญเติบโตของดอกเดซี่ ดังที่แสดงในกราฟในภาพที่ 3


ภาพที่ 3  กราฟแสดงความสัมพันธ์ของประชากรดอกเดซี่และอุณหภูมิ ขณะที่ดวงอาทิตย์มีความสว่างมากขึ้น


           เมื่ออุณหภูมิบนดาวเคราะห์สูง

          

การเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศโลก

          บรรยากาศของโลกเป็นสิ่งที่เคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา (Dynamic) ภูมิอากาศของโลกจึงมีการเปลี่ยนแปลงเป็นช่วงเวลาสั้นบ้างยาวบ้าง ขึ้นอยู่กับปัจจัยสาเหตุนานาประการ ตัวอย่างเช่น การระเบิดของภูเขาไฟทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเพียงช่วงเดือนหรือปี การพุ่งชนของอุกาบาตทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงหลายสิบปี การเพิ่มขึ้นของมลภาวะทางอากาศก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนับศตวรรษ การเปลี่ยนแปลงของกระแสน้ำในมหาสมุทรและขนาดของแผ่นน้ำแข็ง ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงของวงโคจรโลก ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นคาบนับล้านปี การเคลื่อนที่ของทวีปและการเปลี่ยนพลังงานจากดวงอาทิตย์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนับพันล้านปี ดังกราฟในภาพที่ 1


ภาพที่ 1 ปัจจัยและคาบการเปลี่ยนแปลงของภูมิอากาศโลก

ปัจจัยที่ทำให้ภูมิอากาศเปลี่ยนแปลง
          ปัจจัยที่ทำให้ภูมิอากาศโลกเปลี่ยนแปลง มีทั้งปัจจัยภายนอกและปัจจัยภายใน ปัจจัยภายนอกได้แก่ พลังงานจากดวงอาทิตย์ และวงโคจรของโลก ปัจจัยภายในได้แก่ การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของก๊าซในบรรยากาศ การเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวโลก ซึ่งพอสรุปรวมได้ดังนี้
           พลังงานจากดวงอาทิตย์
           วงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์
           องค์ประกอบของบรรยากาศ
           อัลบีโด หรือความสามารถในการสะท้อนแสงของบรรยากาศ และพื้นผิวโลก
           น้ำในมหาสมุทร
           แผ่นน้ำแข็งขั้วโลก
           การเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลก
ทุกปัจจัยที่กล่าวมามีผลกระทบต่อบรรยากาศโลกโดยตรง และมีผลกระทบต่อกันและกัน ซึ่งยังผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในภาพรวม ดังที่แสดงในภาพที่ 2


ภาพที่ 2 ปัจจัยที่ทำให้ภูมิอากาศโลกเปลี่ยนแปลง

ความแปรปรวนของแสงดวงอาทิตย์
          พลังงานจากดวงอาทิตย์ ดวงอาทิตย์มีขนาดไม่คงที่ ในยุคเริ่มแรกของระบบสุริยะดวงอาทิตย์มีขนาดเล็กและมีแสงสว่างน้อยกว่าปัจจุบัน ดวงอาทิตย์ขยายตัวใหญ่ขึ้นเนื่องจากการเผาไหม้ก๊าซไฮโดรเจนที่อยู่ภายใน เมื่อพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น ความสว่างก็ยิ่งมากขึ้นด้วย อีกประมาณ 5 พันล้านปี ดวงอาทิตย์จะมีขนาดใหญ่เท่าวงโคจรของดาวอังคาร
นอกจากนี้ปริมาณและพื้นที่ของจุดบนดวงอาทิตย์ (Sunspots) ในแต่ละวันยังไม่เท่ากัน ดวงอาทิตย์จะมีจุดมากเป็นวงรอบทุกๆ 11 ปี สิ่งนี้มีผลกระทบต่อพลังงานที่โลกได้รับด้วย

วัฏจักรมิลานโควิทช์
          ในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ชาวเซอร์เบียชื่อ มิลูติน มิลานโควิทช์ (Milutin Milankovitch) ได้อธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศโลกเป็นคาบเวลาระยะยาว เกิดขึ้นจากปัจจัย 3 ประการคือ
          1. วงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ เปลี่ยนแปลงขนาดความรี (รีมาก - รีน้อย) เป็นวงรอบ 96,000 ปี เมื่อโลกเข้าใกล้ดวงอาทิตย์อุณหภูมิก็จะสูงขึ้น เมื่อโลกอยู่ไกลอุณหภูมิก็จะต่ำลง
          2. แกนหมุนของโลกส่าย (เป็นวงคล้ายลูกข่าง) รอบละ 21,000 ปี ทำให้แต่ละพื้นที่ของโลกได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ไม่เท่ากัน ในช่วงเวลาเดียวกันของแต่ละปี
          3. แกนของโลกเอียงทำมุมระหว่าง 21.5 - 24.5 องศา กับระนาบของวงโคจรโลกรอบดวงอาทิตย์ กลับไปมาในคาบเวลา 41,000 ปี แกนของโลกเอียงเป็นสาเหตุทำให้เกิดฤดูกาล ปัจจุบันแกนของโลกเอียง 23.5 องศา หากแกนของโลกเอียงมากขึ้น ก็จะทำให้ขั้วโลกได้รับแสงอาทิตย์มากขึ้นในฤดูร้อนและน้อยลงในฤดูหนาว ซึ่งมีผลทำให้ฤดูร้อนและฤดูหนาวมีอุณหภูมิแตกต่างกันมากขึ้น
กราฟในภาพที่ 3 แสดงให้เห็นอิทธิพลของปัจจัยทั้งสามทำให้ภูมิอากาศโลกมีอุณหภูมิสูงและต่ำสลับกันไปเป็น วัฏจักร โดยที่แต่ละคาบนั้นมีระยะเวลาและความรุนแรงไม่เท่ากัน


ภาพที่ 3 ปัจจัยของวัฏจักรมิลานโควิทช์

องค์ประกอบของบรรยากาศ
           สัดส่วนของก๊าซในบรรยากาศ ไม่ใช่สิ่งคงตัว แต่ก่อนโลกของเราเต็มไปด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซออกซิเจนเพิ่งจะเกิดขึ้นจากการสังเคราะห์อาหารด้วยแสงของคลอโรฟิลล์ในสิ่งมีชีวิตเมื่อประมาณ 2 พันปีที่แล้วมานี้ (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมในบทสิ่งมีชีวิต) ก๊าซบางชนิดมีผลกระทบต่ออุณหภูมิของบรรยากาศโดยตรง เช่น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซมีเทน เนื่องจากเป็นก๊าซเรือนกระจก ก๊าซบางชนิดไม่มีผลกระทบต่ออุณหภูมิของบรรยากาศโดยตรง แต่จะมีผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและองค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ เช่น ก๊าซออกซิเจน ก๊าซโอโซน


ภาพที่ 4 องค์ประกอบของบรรยากาศโลกในอดีต

น้ำในมหาสมุทร
          น้ำในมหาสมุทรมีหน้าที่ควบคุมภูมิอากาศโดยตรง ความชื้นในอากาศมาจากน้ำในมหาสมุทร ความเค็มของน้ำทะเลมีผลต่อความจุความร้อนของน้ำ การไหลเวียนของน้ำในมหาสมุทรจึงมีผลกระทบต่อภูมิอากาศบนพื้นทวีปโดยตรง ระบบการไหลเวียนของน้ำใต้มหาสมุทรที่เรียกว่า “แถบสายพานยักษ์” (Great conveyor belt) สร้างผลกระทบต่อภูมิอากาศโลก เป็นวงรอบ 500 – 2,000 ปี


ภาพที่ 5 แถบสายพานยักษ์

อัลบีโด
          อุณหภูมิของพื้นผิวและบรรยากาศของโลกจะสูงหรือต่ำ ขึ้นอยู่กับความสามารถในการดูดกลืนและสะท้อนพลังงานจากดวงอาทิตย์ แผ่นน้ำแข็ง ก้อนเมฆ สะท้อนรังสีคืนสู่อวกาศ และฝุ่นละอองที่แขวนลอยในอากาศ ทำให้พื้นผิวโลกมีอุณหภูมิต่ำ ขณะที่ป่าไม้และน้ำดูดกลืนพลังงาน ทำให้พื้นผิวมีอุณหภูมิสูง เพราะฉะนั้นการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิว ย่อมทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิด้วย

แผ่นน้ำแข็งขั้วโลก
          ร้อยละ 75 ของน้ำจืดบนโลก สะสมอยู่ที่เกาะกรีนแลนด์ ในมหาสมุทรอาร์คติก และบนทวีปแอนตาร์คติก ในรูปของแผ่นน้ำแข็งขั้วโลก หากแผ่นน้ำแข็งขั้วโลกทั้งสองละลายหมดจะทำให้ระดับน้ำทะเลสูงขึ้น 66 เมตร พื้นที่เกาะและบริเวณชายฝั่งจะถูกน้ำท่วม อัลบีโดของพื้นผิวและปริมาณความร้อนที่สะสมอยู่ในน้ำทะเลจะเปลี่ยนแปลงไป และส่งผลกระทบต่อภูมิอากาศ

การเคลื่อนตัวของเปลือกโลก
          เปลือกโลกมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาเป็นวัฏจักรต่อเนื่อง (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมในเรื่อง “วัฏจักรวิลสัน” ในบทธรณี) กระบวนการธรณีแปรสันฐาน หรือ เพลตเทคโทนิคส์ (Plate Tectonics) เป็นสาเหตุที่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของทุกสิ่งทุกอย่างบนผิวโลก อันเป็นปัจจัยนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ เช่น ก๊าซจากภูเขาไฟ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของบรรยากาศ ฝุ่นละอองภูเขาไฟกรองรังสีจากดวงอาทิตย์ การเปลี่ยนแปลงของผิวโลก ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอัลบีโด และวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต

การศึกษาบรรยากาศของโลกในอดีต
          ในการพยากรณ์อากาศนั้น นักอุตุนิยมวิทยาได้ข้อมูลอากาศมาจากสถานีตรวจอากาศภาคพื้น ประกอบกับข้อมูลจากบอลลูน เครื่องบิน และดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา แต่ทว่าในการสืบค้นข้อมูลสภาพอากาศในอดีตนับหมื่นหรือแสนปีนั้น นักวิทยาศาสตร์ทำการศึกษาจากฟองก๊าซซึ่งถูกกักขังไว้ในแผ่นน้ำแข็งขั้วโลก เมื่อหิมะตกลงมาทับถมบนพื้นผิว มันจะมีช่องว่างสำหรับอากาศ กาลเวลาต่อมาหิมะที่ถูกทับถมตกผลึกกลายเป็นน้ำแข็งกักขังฟองก๊าซไว้ข้างใน (ดังที่แสดงในภาพที่ 6) เพราะฉะนั้นแผ่นน้ำแข็งแต่ละชั้นย่อมเก็บตัวอย่างของบรรยากาศไว้ในยุคสมัยที่แตกต่างกัน ยิ่งเจาะน้ำแข็งลงไปลึกเท่าไหร่ ก็ยิ่งได้ฟองอากาศเก่าแก่โบราณมากขึ้นเท่านั้น วิธีการตรวจวัดเช่นนี้สามารถได้ฟองอากาศซึ่งมีอายุถึง 110,000 ปี สถานีขุดเจาะแผ่นน้ำแข็งเพื่อการวิจัยบรรยากาศที่สำคัญมี 2 แห่งคือ ที่เกาะกรีนแลนด์ ในมหาสมุทรอาร์คติกใกล้ขั้วโลกเหนือ และที่สถานีวิจัยวอสตอค ในทวีปแอนตาร์คติกใกล้ขั้วโลกใต้


ภาพที่ 6 การกักขังฟองก๊าซของแผ่นน้ำแข็ง

          นักวิทยาศาสตร์ทำการตรวจวัดอายุของฟองก๊าซ ได้จากการศึกษาก๊าซและฝุ่นละอองที่ถูกสะสม เทียบกับเหตุการณ์ทางธรณีในยุคนั้น หรือไม่ก็ใช้การตรวจวัดกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอน ในฟองก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ภายในก้อนน้ำแข็ง ภาพที่ 7 แสดงให้เห็นถึงปริมาณของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในแต่ละยุคสมัย ซึ่งมีผลทำให้อุณหภูมิของอากาศแปรผันตามไปด้วย ทั้งนี้เป็นเพราะก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นก๊าซเรือนกระจก ดูดกลืนรังสีอินฟราเรดทำให้โลกอบอุ่น ในบางช่วงเวลาอุณหภุมิต่ำมากจนกลายเป็นยุคน้ำแข็ง ในช่วงเวลาโลกร้อนสลับกันไป ด้วยสาเหตุของวัฎจักรมิลานโควิทช์ และปัจจัยทั้งหลายที่กล่าวมาแล้วข้างต้น


ภาพที่ 7 กราฟแสดงอุณหภูมิและปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอดีต
 

ดอกเดซี่สีเข้มชอบอุณหภูมิต่ำ จะหยุดการเจริญเติบโต
           ดอกเดซี่สีอ่อนชอบอุณหภูมิสูง เจริญงอกงาม ส่งผลกระทบให้อุณหภูมิของดาวเคราะห์ต่ำลง

        
เมื่ออุณหภูมิบนดาวเคราะห์ต่ำ
           ดอกเดซี่สีอ่อนชอบอุณหภูมิสูง จะหยุดการเจริญเติบโต
           ดอกเดซี่สีเข้มชอบอุณหภูมิต่ำ เจริญงอกงาม ส่งผลกระทบให้อุณหภูมิของดาวเคราะห์สูงขึ้น

           จะเห็นได้ว่า การทำงานเช่นนี้คล้ายเทอร์โมสตัท (สวิทส์ควบคุมอุณหภูมิ) ของเครื่องปรับอากาศ จำนวนประชากรของดอกไม้ทั้งสองชนิด เป็นกลไกในการควบคุมอุณหภูมิของโลกแห่งดอกเดซี่ ในโลกแห่งความเป็นจริง โลกของเรามีระบบที่สลับซับซ้อนในการควบคุมอุณหภูมิของพื้นผิว กลไกหลักได้แก่ อัลบีโด ภาวะเรือนกระจก การเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิต
เป็นต้น นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า อุณหภูมิเฉลี่ยของพื้นผิวโลกคงที่มานานหลายพันล้านปีแล้ว ในยุคเริ่มแรกของระบบสุริยะ ดวงอาทิตย์มีขนาดเล็กและแผ่รังสีน้อยกว่าในปัจจุบัน โลกคงความอบอุ่นให้เอื้ออำนวยต่อสิ่งมีชีวิตได้ด้วยภาวะเรือนกระจก อันเกิดจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมากในบรรยากาศ ในเวลาต่อมาดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่และแผ่รังสีมากขึ้น พืชและน้ำฝนตรึงคาร์บอนในบรรยากาศไว้บนพื้นและใต้ดิน เพื่อลดภาวะเรือนกระจก ทำให้อุณหภูมิของพื้นผิวคงที่เสมอมา
           ในโลกปัจจุบันมีการตัดไม้ทำลายป่า การใช้ประโยชน์จากที่ดิน ตลอดจนการลดลงของปริมาณภูเขาน้ำแข็ง
อันเนื่องมาจากโลกร้อนขึ้น การเปลี่ยนแปลงอัลบีโดของโลกให้มีค่าต่ำลงอย่างรวดเร็วเช่นนี้ อาจส่งผลกระทบที่ติดตามมาคือ ภาวะเรือนกระจกชนิดกู่ไม่กลับ (Runaway greenhouse)

โลก และดาวเคราะห์เพื่อนบ้าน
           ดาวศุกร์ โลก และดาวอังคาร เป็นดาวเคราะห์ชั้นใน อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ไม่มาก พลังงานที่ดาวเคราะห์แต่ละดวง ได้รับจากดวงอาทิตย์ จึงไม่แตกต่างกันมาก ในอดีตโครงสร้างบรรยากาศของดาวเคราะห์ทั้งสาม คล้ายคลึงกันมากคือ
มีองค์ประกอบหลักเป็น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และมีไอน้ำเจือปนอยู่


ภาพที่ 4  ดาวศุกร์ โลก และดาวอังคาร

          ดาวศุกร์
          บรรยากาศของดาวศุกร์เต็มไปด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และมีภาวะเรือนกระจกชนิดไม่กลับคืน (Runaway greenhouse) โดยมีอุณหภูมิเฉลี่ยสูงถึง 480°C และมีความกดอากาศสูงกว่าบนพื้นผิวโลกถึง 90 เท่า อุณหภูมิและความกดดันที่สูงมากนี้ ทำให้น้ำบนดาวศุกร์มีสถานะเป็นก๊าซ และสูญเสียไฮโดรเจนให้กับอวกาศเนื่องจากความร้อน

          ดาวอังคาร
          มีลักษณะคล้ายเคียงกับโลกมากที่สุด แต่มีขนาดเล็กกว่าโลกเกือบครึ่งหนึ่ง บรรยากาศของดาวอังคารเต็มไปด้วย ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ในปัจจุบันบรรยากาศมีความหนาแน่นต่ำมาก ส่งผลให้ภาวะเรือนกระจกไม่ทำงาน และมีอุณหภูมิต่ำถึง -59°C (ทั้งนี้เป็นเพราะดาวอังคารอยู่ห่างไกลจากดวงอาทิตย์ด้วย) บนดาวอังคารมีก๊าซออกซิเจนอยู่เล็กน้อย ออกซิเจนส่วนใหญ่ทำปฏิกริยากับพื้นผิวของดาว จนเป็นสีแดงของสนิมเหล็ก ครั้งหนึ่งบรรยากาศบนดาวอังคาร เคยมีความหนาแน่นกว่านี้ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทำให้เกิดภาวะเรือนกระจก และมีอุณหภูมิอบอุ่นจนน้ำสามารถดำรงอยู่ในสถานะของเหลวได้ ดังมีหลักฐานจำนวนมากเป็นท้องน้ำที่เหือดแห้ง มีร่องรอยของน้ำไหล และตะกอนรูปพัด อย่างไรก็ตามยังมีน้ำแข็งจำนวนมาก สะสมอยู่ในบริเวณขั้วของดาว บางทีในอนาคตอีกหลายพันล้านปี เมื่อดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่ขึ้น พื้นผิวของดาวอังคารกลับอบอุ่นอีกครั้ง น้ำแข็งขั้วดาวละลาย เติมเต็มแม่น้ำลำคลอง และมหาสมุทรที่เคยเหือดแห้ง


ภาพที่ 5  กลไกการปรับสมดุลของโลก

          โลก
          ในอดีตเต็มไปด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เช่นเดียวกับดาวเคราะห์เพื่อนบ้าน ในยุคแรกๆ พื้นผิวโลกสร้างความอบอุ่นด้วยภาวะเรือนกระจก วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตช่วยตรึงคาร์บอนในอากาศไว้ใต้พื้นผิว และสังเคราะห์แสงสร้างก๊าซออกซิเจนเข้าสู่บรรยากาศ ทำให้อุณหภูมิของโลกลดต่ำลง หากปราศจากสิ่งมีชีวิตบนโลกแล้ว โลกของเราก็คงจะไม่แตกต่างจากดาวเคราะห์เพื่อนบ้าน อย่างไรก็ตามหากอัตราการเพิ่มของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยฝีมือมนุษย์ ยังคงสูงดังเช่นปัจจุบัน อาจทำให้บรรยากาศของโลกหวนคืนสู่อดีต ภายในระยะเวลาไม่ช้า

          ตารางที่ 2: องค์ประกอบของบรรยากาศของโลก และดาวเคราะห์เพื่อนบ้าน

ก๊าซในบรรยากาศ
ดาวศุกร์
โลก
ดาวอังคาร
ถ้าปราศจากสิ่งมีชีวิต เต็มไปด้วยสิ่งมีชีวิต
คาร์บอนไดออกไซด์
96.5%
98%
0.03%
95%
ไนโตรเจน
3.5%
1.9%
79%
2.7%
ออกซิเจน
0%
0%
21%
0.13%
อุณหภูมิ (°C)
480
290
13
-53
ความกดอากาศ (บาร์)
90
60
1
0.0064

เอลนีโญ/ลานีญา

          เอลนีโญ (El Niño) เป็นคำภาษาสเปน แปลว่า บุตรพระคริสต์ หรือพระเยซู เป็นชื่อของกระแสน้ำอุ่นที่ไหลเลียบชายฝั่งทะเลของประเทศเปรูลงไปทางใต้ทุกๆ 2 – 3 ปี โดยเริ่มประมาณช่วงเทศกาลคริสต์มาส กระแสน้ำอุ่นนี้จะไหลเข้าแทนที่กระแสน้ำเย็นที่อยู่ตามชายฝั่งเปรูนานประมาณ 2 – 3 เดือน และบางครั้งอาจจะยาวนานข้ามปีถัดไป เป็นคาบเวลาที่ไม่แน่นอน และมีผลทางระบบนิเวศและห่วงลูกโซ่อาหาร ปริมาณปลาน้อย นกกินปลาขาดอาหาร ชาวประมงขาดรายได้ รวมทั้ง เกิดฝนตกและดินถล่มอย่างรุนแรง ในประเทศเปรูและเอกวาดอร์ เอลนีโญเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เป็นปฏิสัมพันธ์ระหว่างการหมุนเวียนของกระแสอากาศ และกระแสน้ำในมหาสมุทรทั้งบนผิวพื้นและใต้มหาสมุทร ปรากฏการณ์เอลนีโญมีชื่อเรียกอย่างเป็นทางการว่า “El Niño – Southern Oscillation” หรือเรียกอย่างสั้นๆ ว่า ENSO ซึ่งหมายถึง การเปลี่ยนแปลงซึ่งเกิดขึ้นบริเวณมหาสมุทรแปซิฟิกตอนใต้

สภาวะปกติ
          โดยปกติบริเวณเส้นศูนย์สูตรโลกเหนือมหาสมุทรแปซิฟิก ลมสินค้าตะวันออก (Eastery trade winds) จะพัดจากประเทศเปรู ชายฝั่งทวีปอเมริกาใต้ ไปทางตะวันตกของมหาสมุทรแปซิฟิก แล้วยกตัวขึ้นบริเวณเหนือประเทศอินโดนีเซีย ทำให้มีฝนตกมากในเอเซียตะวันออกเฉียงใต้ และทวีปออสเตรเลียตอนเหนือ กระแสลมสินค้าพัดให้กระแสน้ำอุ่นบนพื้นผิวมหาสมุทรแปซิฟิกไปกองรวมกันทางตะวันตกจนมีระดับสูงกว่าระดับน้ำทะเลปกติประมาณ 60 – 70 เซนติเมตร แล้วจมตัวลง กระแสน้ำเย็นใต้มหาสมุทรซีกเบื้องล่างเข้ามาแทนที่กระแสน้ำอุ่นพื้นผิวซีกตะวันออก นำพาธาตุอาหารจากก้นมหาสมุทรขึ้นมาทำให้ปลาชุกชุม เป็นประโยชน์ต่อนกทะเล และการทำประมงชายฝั่งของประเทศเปรู (ภาพที่ 1)


ภาพที่ 1 สภาวะปกติ

ปรากฏการณ์เอลนีโญ
          เมื่อเกิดปรากฏการณ์เอลนีโญ กระแสลมสินค้าตะวันออกอ่อนกำลัง กระแสลมพื้นผิวเปลี่ยนทิศทาง พัดจากประเทศอินโดนีเซีย และออสเตรเลียตอนเหนือไปทางตะวันออก แล้วยกตัวขึ้นเหนือชายฝั่งทวีปอเมริกาใต้ ก่อให้เกิดฝนตกหนักและแผ่นดินถล่มในประเทศเปรูและเอกวาดอร์ กระแสลมพัดกระแสน้ำอุ่นบนพื้นผิวมหาสมุทรแปซิฟิกไปกองรวมกันบริเวณชายฝั่งประเทศเปรู ทำให้กระแสน้ำเย็นใต้มหาสมุทรไม่สามารถลอยตัวขึ้นมาได้ ทำให้บริเวณชายฝั่งขาดธาตุอาหารสำหรับปลา และนกทะเล ชาวประมงจึงขาดรายได้ ปรากฏการณ์เอลนีโญทำให้ฝนตกหนักในตอนเหนือของทวีปอเมริกาใต้ แต่ยังก่อให้เกิดความแห้งแล้งในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ และออสเตรเลียตอนเหนือ การที่เกิดไฟใหม้ป่าอย่างรุนแรงในประเทศอินโดนีเซีย ก็เป็นเพราะปรากฏการณ์เอลนีโญนั่นเอง (ภาพที่ 2)


ภาพที่ 2 ปรากฏการณ์เอลนีโญ

ปรากฏการณ์ลานีญา
          ลานีญา (La Niña) แปลว่า บุตรธิดา เป็นปรากฏการณ์ที่มีลักษณะตรงข้ามกับเอลนีโญ คือมีลักษณะคล้ายคลึงกับสภาวะปกติ แต่ทว่ารุนแรงกว่า กล่าวคือ กระแสลมสินค้าตะวันออกมีกำลังแรง ทำให้ระดับน้ำทะเลบริเวณทางซีกตะวันตกของมหาสมุทรแปซิฟิกสูงกว่าสภาวะปกติ ลมสินค้ายกตัวเหนือประเทศอินโดนีเซีย ทำให้เกิดฝนตกอย่างหนัก น้ำเย็นใต้มหาสมุทรยกตัวขึ้นแทนที่กระแสน้ำอุ่นพื้นผิวมหาสมุทรแปซิฟิกทางซีกตะวันตก ก่อให้เกิดธาตุอาหาร ฝูงปลาชุกชุม ตามบริเวณชายฝั่งประเทศเปรู (ภาพที่ 3)


ภาพที่ 3 ลานีญา

          เราอาจกล่าวอย่างง่ายๆ ว่า เอลนีโญทำให้เกิดฝนตกหนักในตอนเหนือของทวีปอเมริกาใต้ และเกิดความแห้งแล้งในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ในทางกลับกันลานีญาทำให้เกิดความแห้งแล้งทางตอนเหนือของทวีปอเมริกาใต้ และเกิดฝนตกหนักในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ทั้งเอลนีโญและลานีญาเกิดจากความผกผันของกระแสอากาศโลก บริเวณเส้นศูนย์สูตร เหนือมหาสมุทรแปซิฟิก ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่ทราบสาเหตุที่แน่ชัด ภาพถ่ายจากดาวเทียมโทเพกซ์/โพซิดอน (NASA) ในภาพที่ 4 แสดงให้เห็นความต่างระดับของน้ำทะเลบนพื้นผิวมหาสมุทรแปซิฟิก สีขาวแสดงระดับน้ำซึ่งสูงกว่าระดับน้ำทะเลปานกลาง 14 เซนติเมตร สีม่วงหรือสีเข้มแสดงระดับน้ำซึ่งต่ำกว่าระดับน้ำทะเลประมาณ -18 เซนติเมตร ขณะเกิดลานีญา - เอลนีโญ


ภาพที่ 4 ระดับน้ำพื้นผิวมหาสมุทรแปซิฟิก
 


การทำลายป่าฝนเขตร้อน

          สิ่งมีชีวิตทุกชนิดและสิ่งแวดล้อมมีความสัมพันธ์เกี่ยวข้องซึ่งกันและกัน นับตั้งแต่จุลชีพขนาดเล็กไปจนถึงสัตว์ใหญ่เช่น มนุษย์ ถ้าสปีชีส์ใดสปีชีส์หนึ่งสูญพันธุ์ไปก็จะทำให้เกิดผลกระทบต่อสปีชีส์อื่นด้วย เช่น ถ้ามนุษย์ทำให้นกเงือกสูญพันธุ์ พืชพันธุ์บางชนิดในป่าก็อาจสูญพันธุ์ตามไปด้วย เนื่องจากขาดตัวกลางซึ่งทำหน้าที่นำเมล็ดไปแพร่พันธุ์ เมื่อพืชบางชนิดสูญพันธุ์ ปริมาณออกซิเจนในอากาศก็เปลี่ยนแปลงไป รวมทั้งสมุนไพรบางชนิดอาจจะสูญพันธุ์ ส่งผลกระทบต่อมนุษย์และสัตว์ และระบบนิเวศทั้งหมด


ภาพที่ 1 โครงสร้างของป่าฝน

          ป่าฝนเขตร้อน (Tropical Rain forest) คือป่าที่มีปริมาณฝนตกอย่างน้อยปีละ 250 เซนติเมตร เป็นพื้นที่อุดมสมบูรณ์ และมีความหลากหลายทางชีวภาพมากที่สุดในโลก ร้อยละ 70 – 90 ของทุกสปีชีส์บนพื้นผิวโลกอยู่ในป่าเขตนี้ และยังเป็นแหล่งผลิตก๊าซออกซิเจนที่สำคัญที่สุดของโลก อย่างไรก็ตามในปัจจุบันป่าฝนเขตร้อนมีพื้นที่เหลืออยู่เพียง 6% ของพื้นผิวโลก และกำลังถูกบุกรุกทำลายอย่างรวดเร็ว ป่าฝนส่วนใหญ่อยู่ในบริเวณใกล้เส้นศูนย์สูตร ได้แก่ ทวีปอเมริกาใต้ แอฟริกา และเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ป่าฝนของประเทศไทยส่วนใหญ่อยู่ในเขตภาคใต้ (ภาพที่ 2)
          ป่าเปรียบเสมือนบ้านของเรา บรรพบุรุษของมนุษย์เป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมประเภทลิง (Primates) อุบัติขึ้นในป่าฝนเขตร้อนเมื่อประมาณ 50 ล้านปีที่แล้ว ป่าเป็นทั้งถิ่นที่อยู่อาศัยและแหล่งอาหาร เราได้ประโยชน์ทั้งทางตรงและทางอ้อม ป่ามิเพียงแค่ให้ชีวิต แต่ยังให้คุณภาพของชีวิตอีกด้วย ร้อยละ 25 ของสมุนไพรซึ่งเป็นยารักษาโรคได้มาจากป่า ป่าฝนเขตร้อนเปรียบเสมือนปอดของโลก ทำหน้าที่ตรึงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และมลภาวะในอากาศไว้ในดิน ลดปริมาณก๊าซเรือนกระจก และให้ผลผลิตเป็นก๊าซออกซิเจน ต้นไม้ดูดซับความชื้นตรึงน้ำไว้บนพื้นผิวทำให้พื้นดินอุดมสมบูรณ์ เมื่อพืชคายน้ำทำให้อากาศมีความชื้นและเกิดเมฆ เมื่อฝนตกรากไม้ช่วยดูดซับน้ำในดินมิให้เกิดน้ำท่วม และยึดเกาะเม็ดดินให้ติดกันเป็นกลุ่มก้อนมิให้ถล่มทะลาย


ภาพที่ 2 พื้นที่ป่าฝนเขตร้อน

ผลกระทบของการตัดไม้ทำลายป่า
          ในยุคหินเก่าเมื่อหลายหมื่นปีมาแล้ว มีประชากรมนุษย์อยู่บนโลกเพียงประมาณ 1 – 5 ล้านคน ดำรงชีวิตด้วยการกินพืชและล่าสัตว์ เช่นเดียวกับสัตว์ผู้ล่าทั้งหลาย จนประมาณ 1 หมื่นล้านปีที่แล้ว มนุษย์มีวิวัฒนาการหาเลี้ยงชีพด้วยการทำเกษตรกรรมและเลี้ยงสัตว์ จนกระทั่งเริ่มยุคโลหะเมื่อ 5,000 ล้านปีมานี้ มนุษย์เริ่มรู้จักสร้างเครื่องมือจากโลหะ การตัดไม้เริ่มต้นตั้งแต่ยุคนั้นเป็นต้นมา อย่างไรก็ตามจำนวนประชากรมนุษย์ยังคงเพิ่มขึ้นด้วยอัตราเพียงเล็กน้อย จนกระทั่งมนุษย์ได้คิดค้นยาปฏิชีวนะ เมื่อประมาณ พ.ศ.1900 ทำให้อัตราการตายน้อยกว่าอัตราการเกิดมาก จำนวนประชากรมนุษย์จึงทวีขึ้นอย่างสะสมตั้งแต่นั้นมา จนมาถึงยุคปฏิวัติทางอุตสาหกรรมเมื่อประมาณ พ.ศ.2390 มนุษย์ใช้เครื่องจักรกลในการสร้างผลผลิตและสิ่งอำนวยความสะดวก จึงเกิดการบริโภคพลังงานปริมาณมหาศาล ประกอบกับจำนวนประชากรที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้ต้องการพื้นที่ในการอยู่อาศัยและทำเกษตรกรรมซึ่งรวมถึงพื้นที่สำหรับเลี้ยงสัตว์ ผืนป่าได้ถูกถางโค่นเพื่อนำไม้มาเป็นพลังงาน และวัตถุดิบในการผลิต เทคโนโลยีสมัยใหม่เช่น เลื่อยไฟฟ้า และรถแทรกเตอร์ถูกนำมาใช้ ทำให้การตัดไม้ถางป่าเป็นไปได้อย่างรวดเร็ว พื้นที่ป่าของโลกลดลงอย่างรวดเร็วตั้งแต่บัดนั้นเป็นต้นมา


ภาพที่ 3 อัตราการเพิ่มขึ้นของประชากรมนุษย์


การลดความหลากหลายทางชีวภาพ
           นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า ร้อยละ 70 - 90 ของทุกสปีชีส์บนพื้นผิวโลก อาศัยอยู่ในป่าฝนเขตร้อน การตัดไม้ทำลายป่าทำให้สิ่งมีชีวิตสูญพันธุ์ไปประมาณ 50 – 100 สปีชีส์ในแต่ละวัน พื้นที่ป่าฝน 1 ตารางกิโลเมตรครั้งหนึ่งเคยมีพืชพันธุ์ เห็ดรา และสัตว์อยู่หลายร้อยสปีชีส์ ปัจจุบันกลายเป็นแปลงเกษตรซึ่งมีพันธุ์ไม้อยู่เพียงไม่กี่สปีชีส์ เช่น อ้อย ข้าวโพด สับปะรด มันสำปะหลัง การทำลายพืชพรรณอย่างรู้เท่าไม่ถึงการณ์ จะทำให้มนุษย์ขาดแคลนยารักษาโรคในอนาคต เนื่องจากร้อยละ 25 ของผลิตภัณฑ์ยาได้มาจากป่าฝนเขตร้อน นอกจากนั้นการหักล้างถางป่ายังส่งผลกระทบต่อสัตว์โดยตรง เพราะป่าคือถิ่นที่อยู่อาศัยของสัตว์ สัตว์บางชนิดต้องสูญพันธุ์ไปเพราะไม่มีที่อยู่อาศัยที่ปลอดภัย และขาดแคลนอาหาร สิ่งมีชีวิตทั้งหลายอยู่ร่วมกันเป็นระบบนิเวศ ผูกพันกันในห่วงโซ่อาหาร (ภาพที่ 4) เมื่อสปีชีส์หนึ่งสูญพันธุ์ก็จะส่งผลถึงสปีชีส์อื่นต่อๆ กันไป สัตว์บางชนิดที่ปรับตัวต่อการเปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อมอย่างรวดเร็วไม่ทัน ก็จะสูญพันธุ์ไปโดยง่าย


ภาพที่ 4 ความสัมพันธ์แบบห่วงโซ่อาหาร

คุณภาพดิน และการพังทะลายของดิน
          ดินมีคุณสมบัติต่างจากกรวดและทราย ตรงที่ดินมีองค์ประกอบของสารอินทรีย์หรือซากสิ่งมีชีวิต ดินมีกำเนิดมาจากป่า ตะกอนซากพืชซากสัตว์สะสมตัวบนพื้นป่า และถูกย่อยสลายด้วยจุลินทรีย์ กลายเป็นธาตุอาหารปะปนอยู่กับกรวดและทรายขนาดเล็ก เราจะเห็นได้ชัดเจนว่า ชั้นดินของป่าฝนมีความหนากว่าชั้นดินของป่าแล้ง อย่างไรก็ตามดินของป่าฝนจะมีคุณสมบัติเป็นกรด เมื่อต้นไม้ถูกถางโค่นเปิดโอกาสให้แสงอาทิตย์สัมผัสกับหน้าดินโดยตรง ถ้าหากดินมีอุณหภูมิสูงเกินกว่า 25?C ธาตุอาหารเช่น ไนโตรเจนจะถูกทำลาย ทำให้พืชพรรณอื่นๆ ไม่สามารถเจริญเติบโตได้ ซึ่งเราจะเห็นได้จากการทำไร่เลื่อนลอยย้ายที่เพาะปลูก เพราะดินขาดธาตุอาหาร อีกประการหนึ่งเนื้อดินที่ปราศจากสิ่งปกคลุมจะร้อนระอุและแตกเป็นแผ่น เมื่อเนื้อดินไม่มีรากพืชคอยยึดเหนี่ยวให้ติดกันเป็นกลุ่มก้อน เวลาฝนตกหนัก น้ำที่ไหลบ่าจะพัดพาดินให้พังทลาย กลายเป็นโคลนถล่ม เรามักจะได้ยินข่าวอยู่เสมอว่า บางหมู่บ้านจะถูกโคลนถล่มเมื่อเกิดน้ำท่วม เนื่องจากผืนป่าบริเวณต้นน้ำถูกทำลาย (ภาพที่ 5)


ภาพที่ 5 โคลนถล่มที่บ้านน้ำก้อ จ.เพชรบูรณ์

น้ำท่วม
          ตามปกติ เนื้อดินของพื้นป่าจะมีรูโพรง เนื่องจากเป็นที่อยู่อาศัยของสัตว์ และมีรากพืช เมื่อเกิดฝนตก น้ำจะไม่ไหลบ่าในทันที แต่จะไหลซึมเข้าไปตามรูโพรงเหล่านี้ พืชดูดเอาสารละลายที่เกิดจากน้ำและแร่ธาตุในดินมาสร้างเนื้อเยื่อเพื่อการเจริญเติบโต พืชทำหน้าที่เป็นอุโมงค์เชื่อมต่อระหว่างผืนดินและบรรยากาศ เมื่อพืชคายน้ำก็จะถ่ายเทไอน้ำกลับคืนสู่บรรยากาศ ดังเช่น วัฏจักรน้ำในภาพที่ 6 แต่เมี่อป่าถูกทำลาย ความหลากหลายทางชีวภาพลดน้อยลง ทำให้ปริมาณรูพรุนบนพื้นดินลดลงด้วย น้ำไม่สามารถไหลซึมสู่พื้นดิน และน้ำในดินก็ไม่สามารถระเหยสู่บรรยากาศ เพราะไม่มีอุโมงค์ถ่ายเท ฝนที่ตกลงมาจึงได้แต่ไหลบ่าไปตามพื้นดิน


ภาพที่ 6 วัฏจักรน้ำ


ภาวะเรือนกระจก
          ต้นไม้ทำหน้าที่เสมือนพ่อค้าคนกลางซึ่งแลกเปลี่ยนก๊าซชนิดต่างๆ ระหว่างพื้นดินกับบรรยากาศ (ภาพที่ 7) ฉะนั้นเมื่อพ่อค้าถูกฆ่าตายแล้ว ตลาดการแลกเปลี่ยนก๊าซย่อมซบเซา การเปลี่ยนแปลงปริมาณพืชมีผลกระทบต่อองค์ประกอบของบรรยากาศโดยตรง หน้าที่หลักของต้นไม้คือ การตรึงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศมาสังเคราะห์อาหารด้วยแสง แล้วปล่อยก๊าซออกซิเจนออกมา นั่นก็หมายความว่า ต้นไม้ช่วยลดภาวะเรือนกระจกซึ่งเกิดจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ เมื่อต้นไม้โดนตัดโค่นและถูกเผา การกระทำนี้นอกจากเป็นการระงับการลดภาวะเรือนกระจกแล้ว ยังเป็นการเพิ่มภาวะเรือนกระจกอีกด้วย เนื่องจากการเผาไหม้ทำให้คาร์บอนซึ่งถูกสะสมอยู่ในเนื้อไม้ ถูกแพร่กระจายออกสู่บรรยากาศในรูปของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ นอกจากนั้นการเปลี่ยนสภาพสิ่งปกคลุมดิน (Land cover) เช่น เปลี่ยนพื้นที่ป่าไม้กลายเป็นพื้นที่การเกษตร ย่อมทำให้อัลบีโด (ค่าการสะท้อนแสง) ของพื้นผิวโลกเปลี่ยนแปลง ซึ่งมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของบรรยากาศด้วย


ภาพที่ 7 แหล่งแลกเปลี่ยนก๊าซระหว่างพื้นดินกับบรรยากาศ

สภาวะกรด และมลภาวะทางอากาศ
          เมื่อไหร่ก็ตามที่เกิดการเผาไหม้มวลชีวภาพ เช่น ป่าไม้ ทำให้เกิดก๊าซซึ่งมีฤทธิ์เป็นกรด เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) และไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO2) เมื่อเกิดการควบแน่นในอากาศ น้ำฝนจะทำปฏิกิริยากับก๊าซเหล่านี้กลายเป็นฝนกรด ตกลงมาทำให้พื้นดินและสิ่งแวดล้อมมีฤทธิ์เป็นกรดตามไปด้วย เมื่อน้ำไหลบ่าไปสะสมรวมกันในแหล่งน้ำค่าความเป็นกรดก็จะสูงขึ้น และเมื่อถึงค่า pH 5 สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ก็จะไม่สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ นอกจากการเผาป่าจะทำให้สภาวะแวดล้อมเป็นกรดแล้ว ยังทำให้เกิดสารแขวนลอยในอากาศซึ่งมีผลกระทบต่ออุณหภูมิบรรยากาศ และสุขภาพของสิ่งมีชีวิตอีกด้วย
 


ตำแหน่งของโลกในจักรวาล
 

โลก (The Earth)
          โลกของเรามีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 12,756 กิโลเมตร โลกอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ 150 ล้านกิโลเมตร แสงอาทิตย์ต้องใช้เวลาเดินทางนาน 8 นาที กว่าจะถึงโลก

ระบบสุริยะ (Solar System)
          ประกอบด้วยดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์อยู่ตรงศูนย์กลาง มีดาวเคราะห์ 9 ดวง เป็นบริวารโคจรล้อมรอบ ดาวเคราะห์แต่ละดวง อาจมีดวงจันทร์เป็นบริวารโคจรล้อมรอบอีกทีหนึ่ง ดาวพลูโตอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ 6 พันล้านกิโลเมตร แสงอาทิตย์ต้องใช้เวลาเดินทางนานมากกว่า 5 ชั่วโมงกว่าจะถึงดาวพลูโต

ดาวฤกษ์เพื่อนบ้าน (Stars)
          
ดาวฤกษ์แต่ละดวงอาจมีระบบดาวเคราะห์เป็นบริวาร เช่นเดียวกับระบบสุริยะของเรา ดาวฤกษ์แต่ละดวงอยู่ห่างกัน เป็นระยะทางหลายล้านล้านกิโลเมตร ดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ที่สุดของดวงอาทิตย์ชื่อ "ปร๊อกซิมา เซนทอรี" (Proxima Centauri) อยู่ห่างออกไป 40 ล้านล้านกิโลเมตร หรือ 4.2 ปีแสง ดาวฤกษ์ซึ่งมองเห็นเป็นดวงสว่างบนท้องฟ้า ส่วนมากจะอยู่ห่างไม่เกิน 2,000 ปีแสง

กาแล็กซี (Galaxy)           
          กาแล็กซีคืออาณาจักรของดวงดาว กาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา มีรูปร่างเหมือนกังหัน มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 แสนปีแสง ประกอบด้วยดาวฤกษ์ประมาณ 1 พันล้านดวง ดวงอาทิตย์ของเราอยู่ห่างจากใจกลางของกาแล็กซีเป็นระยะทางประมาณ 3 หมื่นปีแสง หรือ 2 ใน 3 ของรัศมี

กระจุกกาแล็กซี (Cluster of galaxies)           กาแล็กซีมิได้อยู่กระจายตัวด้วยระยะห่างเท่า ๆ กัน หากแต่อยู่รวมกันเป็นกลุ่ม (Group) หรือกระจุก (Cluster) "กลุ่มกาแล็กซีของเรา" (The Local Group) ประกอบด้วยกาแล็กซีมากกว่า 10 กาแล็กซี กาแล็กซีเพื่อนบ้านของเรา มีชื่อว่า "กาแลกซีแอนโดรมีดา" (Andromeda galaxy) อยู่ห่างออกไป 2.3 ล้านปีแสง กลุ่มกาแล็กซีท้องถิ่นมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 ล้านปีแสง

ซูเปอร์คลัสเตอร์ (Supercluster)       
          ซูเปอร์คลัสเตอร์ ประกอบด้วยกระจุกกาแล็กซีหลายกระจุก "ซูเปอร์คลัสเตอร์ของเรา" (The local supercluster) มีกาแล็กซีประมาณ 2 พันกาแล็กซี ตรงใจกลางเป็นที่ตั้งของ "กระจุกเวอร์โก" (Virgo cluster) ซึ่งประกอบด้วยกาแล็กซีประมาณ 50 กาแล็กซี อยู่ห่างออกไป 65 ล้านปีแสง กลุ่มกาแล็กซีท้องถิ่นของเรา กำลังเคลื่อนที่ออกจากกระจุกเวอร์โก ด้วยความเร็ว 400 กิโลเมตร/วินาที

เอกภพ (Universe)
           "เอกภพ" หรือ "จักรวาล" หมายถึง อาณาบริเวณโดยรวม ซึ่งบรรจุทุกสรรพสิ่งทั้งหมด  นักดาราศาสตร์ยังไม่ทราบว่า ขอบของเอกภพสิ้นสุดที่ตรงไหน แต่พวกเขาพบว่ากระจุกกาแล็กซีกำลังเคลื่อนที่ออกจากกัน นั่นแสดงให้เห็นว่าเอกภพกำลังขยายตัว เมื่อคำนวณย้อนกลับนักดาราศาสตร์พบว่า เมื่อก่อนทุกสรรพสิ่งเป็นจุด ๆ เดียว เอกภพถือกำเนิดขึ้นด้วย "การระเบิดใหญ่" (Big Bang) เมื่อประมาณ 13,000 ล้านปีมาแล้ว


เทห์วัตถุท้องฟ้า

          ในเวลาค่ำคืนที่ฟ้าใสไร้เมฆ ปราศจากแสงรบกวน หากแหงนหน้ามองดูท้องฟ้าด้วยตาเปล่า จะพบเทห์วัตถุท้องฟ้า (Celestial objects) นานาชนิด มีทั้งขนาดเล็กและใหญ่ อยู่ห่างจากตัวเราด้วยระยะทางที่ต่างกัน นับตั้งแต่ ดวงจันทร์ซึ่งอยู่ห่างจากโลก 386,000 กิโลเมตร ไปจนถึงกาแล็กซีแอนโดรเมดา ซึ่งอยู่ห่างออกไป 2.3 ล้านปีแสง (1 ปีแสง = ระยะทางซึ่งแสงใช้เวลานาน 1 ปี หรือ 9.5 ล้านล้านกิโลเมตร)

ระบบสุริยะ (Solar system)

ดวงอาทิตย์ (The Sun)
เป็นดาวฤกษ์ซึ่งอยู่ตรงกลางระบบสุริยะ มีดาวเคราะห์เป็นบริวารโคจรล้อมรอบ อุณหภูมิที่ใจกลางของดวงอาทิตย์สูงถึง 15 ล้านองศาเซลเซียส เนื่องจากอะตอมของไฮโดรเจนรวมตัวเป็นฮีเลียม อุณหภูมิพื้นผิว 5,800°C ดวงอาทิตย์มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.4 ล้านกิโลเมตร
ดาวเคราะห์ (Planet)
เป็นบริวารของดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเรามี 9 ดวง อุณหภูมิระหว่าง 480°C (ดาวศุกร์) ถึง -200°C (ดาวพลูโต) ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2,274 กิโลเมตร (ดาวพลูโต) ถึง 142,984 กิโลเมตร (ดาวพฤหัส ฯ)
ดวงจันทร์ (Satellite)
เป็นบริวารของดาวเคราะห์อีกทีหนึ่ง โลกมีดวงจันทร์ 1 ดวง แต่ดาวเคราะห์ยักษ์ เช่น ดาวพฤหัส ฯ มีดวงจันทร์มากกว่า 20 ดวง ดวงจันทร์มีหลายขนาด ตั้งแต่ 12 กิโลเมตร จนถึง 5,262 กิโลเมตร ดวงจันทร์ของโลกมีชื่อว่า "The Moon" มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 3,476 กิโลเมตร
ดาวเคราะห์น้อย (Asteroid)
เป็นบริวารขนาดเล็กของระบบสุริยะ มีขนาดตั้งแต่ 1 กิโลเมตร จนถึง 932 กิโลเมตร ส่วนมากจะอยู่ระหว่างวงโคจรของดาวอังคาร กับ วงโคจรของดาวพฤหัสบดี วงโคจรของดาวเคราะห์น้อยเป็นวงรี บางดวงมีวงโคจรที่ตัดกับวงโคจรของโลก ในบางครั้งเศษฝุ่นจากดาวเคราะห์น้อย ถูกดูดให้ตกลง เสียดสีกับบรรยากาศโลก ลุกไหม้ติดไฟ ทำให้เรามองเห็นเป็น "ฝนดาวตก" (Meteor shower)
ดาวหาง (Comet)
เป็นบริวารชั้นนอกสุดของดวงอาทิตย์ มีองค์ประกอบเป็นหินปนน้ำแข็ง มีวงโคจรรีมาก เมื่อโคจรเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ ความร้อนจะทำให้น้ำแข็งระเหิดเป็นไอ ลมสุริยะพัดให้ก๊าซและฝุ่น พุ่งไปด้านหลังเป็นหางยาว วงโคจรของดาวหางเป็นวงรีมาก บางดวงมีวงโคจรที่ตัดกับวงโคจรของโลก ในบางครั้งเศษฝุ่นจากดาวหาง ถูกดูดให้ตกลง เสียดสีกับบรรยากาศโลก ลุกไหม้ติดไฟ ทำให้เรามองเห็นเป็น "ฝนดาวตก" (Meteor shower)
อุกกาบาต (Meteoroid) และ ดาวตก (Meteor)
อุกกาบาต หมายถึงเศษวัตถุขนาดเล็กในอวกาศ มีทั้งที่เป็นโลหะ และอโลหะ (ส่วนใหญ่มีขนาดเท่าเม็ดทราย) เมื่ออุกกาบาตถูกแรงโน้มถ่วงของโลก ดึงดูดให้ตกลงมา เสียดสีกับบรรยากาศของโลกที่ระยะสูงประมาณ 70 - 80 กิโลเมตร เกิดความร้อนจนลุกไหม้ติดไฟ ทำให้เรามองเห็นเป็นทางยาว เรียกว่า "ดาวตก" หรือ "ผีพุ่งใต้" ในบางครั้งอุกกาบาตขนาดใหญ่ ลุกไหม้ไม่หมด ตกลงมาถึงพื้นโลก เราเรียกว่า "ก้อนอุกกาบาต" (Meteorite)

ระบบของดาวฤกษ์

 

ดาวฤกษ์ (Star)
หมายถึง ดาวซึ่งมีมวลสารจำนวนมหาศาล มีอุณหภูมิสูงและแผ่รังสี ซึ่งเกิดจากปฏิกริยานิวเคลียร์ ดาวฤกษ์อยู่ไกลมาก แม้จะส่องมองด้วยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ก็มองเห็นเป็นเพียงจุดแสง ดาวฤกษ์เพื่อนบ้านของเรามีชื่อว่า "อัลฟา เซนทอรี" (Alpha Centauri) เป็นระบบดาวฤกษ์สามดวง (มีดวงอาทิตย์สามดวงโคจรรอบกันและกัน) อยู่ในกลุ่มดาวคนครึ่งสัตว์ ดวงที่อยู่ใกล้กับดวงอาทิตย์มากที่สุดชื่อ "ปร๊อกซิมา เซนทอรี" (Proxima Centauri) อยู่ห่างออกไป 40 ล้านล้านกิโลเมตร หรือ 4.2 ปีแสง (1 ปีแสง = ระยะทางซึ่งแสงใช้เวลานาน 1 ปี หรือ 9.5 ล้านล้านกิโลเมตร) ดาวฤกษ์บางดวงมีดาวเคราะห์โคจรล้อมรอบ เช่นเดียวกับดวงอาทิตย์ของเรา เราเรียกระบบสุริยะเช่นนี้ว่า "ระบบสุริยะอื่น" (Extra solar system)
 
เนบิวลา (Nebula)
หรือ หมอกเพลิง หมายถึง กลุ่มก๊าซซึ่งรวมตัวกำเนิดเป็นดาวเกิดใหม่ หรือ กลุ่มก๊าซซึ่งเกิดจากการระเบิดของดาว เราแบ่งเนบิวลาตามความสว่างออกเป็น 2 ชนิดคือ "เนบิวลาสว่าง" (Emission nebula) ซึ่งได้รับแสงมาจากดาวฤกษ์ซึ่งอยู่ข้างในกลุ่มก๊าซ และ "เนบิวลามืด" (Dark nebula) ซึ่งเป็นกลุ่มก๊าซหนาทึบ บดบังแสงสว่างจากดาวฤกษ์ซึ่งอยู่ด้านหลัง เนบิวลาสว่างใหญ่ที่สามารถมองเห็นได้ง่าย ได้แก่ เนบิวลากลุ่มดาวนายพราน (M42)
กระจุกดาวเปิด (Open Cluster)
เมื่อหมอกเพลิงมีขนาดใหญ่ยุบตัว จะให้กำเนิดดาวฤกษ์จำนวนมาก อยู่ในบริเวณใกล้ ๆ กัน กระจุกดาวเปิดที่มีชื่อเสียง และมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ได้แก่ กระจุกดาวลูกไก่ (M45) ในกลุ่มดาววัว (Taurus)

ระบบของกาแล็กซี

 

กาแล็กซี (Galaxy)
บางทีเรียกว่า "ดาราจักร" หมายถึง อาณาจักรของดาว ดาวมิได้กระจายตัวกันอยู่ในอวกาศ แต่อยู่รวมกันเป็นอาณาจักรขนาดใหญ่ กาแล็กซีของเรามีชื่อว่า "กาแล็กซีทางช้างเผือก" (The Milky Way galaxy) มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100,000 ปีแสง (1 ปีแสง = ระยะทางซึ่งแสงใช้เวลานาน 1 ปี หรือ 9.5 ล้านล้านกิโลเมตร) เป็นอาณาจักรของดาวประมาณ 1 พันล้านดวง ในกาแล็กซีมีทั้ง ดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ เนบิวลา และกระจุกดาวเปิด นอกจากกาแล็กซีทางช้างเผือกแล้ว ยังมี "กาแล็กซีแอนโดรมีดา" (M31) ซึ่งสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เป็นจุดจาง ๆ ในกลุ่มดาวแอนโดรมีดา (Andromeda) กาแล็กซีนี้อยู่ห่างออกไป 2.3 ล้านปีแสง
กระจุกดาวทรงกลม (Globular cluster)
เป็นกระจุกดาวฤกษ์ซึ่งเกาะตัวกัน เป็นรูปทรงกลมคล้ายลูกบอล อยู่รายล้อมใจกลางของกาแล็กซี กาแล็กซีทางช้างเผือกมีกระจุกดาวทรงกลมรายล้อมอยู่ไม่น้อยกว่า 150 กระจุก แต่ละกระจุกมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 100 ปีแสง โดยมีดาวฤกษ์บรรจุอยู่ภายในนับแสน ถึงหลายล้านดวง กระจุกดาวทรงกลมที่มีชื่อเสียงมีชื่อว่า "โอเมก้า เซนทอรี" (Omega Centauri) อยู่ในกลุ่มดาวคนครึ่งสัตว์ (Centaurus) ทางซีกฟ้าใต้ สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า คล้ายดาวดวงเล็ก

หมายเหตุ: ภาพเทห์วัตถุแต่ละชนิดในภาพ มิได้อยู่ในมาตราส่วนเดียวกัน


ระยะเชิงมุม

          ในการวัดระยะห่างของดวงดาวและเทหวัตถุต่าง ๆ บนท้องฟ้านั้น เราไม่สามารถวัดระยะห่างออกมาเป็นหน่วยเมตร หรือกิโลเมตรได้โดยตรง ถ้าเราไม่ทราบว่าวัตถุเหล่านั้นอยู่ห่างจากเราเป็นระยะทางเท่าไร ดังนั้นการวัดระยะทางดาราศาสตร์ จึงนิยมวัดออกมาเป็น ระยะเชิงมุม (Angular distance) ตัวอย่างเช่น เราบอกว่า ดาว A อยู่ห่างจาก ดาว B เป็นระยะทาง 5 องศา หรือบอกว่าดวงจันทร์มีขนาดกี่องศา ซึ่งเป็นการบอกระยะห่างและขนาดเป็นเชิงมุมทั้งสิ้น

ภาพที่ 1  แสดงการวัดระยะเชิงมุม

          ระยะเชิงมุมที่วัดได้นั้น เป็นระยะห่างที่ปรากฏให้เห็นเท่านั้น ทว่าในความเป็นจริง ดาว A และดาว B อาจอยู่ห่างจากเราไม่เท่ากัน หรืออาจจะอยู่ห่างจากเราเป็นระยะที่เท่ากันจริง ๆ ก็ได้ เนื่องจากดาวที่เราเห็นในท้องฟ้านั้นเราเห็นเพียง 2 มิติเท่านั้น ส่วนมิติความลึกนั้นเราไม่สามารถสังเกตได้

การวัดระยะเชิงมุมอย่างง่าย

          ในการวัดระยะเชิงมุมถ้าต้องการค่าที่ละเอียดและมีความแม่นยำ จะต้องใช้อุปกรณ์ที่มีความซับซ้อนมากในการวัด แต่ถ้าต้องการเพียงค่าโดยประมาณ เราสามารถวัดระยะเชิงมุมได้โดยใช้เพียงมือและนิ้วของเราเองเท่านั้น เช่น ถ้าเรากางมือชูนิ้วโป้งและนิ้วก้อย โดยเหยียดแขนให้สุด ความกว้างของนิ้วทั้งสองเทียบกับมุมบนท้องฟ้า จะได้มุมประมาณ 18 องศา ถ้าดาวสองดวงอยู่ห่างกันด้วยความกว้างนี้แสดงว่า ดาวทั้งสองอยู่ห่างกัน 18 องศาด้วย


ภาพที่ 2  การใช้มือวัดมุม

           ในคืนที่มีดวงจันทร์เต็มดวง ให้เราลองกำมือชูนิ้วก้อยและเหยียดแขนออกไปให้สุด ทาบนิ้วก้อยกับดวงจันทร์ เราจะพบว่านิ้วก้อยของเราจะบังดวงจันทร์ได้พอดี เราจึงบอกได้ว่าดวงจันทร์มี "ขนาดเชิงมุม" (Angular Diameter) เท่ากับ 1/2 องศา โดยขนาดเชิงมุมก็คือ ระยะเชิงมุมที่วัดระหว่างขอบของดวงจันทร์นั้นเอง ขนาดเชิงมุมของวัตถุขึ้นอยู่กับระยะห่างของวัตถุกับผู้สังเกต และขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางจริงของวัตถุนั้น


ภาพที่ 3  ขนาดเชิงมุม

          ยกตัวอย่าง: ลองจินตนาการภาพลูกบอลวางอยู่ห่างจากเรา 1 เมตร ให้เราลองวัดขนาดเชิงมุมของลูกบอล จากนั้นเลื่อนลูกบอลให้ไกลออกไปเป็นระยะทาง 3 เท่า ขนาดเชิงมุมจะลดลงเป็น 1 ใน 3 ของขนาดที่วัดได้ก่อนหน้านี้
ดังนั้น "ค่าขนาดเชิงมุม" คือ อัตราส่วนของขนาดจริง ต่อ ระยะห่างของวัตถุ

 


การกำหนดทิศ


         เมื่อเราอยู่กลางแจ้งและมองไปรอบ ๆ ตัว เราจะเห็นพื้นโลกทอดไกลออกไปจรดขอบฟ้าเป็นรูปครึ่งวงกลม เราเรียกเส้นตัดระหว่างพื้นโลกกับขอบฟ้าว่า เส้นขอบฟ้า (Horizon)   เส้นขอบฟ้าเป็นเส้นวงกลมล้อมรอบตัวในแนวราบ เมื่อสังเกตการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์ในเวลาเช้า จะเห็นดวงอาทิตย์โผล่ขึ้นมาจากขอบฟ้าด้านหนึ่ง เรียกว่า ทิศตะวันออก และดวงอาทิตย์ จะเคลื่อนที่ขึ้นสูงที่สุดในเวลาประมาณเที่ยงวัน จากนั้นดวงอาทิตย์จะเคลื่อนต่ำลงกระทั่งตกลับขอบฟ้าอีกด้านหนึ่ง เรียกว่า ทิศตะวันตก   การขึ้น – ตกของดวงอาทิตย์ เกิดจากการหมุนรอบตัวเองของโลกตามแกนเหนือ - ใต้ ดังนั้นการกำหนดทิศทางบนโลก จึงแบ่งออกเป็น 4 ทิศหลัก คือ ทิศตะวันออก (East) ทิศตะวันตก (West) ทิศเหนือ (North) และทิศใต้ (South)  โดยทิศทั้งสี่มีความสัมพันธ์กันดังนี้

 

 

ภาพที่ 1 เมื่อหันหน้าไปทางเหนือ
ด้านหลังของเราจะเป็นทิศใต้
แขนซ้ายจะชี้ไปทางทิศตะวันตก
แขนขวาจะชี้ไปทางทิศตะวันออก
 



 

ภาพที่ 2 เมื่อหันหน้าไปทางทิศตะวันตก

ด้านหลังของเราจะเป็นทิศตะวันออก
แขนซ้ายจะชี้ไปทางทิศใต้
แขนขวาจะชี้ไปทางทิศเหนือ
 




ภาพที่ 3 จุดเหนือศีรษะ


จุดสูงที่สุดบนฟ้าจะอยู่เหนือศีรษะพอดี เรียกว่า จุดเหนือศีรษะ  (Zenith)

จุดเหนือศีรษะทำมุมกับผู้สังเกตการณ์ และขอบฟ้าทุก ๆ ด้าน เป็นมุมฉาก (90°) พอดี

การบอกตำแหน่งดาว


ภาพที่ 4  มุมอาซิมุท และมุมเงย

          ในการบอกตำแหน่งเทห์วัตถุท้องฟ้าอย่างง่าย ซึ่งเรียกว่า ระบบ "อัลตาซิมุท" (Alt-azimuth) นั้น  เราบอกด้วยค่ามุมสองชนิด คือ มุมอาซิมุท และมุมเงย
                มุมอาซิมุท (Azimuth) เป็นมุมในแนวราบ นับจากทิศเหนือ ในทิศทางตามเข็มนาฬิกา ไปยังทิศตะวันออก ทิศใต้ ทิศตะวันตก และกลับมาทิศเหนืออีกครั้งหนึ่ง มีค่าระหว่าง 0 - 360 องศา
                มุมเงย (Altitude) เป็นมุมในแนวตั้ง นับจากเส้นขอบฟ้าขึ้นไปสู่จุดเหนือศีรษะ มีค่าระหว่าง 0 - 90 องศา

          จากตัวอย่างในภาพที่ 4 แสดงให้เห็นว่า ตำแหน่งของดาว มีค่ามุมอาซิมุธ 250°  และมีค่ามุมเงย 50°


ทรงกลมท้องฟ้า

          คนในสมัยโบราณเชื่อว่า ดวงดาวทั้งหมดบนท้องฟ้าอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทางเท่า ๆ กัน โดยดวงดาวเหล่านั้น ถูกตรึงอยู่บนผิวของทรงกลมขนาดใหญ ่เรียกว่า ทรงกลมท้องฟ้า (Celestial sphere)   โดยมีโลกอยู่ที่ศูนย์กลางของทรงกลม ทรงกลมท้องฟ้าหมุนรอบโลกจากทิศตะวันออกไปยังทิศตะวันตก โดยที่โลกหยุดนิ่งอยู่กับที่ ไม่เคลื่อนไหว
          นักปราชญ์ในยุคต่อมาทำการศึกษาดาราศาสตร์กันมากขึ้น จึงพบว่า ดวงดาวบนท้องฟ้าอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทางที่แตกต่างกัน กลางวันและกลางคืนเกิดจากการหมุนรอบตัวเองของโลก มิใช่การหมุนของทรงกลมท้องฟ้า ดังที่เคยเชื่อกันในอดีต อย่างไรก็ตามในปัจจุบันนักดาราศาสตร์ยังคงใช้ทรงกลมท้องฟ้า เป็นเครื่องมือในการระบุตำแหน่งทางดาราศาสตร์ ทั้งนี้เป็นเพราะ หากเราจินตนาการให้โลกเป็นศูนย์กลาง โดยมีทรงกลมท้องฟ้าเคลื่อนที่หมุนรอบ จะทำให้ง่ายต่อการระบุพิกัด หรือเปรียบเทียบตำแหน่งของวัตถุบนท้องฟ้า และสังเกตการเคลื่อนที่ของวัตถุเหล่านั้นได้ง่ายขึ้น
 


ภาพที่ 1 จินตนาการจากอวกาศ


          หากต่อแกนหมุนของโลกออกไปบนท้องฟ้าทั้งสองด้าน เราจะได้จุดสมมติเรียกว่า ขั้วฟ้าเหนือ (North celestial pole) และ ขั้วฟ้าใต้ (South celestial pole) โดยขั้วฟ้าทั้งสอง จะมีแกนเดียวกันกับแกนการหมุนรอบตัวเองของโลก และขั้วฟ้าเหนือจะชี้ไปประมาณตำแหน่งของดาวเหนือ ทำให้เรามองเห็นว่า ดาวเหนือไม่มีการเคลื่อนที่
          หากขยายเส้นศูนย์สูตรโลกออกไปบนท้องฟ้าโดยรอบ เราจะได้เส้นสมมติเรียกว่าเส้นศูนย์สูตรฟ้า (Celestial equator) เส้นศูนย์สูตรฟ้าแบ่งท้องฟ้าออกเป็น ซีกฟ้าเหนือ (Northern hemisphere) และ ซีกฟ้าใต้ (Southern hemisphere) เช่นเดียวกับที่เส้นศูนย์สูตรโลก แบ่งโลกออกเป็น ซีกโลกเหนือ และซีกโลกใต้
 
ภาพที่ 2 จินตนาการจากพื้นโลก

       ในความเป็นจริง เราไม่สามารถมองเห็น ทรงกลมท้องฟ้าได้ทั้งหมด เนื่องจากเราอยู่บนพื้นผิวโลก จึงมองเห็นทรงกลมท้องฟ้าได้เพียงครึ่งเดียว และเรียกแนวที่ท้องฟ้าสัมผัสกับพื้นโลกรอบตัวเราว่า เส้นขอบฟ้า (Horizon)   ซึ่งเป็นเสมือนเส้นรอบวงบนพื้นราบ ที่มีตัวเราเป็นจุดศูนย์กลาง
           หากลากเส้นโยงจากทิศเหนือมายังทิศใต้ เส้นเมอริเดียน (Meridian) โดยผ่านจุดเหนือศรีษะ จะได้เส้นสมมติซึ่งเรียกว่า
           หากลากเส้นเชื่อมทิศตะวันออก-ทิศตะวันตก โดยให้เส้นสมมตินั้น เอียงตั้งฉากกับขั้วฟ้าเหนือตลอดเวลา จะได้ เส้นศูนย์สูตรฟ้า (Celestial equatorial) ซึ่งแบ่งท้องฟ้าออกเป็น ซีกฟ้าเหนือ และซีกฟ้าใต้           หากทำการสังเกตการณ์จากประเทศไทย ซึ่งอยู่บนซีกโลกเหนือ จะมองเห็นซีกฟ้าเหนือ มีอาณาบริเวณมากกว่าซีกฟ้าใต้เสมอ

การเคลื่อนที่ของทรงกลมท้องฟ้า

          เมื่อมองจากพื้นโลกเราจะเห็นทรงกลมท้องฟ้าเคลื่อนที่จากทิศตะวันออกไปยังทิศตะวันตก อย่างไรก็ตามเนื่องจากโลกของเราเป็นทรงกลม ดังนั้นมุมมองของการเคลื่อนที่ของทรงกลมท้องฟ้า ย่อมขึ้นอยู่กับตำแหน่งละติจูด (เส้นรุ้ง) ของผู้สังเกตการณ์ เป็นต้นว่า
           ถ้าผู้สังเกตการณ์อยู่บนเส้นศูนย์สูตร หรือละติจูด 0° ขั้วฟ้าเหนือก็จะอยู่ที่ขอบฟ้าด้านทิศเหนือพอดี (ภาพที่ 3)
           ถ้าผู้สังเกตการณ์อยู่ที่ละติจูดสูงขึ้นไป เช่น ละติจูด 13° ขั้วฟ้าเหนือก็จะอยู่สูงจากขอบฟ้า 13° (ภาพที่ 4)
          ถ้าผู้สังเกตการณ์อยู่ที่ขั้วโลกเหนือ หรือละติจูด 90° ขั้วฟ้าเหนือก็จะอยู่สูงจากขอบฟ้า 90° (ภาพที่ 5)
          เราสามารถสรุปได้ว่า ถ้าผู้สังเกตการณ์อยู่ที่ละติจูดเท่าใด ขั้วฟ้าเหนือก็จะอยู่สูงจากขอบฟ้าเท่ากับละติจูดนั้น
 
ภาพที่ 3 ละติจูด 0° N
ผู้สังเกตการณ์อยู่ที่เส้นศูนย์สูตร (ละติจูด 0° N)
ดาวเหนือจะอยู่บนเส้นขอบฟ้าพอดี
ดาวขึ้น – ตก ในแนวในตั้งฉากกับพื้นโลก
ภาพที่ 4 ละติจูด 13° N
ผู้สังเกตการณ์อยู่ที่ กรุงเทพ ฯ (ละติจูด 13° N )
ดาวเหนือจะอยู่สูงเหนือเส้นขอบฟ้า 13 °
ดาวขึ้น – ตก ในแนวเฉียงไปทางใต้ 13 °
ภาพที่ 5 ละติจูด 90° N
ผู้สังเกตการณ์อยู่ที่ขั้วโลกเหนือ (ละติจูด 90° N)
ดาวเหนือจะอยู่สูงเหนือเส้นขอบฟ้า 90 °
ดาวเคลื่อนที่ในแนวขนานกับพื้นโลก

สุริยะวิถี

          โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงรี โดยที่แกนของโลกเอียง 23.5° ในฤดูร้อนโลกเอียงขั้วเหนือเข้าหาดวงอาทิตย์ ทำให้ซีกโลกเหนือกลายเป็นฤดูร้อน และซีกโลกใต้กลายเป็นฤดูหนาว ในเวลาหกเดือนต่อมาโลกโคจรไปอยู่อีกด้านหนึ่งของวงโคจร โลกเอียงขั้วใต้เข้าหาดวงอาทิตย์ (แกนของโลกเอียง 23.5° คงที่ตลอดปี) ทำให้ซีกโลกใต้กลายเป็นฤดูร้อน และซีกโลกเหนือกลายเป็นฤดูหนาว ดังแสดงในภาพที่ 1

ภาพที่ 1 แกนของโลกเอียง 23.5° ขณะที่โคจรรอบดวงอาทิตย์

          แกนของโลกเอียง 23.5° ขณะที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ทำให้ระนาบวงโคจรของโลก (เส้นสุริยะวิถี) ทำมุมกับ ระนาบของเส้นศูนย์สูตรฟ้า เป็นมุม 23.5° ดังแสดงในภาพที่ 2

ภาพที่ 2 ระนาบของเส้นสุริยะวิถีทำมุม 23.5° กับระนาบวงโคจรรอบดวงอาทิตย์

          เราเรียกจุดที่ระนาบทั้งสองตัดกันว่า อีควิน็อกซ์ (Equinox) โดยจะมีอยู่ด้วยกันสองจุด คือ อีควิน็อกซ์ฤดูใบไม้ผลิ (Vernal equinox) ประมาณวันที่ 21 มีนาคม และ อีควิน็อกซ์ฤดูใบไม้ร่วง (Autumnal equinox) ประมาณวันที่ 22 กันยายนของทุกปี
           เราเรียก ตำแหน่งที่เส้นสุริยะวิถีอยู่ห่างจากเส้นศูนย์สูตรฟ้าไปทางขั้วฟ้าเหนือมากที่สุดว่า โซลส์ติซฤดูร้อน (Summer solstice) ประมาณวันที่ 21 มิถุนายน และเราเรียก ตำแหน่งที่เส้นสุริยะวิถีอยู่ห่างจากเส้นศูนย์สูตรฟ้า ไปทางขั้วฟ้าใต้มากที่สุด เรียกว่า โซลส์ติซฤดูหนาว (Winter solstice) ประมาณวันที่ 21 ธันวาคม



ภาพที่ 3   เส้นสุริยะวิถีเอียงทำมุมกับเส้นศูนย์สูตรฟ้า
ทำให้เรามองเห็นดวงอาทิตย์ขึ้น-ตก ค่อนไปทางเหนือหรือใต้ในรอบปี

          ในทางปฏิบัติ เมื่อมองดูจากประเทศไทย ซึ่งอยู่บนซีกโลกเหนือ เราจะมองเห็นเส้นทางขึ้น–ตก ของดวงอาทิตย์บนท้องฟ้า ดังภาพที่ 3
           ดวงอาทิตย์ขึ้นทางทิศตะวันออก และตกทางทิศตะวันตกพอดี ประมาณวันที่ 21 มีนาคม (อีควิน็อกซ์ฤดูใบไม้ผลิ) ทำให้กลางวันและกลางคืนยาวนานเท่ากัน
          ในฤดูร้อน ดวงอาทิตย์อยู่ค่อนไปทางทิศเหนือมากขึ้นในแต่ละวัน และจะอยู่ค่อนไปทางทิศเหนือมากที่สุด ประมาณวันที่ 21 มิถุนายน (โซลส์ติซฤดูร้อน) ดวงอาทิตย์ขึ้นเร็วและตกช้า ทำให้กลางวันยาวนานกว่ากลางคืน
           หลังจากนั้นดวงอาทิตย์จะค่อนกลับมาทางทิศตะวันออกอีกครั้ง จนกระทั่งประมาณวันที่ 22 กันยายน (อีควิน็อกซ์ฤดูใบไม้ร่วง) ดวงอาทิตย์จะขึ้นทางทิศตะวันออก และตกทางทิศตะวันตกพอดี ทำให้กลางวันและกลางคืนยาวนานเท่ากัน
           ในฤดูหนาว ดวงอาทิตย์อยู่ค่อนไปทางทิศใต้มากขึ้นในแต่ละวัน (ชาวบ้านเรียนกันว่า "ตะวันอ้อมข้าว") และจะอยู่ค่อนไปทางทิศใต้มากที่สุด ประมาณวันที่ 21 ธันวาคม (โซลส์ติซฤดูหนาว) ดวงอาทิตย์ขึ้นช้าและตกเร็ว ทำให้กลางคืนยาวนานกว่ากลางวัน หลังจากนั้นก็จะอยู่ค่อนกลับมาทางทิศตะวันออกอีกเช่นเดิม
 


การคำนวณตำแหน่งดาวอย่างง่าย

           ตำแหน่งของดาวบนท้องฟ้าเปลี่ยนแปลง (การเคลื่อนที่ของทรงกลมท้องฟ้า) เนื่องจากการหมุนรอบตัวเองของโลก และการที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ มนุษย์ได้พัฒนาความรู้ทางคณิตศาสตร์จากการสังเกตการณ์ท้องฟ้า มาสร้างเป็นนาฬิกาและปฏิทิน เพื่อบอกเวลา    ในการสังเกตการณ์ท้องฟ้านั้น เราสามารถคำนวณตำแหน่งของดาวบนท้องฟ้าได้อย่างง่ายดาย ด้วยวิธีบัญญัติไตรยางค์

             การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งเนื่องจากโลกหมุนรอบตัวเอง

                   โลกหมุนรอบตัวเอง 1 รอบ ใช้เวลา 24 ชั่วโมง
                   24 ชั่วโมง ตำแหน่งของดาว (มุมที่ทำกับขั้วฟ้า) เปลี่ยนแปลง 360 องศา
                   1 ชั่วโมง ตำแหน่งของดาวเปลี่ยนแปลง = 360 / 24 = 15 องศา
                   1 นาที ตำแหน่งของดาวเปลี่ยนแปลง = 15 / 60 = 0.25 องศา

ตัวอย่างที่ 1
ดวงอาทิตย์ขึ้นทางทิศตะวันออก เวลา 06.00 น. ไปตกยังทิศตะวันตก เวลา 18.00 น. ใช้เวลา 12 ชั่วโมง คิดเป็นมุมได้ 180 องศา
         ดังนั้น 1 ชั่วโมง ดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ = 180 / 12 = 15 องศา เพราะฉะนั้นในเวลา 09.00 น.          ดวงอาทิตย์จะอยู่สูงจากขอบฟ้าด้านทิศตะวันออก = (9 – 6) x 15 = 45 องศา
หมายเหตุ: ตัวเลขการขึ้น-ตก ของดวงอาทิตย์ เป็นตัวเลขสมมติ


ตัวอย่างที่ 2
เรามองเห็นกลุ่มดาวนายพรานอยู่เหนือศรีษะ เวลา 21.00 น. อยากทราบว่ากลุ่มดาวนายพรานจะตกเวลาเท่าไร
           ใน 1 ชั่วโมง ดาวบนเส้นศูนย์สูตรฟ้าเคลื่อนที่ไปทางตะวันตก เป็นมุม = 180 / 12 = 15 องศา
           จุดเหนือศีรษะ ทำมุมกับ ขอบฟ้าด้านทิศตะวันตก = 90 องศา
           ดังนั้นกลุ่มดาวนายพรานจะเคลื่อนไปอยู่ที่ขอบฟ้าด้านทิศตะวันตก ใช้เวลา = 90/15 = 6 ชั่วโมง
           เพราะฉะนั้นกลุ่มดาวนายพรานจะตกเวลา = 21.00 + 6.00 (– 24.00) ชั่วโมง = 03.00 นาฬิกา ของวันรุ่งขึ้น


 


ตัวอย่างที่ 3
เรามองเห็นดาวอาทิตย์อยู่สูงเหนือขอบฟ้าด้านทิศตะวันตก เป็นระยะสูง 4 เท่า ของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง อยากทราบว่า ดวงอาทิตย์จะสัมผัสขอบฟ้าภายในเวลากี่นาที
ขนาดเชิงมุมของเส้นผ่านศูนย์กลางดวงอาทิตย์ = 0.5 องศา
ดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ไป 4 เท่าของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง = 4 x 0.5 = 2 องศา
           1 ชั่วโมง ดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ = 180 / 12 = 15 องศา
            ดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ 1 องศา ใช้เวลา = 60/15 = 4 นาที
ดังนั้นย่อมใช้เวลา = 2 x 4 = 8 นาที กว่าดวงอาทิตย์จะสัมผัสขอบฟ้า

         


             การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งเนื่องจากโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์
                   โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ 1 รอบ ใช้เวลา 1 ปี หรือ 365 วัน
                   1 ปี ตำแหน่งของดาวเปลี่ยนแปลง 360 องศา (มุมที่ทำกับขั้วฟ้า)
                   1 วัน ตำแหน่งของดาวเปลี่ยนแปลง 360 / 365 = 1 องศา
                   นั่นหมายความว่า ดาวขึ้นเร็วขึ้นวันละ 1 องศา

การเปลี่ยนตำแหน่งของดาวเนื่องจากโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์
 

ตัวอย่างที่ 4
วันที่ 1 มกราคม กลุ่มดาวนายพรานขึ้นเวลา 18.30 น. อยากทราบว่า ในเวลาเดียวกัน ของวันที่ 1 กุมภาพันธ์ ตำแหน่งของกลุ่มดาวนายพรานจะสูงเหนือขอบฟ้ากี่องศา
          ใน 1 วัน ตำแหน่งของดาวเปลี่ยนแปลง 360 / 365 ประมาณ 1 องศา
          ดังนั้น 31 วัน ตำแหน่งของดาวเปลี่ยนแปลง = 1 x 31 = 31 องศา
           เพราะฉะนั้นในวันที่ 1 กุมภาพันธ์ เวลา 18.30 น. กลุ่มดาวนายพรานจะสูงเหนือขอบฟ้าด้านทิศตะวันออก 31 องศา


นาฬิกาแดด

          นาฬิกาแดด (Sun dial) เป็นเครื่องมือในการบอกเวลาของมนุษย์มาแต่โบราณ ในการศึกษาเรื่องนาฬิกาแดด จะช่วยให้เรามีความรู้เรื่องทางเดินของดวงอาทิตย์ หรือ “สุริยะวิถี” และเป็นพยานหลักฐานในเรื่องแกนโลกเอียง 23.5 องศา กับระนาบวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ นอกจากนั้นยังทำให้เราเข้าใจถึงเรื่องความสัมพันธ์ของธรรมชาติ ปริมาณพลังงานที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์ และเรื่องของฤดูกาล


ภาพที่ 1  เส้นสุริยะวิถีเอียงทำมุมกับเส้นศูนย์สูตรฟ้า
ทำให้เรามองเห็นดวงอาทิตย์ขึ้น-ตก ค่อนไปทางเหนือหรือใต้ในรอบปี

           นาฬิกาแดด แบ่งออกเป็น 3 ประเภท คือ นาฬิกาแดดแบบศูนย์สูตร นาฬิกาแดดแนวตั้ง และนาฬิกาแดดแนวราบ นาฬิกาแดดทั้งสามชนิดมีส่วนประกอบที่สำคัญ 2 ชิ้นส่วนคือ
             สันกำเนิดเงา (Gnomon) ตั้งชี้เข้าหาจุดขั้วฟ้าในแนวทิศเหนือ-ใต้ มีหน้าที่กำเนิดเงาแทนเข็มนาฬิกา
             หน้าปัด (Dial) เป็นฉากรับเงาที่เกิดจากสันกำเนิดเงา โดยทั่วไปจะมีสเกลแบ่งเวลาเป็นชั่วโมง เช่นเดียวกับนาฬิกาทั่ว ๆ ไป เส้นชั่วโมงของนาฬิกาแดดแบบศูนย์สูตร และนาฬิกาแดดแนวตั้งจะห่างกัน เส้นละ 15°  เนื่องเพราะในหนึ่งชั่วโมง ทรงงกลมจะท้องฟ้าเคลื่อนที่ไป = 360°/ 24 ชั่วโมง   ส่วนเส้นชั่วโมงของนาฬิกาแดดแนวราบจะห่างไม่เท่ากัน เนื่องจากเป็นการฉายเงาจากแนวตั้งลงสู่แนวราบอีกทีหนึ่ง


นาฬิกาแดดแบบศูนย์สูตร (Equatorial Sundial

ภาพที่ 2  นาฬิกาแดดแบบศูนย์สูตร
 

           นาฬิกาแดดแบบศูนย์สูตร มีสันกำเนิดเงาตั้งอยู่ในแนวทิศเหนือ-ใต้ ชี้ไปยังขั้วฟ้า หรือ ทำมุม = ค่าละติจูดของผู้สังเกตการณ์ โดยมีหน้าปัดรับเงาทั้งสองด้าน   เนื่องจากในช่วงวันที่ 21 มี.ค. – 22 ก.ย. ดวงอาทิตย์จะอยู่ในซีกฟ้าเหนือ ส่วนในช่วงวันที่ 22 ก.ย. - 21 มี.ค. ดวงอาทิตย์จะอยู่ในซีกฟ้าใต้ นาฬิกาแดดประเภทนี้เป็นที่นิยมใช้ในประเทศแถบศูนย์สูตร เช่น ประเทศไทย เนื่องจากสันกำเนิดเงาของนาฬิกาแดดแนวตั้ง และนาฬิกาแดดแนวนอน มีระดับต่ำ ทำมุมลาดมาก และไม่สวยงาม
 

ภาพที่ 3   หน้าปัดของนาฬิกาแดดแบบศูนย์สูตร
 
 

          หน้าปัดของนาฬิกาแดดแบบศูนย์สูตรจะเอียงทำมุมขนานกับระนาบของเส้นศูนย์สูตรฟ้า โดยมีสเกลแบ่งเวลาเป็นชั่วโมง เส้นชั่วโมงแต่ละเส้นทำมุมกัน 15 องศา (360°/ 24 ชั่วโมง)   เนื่องจากทรงกลมท้องฟ้าเคลื่อนที่ไป 15° ใน 1 ชั่วโมง  


 

นาฬิกาแดดแนวตั้ง (Vertical Sundial)

 

ภาพที่ 4  นาฬิกาแดดแนวตั้ง

           นาฬิกาแดดแนวตั้ง มีลักษณะและหลักการคล้ายคลึงกับนาฬิกาแดดแบบศูนย์สูตร เพียงแต่หน้าปัดหรือฉากรับเงา จะตั้งขึ้นตั้งฉากกับพื้นโลก นาฬิกแดดแนวตั้งจะต้องมีหน้าปัดสองด้านเช่นเดียวกับนาฬิกาแดดแบบศูนย์สูตร เนื่องจากดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นต้นกำเนิดแสง จะมีตำแหน่งค่อนไปทางเหนือ-ใต้ ตามแต่ฤดูกาล   นาฬิกาแดดแนวตั้งส่วนมากมีขนาดเล็ก ชาวยุโรปนิยมสร้างนาฬิกาแดดประเภทนี้ ประดับผนังภายนอกอาคาร


ภาพที่ 5   หน้าปัดของนาฬิกาแดดแนวตั้ง
 
 

           หน้าปัดของนาฬิกาแดดแนวตั้งทำมุมตั้งฉากกับพื้น (ไม่เหมือนกับหน้าปัดของนาฬิกาแดดแบบศูนย์สูตร ซึ่งเอียงขนานกับระนาบของเส้นศูนย์สูตรฟ้า) โดยมีสเกลแบ่งเวลาเป็นชั่วโมง เส้นชั่วโมงแต่ละเส้นทำมุมกัน 15 องศา (360°/ 24 ชั่วโมง) เช่นกัน



นาฬิกาแดดแนวราบ (Horizontal Sundial)

 


ภาพที่ 4  นาฬิกาแดดแนวราบ

           นาฬิกาแดดแนวราบ มีสันกำเนิดเงาขนานกับแกนหมุนของโลก และชี้ไปทางขั้วฟ้า เมื่อแสงอาทิตย์ส่องมา จะปรากฏเงาบนพื้นราบ ในลักษณะเดียวกับเงาของอาคาร หรือต้นไม้ ดวงอาทิตย์อยู่สูง เงาก็ยิ่งสั้นลง   นาฬิกาแดดประเภทนี้เป็นที่นิยมใช้กันมากในประเทศที่มีละติจูดสูง แต่ไม่เหมาะสำหรับประเทศที่อยู่ใกล้กับเส้นศูนย์สูตร เช่น ประเทศไทย   เนื่องจากมุมละติจูด (มุม A ในภาพที่ 5) เล็กมาก ทำให้สันกำเนิดเงาต่ำมาก

 

ภาพที่ 3   หน้าปัดของนาฬิกาแดดแนวราบ
 
 

          ส่วนเส้นชั่วโมงของนาฬิกาแดดแนวราบแต่ละเส้นจะห่างไม่เท่ากัน (ไม่เหมือนกับนาฬิกาแดดแบบศูนย์สูตร และนาฬิกาแดด แนวตั้ง ซึ่งมีเส้นชั่วโมงหางกันเส้นละ 15°)   ทั้งนี้เป็นเพราะการฉายเงาจากสันกำเนิดเงาแนวตั้ง ลงสู่พื้นหน้าปัดแนวราบอีกทีหนึ่ง ท่านสามารถทำความเข้าใจได้จากการใช้นาฬิกาเกิดแก้ว


หมายเหตุ:

           • นาฬิกาแดดทุกชนิดสามารถคลาดเคลื่อนจากเวลาจริง ประมาณ ±15 นาที แล้วแต่ฤดูกาล เนื่องจาก แกนของโลกเอียง 23.5° และวงโคจรของโลกเป็นรูปวงรี ทำให้ระยะทางระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ ไม่ใช่ระยะตายตัว

           • เวลามาตรฐานประเทศไทย คิดจากลองจิจูด 105° ที่ จ.อุบลราชธานี แต่นาฬิกาแดดแบบสร้างเอง ที่ทางโครงการ ฯ สร้างขึ้นให้ดาวน์โหลดทางอินเทอร์เน็ตนั้น ออกแบบขึ้นสำหรับลองจิจูด 100.5° (กรุงเทพมหานคร) ดังนั้นหากนำนาฬิกานี้ไปใช้ ณ ลองจิจูดอื่น เวลาอาจจะเร็วหรือช้าไป องศา (ลองจิจูด) ละ 4 นาที


กลุ่มดาวคืออะไร

          คนในสมัยก่อนเชื่อว่า เบื้องบนเป็นสวรรค์เบื้องล่างเป็นนรกโดยมีโลกมนุษย์อยู่ตรงกลาง พวกเขาจินตนาการว่า โลกที่เราอยู่นั้น มีทรงกลมท้องฟ้าล้อมรอบ โดยมีดวงดาวติดอยู่ที่ทรงกลมนั้น ดังนั้นคนโบราณจึงคิดว่า ดวงดาวแต่ละดวงอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทางเท่า ๆ กัน เนื่องจากบนท้องฟ้ามีดวงดาวอยู่เป็นจำนวนมาก พวกเขาจึงแบ่งดวงดาวออกเป็นกลุ่ม ๆ  และวาดภาพจินตนาการว่าเป็น รูป คน สัตว์ สิ่งของ ไปต่าง ๆ นานา ตามความเชื่อ และวิถีชีวิต ของวัฒนธรรมของพวกเขา

ภาพที่ 1  กลุ่มดาวเต่า หรือ กลุ่มดาวนายพราน

           กลุ่มดาว (Constellations) บนท้องฟ้ามีความแตกต่างกันไปในแต่ละอารยะธรรม เป็นต้นว่า ชาวยุโรปซึ่งอยู่บนภูเขา มีอาชีพล่าสัตว์ มองเห็นกลุ่มดาว "นายพราน" (Orion) เป็นรูป "นายพราน"   แต่คนไทยส่วนใหญ่มีอาชีพทางการเกษตร มองเห็นกลุ่มดาวนี้เป็นรูป "เต่า" และ "คันไถ" ดังภาพที่ 1

ภาพที่ 2  กลุ่มจระเข้ หรือ กลุ่มหมีใหญ่

           กลุ่มดาว "หมีใหญ่" (Ursa Major) ก็เช่นกัน ชาวยุโรปซึ่งใช้ชีวิตบนภูเขามองเห็นเป็นรูป "หมีใหญ่"  แต่คนไทยใช้ชีวิตอยู่ริมน้ำ จึงมองเห็นเป็นรูป "จระเข้" ดังภาพที่ 2   จะเห็นได้ว่า กลุ่มดาวเป็นเพียงเรื่องของจินตนาการ ซึ่งมีความแตกต่างกันไป ในแต่ละท้องถิ่น เชื้อชาติ ภาษา และวัฒนธรรม ฉะนั้นเพื่อให้สื่อความหมายตรงกัน องค์การดาราศาสตร์สากล จึงกำหนดมาตรฐานเดียวกัน โดยแบ่งกลุ่มดาวบนท้องฟ้า ออกเป็น 88 กลุ่ม โดยมีชื่อเรียกให้เหมือนกัน โดยถือเอาตามยุโรป เช่น กลุ่มดาวนายพราน และกลุ่มดาวหมีใหญ่ ส่วนชื่อกลุ่มดาวเต่า กลุ่มดาวจระเข้นั้น ถือเป็นชื่อท้องถิ่นภายในประเทศไทย
 

“กลุ่มดาว” ในความหมายที่แท้จริง

          ดาวฤกษ์บนท้องฟ้า แท้จริงมีขนาดไม่เท่ากัน และอยู่ห่างจากโลกของเรา ด้วยระยะทางที่แตกต่างกันออกไป แต่เนื่องจากดาวฤกษ์แต่ละดวงอยู่ห่างจากเรามาก เราจึงมองเห็นเป็นเพียงจุดแสง เพียงแต่แตกต่างกันที่สีและความสว่าง
ยกตัวอย่าง กลุ่มดาวแคสสิโอเปีย (Cassiopeia) ซึ่งอยู่ใกล้ขั้วฟ้าเหนือ (ในภาพที่ 3) ชาวยุโรปจินตนาการว่าเป็น "พระราชินี" แต่คนไทยเรามองเห็นเป็น "ค้างคาว"   เมื่อมองดูด้วยตาเปล่า เราจะเห็น ดาวฤกษ์ 5 ดวง เรียงตัวเป็นรูปตัว "M" หรือ "W" คว่ำ โดยที่ดาวแต่ละดวงอยู่ห่างกันไม่มาก และมีความสว่างใกล้เคียงกัน
          ในความเป็นจริง ดาวฤกษ์ทั้งห้าดวงนี้ มีขนาดแตกต่างกันมาก และอยู่ห่างจากโลกด้วยระยะทางที่แตกต่างกันมากด้วย ดาวเบต้า (ดวงแรก) มีขนาดเล็กแต่ว่าอยู่ใกล้ ส่วนดาวแกมม่า (ดวงที่สาม) มีขนาดใหญ่แต่ว่าอยู่ไกล เราจึงมองเห็นเหมือนว่าดาวทั้งสองมีความสว่างใกล้เคียงกัน เรามองเห็นเหมือนว่า ดาวทั้งสองมีระยะเชิงมุมใกล้ ๆ กัน ทว่าความจริงแล้ว ดาวฤกษ์ทั้งสองอยู่ลึกไปในอวกาศไม่เท่ากัน
 

ภาพที่ 3  กลุ่มดาวค้างคาวในความหมายที่แท้จริง

           ดาวฤกษ์แต่ละดวงมิได้หยุดนิ่งอยู่ประจำที่ ทว่าเคลื่อนที่ไปในอวกาศด้วยความเร็วและทิศทางที่แตกต่างกัน เนื่องจากว่าดาวฤกษ์อยู่ห่างไกลมาก เราจึงมองเห็นพวกมันคล้ายว่าหยุดนิ่ง และจินตนาการลากเส้นเชื่อมต่อให้เป็นรูปร่างที่แน่นอน ดังในรูป ข.
          เนื่องจากดวงดาวแต่ละดวง ต่างเคลื่อนที่ไปในกาแล็กซีทางช้างเผือก กลุ่มดาวที่เรามองเห็น ย่อมมีรูปร่างแปรเปลี่ยนไปตามกาลเวลา ดังแสดงในรูป ก เป็นภาพกลุ่มดาวค้าวคาวเมื่อ 50,000 ปีในอดีต, รูป ข เป็นภาพกลุ่มดาวค้างคาวในปัจจุบัน, และรูป ค เป็นภาพของกลุ่มดาวค้างคาวในอีก 50,000 ปีข้างหน้า
 

จักราศี

          โลกหมุนรอบตัวเอง ขณะเดียวกันก็โคจรรอบดวงอาทิตย์ โดยใช้เวลารอบละ 1 ปี ทำให้ตำแหน่งปรากฏของดวงอาทิตย์ เทียบกับตำแหน่งของกลุ่มดาว บนท้องฟ้าเปลี่ยนแปลงไป ดังภาพที่ 4 ยกตัวอย่าง เช่น ในเดือนมิถุนายน เรามองเห็นดวงอาทิตย์อยู่หน้า “กลุ่มดาวคนคู่” (ราศีเมถุน) และในเวลาหนึ่งเดือนต่อมา ดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ในทิศทวนเข็มนาฬิกาไป 30 องศา เราก็จะมองเห็นดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ไปอยู่หน้า "กลุ่มดาวปู" (ราศีกรกฏ) ซึ่งอยู่ถัดไป 30° เช่นกัน
          เราเรียกกลุ่มดาว ซึ่งบอกตำแหน่งดวงอาทิตย์ ในแต่ละเดือนว่า "จักราศี" (Zodiac) ผู้คนในสมัยก่อนใช้กลุ่มดาวจักราศี เป็นเสมือนปฏิทิน ในการกำหนดเวลาเป็นเดือนและปี โดยการเปรียบเทียบตำแหน่งของดวงอาทิตย์ กับตำแหน่งของกลุ่มดาวจักราศีบนท้องฟ้า โดยการถือเอาเส้นสุริยะวิถี เป็นเส้นรอบวง 360° หารด้วยจำนวนกลุ่มดาวประจำราศีทั้ง 12 กลุ่ม ซึ่งห่างกันกลุ่มละ 30°

ภาพที่ 4  กลุ่มดาวจักราศี

          ถ้าหากแกนหมุนของโลกตั้งฉากกับระนาบวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ เส้นศูนย์สูตรฟ้ากับเส้นสุริยะวิถีจะเป็นเส้นเดียวกัน และเราจะเห็นดวงอาทิตย์และกลุ่มดาวจักราศี อยู่บนเส้นศูนย์สูตรฟ้าตลอดเวลา ทว่าในความเป็นจริง แกนของโลกเอียง 23.5° ขณะที่โคจรไปรอบ ๆ ดวงอาทิตย์ ดังนั้นกลุ่มดาวจักราศีจะเรียงตัวอยู่บนเส้นสุริยะวิถี ห่างจากเส้นศูนย์สูตรฟ้าไปทางทิศเหนือหรือใต้ เป็นระยะเชิงมุมไม่เกิน 23.5° ดังภาพที่ 5

ภาพที่ 5  เส้นสุริยะวิถี และกลุ่มดาวจักราศี
 


การสังเกตกลุ่มดาวสว่าง

          แม้ว่าจะมีกลุ่มดาวบนท้องฟ้าอยู่ถึง 88 กลุ่ม แต่ในทางปฏิบัติมีกลุ่มดาวเพียงสิบกว่ากลุ่มที่เหมาะสมสำหรับการเริ่มต้น และกลุ่มดาวเหล่านี้ก็มิได้มีให้เห็นตลอดเวลา เนื่องเพราะโลกหมุนรอบตัวเอง และหมุนรอบดวงอาทิตย์ กลุ่มดาวสว่างแต่ละกลุ่มจะปรากฏให้เห็นเพียงแต่ละช่วงเวลาเท่านั้น

การหาจากกลุ่มดาวหมีใหญ่


 


ภาพที่ 1  กลุ่มดาวสว่างรอบกลุ่มดาวหมีใหญ่

           ในการเริ่มต้นดูดาวนั้น เราต้องจับจุดจากดาวฤกษ์ที่สว่างเสียก่อน แล้วจึงค่อยมองหารูปทรงของกลุ่มดาว สิ่งแรกที่ต้องทำความเข้าใจคือ การเคลื่อนที่ของท้องฟ้า เราจะต้องหาทิศเหนือให้พบ แล้วสังเกตการเคลื่อนที่ของกลุ่มดาว จากซีกฟ้าตะวันออกไปยังซีกฟ้าตะวันตก เนื่องจากการหมุนตัวเองของโลก
           กลุ่มดาวหมีใหญ่ (Ursa Major) ประกอบด้วยดาวสว่างเจ็ดดวง เรียงตัวเป็นรูปกระบวยขนาดใหญ่ ดาวสองดวงแรกชาวยุโรปเรียกว่า "เดอะ พอยเตอร์" (The Pointer) หมายถึง ลูกศรซึ่งชี้เข้าหา ดาวเหนือ (Polaris) อยู่ตลอดเวลา โดยดาวเหนือจะอยู่ห่างจากดาวสองดวงแรกนั้น นับเป็นระยะเชิงมุมสี่เท่า ของระยะเชิงมุมระหว่างดาวสองดวงนั้น ดาวเหนืออยู่ในส่วนปลายหางของ กลุ่มดาวหมีเล็ก (Ursa Minor) ซึ่งประกอบด้วยดาวไม่สว่าง เรียงตัวเป็นรูปกระบวยเล็ก แม้ว่าดาวเหนือจะมีความสว่างไม่มากนัก แต่ในบริเวณขั้วฟ้าเหนือ ก็ไม่มีดาวใดสว่างไปกว่าดาวเหนือ ดังนั้นดาวเหนือจึงมีความโดดเด่นพอสมควร
            เมื่อเราทราบตำแหน่งของดาวเหนือ เราก็จะทราบทิศทางการหมุนของทรงกลมท้องฟ้า หากเราหันหน้าเข้าหาดาวเหนือ ทางขวามือจะเป็นทิศตะวันออก และทางซ้ายมือจะเป็นทิศตะวันตก กลุ่มดาวทั้งหลายจะเคลื่อนที่จากทางขวามือไปตกทางซ้ายมือ ในขั้นตอนต่อไปเราจะตั้งหลักที่กลุ่มดาวหมีใหญ่ วาดเส้นโค้งตาม "หางหมี" หรือ "ด้ามกระบวย" ต่อออกไปยัง ดาวดวงแก้ว (Arcturus) หรือที่มีชื่อเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า “ดาวมหาจุฬามณี” เป็นดาวสีส้มสว่างมากใน "กลุ่มดาวคนเลี้ยงสัตว์" (Bootes) และหากลากเส้นอาร์คโค้งต่อไปอีกเท่าตัว ก็จะเห็นดาวสว่างสีขาวชื่อว่า ดาวรวงข้าว (Spica) อยู่ในกลุ่มดาวหญิงสาว (Virgo) หรือราศีกันย์ กลุ่มดาวนี้จะมีดาวสว่างประมาณ 7 ดวงเรียงตัวเป็นรูปตัว Y อยู่บนเส้นสุริยะวิถี
กลับมาที่กลุ่มดาวหมีใหญ่อีกครั้ง ดาวดวงที่ 4 และ 3 ตรงส่วนของกระบวย จะชี้ไปยัง ดาวหัวใจสิงห์ (Regulus) ใน กลุ่มดาวสิงโต (Leo) หรือ ราศีสิงห์ พึงระลึกไว้ว่า กลุ่มดาวจักราศีจะอยู่บนเส้นสุริยะวิถีเสมอ ถ้าเราพบกลุ่มดาวราศีหนึ่ง เราก็สามารถไล่หากลุ่มดาวราศีของเดือนอื่นซึ่งเรียงถัดไปได้ เช่น ในภาพที่ 1 เราเห็นกลุ่มดาวราศีสิงห์ และกลุ่มดาวราศีกันย์ เราก็สามารถประมาณได้ว่ากลุ่มดาวราศีกรกฏ และราศีตุลย์จะอยู่ทางไหน


สามเหลี่ยมฤดูหนาว
 

ภาพที่ 2  สามเหลี่ยมฤดูหนาว

           ในช่วงของหัวค่ำของฤดูหนาว จะมีกลุ่มดาวสว่างอยู่ทางทิศตะวันออก คือ กลุ่มดาวนายพราน กลุ่มดาวสุนัขใหญ่ และกลุ่มดาวสุนัขเล็ก หากลากเส้นเชื่อม ดาวบีเทลจุส (Betelgeuse) - ดาวสว่างสีแดงตรงหัวไหล่ของนายพรานไปยัง ดาวซิริอุส (Sirius) – ดาวฤกษ์สว่างที่สุดสีขาว ตรงหัวสุนัขใหญ่ และ ดาวโปรซีออน (Procyon) - ดาวสว่างสีขาวตรงหัวสุนัขเล็ก จะได้รูปสามเหลี่ยมด้านเท่า เรียกว่า "สามเหลี่ยมฤดูหนาว" (Summer Triangle) ซึ่งจะขึ้นในเวลาหัวค่ำของฤดูหนาว
กลุ่มดาวนายพรานเป็นกลุ่มดาวที่เหมาะสมกับการเริ่มต้นหัดดูดาวมากที่สุด เนื่องจากประกอบด้วยดาวสว่าง ที่มีรูปแบบการเรียงตัว (pattern) ที่โดดเด่นจำง่าย และขึ้นตอนหัวค่ำของฤดูหนาว ซึ่งมักมีสภาพอากาศดี ท้องฟ้าใส ไม่มีเมฆปกคลุม           สัญลักษณ์ของกลุ่มดาวนายพรานก็คือ ดาวสว่างสามดวงเรียงกันเป็นเส้นตรง ซึ่งเรียกว่า "เข็มขัดนายพราน" (Orion’s belt) ทางทิศใต้ของเข็มขัดนายพราน มีดาวเล็ก ๆ สามดวงเรียงกัน คนไทยเราเห็นเป็นรูป "ด้ามไถ" แต่ชาวยุโรปเรียกว่า "ดาบนายพราน" (Orion’s sword) ที่ตรงกลางของบริเวณดาบนายพรานนี้ ถ้านำกล้องส่องดูจะพบ "เนบิวลา M42" เป็นกลุ่มก๊าซในอวกาศ กำลังรวมตัวเป็นดาวเกิดใหม่ ซึ่งอยู่ตรงใจกลางและส่องแสงมากระทบเนบิวลา ทำให้เรามองเห็น
          ดาวสว่างสองดวงที่บริเวณหัวไหล่ด้านทิศตะวันออก และหัวเข่าด้านทิศตะวันตก ของกลุ่มดาวนายพราน มีสีซึ่งแตกต่างกันมาก ดาวบีเทลจุส มีสีออกแดง แต่ดาวไรเจล (Rigel) มีสีออกน้ำเงิน สีของดาวบอกถึงอายุ และอุณหภูมิของดาว ดาวสีน้ำเงินเป็นดาวที่มีอายุน้อย และมีอุณหภูมิสูง 1 – 2 หมื่นองศาเซลเซียส ดาวสีแดงเป็นดาวที่มีอายุมาก และมีอุณหภูมิต่ำประมาณ 3,000° C ส่วนดวงอาทิตย์ของเรามีสีเหลือง เป็นดาวฤกษ์ซึ่งมีอายุปานกลาง และมีอุณหภูมิที่พื้นผิวประมาณ 6,000° C
          ในกลุ่มดาวสุนัขใหญ่ (Canis Major) มีดาวฤกษ์ที่สว่างที่สุดบนท้องฟ้ามีชื่อว่า ดาวซิริอุส (Sirius) คนไทยเราเรียกว่า "ดาวโจร" (เนื่องจากสว่างจนทำให้โจรมองเห็นทางเข้ามาปล้น) ดาวซิริอุสมิได้มีขนาดใหญ่ แต่ว่าอยู่ห่างจากโลกเพียง 8.6 ล้านปีแสง ถ้าเทียบกับดาวไรเจลในกลุ่มดาวนายพรานแล้ว ดาวไรเจลมีขนาดใหญ่และมีความสว่างกว่าดาวซิริอุสนับพันเท่า หากแต่ว่าอยู่ห่างไกลถึง 777 ล้านปีแสง เมื่อมองดูจากโลก ดาวไรเจลจึงมีความสว่างน้อยกว่าดาวซิริอุส


สามเหลี่ยมฤดูร้อน

 


ภาพที่ 3  สามเหลี่ยมฤดูร้อน

           ในช่วงหัวค่ำของต้นฤดูหนาว จะมีกลุ่มดาวสว่างทางด้านทิศตะวันตก คือ กลุ่มดาวพิณ กลุ่มดาวหงส์ และกลุ่มดาวนกอินทรีย์ หากลากเส้นเชื่อม ดาวเวก้า (Vega) - ดาวสว่างสีขาวในกลุ่มดาวพิณไปยัง ดาวหางหงส์ (Deneb) - ดาวสว่างสีขาวในกลุ่มดาวหงส์ และ ดาวนกอินทรีย์ (Altair) - ดาวสว่างสีขาวในกลุ่มดาวนกอินทรีย์ จะได้รูปสามเหลี่ยมด้านไม่เท่าเรียกว่า "สามเหลี่ยมฤดูร้อน" (Summer Triangle) ซึ่งอยู่ในทิศตรงข้ามกับสามเหลี่ยมฤดูหนาว ขณะที่สามเหลี่ยมฤดูร้อนกำลังจะตก สามเหลี่ยมฤดูหนาวก็กำลังจะขึ้น (สามเหลี่ยมฤดูหนาวขึ้นตอนหัวค่ำของฤดูร้อนของยุโรปและอเมริกา ซึ่งเป็นช่วงฤดูฝนของประเทศไทย) ในคืนที่เป็นข้างแรมไร้แสงจันทร์รบกวน หากสังเกตให้ดีจะเห็นว่า มีแถบฝ้าสว่างคล้ายเมฆขาว พาดข้ามท้องฟ้า ผ่านบริเวณกลุ่มดาวนกอินทรีย์ กลุ่มดาวหงส์ ไปยังกลุ่มดาวแคสสิโอเปีย (ค้างคาว) แถบฝ้าสว่างที่เห็นนั้นแท้ที่จริงคือ ทางช้างเผือก (The Milky Way)


 

แผนที่ดาววงกลม

          แผนที่ดาววงกลมเป็นอุปกรณ์อย่างง่าย ที่ช่วยในการวางแผนและสังเกตการณ์ท้องฟ้า แผนที่ดาวชนิดนี้ประกอบด้วย แผ่นกระดาษสองใบคือ แผนที่ดาว (แผ่นล่าง) และแผ่นขอบฟ้า (แผ่นบน) ซ้อนกันอยู่ และยึดติดกันด้วยตาไก่ ที่ตรงจุดศูนย์กลาง


ภาพที่ 1  แผ่นแผนที่ดาว (แผ่นล่าง)

          แผ่นแผนที่ (ภาพที่ 1) มีจุดศูนย์กลางเป็นขั้วฟ้าเหนือ ดาวเหนือจะอยู่ตรงตาไก่พอดีตรงปลายกลุ่มดาวหมีเล็ก ที่กึ่งกลางของรัศมีแสดงด้วยเส้นวงกลมเป็น "เส้นศูนย์สูตรฟ้า" กลุ่มดาวที่อยู่ภายในคือ "ซีกฟ้าเหนือ" กลุ่มดาวที่อยู่ภายในนอกคือ "ซีกฟ้าใต้" ใกล้ ๆ กับเส้นศูนย์สูตรฟ้า จะเป็น "เส้นสุริยะวิถี" ซึ่งแสดงด้วยวงกลมเส้นประ กลุ่มดาวที่อยู่บนเส้นสุริยะวิถีจะเป็นกลุ่มดาวจักราศีทั้ง 12 กลุ่ม บริเวณแถบวงแหวนสีเทาบนแผนที่ดาวแสดง "ทางช้างเผือก" ที่ขอบของแผนที่เป็นสเกล "ปฏิทิน" บอก "วันที่" และ "เดือน"


 


ภาพที่ 2  แผ่นขอบฟ้า (แผ่นบน)

           แผ่นขอบฟ้า (ภาพที่ 2) เป็นแผ่นเจาะช่อง แสดงอาณาเขตของท้องฟ้า เส้นขอบฟ้า และแสดงทิศเหนือ (N), ตะวันออกเฉียงเหนือ (NE), ตะวันออก (E), ตะวันออกเฉียงใต้ (SE), ใต้ (S), ตะวันตกเฉียงใต้ (SW), ตะวันตก (W), ตะวันตกเฉียงเหนือ (NW) ตามลำดับ ที่ขอบของแผ่นขอบฟ้าเป็นเสมือน "นาฬิกา" บอกเวลาเป็น "ชั่วโมง" และมีสเกลขีดละ 10 นาที
 


ภาพที่ 3  แผนที่ดาววงกลม [คลิ๊กเพื่อดาวโหลด]

วิธีใช้งาน

          ตั้งเวลาที่จะสังเกตการณ์ โดยหมุน "นาฬิกา" (ที่ขอบแผ่นขอบฟ้า) ให้ตรงกับ "ปฏิทิน" (ที่ขอบแผนที่ดาว) ตัวอย่างเช่น ต้องการดูดาวในเวลา 05.00 น. ของวันที่ 5 เดือนมกราคม ก็ให้หมุนแผ่นขอบฟ้ามาจนกระทั่ง ขีดสเกล "05.00" ตรงกับ สเกลขีดที่ 5 เดือนมกราคม ดังภาพที่ 1
          จับแผนที่ดาวแหงนขึ้น โดยให้ทิศเหนือและทิศใต้บนแผนที่ดาว ชี้ตรงกับทิศเหนือและทิศใต้ของภูมิประเทศจริง ควรระลึกไว้เสมอว่า การอ่านแผนที่ดาวมิใช่การก้มอ่านหนังสือ แต่เป็นการแหงนดู เพื่อเปรียบเทียบท้องฟ้าในแผนที่กับท้องฟ้าจริง
เมื่อเวลาเปลี่ยนไป ให้หมุนแผ่นขอบฟ้า (แผ่นบน) ตามทิศตามเข็มนาฬิกา ไปยังเวลาปัจจุบัน จะเห็นได้ว่า กลุ่มดาวทางทิศตะวันออกของแผนที่ จะเคลื่อนที่ออกห่างจากขอบฟ้า (E) มากขึ้น ในขณะที่กลุ่มดาวในทิศตะวันตก จะเคลื่อนที่เข้าหาขอบฟ้า (W) เสมือนการเคลื่อนที่ ขึ้น-ตก ของกลุ่มดาวบนท้องฟ้าจริง
          จะสังเกตเห็นว่า ไม่ว่าจะหมุนแผ่นขอบฟ้าไปอย่างไรก็ตาม เส้นศูนย์สูตรฟ้าจะอยู่ตรงแนวทิศตะวันออก (E) และตะวันตก (W) เสมอ เพราะนั่นคือเส้นแบ่งซีกท้องฟ้า และเส้นสุริยะวิถีตรงกลุ่มดาวคนคู่ จะอยู่ค่อนไปทางเหนือ (โซลสติสฤดูร้อน) และเส้นสุริยะวิถีตรงกลุ่มดาวคนยิงธนู จะอยู่ค่อนไปทางใต้ (โซลส์ติซฤดูหนาว) วงกลมทั้งสองเอียงตัดกันเป็นมุม 23.5° เนื่องเพราะแกนของโลกเอียงทำมุมกับระนาบวงโคจรรอบดวงอาทิตย์


ข้อพึงระวัง

แผนที่ดาวแบบวงกลมนี้มีข้อจำกัด เนื่องจากสร้างขึ้นโดยการตีแผ่ทรงกลมออกเป็นระนาบสองมิติ (360° projection)
      
กลุ่มดาวในซีกฟ้าเหนือจะมีขนาดเล็กกว่าความเป็นจริง และกลุ่มดาวในซีกฟ้าใต้จะขยายถ่างเกินสัดส่วนจริง ดังนั้นถ้าหากใช้แผนที่ดาวนี้ดูดาวที่อยู่ใกล้ขอบฟ้าใต้ ขอให้แนะนำให้ดูดาวสว่างเป็นดวง ๆ แล้วค่อยไล่เปรียบเทียบไปกับท้องฟ้าจริง
      
ตำแหน่งบอกทิศทั้งแปดมิได้ห่างเท่า ๆ กัน สเกลระหว่างทิศเหนือ (N) ไปยังทิศตะวันออก (E) และทิศตะวันตก (W) จะอยู่ใกล้ชิดกันมาก ส่วนสเกลไปทางทิศใต้ (S) จะมีระยะห่างออกไป กว้างกว่าหลายเท่า
      
หากหันหน้าดูดาวทางทิศเหนือ ให้หันเอาด้านอักษร N ลง
      
หากหันหน้าดูดาวทางทิศใต้ ให้หันกลับด้านอักษร S ลง
      
หากหันหน้าไปทางทิศอื่น ให้พยายามตรึงแนว N – S ให้ขนานกับทิศเหนือ – ใต้ ของภูมิประเทศจริงไว้ตลอดเวลา


หมายเหตุ
          
แผนที่ดาววงกลมนี้ ถูกออกแบบขึ้นเพื่อใช้ ณ บริเวณใกล้กับละติจูด 15° เหนือ เช่น ภาคกลาง และภาคตะวันออกเฉียงเหนือ อย่างไรก็ตามการนำไปใช้ ณ ละติจูดอื่น ๆ ของประเทศไทย ก็มิได้มีแตกต่างไปจากท้องฟ้าจริงมากนัก
 


การหาตำแหน่งดาวเหนือ

          ทรงกลมท้องฟ้าเคลื่อนที่อย่างช้า ๆ ตลอดเวลา เราจึงมองเห็นกลุ่มดาวหมุนเวียนเปลี่ยนไปตามวันเวลา และตามฤดูกาล ดังนั้นในการเริ่มต้นสังเกตการณ์ท้องฟ้า เราจะต้องรู้จักตำแหน่งของทิศทั้งสี่เสียก่อน หากไม่มีเข็มทิศเราก็สามารถใช้กลุ่มดาวเป็นประโยชน์ในการบอกทิศได้ โลกหมุนรอบตัวเองจากทิศตะวันตกไปยังทิศตะวันออก ทำให้เรามองเห็นดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และกลุ่มดาวบนท้องฟ้า เคลื่อนที่จากทางตะวันออกไปยังทางตะวันตก ดาวเหนือเป็นดาวดวงเดียวที่ปรากฏอยู่กับที่ ไม่เคลื่อนที่ไปไหน อย่างไรก็ตามดาวเหนือมีความสว่างไม่มาก และอยู่สูงเหนือเส้นขอบฟ้าไม่มาก เมื่อมองดูที่ประเทศไทย


ภาพที่ 1  การเคลื่อนที่ของกลุ่มดาวรอบขั้วฟ้าเหนือ (หอดูดาวเกิดแก้ว)

          ในภาพที่ 1 เป็นผลจากการถ่ายภาพขั้วฟ้าเหนือ โดยเปิดหน้ากล้องเป็นระยะเวลานาน เมื่อเวลาเปลี่ยนไป โลกหมุนรอบตัวเอง ดาวบนท้องฟ้าเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้ง โดยมีศูนย์กลางเป็นอยู่ที่ขั้วฟ้าเหนือ ดาวสว่างที่เป็นจุดอยู่ตรงกลางนั้นคือ “ดาวเหนือ” (Polaris) เราเรียกเส้นโค้งเหล่านี้ว่า “เส้นทางเดินของดาว” (Startrails)

การหาทิศเหนือจากทิศตะวันตก

          หากไม่มีเข็มทิศ ให้จำตำแหน่งที่ดวงอาทิตย์หรือดวงจันทร์ตกลับขอบฟ้าไว้ว่า นั่นคือ “ทิศตะวันตก” (โดยประมาณ) หากเราหันหน้าเข้าหาทิศตะวันตก ยกแขนขวาขึ้นขนานพื้น และเหยียดออกไปทางข้างลำตัว มือขวาจะชี้ไปยังทิศเหนือ จากนั้นเหยียดนิ้วโป้งลงพื้นไว้ที่เส้นขอบฟ้า เหยียดนิ้วชี้ ชี้ขึ้นข้างบน จะมองเห็นดาวเหนืออยู่บนปลายนิ้วชี้ ดาวเหนือเป็นดาวสีขาวมีความสว่างปานกลาง (ดาวเหนือจะอยู่สูงจากขอบฟ้าด้านทิศเหนือ เท่ากับ องศาละติจูดของผู้สังเกตการณ์ ตัวอย่างเช่น ถ้าผู้สังเกตการณ์อยู่ที่ กทม. หรือละติจูดที่ 13° เหนือ ดาวเหนือก็จะอยู่เหนือขอบฟ้าด้านทิศเหนือขึ้นมา 13° เช่นกัน)


การหาจากกลุ่มดาวหมีใหญ่


 


ภาพที่ 2  กลุ่มดาวสว่างรอบ ๆ กลุ่มดาวหมีใหญ่

           ในบางครั้งเรามองหาดาวเหนือได้จากการดู "กลุ่มดาวหมีใหญ่" (Ursa major) หรือที่คนไทยเราเรียกว่า "กลุ่มดาวจระเข้" กลุ่มดาวนี้มีดาวสว่างเจ็ดดวง เรียงตัวเป็นรูปกระบวยตักน้ำ ดาวสองดวงแรกของกระบวยตักน้ำ จะชี้ไปยังดาวเหนือเสมอ ไม่ว่าทรงกลมท้องฟ้าจะหมุนไปอย่างไรก็ตาม ดาวเหนือจะอยู่ห่างออกไป 4 เท่าของระยะทางระหว่างดาวสองดวงแรกเสมอ ดังที่แสดงในภาพที่ 2
 


การหาจากกลุ่มดาวค้างคาว



 


ภาพที่ 3  การขึ้น - ตก ของกลุ่มดาวรอบขั้วฟ้าเหนือ

           ในบางคืนกลุ่มดาวหมีใหญ่เพิ่งตกไป หรือยังไม่ขึ้นมา เราก็สามารถมองหาทิศเหนืออย่างคร่าว ๆ ได้โดยอาศัย “กลุ่มดาวค้างคาว” (Cassiopeia) กลุ่มดาวค้างคาวประกอบด้วย ดาวสว่าง 5 ดวง เรียงเป็นรูปตัว “M” หรือ “W” คว่ำ กลุ่มดาวค้างคาวจะอยู่ในทิศตรงข้ามกับกลุ่มดาวหมีใหญ่เสมอ ดังนั้นขณะกลุ่มดาวหมีใหญ่กำลังตก กลุ่มดาวค้างคาวก็กำลังขึ้น และเมื่อกลุ่มดาวหมีใหญ่กำลังจะขึ้น กลุ่มดาวค้างคาวก็กำลังจะตก ดังที่แสดงในภาพที่ 3


การหาจากกลุ่มดาวนายพราน

 


ภาพที่ 4  กลุ่มดาวนายพรานหันหัวเข้าหาดาวเหนือเสมอ

           ในบางครั้งเมฆเข้ามาบังท้องฟ้าทางด้านทิศเหนือ ทำให้เราไม่สามารถมองเห็นกลุ่มดาวหมีใหญ่ หรือ กลุ่มดาวค้างคาวได้เลย ในกรณีนี้เราอาจใช้ “กลุ่มดาวนายพราน” (Orion) ในการนำทางได้อย่างคร่าว ๆ เพราะกลุ่มดาวนายพรานจะหันหัวเข้าหาดาวเหนือเสมอ นอกจากนั้นกลุ่มดาวนายพรานยังตั้งอยู่บนเส้นศูนย์สูตรฟ้า นั่นหมายความว่า กลุ่มดาวนายพรานจะขึ้น-ตก ในแนวทิศตะวันออก-ตะวันตก เสมอ


การสังเกตกลุ่มดาวสว่าง

          แม้ว่าจะมีกลุ่มดาวบนท้องฟ้าอยู่ถึง 88 กลุ่ม แต่ในทางปฏิบัติมีกลุ่มดาวเพียงสิบกว่ากลุ่มที่เหมาะสมสำหรับการเริ่มต้น และกลุ่มดาวเหล่านี้ก็มิได้มีให้เห็นตลอดเวลา เนื่องเพราะโลกหมุนรอบตัวเอง และหมุนรอบดวงอาทิตย์ กลุ่มดาวสว่างแต่ละกลุ่มจะปรากฏให้เห็นเพียงแต่ละช่วงเวลาเท่านั้น

การหาจากกลุ่มดาวหมีใหญ่


 


ภาพที่ 1  กลุ่มดาวสว่างรอบกลุ่มดาวหมีใหญ่

           ในการเริ่มต้นดูดาวนั้น เราต้องจับจุดจากดาวฤกษ์ที่สว่างเสียก่อน แล้วจึงค่อยมองหารูปทรงของกลุ่มดาว สิ่งแรกที่ต้องทำความเข้าใจคือ การเคลื่อนที่ของท้องฟ้า เราจะต้องหาทิศเหนือให้พบ แล้วสังเกตการเคลื่อนที่ของกลุ่มดาว จากซีกฟ้าตะวันออกไปยังซีกฟ้าตะวันตก เนื่องจากการหมุนตัวเองของโลก
           กลุ่มดาวหมีใหญ่ (Ursa Major) ประกอบด้วยดาวสว่างเจ็ดดวง เรียงตัวเป็นรูปกระบวยขนาดใหญ่ ดาวสองดวงแรกชาวยุโรปเรียกว่า "เดอะ พอยเตอร์" (The Pointer) หมายถึง ลูกศรซึ่งชี้เข้าหา ดาวเหนือ (Polaris) อยู่ตลอดเวลา โดยดาวเหนือจะอยู่ห่างจากดาวสองดวงแรกนั้น นับเป็นระยะเชิงมุมสี่เท่า ของระยะเชิงมุมระหว่างดาวสองดวงนั้น ดาวเหนืออยู่ในส่วนปลายหางของ กลุ่มดาวหมีเล็ก (Ursa Minor) ซึ่งประกอบด้วยดาวไม่สว่าง เรียงตัวเป็นรูปกระบวยเล็ก แม้ว่าดาวเหนือจะมีความสว่างไม่มากนัก แต่ในบริเวณขั้วฟ้าเหนือ ก็ไม่มีดาวใดสว่างไปกว่าดาวเหนือ ดังนั้นดาวเหนือจึงมีความโดดเด่นพอสมควร
            เมื่อเราทราบตำแหน่งของดาวเหนือ เราก็จะทราบทิศทางการหมุนของทรงกลมท้องฟ้า หากเราหันหน้าเข้าหาดาวเหนือ ทางขวามือจะเป็นทิศตะวันออก และทางซ้ายมือจะเป็นทิศตะวันตก กลุ่มดาวทั้งหลายจะเคลื่อนที่จากทางขวามือไปตกทางซ้ายมือ ในขั้นตอนต่อไปเราจะตั้งหลักที่กลุ่มดาวหมีใหญ่ วาดเส้นโค้งตาม "หางหมี" หรือ "ด้ามกระบวย" ต่อออกไปยัง ดาวดวงแก้ว (Arcturus) หรือที่มีชื่อเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า “ดาวมหาจุฬามณี” เป็นดาวสีส้มสว่างมากใน "กลุ่มดาวคนเลี้ยงสัตว์" (Bootes) และหากลากเส้นอาร์คโค้งต่อไปอีกเท่าตัว ก็จะเห็นดาวสว่างสีขาวชื่อว่า ดาวรวงข้าว (Spica) อยู่ในกลุ่มดาวหญิงสาว (Virgo) หรือราศีกันย์ กลุ่มดาวนี้จะมีดาวสว่างประมาณ 7 ดวงเรียงตัวเป็นรูปตัว Y อยู่บนเส้นสุริยะวิถี
กลับมาที่กลุ่มดาวหมีใหญ่อีกครั้ง ดาวดวงที่ 4 และ 3 ตรงส่วนของกระบวย จะชี้ไปยัง ดาวหัวใจสิงห์ (Regulus) ใน กลุ่มดาวสิงโต (Leo) หรือ ราศีสิงห์ พึงระลึกไว้ว่า กลุ่มดาวจักราศีจะอยู่บนเส้นสุริยะวิถีเสมอ ถ้าเราพบกลุ่มดาวราศีหนึ่ง เราก็สามารถไล่หากลุ่มดาวราศีของเดือนอื่นซึ่งเรียงถัดไปได้ เช่น ในภาพที่ 1 เราเห็นกลุ่มดาวราศีสิงห์ และกลุ่มดาวราศีกันย์ เราก็สามารถประมาณได้ว่ากลุ่มดาวราศีกรกฏ และราศีตุลย์จะอยู่ทางไหน


สามเหลี่ยมฤดูหนาว
 

ภาพที่ 2  สามเหลี่ยมฤดูหนาว

           ในช่วงของหัวค่ำของฤดูหนาว จะมีกลุ่มดาวสว่างอยู่ทางทิศตะวันออก คือ กลุ่มดาวนายพราน กลุ่มดาวสุนัขใหญ่ และกลุ่มดาวสุนัขเล็ก หากลากเส้นเชื่อม ดาวบีเทลจุส (Betelgeuse) - ดาวสว่างสีแดงตรงหัวไหล่ของนายพรานไปยัง ดาวซิริอุส (Sirius) – ดาวฤกษ์สว่างที่สุดสีขาว ตรงหัวสุนัขใหญ่ และ ดาวโปรซีออน (Procyon) - ดาวสว่างสีขาวตรงหัวสุนัขเล็ก จะได้รูปสามเหลี่ยมด้านเท่า เรียกว่า "สามเหลี่ยมฤดูหนาว" (Summer Triangle) ซึ่งจะขึ้นในเวลาหัวค่ำของฤดูหนาว
กลุ่มดาวนายพรานเป็นกลุ่มดาวที่เหมาะสมกับการเริ่มต้นหัดดูดาวมากที่สุด เนื่องจากประกอบด้วยดาวสว่าง ที่มีรูปแบบการเรียงตัว (pattern) ที่โดดเด่นจำง่าย และขึ้นตอนหัวค่ำของฤดูหนาว ซึ่งมักมีสภาพอากาศดี ท้องฟ้าใส ไม่มีเมฆปกคลุม           สัญลักษณ์ของกลุ่มดาวนายพรานก็คือ ดาวสว่างสามดวงเรียงกันเป็นเส้นตรง ซึ่งเรียกว่า "เข็มขัดนายพราน" (Orion’s belt) ทางทิศใต้ของเข็มขัดนายพราน มีดาวเล็ก ๆ สามดวงเรียงกัน คนไทยเราเห็นเป็นรูป "ด้ามไถ" แต่ชาวยุโรปเรียกว่า "ดาบนายพราน" (Orion’s sword) ที่ตรงกลางของบริเวณดาบนายพรานนี้ ถ้านำกล้องส่องดูจะพบ "เนบิวลา M42" เป็นกลุ่มก๊าซในอวกาศ กำลังรวมตัวเป็นดาวเกิดใหม่ ซึ่งอยู่ตรงใจกลางและส่องแสงมากระทบเนบิวลา ทำให้เรามองเห็น
          ดาวสว่างสองดวงที่บริเวณหัวไหล่ด้านทิศตะวันออก และหัวเข่าด้านทิศตะวันตก ของกลุ่มดาวนายพราน มีสีซึ่งแตกต่างกันมาก ดาวบีเทลจุส มีสีออกแดง แต่ดาวไรเจล (Rigel) มีสีออกน้ำเงิน สีของดาวบอกถึงอายุ และอุณหภูมิของดาว ดาวสีน้ำเงินเป็นดาวที่มีอายุน้อย และมีอุณหภูมิสูง 1 – 2 หมื่นองศาเซลเซียส ดาวสีแดงเป็นดาวที่มีอายุมาก และมีอุณหภูมิต่ำประมาณ 3,000° C ส่วนดวงอาทิตย์ของเรามีสีเหลือง เป็นดาวฤกษ์ซึ่งมีอายุปานกลาง และมีอุณหภูมิที่พื้นผิวประมาณ 6,000° C
          ในกลุ่มดาวสุนัขใหญ่ (Canis Major) มีดาวฤกษ์ที่สว่างที่สุดบนท้องฟ้ามีชื่อว่า ดาวซิริอุส (Sirius) คนไทยเราเรียกว่า "ดาวโจร" (เนื่องจากสว่างจนทำให้โจรมองเห็นทางเข้ามาปล้น) ดาวซิริอุสมิได้มีขนาดใหญ่ แต่ว่าอยู่ห่างจากโลกเพียง 8.6 ล้านปีแสง ถ้าเทียบกับดาวไรเจลในกลุ่มดาวนายพรานแล้ว ดาวไรเจลมีขนาดใหญ่และมีความสว่างกว่าดาวซิริอุสนับพันเท่า หากแต่ว่าอยู่ห่างไกลถึง 777 ล้านปีแสง เมื่อมองดูจากโลก ดาวไรเจลจึงมีความสว่างน้อยกว่าดาวซิริอุส


สามเหลี่ยมฤดูร้อน

 


ภาพที่ 3  สามเหลี่ยมฤดูร้อน

           ในช่วงหัวค่ำของต้นฤดูหนาว จะมีกลุ่มดาวสว่างทางด้านทิศตะวันตก คือ กลุ่มดาวพิณ กลุ่มดาวหงส์ และกลุ่มดาวนกอินทรีย์ หากลากเส้นเชื่อม ดาวเวก้า (Vega) - ดาวสว่างสีขาวในกลุ่มดาวพิณไปยัง ดาวหางหงส์ (Deneb) - ดาวสว่างสีขาวในกลุ่มดาวหงส์ และ ดาวนกอินทรีย์ (Altair) - ดาวสว่างสีขาวในกลุ่มดาวนกอินทรีย์ จะได้รูปสามเหลี่ยมด้านไม่เท่าเรียกว่า "สามเหลี่ยมฤดูร้อน" (Summer Triangle) ซึ่งอยู่ในทิศตรงข้ามกับสามเหลี่ยมฤดูหนาว ขณะที่สามเหลี่ยมฤดูร้อนกำลังจะตก สามเหลี่ยมฤดูหนาวก็กำลังจะขึ้น (สามเหลี่ยมฤดูหนาวขึ้นตอนหัวค่ำของฤดูร้อนของยุโรปและอเมริกา ซึ่งเป็นช่วงฤดูฝนของประเทศไทย) ในคืนที่เป็นข้างแรมไร้แสงจันทร์รบกวน หากสังเกตให้ดีจะเห็นว่า มีแถบฝ้าสว่างคล้ายเมฆขาว พาดข้ามท้องฟ้า ผ่านบริเวณกลุ่มดาวนกอินทรีย์ กลุ่มดาวหงส์ ไปยังกลุ่มดาวแคสสิโอเปีย (ค้างคาว) แถบฝ้าสว่างที่เห็นนั้นแท้ที่จริงคือ ทางช้างเผือก (The Milky Way)


การสังเกตทางช้างเผือก

          ในคืนที่ฟ้ามืดไร้เมฆ และปราศจากแสงรบกวน เราจะมองเห็นแถบฝ้าสีขาวคล้ายเมฆ พาดยาวข้ามขอบฟ้า มิว่าลมจะพัดแรงเพียงใด แถบฝ้านี้ก็ยังคงอยู่ คนโบราณเรียกแถบฝ้าสว่างนี้ว่า "ทางช้างเผือก" หรือ "ทางน้ำนม" ปัจจุบันนักดาราศาสตร์ทราบดีแล้วว่า แถบฝ้าสว่างที่เห็น แท้จริงนั่นคือ อาณาจักรของดาวจำนวนมหาศาล ซึ่งเรียกว่า "กาแล็กซี" (Galaxy) กาแล็กซีของเรามีชื่อว่า "กาแล็กซีทางช้างเผือก" (The Milky Way galaxy) ที่เรียกเช่นนี้เป็นเพราะ คนไทยในสมัยโบราณเชื่อว่า พระมหากษัตริย์เป็นโอรสของสวรรค์ อวตารลงมาเกิดเป็นมนุษย์ และมีช้างเผือกเป็นสัตว์คู่บารมี จึงมีความเชื่อว่ามีทางช้างเผือกอยู่บนสวรรค์
          กาแล็กซีทางช้างเผือกประกอบด้วย ดาวฤกษ์จำนวนนับพันล้านดวง ดาวฤกษ์แต่ละดวงอาจจะมีดาวเคราะห์อีกหลายดวง และระบบสุริยะของเรา ก็เป็นสมาชิกหนึ่งในนั้น   หากส่องกล้องมองไปที่ทางช้างเผือก เราจะเห็นดวงดาวจำนวนมหาศาล มากมายเต็มไปหมดจนนับไม่ถ้วน คล้ายกับจำนวนเม็ดทรายบนชายหาด


ภาพที่ 1 ทางช้างเผือกบริเวณกลุ่มดาวแมงป่อง
 

           ทางช้างเผือกพาดผ่านกลุ่มดาวสว่างดังนี้ กลุ่มดาวแคสสิโอเปีย (ค้างคาว) เพอร์เซอุส สารถี คนคู่ กางเขนใต้ แมงป่อง คนยิงธนู นกอินทรีย์ และกลุ่มดาวหงส์ (ดูแผนที่ดาววงกลมประกอบ)   ถ้าหากแกนหมุนของโลกตั้งฉากกับระนาบของกาแล็กซี เราจะมองเห็นทางช้างเผือกเป็นทางยาวคาดท้องฟ้าในแนวตะวันออก-ตะวันตก ทว่าความเป็นจริง แกนหมุนของโลกทำมุมเอียง กับระนาบของกาแล็กซีประมาณ 60 องศา และโลกก็หมุนรอบตัวเองอยู่ตลอดเวลา   ดังนั้นเราจึงมองเห็นทางช้างเผือกพาดยาวข้ามขอบฟ้า โดยมีทิศทางการวางตัวบนท้องฟ้า เปลี่ยนแปลงไปอย่างช้า ๆ ตลอดเวลา   บางเวลาก็อยู่ในแนวเหนือ-ใต้ บางเวลาก็อยู่ในแนวเฉียง เป็นต้น
          อนึ่ง การสังเกตการณ์ทางช้างเผือก จะทำได้ต่อเมื่ออยู่ในที่มืดสนิด ในชนบท หรือ ป่าเขา ท้องทะเล และไม่มีแสงจันทร์รบกวนเท่านั้น    ดังนั้นในการดูทางช้างเผือก จะต้องมีการเตรียมการวางแผน ศึกษาเวลาการขึ้น-ตกของดวงจันทร์ ซึ่งสามารถคำนวณได้จากปฏิทิน (ดวงจันทร์ขึ้นช้าวันละ 50 นาที) หรือศึกษาด้วยซอฟต์แวร์แผนที่ดาวมาก่อน


ภาพที่ 2  กาแล็กซีทางช้างเผือกเมื่อมองจากอวกาศ

เมื่อมองจากอวกาศ

          กาแล็กซีของเรามีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100,000 ปีแสง มีรัศมี 50,000 ปีแสง (1 ปีแสง = ระยะทางซึ่งแสงใช้เวลานาน 1 ปี หรือ 9.5 ล้านล้านกิโลเมตร) และหนาประมาณ 2,000 ปีแสง   ดังนั้นดวงดาวบนท้องฟ้าที่เรามองเห็นเป็นกลุ่มดาว ล้วนอยู่ห่างออกไปเป็นระยะทางไม่เกิน 2,000 ปีแสงทั้งนั้น   เมื่อเรามองไปตามแนวระนาบของทางช้างเผือก เราจะมองเห็นฝ้าขาวสว่างของดาวในทางช้างเผือก ซึ่งอยู่ห่างไกลนับหมื่นปีแสง และเมื่อมองไปในทิศระหว่าง กลุ่มดาวแมงป่องและกลุ่มดาวคนยิงธนู จะเห็นว่าทางช้างเผือกในบริเวณนั้น กว้างใหญ่และสว่างเป็นพิเศษ ทั้งนี้เป็นเพราะเรากำลังมองเข้าไปตรงศูนย์กลางของกาแล็กซี
          ทางช้างเผือกมิใช่มีแต่เพียงฝ้าสว่างสีขาว แต่ยังมีฝ้าทึบสีดำด้วย ในบางบริเวณของกาแล็กซีมีก๊าซและฝุ่นอยู่อย่างหนาทึบ ดังเช่น บนระนาบของกาแล็กซี สสารอุณหภูมิต่ำเหล่านี้ บดบังความสว่างของดาวที่อยู่เบื้องหลัง (ในทำนองเดียวกับเนบิวลามืด ซึ่งบังแสงของดาวสว่าง)   เมื่อมองดูด้วยตาเปล่า เราจึงอาจเข้าใจผิดว่า คิดว่ามีช่วงว่างของอวกาศ แทรกอยู่ระหว่างทางช้างเผือก แต่เมื่อศึกษาด้วยภาพถ่ายแล้ว จะพบว่า สีดำที่เห็นเหล่านั้น ล้วนเป็นกลุ่มก๊าซอันหนาทึบ (ภาพที่ 2)
 

 

 

หลักการของกล้องโทรทรรศน์
 
          นักดาราศาสตร์นำกล้องโทรทรรศน์ (Telescope) มาเป็นเครื่องมือในการศึกษาเทห์วัตถุท้องฟ้า เนื่องจากกล้องโทรทรรศน์ มีคุณสมบัติที่สำคัญ 2 ประการคือ
                  1. ความสามารถในการรวบรวมแสง - เลนส์หรือกระจกขนาดใหญ่ สามารถรวบรวมแสงได้มากกว่าดวงตาของมนุษย์
                  2. ความสามารถในการขยาย - ช่วยเพิ่มขนาดของภาพ ทำให้เห็นรายละเอียดของวัตถุได้มากขึ้น    

หลักการเบื้องต้น

          อุปกรณ์ที่สำคัญของกล้องโทรทรรศน์คือ "เลนส์นูน" มีหน้าที่รวมแสงให้มาตกที่จุด "จุดโฟกัส" (focus)   เราเรียก ระยะทางระหว่างจุดกึ่งกลางของเลนส์กับจุดโฟกัสว่า "ความยาวโฟกัส"
             - หากเราใช้เลนส์นูนส่องมองวัตถุท ี่ระยะใกล้กว่ากว่าความยาวโฟกัส จะเห็นว่า เลนส์นูนช่วยในการขยายภาพ
             - หากเราใช้เลนส์นูนส่องมองวัตถุที่ ระยะไกลกว่าความยาวโฟกัส จะเห็นว่า เลนส์นูนรวมแสง แล้วให้ภาพหัวกลับ ดังภาพที่ 1


ภาพที่ 1 เลนส์นูนหักเหแสงให้ภาพหัวกลับ

           การทำงานของกล้องโทรทรรศน์อาศัย หลักการหักเหของแสงผ่านเลนส์นูนจำนวน 2 ชุด โดยเลนส์แต่ละชุด ประกอบด้วยเลนส์ 2-3 ชิ้น สร้างจากเนื้อแก้วที่ต่างกัน ประกบกัน เพื่อแก้ความคลาดสี (ถ้าใช้เลนส์เดี่ยว จะให้ภาพขอบวัตถุเป็นสีรุ้ง เนื่องจากแสงแต่ละสีมีความยาวคลื่นไม่เท่ากัน จึงทำให้ความยาวโฟกัสไม่เท่ากัน)   เลนส์ชุดหน้า มีขนาดใหญ่ เรียกว่า "เลนส์วัตถุ" (Objective Lens) ทำหน้าที่รวบรวมแสง    ส่วนเลนส์ชุดหลังซึ่งใช้มอง มีขนาดเล็ก เรียกว่า "เลนส์ตา" (Eyepiece) ทำหน้าที่เพิ่มกำลังขยาย ดังที่แสดงในภาพที่ 2


ภาพที่ 2 การทำงานของเลนส์กล้องโทรทรรศน์


กำลังรวมแสง

          คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของกล้องโทรทรรศน์คือ "กำลังรวมแสง" (Light-gathering power) กล้องโทรทรรศน์ช่วยให้นักดาราศาสตร์มองเห็น เทห์วัตถุในห้วงอวกาศ อาทิเช่น กาแล็กซี เนบิวลา และกระจุกดาวต่าง ๆ ซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เนื่องจากระยะทางที่ไกลมาก ทำให้แสงของมันจางลง
           เลนส์นูนของกล้องโทรทรรศน์มีพื้นที่รับแสงได้มากกว่าดวงตาของมนุษย์ จึงมีกำลังรวมแสงที่มากกว่า   อย่างไรก็ตามเราไม่สามารถกำหนด ค่ากำลังรวมแสงของเลนส์เป็นค่าเฉพาะได้ หากแต่กำหนดได้ด้วยการเปรียบเทียบเท่านั้น

          ยกตัวอย่าง: เมื่อเปรียบเทียบเลนส์ของกล้องโทรทรรศน์ ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 cm กับดวงตาของเรา (กระจกตาดำ) ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.5 cm  จะเห็นว่า เลนส์ของกล้องโทรทรรศน์ มีขนาดใหญ่กว่าถึง 100 เท่า และจะมีกำลังรวมแสงมากว่าถึง 10,000 เท่า (100 ยกกำลังสอง)
          ลองคิดดูว่ากล้องโทรทรรศน์ Keck ที่ใหญ่ที่สุดในโลก บนเกาะฮาวาย มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 เมตร จะมีกำลังรวมแสงมากกว่าตาของมนุษย์ กี่เท่า?
 

กำลังขยาย

          นอกจากคุณสมบัติในการรวมแสงแล้ว นักดาราศาสตร์ยังต้องการ "กำลังขยาย" (Magnification) ในการศึกษารายละเอียดของเทห์วัตถุท้องฟ้า อาทิเช่น พื้นผิวของดาวเคราะห์ และดวงจันทร์ พวกเขาสามารถปรับกำลังขยายของกล้องโทรทรรศน์ ด้วยการเปลี่ยนความยาวโฟกัสของเลนส์ตา ได้ตามสูตร

          ยกตัวอย่าง: ถ้าความยาวโฟกัสของเลนส์วัตถุ = 1000 mm ความยาวโฟกัสของเลนส์ตา = 10 mm   กำลังขยายย่อมเท่ากับ 1000/10 คือ 100 เท่า
          ทว่าในทางปฏิบัตินั้น ถ้าเราเพิ่มกำลังขยายขึ้น 2 เท่า ความสว่างของภาพจะลดลง 4 เท่า
           ดังนั้น กำลังขยายสูงสุดที่ใช้งานได้จริงจึงอยู่ที่ค่าประมาณ 50 คูณด้วย ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์วัตถุ ซึ่งมีหน่วยเป็นนิ้ว (แต่ไม่เกิน 400 เท่า)  เป็นต้นว่า กล้องขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 นิ้ว จะมีกำลังขยายที่ใช้งานได้ไม่เกิน 50 x 4 = 200 เท่า
           การใช้กำลังขยายที่สูงมาก จะทำให้ได้ภาพที่มีคุณภาพต่ำ มืด มัว และสั่นไหว เนื่องจากขณะที่เราขยายภาพดาว ก็จะขยายภาพของบรรยากาศโลกตามไปด้วย ทำให้ได้ภาพพร่ามัว และไหล คล้ายการมองเห็นวัตถุที่อยู่ในน้ำ

ตารางเปรียบเทียบกำลังขยายของกล้องโทรทรรศน์
กำลังขยายต่ำ 10-20 เท่า
ใช้สำรวจกระจุกดาวขนาดใหญ่ กาแล็กซีแอนโดรมีดา ทางช้างเผือก และค้นหาดาวหาง
กำลังขยายปานกลาง 20-70 เท่า
สำหรับใช้งานทั่วไป สำรวจพื้นผิวดวงจันทร์ กระจุกดาวเปิด เนบิวล่า และกาแล็กซี
กำลังขยายสูง 70-200 เท่า
ใช้สำรวจรายละเอียดของดาวเคราะห์ และสำรวจเทห์วัตถุขนาดเล็ก เช่น ดาวคู่ ซึ่งอยู่ชิดกันมาก
 

อัตราส่วนโฟกัส

          อัตราส่วนโฟกัส (Focal ratio) เป็นคุณสมบัติอีกข้อหนึ่งที่สำคัญของเลนส์กล้องโทรทรรศน์ เป็นค่าอัตราส่วน ระหว่างความยาวโฟกัสของเลนส์วัตถุ กับ เส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์วัตถุ เรามักเห็นค่านี้แสดงด้วย "f/" บนเลนส์กล้องถ่ายรูปทั่วไป

          ยกตัวอย่าง:
                        เลนส์วัตถุขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 mm   ความยาวโฟกัส 1,000 mm   มีค่า "f/10"
                        เลนส์วัตถุขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 mm   ความยาวโฟกัส 500 mm   มีค่า "f/5"

          เลนส์ที่มีค่าตัวเลข f/น้อย จะให้ขอบภาพกว้างและสว่างกว่า เลนส์ที่มีค่าตัวเลข f/มาก
          เลนส์ที่มีค่าตัวเลข f/มาก จะให้ความชัดลึกของภาพมากกว่า เลนส์ที่มีค่าตัวเลข f/น้อย

 

หมายเหตุ: ห้ามใช้กล้องโทรทรรศน์ส่องมองดูดวงอาทิตย์ โดยปราศจากแผ่นกรองแสงอาทิตย์ที่มีคุณภาพ โดยเด็ดขาด


กล้องโทรทรรศน์

กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง (Refractor)
          เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ใช้เลนส์ในการรวมแสง สามารถพบเห็นโดยทั่วไป มีใช้กันอย่างแพร่หลาย กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงส่วนมากมีขนาดเล็ก เหมาะสำหรับใช้สังเกตการณ์พื้นผิวดวงจันทร์และดาวเคราะห์ เนื่องจากให้ภาพคมชัด แต่มีข้อเสียคือ เมื่อส่องดูดาวที่สว่างมาก อาจมีความคลาดสี ถ้าหากคุณภาพของเลนส์ไม่ดีพอ

ภาพที่ 1  กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง

          กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงโดยทั่วไป ไม่เหมาะกับงานสำรวจ เนบิวลา และกาแล็กซี เนื่องจากเทห์วัตถุประเภทนี้ มีความสว่างน้อย จำเป็นต้องใช้กำลังรวมแสงสูง เลนส์ขนาดใหญ่ที่มีความยาวโฟกัสสั้น สร้างยาก และมีราคาแพงมาก เลนส์ที่มีขนาดใหญ่ ทำให้ลำกล้องยาวและมีน้ำหนักมาก ไม่สะดวกต่อการใช้งาน


กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง (Reflector)
          
กล้องโทรทรรศน์ชนิดนี้ถูกคิดค้นโดย "เซอร์ ไอแซค นิวตัน" จึงมีอีกชื่อหนึ่งว่า "กล้องโทรทรรศน์นิวโทเนียน" (Newtonian telescope) กล้องโทรทรรศน์ชนิดนี้ใช้กระจกเว้าแทนเลนส์นูน ทำให้มีราคาประหยัด กระจกขนาดใหญ่ให้กำลังรวมแสงสูง จึงเหมาะสำหรับใช้สังเกตการณ์ เทห์วัตถุที่อยู่ไกลมาก และไม่สว่าง เช่น เนบิวลา และ กาแล็กซี ถ้าเปรียบเทียบกับกล้องแบบหักเหแสง ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากันแล้ว กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง จะมีราคาถูกกว่าประมาณสองเท่า



ภาพที่ 2  กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง

          อย่างไรก็ตาม กล้องนิวโทเนียนมีกระจกทุติยภูมิ ตรงปากลำกล้อง เพื่อสะท้อนแสงฉากขึ้นสู่เลนส์ตา ซึ่งอยู่ทางข้างลำกล้อง จึงเป็นอุปสรรคขวางทางเดินของลำแสง เมื่อเปรียบเทียบกล้องแบบหักเหแสง ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน กล้องแบบหักเหแสงจะให้ภาพสว่าง และคมชัดกว่า) และในทำนองเดียวกับกล้องชนิดหักเหแสง ยิ่งใช้กระจกขนาดใหญ่ และมีความยาวโฟกัสมากขึ้น ลำกล้องก็จะต้องใหญ่โตเทอะทะ และมีน้ำหนักมาก
 

กล้องโทรทรรศน์ชนิดผสม (Catadioptic)

ภาพที่ 3  กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง

           กล้องโทรทรรศน์แบบผสมแบ่งเป็นชนิดย่อย ๆ ได้หลายชนิด อาทิเช่น ชมิดท์-แคสสิเกรนส์ (Schmidt-Cassegrains), มักซูตอฟ-แคสสิเกรนส์ (Maksutov-Cassegrains) ซึ่งแต่ละชนิดจะมีความแตกต่างกันไป ตามองค์ประกอบทางทัศนูปกรณ์ ซึ่งอาจใช้เลนส์หรือกระจกผสมกัน แต่โดยหลักการแล้ว กล้องประเภทนี้เป็นกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง ซึ่งใช้กระจก 2 ชุด สะท้อนแสงกลับไปกลับมา เพื่อช่วยลดความยาวและน้ำหนักของลำกล้อง กล้องโทรทรรศน์แบบผสมบางชนิด อาจมีการนำเอาเลนส์มาใช้ในการแก้ไขภาพให้คมชัด แต่มิใช่เพื่อจุดประสงค์ในการรวมแสง ดังเช่น เลนส์ของกล้องแบบหักเหแสง เราจะพบว่า กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ที่อยู่ในหอดูดาว ส่วนใหญ่ มักจะเป็นกล้องโทรทรรศน์แบบนี้

 

ขาตั้งกล้องโทรทรรศน์ แบ่งเป็น 2 ประเภท

1. ขาตั้งแบบอัลตาซิมุธ (Alt-azimuth Mount)   เป็นขาตั้งกล้องแบบพื้นฐาน ซึ่งหันกล้องได้ 2 แกน คือ หันตามแนวราบทางข้าง และกระดกขึ้นลงในแนวดิ่ง ขากล้องชนิดนี้เหมาะสำหรับการใช้งาน ดูวิวทั่วไป ดูนก หรือดูดาว ซึ่งไม่ใช้กำลังขยายสูง โดยทั่วไปจะพบเห็นใน 2 ลักษณะคือ แบบสามขา (Tripod) และแบบด๊อบโซเนียน (Donsonian) ซึ่งใช้กับกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง

ภาพที่ 4  ขาตั้งกล้องแบบอัลตาซิมุธ (ด๊อบโซเนียน)

2. ขาตั้งแบบอีเควทอเรียล (Equatorial Mount)    เป็นขาตั้งซึ่งมีแกนเอียงขนานกับแกนของโลก แกนนี้จะเล็งไปยังตำแหน่งขั้วฟ้า (ใกล้ดาวเหนือ) และหมุนด้วยความเร็วเท่ากับโลกหมุนรอบตัวเอง ทำให้ลำกล้องชี้ไปยังดาวที่ต้องการตลอดเวลา (เรามองเห็นดาวบนฟ้าเคลื่อนที่เนื่องจากโลกหมุนรอบแกนของตัวเอง) ขากล้องชนิดนี้เหมาะ สำหรับการดูดาวที่ต้องใช้กำลังขยายสูง และงานถ่ายภาพทางดาราศาสตร์ แต่ไม่เหมาะสำหรับในการส่องดูวิวบนพื้นโลก เนื่องจากแกนหมุนของกล้องเอียง ทำให้การกวาดกล้องไปตามขอบฟ้า ทำได้ยากลำบาก นอกจากนั้นขาตั้งกล้องแบบนี้ ยังมีน้ำหนัก และราคาสูงมาก

ภาพที่ 5  ขาตั้งกล้องแบบอีเควทอเรียล


กล้องส่องทางไกลชนิดสองตา
 

         กล้องส่องทางไกลชนิดสองตา (Binocular) มีหลักการเช่นเดียวกับกล้องโทรทรรศน์ กล่าวคือ ประกอบด้วยเลนส์จำนวน 2 ชุด คือ เลนส์วัตถุ และ เลนส์ตา โดยใส่ปริซึมไว้ภายใน เพื่อหักเหลำแสง ทำให้ลำกล้องสั้นลง และให้ภาพหัวตั้งตามปกติ ขนาดของกล้องจะประกอบด้วยตัวเลข 2 จำนวน ได้แก่ 8x40, 7x50 หรือ 10x25 เป็นต้น จำนวนแรกหมายถึง "กำลังขยาย" จำนวนหลังหมายถึง "ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์วัตถุ ซึ่งมีหน่วยเป็นมิลลิเมตร"

 

แบบพอร์โร-ปริซึม (Porro-Prism) 
แบบรูฟ - ปริซึม (Roof-Prism)

การเลือกขนาดและกำลังขยายของกล้อง ขึ้นอยู่กับการใช้งาน

เดินทางไกลและไต่เขา: ควรเลือกกล้องที่มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา พกพาง่าย หรือกันน้ำ ได้แก่ 8x24 หรือ 10x25

ดูนก: ควรเลือกกล้องที่มีกำลังรวมแสงพอสมควร กำลังขยายปานกลาง น้ำหนักไม่มากนัก เพื่อให้ภาพไม่สั่นไหว หรือเมื่อย เมื่อยกนาน ๆ   ขนาดที่เหมาะสมควรจะเป็น 8x40 หรือ 8x42

ดูดาว: เทห์วัตถุท้องฟ้าส่วนใหญ่ มีความสว่างไม่มาก ดังนั้นกล้องส่องทางไกลที่ใช้งานด้านนี้ ควรมีเลนส์วัตถุที่มีขนาด 50 มิลลิเมตรขึ้นไป เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพในการรวมแสง   แต่ถ้ากล้องมีขนาดใหญ่ และน้ำหนักมาก ต้องติดตั้งไว้บนขาตั้งกล้อง

อายรีลีฟยาว
อายรีลีฟสั้น

ระยะระหว่างดวงตากับเลนส์

          ในการใช้กล้องส่องทางไกล จะสังเกตได้ว่า หากเราถือกล้องไว้ห่างจากดวงตามากเกินไป เราจะมองไม่เห็นภาพทั้งหมดในกล้อง ขอบของภาพจะเบรอ จนกว่าเราจะขยับกล้องให้ใกล้กับดวงตามากขึ้น จึงจะเห็นภาพชัดเจนทั้งหมดจนถึงขอบ ระยะห่างระหว่างเลนส์ตากับดวงตา ซึ่งทำให้มองเห็นภาพทั้งหมดในกล้อง ได้ชัดเจนจนถึงขอบนี้ เราเรียกว่า "อายรีลีฟ" (Eye relief)    กล้องสองตาโดยทั่วไปมักมีอายรีลีฟประมาณ 8-14 มิลลิเมตร ซึ่งสั้นเกินไปผู้สวมใส่แว่นสายตา ดังนั้นหากท่านมีความประสงค์จะใช้กล้องสองตาโดยไม่ต้องถอดแว่นออกเลย ควรเลือกกล้องที่มีอายรีลีฟยาวกว่า 17 มิลลิเมตรขึ้นไป ยิ่งมากยิ่งดี ค่า "อายรีลีฟ" จะแปรผกผันกับ "กำลังขยาย" นั่นคือ กล้องกำลังขยายสูงจะมีอายรีลีฟสั้น ส่วนกล้องกำลังขยายต่ำจะมีอายรีลีฟยาวกว่า ดังนั้นกล้องกำลังขยายสูงที่มีอายรีลีฟยาว จึงมีราคาแพงมาก เนื่องจากต้องออกแบบเป็นพิเศษ
 


กำเนิดระบบสุริยะ

        ระบบสุริยะ ประกอบด้วยดวงอาทิตย์และบริวาร ซึ่งโคจรอยู่รอบดวงอาทิตย ์ได้แก่ ดาวเคราะห์ 9 ดวง บริวารของดาวเคราะห์ ดาวเคราะห์น้อย และดาวหาง   ดาวเคราะห์ 4 ดวงที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย ์เรียกว่า "ดาวเคราะห์ชั้นใน" ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ขนาดเล็ก และมีพื้นผิวเป็นของแข็ง ได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ โลกและดาวอังคาร ดาวเคราะห์ 5 ดวงที่อยู่ถัดออกไปเรียกว่า "ดาวเคราะห์ชั้นนอก" ซึ่งมีขนาดใหญ่ และมีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นก๊าซ ยกเว้นดาวเคราะห์ดวงนอกสุด คือ ดาวพลูโตที่มีขนาดเล็ก และมีพื้นผิวเป็นของแข็ง


ภาพที่ 1  เปรียบเทียบขนาดของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ

        ระบบสุริยะเกิดจากกลุ่มก๊าซและฝุ่นในอวกาศ ยุบรวมกันภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง เมื่อ 4,600 ล้านปีที่ผ่านมา ที่ใจกลางของกลุ่มก๊าซเกิดเป็นดาวฤกษ์ คือ ดวงอาทิตย์ เศษฝุ่น และก๊าซที่เหลือจากการเกิดเป็นดาวฤกษ์ เคลื่อนที่อยู่ล้อมรอบ เกิดการชน และรวมตัวกัน ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ในช่วงเวลาหลายร้อยล้านปี จนในที่สุดก็กลายเป็นดาวเคราะห์บริวาร และวัตถุอื่นๆ ในระบบสุริยะ


ภาพที่ 2  กำเนิดระบบสุริยะ

ข้อมูลที่น่ารู้
         - ระบบสุริยะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 12,000 ล้านกิโลเมตร
         - 99% ของเนื้อสารทั้งหมดของระบบสุริยะ รวมอยู่ที่ดวงอาทิตย์


ดวงอาทิตย์


ภาพที่ 1 ดวงอาทิตย

       ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้โลกของเรามากที่สุด มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นก๊าซไฮโดรเจน ที่ใจกลางของดวงอาทิตย์ มีอุณหภูมิและแรงดันสูงมาก จนทำให้ก๊าซไฮโดรเจนหลอมรวมกันเป็นก๊าซฮีเลียม และแผ่พลังงานออกมาอย่างมหาศาล เป็นความร้อนและแสงสว่าง เราเรียกปฏิกิริยานี้ว่า "ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน"  พลังงานความร้อน และแสงสว่าง จากดวงอาทิตย์นี้เอง ที่เอื้อให้เกิดสิ่งมีฃีวิตบนโลกของเรา

โครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์ ประกอบไปด้วย

         1. แกนกลาง มีอุณหภูมิสูงกว่า 15 ล้านองศาเซลเซียส
         2. โชนการแผ่รังสี พลังงานความร้อนถ่ายทอดออกสู่ส่วนนอกในรูปแบบคลื่น
         3. โซนการพารังสี อยู่เหนือโซนการแผ่รังสี พลังงานความร้อนในโซนนี้ถูกถ่ายทอดออกสู่ส่วนนอก โดยการเคลื่อนที่ของก๊าซ
         4. โฟโตสเฟียร์ เป็นพื้นผิวของดวงอาทิตย์ อยู่เหนือโซนการพารังสี เราสังเกตพื้นผิวส่วนนี้ได้ในช่วงคลื่นแสง มีอุณหภูมิประมาณ 5,500 องศาเซลเซียส
         5. โครโมสเฟียร์ เป็นบริเวณที่อยู่เหนือขึ้นมาจากชั้นโฟโตสเฟียร์ มีอุณหภูมิสูงประมาณ 10,000 องศาเซลเซียส
         6. คอโรนา เป็นบรรยากาศชั้นนอกสุดของดวงอาทิตย์แผ่ออกไปในอวกาศหลายล้านกิโลเมตร มีอุณหภูมิสูงมากกว่า 1 ล้านองศาเซลเซียส


ภาพที่ 2 โครงสร้างของดวงอาทิตย์

จุดบนดวงอาทิตย์
         เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กที่พื้นผิวดวงอาทิตย์ ทำให้บริเวณดังกล่าวมีอุณหภูมิต่ำกว่าบริเวณรอบข้าง จึงมีความสว่างน้อยกว่าบริเวณข้างเคียง จึงสังเกตเห็นเป็นจุดดำ จุดบนดวงอาทิตย์บางจุดมีขนาดใหญ่กว่า โลกของเราหลายเท่า จุดบนดวงอาทิตย์ มีจำนวนเพิ่มขึ้นสูงสุดทุกๆ 11 ปี ซึ่งสัมพันธ์กับการประทุจ้าที่พื้นผิวของดวงอาทิตย์ ที่เรียกว่า "โซลาร์แฟลร์" (Solar flare)

ภาพที่ 3 จุดบนดวงอาทิตย์

ลมสุริยะ
         อนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์แผ่ออกสู่อวกาศทุกทิศทาง เรียกว่า "ลมสุริยะ" (Solar wind) อนุภาคเหล่านี้เดินทางมาสู่โลกตลอดเวลา แต่ถูกสนามแม่เหล็กโลกปิดกั้นไว้ จึงไม่เกิดอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตบนพื้นโลก อย่างไรก็ตามอนุภาคเหล่านี้ถูกสนามแม่เหล็กโลกเร่งเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลก ในบริเวณขั้วโลกเหนือ และขั้วโลกใต้ และทำปฏิกิริยากับก๊าซในชั้นบรรยากาศ ปรากฏเป็นแสงสีสวยงามบนท้องฟ้าในยามค่ำคืน เรียกว่า "แสงเหนือแสงใต้" (Aurora)

คาบการหมุนรอบตัวเอง บริเวณใกล้ศูนย์สูตร 35 วัน  คาบการหมุนรอบตัวเอง บริเวณใกล้ขั้วดาว 25 วัน  คาบการโคจรรอบกาแล็กซี 220 ล้านปี
ความหนาแน่น 1,410 กิโลกรัม / ลูกบาศก์เมตร  มวลมากกว่าโลก 3 แสนเท่า
ดวงอาทิตย์ประกอบด้วย ไฮโดรเจน 75% และ ฮีเลียม 25% (นับโดยมวล)
อุณหภูมิเฉลี่ยที่ผิว 5,500 °C   อุณหภูมิเฉลี่ยที่ใจกลาง 15,000,000 °C
ตารางที่ 1  ข้อมูลดวงอาทิตย์

คำเตือน! ห้ามมองดูดวงอาทิตย์โดยตรงจากกล้องสองตาหรือกล้องโทรทรรศน์ หรือด้วยตาเปล่า เพราะพลังงานของแสงอาทิตย์ ์จะทำให้ตาบอดได้ ควรสังเกตดวงอาทิตย์ทางอ้อมโดยใช้ฉากหรือกระดาษสีขาว รับภาพของดวงอาทิตย์ จากกล้องส่องทางไกล หรือ กล้องโทรทรรศน์


ดาวพุธ (Mercury)


ภาพที่ 1 ดาวพุธ

          ดาวพุธเป็นดาวเคราะห์ซึ่งอยู่ใกล้กับดวงอาทิตย์มากที่สุด เป็นดาวเคราะห์ขนาดเล็ก และไม่มีดวงจันทร์บริวาร
โครงสร้างภายในของดาวพุธประกอบไปด้วย แกนเหล็กขนาดใหญ่มีรัศมีประมาณ 1,800 ถึง 1,900 กิโลเมตร ล้อมรอบด้วยชั้นที่เป็นซิลิเกท (ในทำนองเดียวกับที่แกนของโลกถูกห่อหุ้มด้วยแมนเทิลและเปลือก) ซึ่งหนาเพียง 500 ถึง 600 กิโลเมตร บางส่วนของแกนอาจจะยังหลอมละลายอยู่

          ดาวพุธถูกเยี่ยมเยือนด้วยยานอวกาศเพียงลำเดียวคือ ยานมารีเนอร์ 10 ในปี พ.ศ. 2517 ซึ่งได้ทำการสำรวจ และทำแผนที่พื้นผิวดาวพุธเป็นครั้งแรก แต่เนื่องจากดาวพุธอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มาก จึงสามารถทำแผนที่ได้เพียงร้อยละ 45 ของพื้นที่ทั้งหมด

          พื้นผิวดาวพุธเต็มไปด้วยหลุมบ่อมากมาย คล้ายกับพื้นผิวดวงจันทร์ มีเทือกเขาสูงใหญ่ และแอ่งที่ราบขนาดใหญ่อยู่ทั่วไป แอ่งที่ราบแคลอริสเป็นแอ่งที่ราบขนาดใหญ่ ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1,300 กิโลเมตร  นักดาราศาสตร์สันนิษฐานว่า แอ่งที่ราบขนาดใหญ่นี้เกิดจากการพุ่งชนของอุกกาบาตในยุคเริ่มแรกของระบบสุริยะ

ภาพที่ 2 พื้นผิวเต็มไปด้วยหลุมอุกาบาต คล้ายกับดวงจันทร์ของเรา

          ดาวพุธไม่มีชั้นบรรยากาศห่อหุ้ม และการที่ดาวพุธอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มาก ทำให้อุณหภูมิที่พื้นผิวดาวพุธ ในเวลากลางวันและกลางคืน แตกต่างกันมากถึง 600 องศาเซลเซียส โดยมีอุณหภูมิในเวลากลางวันสูงถึง 430 องศาเซลเซียส และลดลงเหลือ –180 องศาเซลเซียส ในเวลากลางคืน
 


ดาวศุกร์ (Venus)


ภาพที่ 1 ดาวศุกร์

          ดาวศุกร์อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์เป็นลำดับที่ 2 เป็นดาวเคราะห์ที่มีขนาดใหญ่เป็นอันดับที่ 6 และไม่มีดวงจันทร์บริวาร ดาวศุกร์มีลักษณะที่คล้ายคลึงกับโลก จนได้ชื่อว่าเป็นดาวเคราะห์ฝาแฝดกับโลกของเรา โครงสร้างภายในของดาวศุกร์ ประกอบด้วย แกนกลางที่เป็นเหล็กมีรัศมีประมาณ 3,000 กิโลเมตร ห่อหุ้มด้วยชั้นแมนเทิลที่มีความหนาประมาณ 3,000 กิโลเมตร และเปลือกแข็งที่ประกอบด้วยหินซิลิเกต

          ยานอวกาศลำแรกที่เดินทางไปดาวศุกร์คือ มาริเนอร์ 2 ใน พ.ศ.2505  หลังจากนั้นก็มีอีกหลายลำ จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2532 ยานอวกาศแมกเจลแลน ได้ใช้เรดาร์ในการสำรวจผ่านชั้นบรรยากาศที่หนาแน่นของดาวศุกร์ เพื่อทำแผนที่พื้นผิวของดาว การสำรวจโดยใช้สัญญาณเรดาร์ ทำให้ทราบถึงความสูงต่ำของพื้นผิวดาวศุกร์ได้ และพบว่าพื้นผิวดาวศุกร์ปกคลุมไปด้วย ที่ราบที่เกิดจากการระเบิดของภูเขาไฟ และภูเขาไฟขนาดใหญ่หลายแห่ง นอกจากนี้ยังพบว่า พื้นผิวดาวศุกร์ไม่มีหลุมอุกกาบาตขนาดเล็กกระจายอยู่ทั่วไป เช่นเดียวกับดาวพุธ ทั้งนี้เป็นเพราะว่า อุกกาบาตจะถูกเผาไหม้ไปจนหมด ในระหว่างที่เดินทางเข้าสู่ชั้นบรรยากาศที่หนาแน่นของดาวศุกร์

          ชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์นั้นมีความหนาแน่นมาก ความดันบรรยากาศที่พื้นผิวดาวศุกร์มีค่าประมาณ 90 เท่า ของความดันบรรยากาศที่พื้นผิวโลก หรือมีค่าเท่ากับความดันที่ใต้ทะเลลึก 1 กิโลเมตร บรรยากาศของดาวศุกร์ประกอบไปด้วย ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นส่วนใหญ่ และมีชั้นเมฆอยู่หลายชั้นที่ประกอบไปด้วยก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (กรดกำมะถัน) ซึ่งมีความหนาหลายกิโลเมตร ทำให้เราไม่สามารถสังเกตเห็นพื้นผิวดาวศุกร์ได้

          ชั้นบรรยากาศที่หนาทึบนี้ทำให้เกิดสภาวะเรือนกระจก กักเก็บความร้อนไว้ภายใต้ชั้นบรรยากาศ ทำให้อุณหภูมิพื้นผิวสูงถึง 600-900 องศาเซลเซียส จะเห็นว่าพื้นผิวดาวศุกร์ร้อนกว่าพื้นผิวดาวพุธมาก ทั้งๆ ที่อยู่ไกลจากดวงอาทิตย์กว่าดาวพุธถึงสองเท่าก็ตาม
 


โลก (The Earth)


ภาพที่ 1  โลก "ดาวเคราะห์สีน้ำเงิน"

          โลกของเราเป็นดาวเคราะห์ดวงเดียวในระบบสุริยะ ที่มีสภาวะแวดล้อมเอื้ออำนวยต่อการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิต โลกอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์เป็นลำดับที่ 3 และมีขนาดใหญ่เป็นอันดับที่ 5 ในบรรดาดาวเคราะห์ทั้งหมดในระบบสุริยะ

          โครงสร้างภายในของโลกประกอบไปด้วยแกนกลางชั้นในที่เป็นเหล็ก มีรัศมีประมาณ 1,200 กิโลเมตร ห่อหุ้มด้วยแกนกลางชั้นนอกที่เป็นของเหลว ประกอบด้วยเหล็กและซัลเฟอร์ มีความหนาประมาณ 2,200 กิโลเมตร ถัดขึ้นมาเป็นชั้นแมนเทิลที่เป็นของเหลวหนืด ประกอบไปด้วย เหล็ก แมกนีเซียม ซิลิกอน และธาตุอื่นๆ มีความหนาประมาณ 3,000 กิโลเมตร เปลือกโลกเป็นของแข็ง มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็น แร่ควอตช์ (ซิลิกอนไดออกไซด์) และเฟลสปาร์

          ชั้นบรรยากาศของโลกประกอบไปด้วยไนโตรเจน 77 % ออกซิเจน 21% ที่เหลือเป็น อาร์กอน คาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ช่วยในการกักเก็บความร้อนไว้ภายใต้ชั้นบรรยากาศ โดยอาศัยสภาวะเรือนกระจก ทำให้โลกมีความอบอุ่น ไม่หนาวเย็นจนเกินไปสำหรับสิ่งมีชีวิต อย่างไรก็ตาม ถ้าปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้นมากจนเกินไป ก็จะทำให้โลกร้อนขึ้น ซึ่งอาจส่งผลให้สิ่งมีชีวิตไม่สามารถดำรงอยู่ได้เช่นกัน

          นอกจากนี้ โลกยังมีสนามแม่เหล็ก ที่เกิดจากการหมุนรอบตัวเองของโลก ถึงแม้ว่าจะมีความเข้มไม่มากนัก แต่ช่วยปกป้องมิให้อนุภาคที่มีพลังงานสูงจากอวกาศเดินทางผ่านมาที่ผิวโลกได้ โดยสนามแม่เหล็กจะกักให้อนุภาค เดินทางไปตามเส้นแรงแม่เหล็ก และเข้าสู่ชั้นบรรยากาศได้ เพียงที่ขั้วโลกเหนือ และขั้วโลกใต้เท่านั้น ซึ่งเป็นตำแหน่งของขั้วแม่เหล็กโลกนั่นเอง เมื่ออนุภาคเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลก๊าซในชั้นบรรยากาศ ทำให้เกิดแสงสีสวยงาม สังเกตเห็นบนท้องฟ้ายามค่ำคืน เรียกว่า "แสงเหนือแสงใต้" (Aurora) ตามบริเวณที่ปรากฏนั่นเอง
 

ดวงจันทร์ (The Moon)


ภาพที่ 2  ดวงจันทร์

          ดวงจันทร์เป็นบริวารดวงเดียวของโลก มีพื้นผิวที่เป็นของเข็ง เต็มไปด้วยหลุมอุกกาบาตมากมาย แสงจันทร์ที่เรามองเห็นนั้นเป็นแสงอาทิตย์ที่สะท้อนจากพื้นผิวดวงจันทร์ ในขณะที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลกเราจะมองเห็นดวงจันทร์ในลักษณะที่เปลี่ยนไป ตามปริมาณของบริเวณที่ได้รับแสงและบริเวณด้านมืดที่หันหน้าเข้าหาโลก เรียกว่า ข้างขึ้นข้างแรม

          แม้ว่าดวงจันทร์จะมีขนาดเล็ก แต่ด้วยการที่มันอยู่ใกล้กับโลกของเรามากกว่าดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ ดวงจันทร์จึงมีอิทฺธิพลต่อปรากฏการณ์บนโลก เช่น การเกิดน้ำขึ้นน้ำลง ซึ่งเกิดจากแรงโน้มถ่วงระหว่างโลกกับดวงจันทร์ และการเกิดสุริยุปราคา และจันทรุปราคา เป็นต้น

         ยานอวกาศลำแรกที่เดินทางไปสำรวจดวงจันทร์ คือ ยานลูนา 2 ของประเทศรัสเซีย ในปี พ.ศ. 2502 และยาน
อะพอลโล 11 เป็นยานอวกาศลำแรกที่พามนุษย์ไปลงสู่พื้นผิวดวงจันทร์ เมื่อวันที่ 20 กรกฎาคม พ.ศ. 2512 พบว่าดวงจันทร์ไม่มีชั้นบรรยากาศห่อหุ้ม จึงเป็นสาเหตุให้พื้นผิวดวงจันทร์ เต็มไปด้วยหลุมอุกกาบาตมากมาย ทั้งขนาดใหญ่และเล็ก เราสามารถมองเห็นหลุมอุกกาบาตขนาดใหญ่ได้ด้วยตาเปล่าคือ บริเวณที่เราจินตนาการว่า เป็นกระต่ายบนดวงจันทร์นั่นเอง

          นอกจากนี้ยังพบว่าหินบนดวงจันทร์มีอายุมากถึง 3,000 – 4,600 ล้านปี ซึ่งเก่าแก่กว่าหินบนพื้นโลกมาก ดังนั้นจึงเป็นหลักฐานที่สำคัญเกี่ยวกับการเกิดของระบบสุริยะในยุคเริ่มแรก


ดาวอังคาร (Mars)


ภาพที่ 1 ดาวอังคาร

          ดาวอังคารเป็นดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์เป็นอันดับที่ 4 ในบรรดาดาวเคราะห์ทั้งหมด ดาวอังคารมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.5 เท่าของโลก  ดาวอังคารมีโครงสร้างภายในประกอบด้วย แกนกลางที่เป็นของแข็ง มีรัศมีประมาณ 1,700 กิโลเมตร ห่อหุ้มด้วยชั้นแมนเทิลที่เป็นหินเหลวหนืด หนาประมาณ 1,600 กิโลเมตร และมีเปลือกแข็ง เช่นเดียวกับโลก

          เราสังเกตเห็นดาวอังคารเป็นสีแดง เพราะมีพื้นผิวที่ประกอบไปด้วยออกไซด์ของเหล็ก หรือ สนิมเหล็กนั่นเอง พื้นผิวดาวอังคารเต็มไปด้วย หุบเหวต่างๆ มากมาย หุบเหวขนาดใหญ่ชื่อ หุบเหวมาริเนอริส มีความยาวถึง 4,000 กิโลเมตร กว้าง 600 กิโลเมตร และลึก 8 กิโลเมตร นอกจากนี้ดาวอังคารยังมีภูเขาไฟที่สูงที่สุดในระบบสุริยะชื่อ ภูเขาไฟโอลิมปัส ที่มีความสูงถึง 25 กิโลเมตร และมีฐานที่แผ่ออกไปเป็นรัศมี 300 กิโลเมตร

          ดาวอังคารมีบรรยากาศที่เบาบางมาก ประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์เป็นส่วนใหญ่ ก๊าซเหล่านี้เกิดจาก การระเหิดของน้ำแข็งแห้ง (คาร์บอนไดออกไซด์แข็ง) ที่ปกคลุมอยู่ทั่วไปบนพื้นผิวดาวอังคาร โดยเฉพาะที่บริเวณขั้วเหนือและขั้วใต้ของดาว มีน้ำแข็งปกคลุมอยู่ตลอดเวลา

          ดาวอังคารเป็นดาวเคราะห์ที่เป็นที่ชื่นชอบของผู้แต่งนิยายวิทยาศาสตร์ ตั้งแต่เมื่อหลายสิบปีที่ผ่านมา เมื่อเริ่มมีการสังเกตดาวอังคารผ่านกล้องโทรทรรศน์ และพบรูปร่างพื้นผิวที่คล้ายกับคลองส่งน้ำของมนุษย์ดาวอังคาร (ถ้ามีสิ่งมีชีวิตอยู่จริงบนดาวอังคาร) แต่หลังจากที่องค์การนาซาได้ส่งยานไปสำรวจดาวอังคารอย่างต่อเนื่อง ทำให้เราทราบว่า ลักษณะดังเกล่าวเป็นเพียงร่องรอยที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ

          อย่างไรก็ตามจากการสำรวจพื้นผิวดาวอังคารโดยยานไวกิงออร์บิเตอร์ 1 ในปี พ.ศ. 2519  และจากยานมาร์ส
โกลบอลเซอร์เวเยอร์ พบร่องน้ำเก่า หรือร่องรอยของท้องแม่น้ำที่เหือดแห้งไปหมดแล้ว นักวิทยาศาสตร์ตั้งสมมติฐานว่า ถ้าเคยมีสิ่งมีชิวิตอยู่บนดาวอังคารมาก่อน ก็น่าจะพบซากหรือฟอสซิลของสิ่งมีชีวิตเหล่านั้นใต้ท้องน้ำ หรือภายใต้น้ำแข็งที่ขั้วทั้งสองของดาวอังคาร  การพิสูจน์หาความจริงดังกล่าว เป็นภารกิจของโครงการสำรวจดาวอังคาร มาร์สโรเวอร์ และมาร์สเอ็กเพรส ที่ถูกส่งขึ้นไปเมื่อกลางปี พ.ศ. 2003 นี้

          ดาวอังคารมีบริวารขนาดเล็ก 2 ดวง มีชื่อว่า โฟบัส และดีมอส  ดวงจันทร์ทั้งสองดวงมีรูปร่าง ไม่สมมาตร และมีขนาดเล็กกว่า 25 กิโลเมตร นักดาราศาสตร์จึงสันนิษฐานว่า อาจเป็นวัตถุในแถบดาวเคราะห์น้อยที่ถูกแรงโน้มถ่วงของดาวอังคาร ดึงดูดให้โคจรรอบ


ดาวพฤหัสบดี (Jupiter)


ภาพที่ 1 ดาวพฤหัสบดี

      ดาวพฤหัสบดี เป็นเทห์วัตถุที่มีความสว่างมากเป็นอันดับที่ 4 ของท้องฟ้า (รองจาก ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และ ดาวศุกร์ แต่บางครั้ง ดาวอังคาร อาจสว่างกว่า) และเป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่ยุคก่อนประวัติศาสตร์ การค้นพบดวงจันทร์บริวารทั้งสี่ของกาลิเลโอ อันได้แก่ ไอโอ ยูโรปา แกนีมีด และ คัลลิสโต ดวงจันทร์ทั้งสี่ดวงจึงได้ชื่อว่าเป็น "ดวงจันทร์กาลิเลียน" (Galilean moons)

      ดาวพฤหัสบดี ถูกเยี่ยมเยือนเป็นครั้งแรกโดย ยานไพโอเนียร์ 10 ในปี พ.ศ. 2516 ติดตามด้วย ไพโอเนียร์ 11, วอยเอเจอร์ 1, วอยเอเจอร์ 2, ยูลิซิส และล่าสุดคือ ยานกาลิเลโอ

      ดาวพฤหัสบดีเป็นดาวเคราะห์ก๊าซ โดยที่ไม่มีพื้นผิวเป็นของแข็ง แต่เต็มไปด้วยก๊าซซึ่งมีความหนาแน่นสูง กดทับกันลึกลงไป เมื่อเรามองดูดาวเคราะห์เหล่านี้ สิ่งที่เรามองเห็นคือ บรรยากาศชั้นยอดเมฆ (ซึ่งมีความหนาแน่นเบาบางกว่า 1 หน่วยบรรยากาศ)

      ชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดีประกอบด้วยไฮโดรเจน 90% และ ฮีเลียม10% ซึ่งปะปนด้วย มีเทน น้ำ และแอมโมเนีย เพียงเล็กน้อย ลึกลงไปด้านล่างเป็นชั้นเมนเทิลชั้นนอกที่ประกอบไปด้วย ไฮโดรเจน และฮีเลียมเหลว และแมนเทิลชั้นในที่ประกอบไปด้วย ไฮโดรเจน ที่มีสมบิตเป็นโลหะ และแกนกลางที่เป็นหินแข็ง มีขนาดเป็น 2 เท่าของโลก

จุดแดงใหญ่
      เป็นที่รู้จักมานานกว่า 300 ปี จุดแดงใหญ่มีรูปวงรี แผ่ออกไปเป็นบริเวณกว้างถึง 25,000 กิโลเมตร ใหญ่พอที่จะบรรจุโลกได้ 2 ใบ จุดแดงใหญ่นี้เป็นพายุที่เกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดี ซึ่งมีอายุมากกว่า 300 ปี และยังไม่ทราบว่าพายุนี้จะจางหายไปเมื่อไร

วงแหวนของดาวพฤหัสบดี
      จากการสำรวจของยานวอยเอเจอร์ 1 ทำให้เราทราบว่าดาวพฤหัสบดีมีวงแหวนเช่นเดียวกับดาวเสาร์ แต่มีขนาดเล็ก และบางกว่ามาก ประกอบไปด้วยเศษหินและฝุ่นที่มีขนาดเล็ก และไม่มีน้ำแข็งเป็นองค์ประกอบ จึงทำให้มันไม่สว่างมากนัก (หินและฝุ่นสะท้อนแสงอาทิตย์ได้ไม่ดีเท่ากับน้ำแข็ง)

ดวงจันทร์บริวารหลักของดาวพฤหัสบดี
      ปัจจุบันพบว่าดาวพฤหัสมีดวงจันทร์อยู่อย่างน้อย 39 ดวง แต่มีเพียง 4 ดวง ที่เป็นดวงจันทร์ขนาดใหญ่ และมีรูปร่างเป็นทรงกลม ได้แก่ ไอโอ ยุโรปา แกนีมีด และคัลลิสโต   ดวงจันทร์ไอโอและยุโรปาเป็นดวงจันทร์ที่มีอายุน้อยและมีหลุมอุกกาบาตอยู่ไม่มากนัก โดยเฉพาะดวงจันทร์ไอโอที่ยังมีการครุกรุ่นของภูเขาไฟอยู่ที่พื้นผิว ส่วนดวงจันทร์แกนีมีดและคัลลิสโตนั้น เป็นดวงจันทร์ที่มีขนาดใหญ่และมีอายุมากกว่า มีพื้นผิวที่เต็มไปด้วยหลุมอุกกาบาตอยู่มากมาย
 


ดาวเสาร์ (Saturn)


ภาพที่ 1 ดาวเสาร์

         ดาวเสาร์เป็นดาวเคราะห์ที่รู้จักกันมาตั้งแต่ก่อนยุคประวัติศาสตร์ กาลิเลโอได้ใช้กล้องส่องทางไกล สังเกตดาวเสาร์เป็นครั้งแรก เมื่อปี พ.ศ. 2153 และพบลักษณะที่เป็นวงรี คล้ายกับเป็นดาวเคราะห์ที่มีหูสองข้าง จนกระทั่งในปี พ.ศ.2202  คริสเตียน ฮอยเกนส์ พบว่าเป็นวงแหวนของดาวเสาร์ เป็นที่เชื่อกันว่าดาวเสาร์เป็นดาวเคราะห์เพียงดวงเดียว ในระบบสุริยะ ที่มีวงแหวน จนกระทั่งเมื่อไม่กี่สิบปีมานี้เอง ที่ได้มีการค้นพบวงแหวนบางๆ รอบดาวยูเรนัส ดาวพฤหัสบดี และดาวเนปจูน

          ดาวเสาร์ถูกเยียมเยือนครั้งแรกโดย ยานไพโอเนียร์ 11 ในปี พ.ศ.2522  ตามด้วย วอยเอเจอร์ 1 และ วอยเอเจอร์ 2  ส่วน ยานแคสสินีกำลังอยู่ในการเดินทาง ซึ่งจะไปถึงใน ปี พ.ศ.2547

          ดาวเสาร์มีองค์ประกอบคล้ายกับดาวพฤหัสบดีคือ ประกอบไปด้วย ไฮโดรเจน 75% ฮีเลียม 25% ปะปนไปด้วยน้ำ มีเทน แอมโมเนีย เพียงเล็กน้อย โครงสร้างภายในของดาวเสาร์ มีลักษณะคล้ายคลึงกัของดาวพฤหัสบดี ซึ่งมีแกนกลางที่เป็นหินแข็ง ห่อหุ้มด้วยแมนเทิลชั้นใน ที่เป็นโลหะไฮโดรเจน และแมนเทิลชั้นนอกที่เป็น ไฮโดรเจน และฮีเลียมเหลว

          แถบที่มีความเข้มต่างๆ กันที่ปรากฏบนดาวเสาร์ เกิดจากการหมุนรอบตัวเองที่เร็วมากของดาว ทำให้เกิดการหมุนวนของชั้นบรรยากาศ ที่มีอุณภูมิแตกต่างกัน จึงปรากฏเป็นแถบเข้มและจาง สลับกันไป

วงแหวนดาวเสาร์
          จากภาพวงแหวนดาวเสาร์ ดูคล้ายกับว่าจะมีลักษณะเป็นแผ่น แท้ที่จริงแล้วประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมหาศาล ซึ่งมีวงโคจรอิสระ และมีขนาดตั้งแต่เซนติเมตร ไปจนหลายร้อยเมตร ส่วนใหญ่จะประกอบด้วยน้ำแข็ง ปะปนอยู่กับเศษหินเคลือบน้ำแข็ง วงแหวนของดาวเสาร์นั้นบางมาก แม้จะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางยาวถึง 250,000 กิโลเมตร แต่มีความหนาไม่ถึง 1.5 กิโลเมตร
วงแหวนแต่ละชั้นมีชื่อเรียกตามอักษรภาษาอังกฤษ เช่น วงแหวนสว่าง (A และ B) และวงสลัว (C) สามารถมองเห็นได้จากโลก ช่องระหว่างวงแหวน A และ B รู้จักในนาม "ช่องแคบแคสสินี" (Cassini division )  เรายังไม่ทราบถึง ต้นกำเนิดของวงแหวนดาวเสาร์ และบริวารเล็กๆ แม้ว่าจะมีวงแหวนมาตั้งแต่การฟอร์มตัว ของดาวเคราะห์ในยุคเริ่มแรก แต่ระบบของวงแหวนขาดเสถียรภาพ และเปลี่ยนแปลงไปตามกระบวนการรอบๆ ข้าง บางทีมันอาจกำเนิดจากการแตกสลายของบริวารที่มีขนาดใหญ่กว่า

ดวงจันทร์บริวารของดาวเสาร์
          ดาวเสาร์มีดวงจันทร์บริวารอย่างน้อย 30 ดวง ดวงจันทร์บริวารที่มีขนาดใหญ่ที่สุดคือ "ไททัน" (Titan) มีขนาดใหญ่หว่าดาวพุธ  ไททันมีชั้นบรรยากาศที่ประกอบด้วย ก๊าซไนโตรเจนเป็นส่วนใหญ่ คล้ายคลึงกับชั้นบรรยากาศของโลก ดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงสนใจที่จะศึกษาดวงจันทร์ไททันอย่างละเอียด เพื่อที่จะได้นำมาเปรียบเทียบกับโลก
ดวงจันทร์บริวารที่มีขนาดรองจากไททันได้แก่ รี ดิโอนี ไออาเพตุส เททิส เอนเซลาดุส และ มิมาส ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วย น้ำแข็งและมีหินผสมอยู่เล็กน้อย
 


ดาวยูเรนัส (Uranus)


ภาพที่ 1 ดาวยูเรนัส

       ยูเรนัสเป็นดาวเคราะห์ดวงแรกซึ่งถูกค้นพบในยุคใหม่ โดย วิลเลี่ยม เฮอส์เชล เมื่อวันที่ 13 มีนาคม พ.ศ.2324
ยานวอยเอเจอร์ 2 เป็นยานอวกาศลำแรกที่ไปสำรวจดาวยูเรนัส ในปี พ.ศ. 2529  องค์ประกอบหลักของดาวยูเรนัสเป็นหินและ น้ำแข็ง หลากหลายชนิด มีไฮโดรเจนเพียง 15% กับฮีเลียมอีกเล็กน้อย (ไม่เหมือนกับ ดาวพฤหัสบดีและ ดาวเสาร์ ซึ่งมีไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่) แกนของดาวยูเรนัสและเนปจูน มีลักษณะที่คล้ายคลึงกับแกนของดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์คือ ห่อหุ้มด้วย โลหะไฮโดรเจนเหลว แต่แกนของดาวยูเรนัสไม่มีแกนหิน ดังเช่น ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์

       บรรยากาศของดาวยูเรนัสประกอบด้วยไฮโดรเจน 83%, ฮีเลียม 15% และมีเทน 2% เนื่องจากก๊าซมีเทนในบรรยากาศชั้นบน ดูดกลืนแสงสีแดง และสะท้อนแสงสีน้ำเงิน ดาวยูเรนัสจึงปรากฏเป็นสีน้ำเงิน บรรยากาศของดาวยูเรนัส อาจจะมีแถบสีดังเช่นดาวพฤหัสบดี เช่นเดียวกับดาวก๊าซดวงอื่น แถบเมฆของดาวยูเรนัสเคลื่อนที่เร็วมาก แต่จางมากจะเห็นได้ด้วยเทคนิคพิเศษเท่านั้น ดังเช่น ภาพจาก ยานวอยเอเจอร์ 2 และจากการสังเกตการณ์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิล

       ดาวเคราะห์ส่วนใหญ่มีแกนหมุนรอบตัวเองค่อนข้างจะตั้งฉากกับระนาบสุริยะวิถี แต่แกนหมุนรอบตัวเองของดาวยูเรนัส กลับเกือบขนานกับสุริยะวิถี  ในช่วงที่ยานวอยเอเจอร์เดินทางไปถึง ยูเรนัสกำลังหันขั้วใต้ชี้ไปยังดวงอาทิตย์ เป็นผลให้บริเวณขั้วใต้ได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ มากกว่าบริเวณเส้นศูนย์สูตร อุณหภูมิบนดาวยูเรนัสมีลักษณะตรงกันข้ามกับดาวเคราะห์ดวงอื่น กล่าวคือ อุณหภูมิบริเวณขั้วดาวจะสูงกว่าบริเวณเส้นศูนย์สูตรเสมอ

วงแหวน
       ดาวยูเรนัสมีวงแหวนเช่นเดียวกับดาวเคราะห์ก๊าซดวงอื่นๆ วงแหวนของดาวยูเรนัสมีความสว่างไม่มากนัก เช่นเดียวกับวงแหวนของดาวพฤหัสบดี เพราะประกอบด้วยอนุภาคซึ่งมีขนาดเล็กมากดังฝุ่นผง ไปจนใหญ่ถึง 10 เมตร ดาวยูเรนัสนับเป็นดาวเคราะห์ดวงแรก ที่ถูกค้นพบว่ามีวงแหวนล้อมรอบ เช่นเดียวกับดาวเสาร์ ซึ่งเป็นการค้นพบที่สำคัญ ที่ทำให้เราทราบว่า ดาวเคราะห์ก๊าซทุกดวงจะมีวงแหวนล้อมรอบอยู่ มิใช่เพียงเฉพาะดาวเสาร์เท่านั้น

ดวงจันทร์บริวาร
        ดาวยูเรนัสมีดวงจันทร์บริวารอย่างน้อย 21 ดวง ซึ่งประกอบไปด้วยดวงจันทร์ขนาดใหญ่อยู่หลายดวง อันได้แก่ มิรันดา แอเรียล อัมเบรียล ไททาเนีย และ โอเบรอน
 


ดาวเนปจูน (์ำNeptune)


ภาพที่ 1  ดาวเนปจูน

      ดาวเนปจูนถูกค้นพบ หลังจากการค้นพบดาวยูเรนัส โดยนักดาราศาสตร์พบว่าวงโคจรของดาวยูเรนัสมิได้เป็นไปตามกฏของนิวตัน จึงทำให้เกิดการพยากรณ์ว่า จะต้องมีดาวเคราะห์อีกดวงหนึ่งที่อยู่ไกลถัดออกไป มารบกวนวงโคจรของดาวยูเรนัส
เนปจูนถูกเยี่ยมเยือนโดยยานอวกาศเพียงลำเดียวคือ วอยเอเจอร์ 2 เมื่อวันที่ 25 สิงหาคม พ.ศ.2532, เกือบทุกอย่างที่เรารู้เกี่ยวกับดาวเนปจูน มาจากการเยี่ยมเยือนในครั้งนี้ เนื่องจากวงโคจรของ ดาวพลูโต เป็นวงรีมาก ในบางครั้งมันจะตัดกับวงโคจรของเนปจูน ทำให้เนปจูนเป็นดาวเคราะห์ซึ่งอยู่ไกลที่สุดในบางปี
ดาวเนปจูนมีองค์ประกอบคล้ายคลึงกับดาวยูเรนัส เช่น รูปแบบของน้ำแข็ง มีไฮโดรเจน 15% และฮีเลียมจำนวนเล็กน้อย ดาวเนปจูนแตกต่างกับดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์ ตรงที่ไม่มีการแบ่งชั้นภายในที่ชัดเจน เรารู้เพียงว่ามีแกนกลางที่มีขนาดเล็ก (มีมวลประมาณเท่าโลก) ดาวเนปจูนเป็นดาวเคราะห์สีน้ำเงินเช่นเดียวกับดาวยูเรนัส เพราะในชั้นบรรยากาศมีก๊าซมีเทน เป็นองค์ประกอบอยู่ด้วย

      ในช่วงเวลาที่ยานวอยเอเจอร์เข้าใกล้ดาวเนปจูน ได้ภาพถ่ายที่มสิ่งสะดุดตาคือ จุดดำใหญ่ (Great dark spot) ทางซีกใต้ของดาว มีขนาดใหญ่เกือบครึ่งหนึ่งของจุดแดงใหญ่บนดาวพฤหัสบดี (ประมาณเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของโลก) จุดดำใหญ่นี้เป็นศูนย์กลางพายุเช่นเดียวกับจุดแดงใหญ่บนดาวพฤหัส มีทิศทางกระแสลมพัดไปทางตะวันตก ด้วยความเร็ว 300 เมตร/วินาที

วงแหวน
      ดาวเนปจูนมีวงแหวน 4 วง และมีความสว่างไม่มากนัก เพราะประกอบด้วยอนุภาคที่เป็นผงฝุ่นขนาดเล็ก จนถึงขนาดประมาณ 10 เมตร เช่นเดียวกับวงแหวนของดาวพฤหัสและดาวยูเรนัส ภาพถ่ายจากยานวอยเอเจอร์แสดงให้เห็นถึงวงแหวนหลัก 2 วง และวงแหวนบางๆ อยู่ระหว่างวงแหวนทั้งสอง

ดวงจันทร์บริวาร
      ดาวเนปจูนมีดวงจันทร์บริวารที่ค้นพบแล้ว 8 ดวง โดยมีดวงจันทร์ชื่อ "ทายตัน" (Triton) เป็นบริวารที่มีขนาดใหญ่ที่สุด ในบรรดาดวงจันทร์บริวารทั้ง 8 ดวง ทายตันมีวงโคจรที่สวนทางกับการหมุนรอบตัวเองของดาวเนปจูน นักดาราศาสตร์คาดว่า ทายตันจะโคจรเข้าใกล้ดาวเนปจูนเรื่อยๆ และพุ่งเข้าชนดาวเนปจูนในที่สุด (อาจใช้เวลาถึงเกือบ 100 ล้านปี)
 


ดาวพลูโต (์ำPluto)


ภาพที่ 1  ดาวพลูโต

      ดาวพลูโตถูกค้นพบในปี พ.ศ.2473 โดยบังเอิญ หลังจากที่ก่อนหน้านั้นได้มีการคำนวณหาตำแหน่งดาวเคราะห์ดวงใหม่ถัดจาก ดาวเนปจูนโดยใช้ฐานข้อมูลการเคลื่อนที่ของดาวยูเรนัสและดาวเนปจูน แต่ไม่ประสบผลสำเร็จ
หลังจากที่ได้ค้นพบดาวพลูโตแล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังคงถกเถียงกันว่า ขนาดของดาวพลูโตเล็กเกินกว่า ที่จะรบกวนวงโคจรของดาวเคราะห์ดวงอื่นได้ จะต้องมีดาวเคราะห์ดวงอื่นที่มีขนาดใหญ่กว่า จึงจะรบกวนดาวเนปจูนได้ ดังนั้นการค้นหา ดาวเคราะห์ X จึงมีขึ้นต่อไป แต่ก็ไม่มีสิ่งใดถูกค้นพบเพิ่มเติม จนกระทั่ง ยานวอนเอเจอร์ 2 ได้ข้อมูลด้านมวลสารของดาวเนปจูนเพิ่มเติม ข้อถกเถียงดังกล่าวจึงหมดไป โดยไม่จำเป็นต้องมีดาวเคราะห์ดวงที่ 10  ดาวพลูโตเป็นดาวเคราะห์เพียงดวงเดียว ที่ไม่เคยมีการส่งยานอวกาศไปสำรวจ แม้แต่กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ยังทำการสำรวจรายละเอียดได้ไม่มากนัก

       โชคดีที่ดาวพลูโตมีบริวารชื่อ "แครอน" (Charon) ซึ่งค้นพบในปี พ.ศ.2521  นักดาราศาสตร์ทราบเพียง ค่ามวลรวมของพลูโตและแครอน การที่จะได้ค่ามวลสารของแต่ละดวงนั้น จำเป็นต้องอาศัยยานอวกาศขี้นไป สำรวจที่ระยะใกล้ดาวพลูโตต่อไป เช่นโครงการพลูโตเอ็กซ์เพรส เป็นต้น

        นักวิทยาศาสตร์บางคนคิดว่า เราควรจะจัดประเภทของดาวพลูโต เป็นดาวเคราะห์น้อยหรือดาวหาง มากกว่าที่จะเป็น ดาวเคราะห์บางคนก็ว่า เราควรจะพิจารณามันเป็นวัตถุที่ใหญ่ที่สุดใน "แนวเข็มขัดคุยเปอร์" (Kuiper's belt) อย่างไรก็ตามในปัจจุบันเรายังถือว่า ดาวพลูโตเป็นเทห์วัตถุประเภทดาวเคราะห์ อย่างเช่นเคย

        วงโคจรของดาวพลูโตรีมาก ขณะที่มันเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ มันจะอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากกว่าดาวเนปจูน (นับตั้งแต่เดือนมกราคม พ.ศ.2522 จนถึงกุมภาพันธ์ พ.ศ.2542) ดาวพลูโตหมุนรอบตัวเองในทิศทางที่ตรงข้ามกับดาวเคราะห์ดวงอื่น

        เรายังมิทราบองค์ประกอบของดาวพลูโตที่แน่ชัด แต่ค่าความหนาแน่นอยู่ที่ประมาณ 2 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร โดยอาจมีส่วนผสมเป็นหิน 70% น้ำแข็ง 30% คล้ายกับดวงจันทร์ทายตันของเนปจูน บริเวณพื้นที่สว่างอาจปกคลุมด้วย น้ำแข็งไนโตรเจน ผสมกับ มีเทน และคาร์บอนมอนอกไซด์แข็ง บริเวณที่เป็นสีคล้ำยังไม่มีข้อมูล

        ดาวพลูโตมีบรรยากาศเพียงเล็กน้อย องค์ประกอบหลักอาจเป็นไนโตรเจน มีคาร์บอนโมนอกไซด์ และมีเทนจำนวนเล็กน้อย โดยมีความกดอากาศที่พื้นผิวต่ำมาก บรรยากาศของดาวพลูโตจะมีสถานะเป็นก๊าซ เฉพาะเวลาที่มันโคจรเข้าใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุด ส่วนในช่วงเวลาอื่นๆ บรรยากาศจะแข็งตัวกลายเป็นน้ำแข็ง


ดาวเคราะห์น้อย (Asteroids)

          ดาวเคราะห์น้อย (Asteroids หรือ Minor planets) เกิดขึ้นในยุคที่เกิดระบบสุริยะเมื่อ 4,600 ล้านปีที่แล้ว ปัจจุบันมีวัตถุที่นักดาราศาสตร์ได้สังเกตพบและตั้งชื่อไว้อยู่ถึง 20,000 ดวง มีวัตถุที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 100 กิโลเมตร อยู่ประมาณ 200 ดวง ที่เหลือเป็นอุกกาบาตขนาดเล็กมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 กิโลเมตร ดาวเคราะห์น้อยโดยทั่วไปมีรูปร่างไม่แน่นอน และเต็มไปด้วยหลุมบ่อ แถบดาวเคราะห์น้อย (Asteroid Belt) พบอยู่ระหว่างวงโคจรของดาวอังคารและดาวพฤหัสบดี สันนิษฐานว่าเกิดมาพร้อมๆ กับดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ มีทฤษฎีหนึ่งอธิบายว่า ดาวเคราะห์น้อยในบริเวณนี้ไม่สามารถรวมตัวกันเป็นดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ได้ เนื่องจากถูกรบกวนโดยแรงโน้มถ่วงอันมหาศาลของดาวพฤหัสบดี

ภาพที่ 1  ดาวเคราะห์น้อย

          ตลอดเวลา 30 ปีที่ผ่านมา นักดาราศาสตร์ได้ใช้สเปกโตรสโคปในการศึกษาองค์ประกอบทางเคมีและแร่ธาตุต่างๆ บนดาวเคราะห์น้อย โดยการวิเคราะห์แสงสะท้อนจากพื้นผิวดาว นอกจากนี้ยังตรวจสอบชิ้นอุกกาบาตที่ตกลงมาสู่พื้นโลก พบว่าประมาณ 1 ใน 3 ของบรรดาอุกกาบาตที่ศึกษาพบ มีสีเข้มและมีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นคาร์บอน ให้ชื่อว่าเป็นอุกกาบาตประเภทคาร์บอนาเซียสคอนไดรท์ (carbonaceous chondrites: C-type) อีกประมาณ 1 ใน 6 พบว่า มีสีค่อนข้างแดงแสดงว่ามีส่วนประกอบที่เป็นเหล็ก จึงเรียกว่า ประเภทหินปนเหล็ก (stony-iron bodies: S-type)
          มีดาวเคราะห์น้อยบางดวงที่มีวงโคจรที่ไม่อยู่ในระนาบอิคลิปติกและมีวงโคจรอยู่ไม่ไกลกว่า 195 ล้านกิโลเมตร ซึ่งทำให้มันมีโอกาสที่จะโคจรมาพบกับโลกได้ในวันหนึ่งในอนาคต ดังนั้นนักดาราศาสตร์ไม่เพียงแต่ค้นหาดาวเคราะห์น้อยดวงใหม่เท่านั้น แต่ต้องติดตามการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์น้อยเหล่านั้นที่มีวงโคจรอยู่ใกล้เคียงกับโลก ซึ่งจำแนกพวกนี้เป็นดาวเคราะห์น้อยใกล้โลก (Near Earth Asteroids: NEAs)
          นอกจากนี้ยังมีวัตถุบางชิ้นที่อาจเกิดขึ้นในขณะที่มีการก่อตัวของดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ นักวิทยาศาสตร์พบชิ้นส่วนอุกกาบาต ALH 84001 ที่พบบนพื้นโลกบริเวณขั้วโลก ที่น่าจะมีต้นกำเนิดจากดาวอังคาร อีกทั้งยังพบร่องรอยขององค์ประกอบของเซลล์สิ่งมีชีวิตที่ยังพิสูจน์ไม่ได้ว่าเป็นเซลล์สิ่งมีชีวิตจากนอกโลก หรือจากพื้นผิวโลกแทรกเข้าไปในรอยร้าวของอุกกาบาตนั้น


ดาวหาง (Comets)


ภาพที่ 1 ดาวหาง
 

         ดาวหางประกอบด้วยฝุ่นและน้ำแข็งสกปรก เมื่อโคจรเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ น้ำแข็งจะระเหิดกลายเป็นหาง ก๊าซและหางฝุ่นให้เราเห็นเป็นทางยาว ดาวหางที่มีคาบการโคจรสั้นก็จะวนเวียนอยู่ภายในระบบสุริยะ แต่ดาวหางส่วนใหญ่จะมาจากบริเวณขอบนอกของระบบสุริยะที่เรียกว่า แถบคุยเปอร์ (Kuiper's belt) ที่เป็นบริเวณตั้งแต่ วงโคจรของดาวพลูโตออกไป เป็นระยะทาง 500 AU จากดวงอาทิตย์ และเมฆออร์ต (Oort Cloud) ที่อยู่ถัดจากแถบคุยเปอร์ออกไปถึง 50,000 AU จากดวงอาทิตย์การเกิดหางของดาวหาง
         เมื่อดาวหางอยู่ที่บริเวณขอบนอกระบบสุริยะ จะเป็นเพียงก้อนน้ำแข็งสกปรกที่ไม่มีหาง นิวเคลียส (nucleus) ประกอบไปด้วยน้ำแข็ง คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน แอมโมเนีย และมีเปลือกแข็งที่มีเศษฝุ่นปะปนอยู่กับน้ำแข็ง เมื่อโคจรเข้าใกล้ดวงอาทิตย์น้ำแข็งเหล่านี้ จะระเหิดกลายเป็นก๊าซ โดยเฉพาะบริเวณที่รับแสงอาทิตย ์จะมีการประทุของก๊าซอย่างรุนแรง ปรากฏอยู่ล้อมรอบนิวเคลียสเรียกว่า โคมา (coma) ก๊าซเหล่านี้จะถูกลมสุริยะพัดออกไปเป็นทางยาว ในทิศทางตรงกันข้ามกับดวงอาทิตย์กลายเป็นหางก๊าซ (gas tail) แสงสีต่างๆ ที่ปรากฏบนหางก๊าซ เกิดจากโมเลกุลก๊าซเรืองแสงหลังจากได้รับความร้อนจากแสงอาทิตย์ คล้ายกับการเรืองแสงของก๊าซนีออน ในหลอดฟลูออเรสเซน หางฝุ่น (dust tail) ของดาวหาง เกิดจากฝุ่นที่พุ่งออกมาจากนิวเคลียส ถูกแรงดันจากแสงอาทิตย์ผลักออกจากดาวหาง ฝุ่นเหล่านี้สามารถสะท้อนแสงของดวงอาทิตย์ได้ดี จึงปรากฏเป็นทางโค้งสว่างให้เห็นตามแนวทิศทางของวงโคจร
         นิวเคลียสของดาวหางมีเส้นผ่านศูนย์กลางโดยทั่วไปประมาณ 10 กิโลเมตร ส่วนโคมาของดาวหางโดยทั่วไป แผ่ออกไปกว้างเป็นรัศมีถึงหลายแสนกิโลเมตร และหางของดาวหางนั้นโดยทั่วไปมีความยาวถึง 100 ล้านกิโลเมตร พอๆ กับระยะห่างระหว่างโลกถึงดวงอาทิตย์

การสังเกตดาวหาง
         ดาวหางบางดวงมีความสว่างมากจนเราสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ดาวหางโดยทั่วไปนั้นจะคล้ายกับดาวที่ขุ่นมัว หางจะปรากฏเป็นทางยาวเมื่อเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ การบันทึกภาพดาวหางนั้นทำได้โดยการเปิดหน้ากล้องไว้ประมาณ 2-3 นาที ก็จะได้ภาพที่สวยงามดังภาพตัวอย่าง
 


ดาวตก (Meteor)

      ดาวตก หรือผีพุ่งใต้ (Meteor) เป็นเพียงอุกกาบาต (Meteoroids) เศษวัตถุเล็ก ๆ หรือฝุ่นที่เกิดตามทางโคจรดาวหาง เมื่อเศษวัตถุเหล่านี้ตกผ่านชั้นบรรยากาศโลก ก็จะถูกเสียดสีและเผาไหม้เกิดเป็นแสงให้เห็นในยามค่ำคืน ในบางครั้งวัตถุขนาดใหญ่สามารถลุกไหม้ผ่านชั้นบรรยากาศ และตกถึงพื้นโลกได้ เราเรียกว่า "ก้อนอุกกาบาต" (Meteorite)
      การที่ดาวหางโคจรเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ ได้ทิ้งเศษฝุ่นและวัตถุขนาดเล็กตามแนวเส้นทางโคจร ในแต่ละปีโลกจะโคจรผ่านบริเวณดังกล่าว เมื่อเศษฝุ่นเหล่านี้ผ่านเข้ามาสู่ชั้นบรรยากาศชั้นบนของโลกจะถูกเสียดสีกับชั้นบรรยากาศทำให้เกิดความร้อนและเผาไหม้เศษวัตถุนั้นภายในเวลาเพียงไม่กี่วินาที ปรากฏให้เห็นเป็นเส้นสว่างสวยงามเป็นจำนวนมาก เราจึงเรียกว่า “ฝนดาวตก” (Meteor shower)


ภาพที่ 3 ดาวตก

ปฏิทินฝนดาวตก

เดือน
ฝนดาวตก
กลุ่มดาว
ช่วงเวลา
สังเกตการณ์
คืนที่มีดาวตกสูงสุด
จำนวนดาวตกสูงสุด
(ต่อชั่วโมง)

ความเร็วของอุกกาบาต
(กม./วินาที)

มกราคม คว๊อดแดนติดส์
คนเลี้ยงสัตว์
28 ธ.ค. - 7 ม.ค.
3-4 ม.ค.
50
41
เมษายน ไลริดส
พิณ
16 - 25 เม.ย.
20-21 เม.ย.
10-15
48
พฤษภาคม เอต้า อะควอริดส
คนแบกหม้อน้ำ
21 เม.ย.-22 พ.ค
4-5 พ.ค.
20-50
65
กรกฎาคม เดลต้า อะควอริดส์
คนแบกหม้อน้ำ
14 ก.ค.-18 ส.ค.
29 ก.ค.
15-20
41
สิงหาคม เพอร์ซิดส์
เพอร์เซอุส
23 ก.ค.-22 ส.ค.
12-13 ส.ค.
80
60
ตุลาคม โอไรออนิดส
นายพราน
15-29 ต.ค.
21-22 ต.ค.
20-25
66
พฤศจิกายน ลีโอนิดส
สิงโต
14-20 พ.ย.
17-18 พ.ย.
15-100+
71
ธันวาคม เจมินิดส์
คนคู่
6-19 ธ.ค.
13-14 ธ.ค
80-100
35

 


โครงสร้างบรรยากาศ

          เมื่อมองดูจากอวกาศ จะเห็นว่าโลกของเรามีบรรยากาศชั้นบางๆ ห่อหุ้มอยู่ บรรยากาศส่วนใหญ่มีลักษณะโปร่งแสง มองเห็นเป็นฝ้าบางๆ ที่ขอบของโลก นอกจากนั้นยังมีกลุ่มเมฆสีขาวซึ่งเกิดจากน้ำในบรรยากาศ เมื่อเปรียบเทียบความหนาของบรรยากาศเพียงไม่กี่ร้อยกิโลเมตร กับรัศมีของโลกซึ่งยาวถึง 6,400 กิโลเมตร จะเห็นว่าบรรยากาศของโลกนั้นบางมาก
          ดังนั้นบรรยากาศของจึงอ่อนไหวต่อการเปลี่ยนแปลงมาก ยกตัวอย่าง เช่น เมื่อเกิดภูเขาไฟระเบิดขึ้น ณ ที่แห่งหนึ่ง กระแสลมก็สามารถหอบหิ้วเถ้าภูเขาไฟ ไปยังอีกซีกหนึ่งของโลก ซึ่งยังผลให้ภูมิอากาศของโลกเปลี่ยนแปลงไปด้วย



ภาพที่ 1 บรรยากาศของโลกเมื่อมองดูจากอวกาศ

กลไกคุ้มครองสิ่งมีชีวิต
          โลกรับพลังงานส่วนใหญ่มาจากดวงอาทิตย์ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งมีทั้งรังสีที่มีคุณประโยชน์และเป็นโทษแก่สิ่งมีชีวิต บรรยากาศของโลกแม้จะมีความเบาบางมาก แต่ก็มีความหนาแน่นพอที่จะปกป้องรังสีคลื่นสั้น เช่น รังสีเอ็กซ์ และรังสีอุลตราไวโอเล็ต ไม่ให้ลงมาทำอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตบนพื้นโลกได้


ภาพที่ 2 การกรองรังสีของบรรยากาศ

           ที่ระดับความสูงประมาณ 80-400 กิโลเมตร โมเลกุลของก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศชั้นบนสุด ดูดกลืนรังสีแกมมา และรังสีเอ็กซ์ จนทำให้อะตอมของก๊าซมีอุณหภูมิสูงจนแตกตัวเป็นประจุ (Ion) และสูญเสียอิเล็กตรอน บางครั้งเราเรียกชั้นบรรยากาศที่เต็มไปด้วยประจุนี้ว่า “ไอโอโนสเฟียร์” (Ionosphere) มีประโยชน์ในการสะท้อนคลื่นวิทยุสำหรับการสื่อสารโทรคมนาคม
           รังสีอุลตราไวโอเล็ตสามารถส่องผ่านบรรยากาศชั้นบนสุดลงมาได้ แต่ถูกดูดกลืนโดยก๊าซโอโซนใน
ชั้นสตราโตสเฟียร์ ที่ระยะสูงประมาณ 48 กิโลเมตร
           แสงที่ตามองเห็น หรือ แสงแดด สามารถส่องลงมาถึงพื้นโลกได้
           รังสีอินฟราเรดถูกดูดกลืนโดยก๊าซเรือนกระจก เช่น ไอน้ำ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซมีเทน
ในชั้นโทรโพสเฟียร์ ทำให้อุณหภูมิพื้นผิวมีความอบอุ่น
           คลื่นไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุในบางความถี่ สามารถส่องทะลุบรรยากาศได้


กำเนิดของบรรยากาศ
          โลกของเราเกิดขึ้นพร้อมๆ กับดวงอาทิตย์ และดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ ในระบบสุริยะเมื่อประมาณ 4,600 ล้านปีมาแล้ว ก๊าซและฝุ่นรวมตัวก่อกำเนิดเป็นดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ โลกในยุคแรกเป็นของเหลวหนืดร้อน ถูกกระหน่ำชนด้วยอุกกาบาตขนาดใหญ่ตลอดเวลา องค์ประกอบซึ่งเป็นธาตุหนัก เช่น โลหะ จมตัวลงสู่แก่นกลางของโลก องค์ประกอบซึ่งเป็นธาตุเบา เช่น ซิลิกอน และก๊าซต่างๆ ลอยตัวขึ้นสู่พื้นผิว โลกถูกปกคลุมก๊าซไฮโดรเจน ไนโตรเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ เนื่องจากพื้นผิวโลกร้อนมาก ประกอบกับอิทธิพลของลมสุริยะจากลมสุริยะ จึงทำให้ก๊าซไฮโดรเจนแตกตัวเป็นประจุ (Ion) และหลุดหนีสู่อวกาศ ปริมาณก๊าซไฮโดรเจนในบรรยากาศจึงลดลง



ภาพที่ 3 บรรยากาศของโลกในอดีต

          ในเวลาต่อมาเปลือกโลกเริ่มเย็นตัวลงเป็นของแข็ง องค์ประกอบที่เบากว่าซึ่งถูกกักขังไว้ภายใน พยายามแทรกตัวออกตามรอยแตกของพื้นผิว เช่น ภูเขาไฟระเบิด องค์ประกอบหลักของบรรยากาศโลกเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และไนโตรเจน ต่อมาเมื่อโลกเย็นตัวลงจนไอน้ำในอากาศสามารถควบแน่นทำให้เกิดฝน น้ำฝนได้ละลายคาร์บอนไดออกไซด์ลงมาบนพื้นผิวโลก ทำให้ปริมาณของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ลดลง น้ำฝนจำนวนมากสะสมและรวมตัวกันกันในบริเวณแอ่งที่ต่ำ กลายเป็นทะเลและมหาสมุทร ในช่วงเวลานั้นเริ่มเกิดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตกำเนิดขึ้น โดยสิ่งมีชีวิตในยุคแรกอาศัยอยู่ตามใต้มหาสมุทร ดำรงชีวิตโดยใช้พลังงานเคมีและความร้อนจากภูเขาไฟใต้ทะเล
          จนกระทั่ง 2,000 ล้านปีต่อมา สิ่งมีชีวิตได้วิวัฒนาการให้มีการสังเคราะห์แสง เช่น แพลงตอน สาหร่าย และพืช ดึงคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศและน้ำทะเล มาสร้างน้ำตาล และให้ผลผลิตเป็นก๊าซออกซิเจนออกมา องค์ประกอบของบรรยากาศโลกจึงเปลี่ยนแปลงไป ก๊าซออกซิเจนกลายเป็นองค์ประกอบหลักแทนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

องค์ประกอบของบรรยากาศ
          บรรยากาศที่ห่อหุ้มโลกส่วนใหญ่ประกอบด้วย ก๊าซไนโตรเจน 78% ก๊าซออกซิเจน 21% ก๊าซอาร์กอน 0.9% ที่เหลือเป็น ไอน้ำ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซอื่น ๆ จำนวนเล็กน้อย

ภาพที่ 4  กราฟแสดงองค์ประกอบของบรรยากาศ

องค์ประกอบหลัก
           ก๊าซไนโตรเจน (N2) มีคุณสมบัติไม่ทำปฏิกิริยาเคมีกับสารอื่น แต่เมื่ออะตอมเดี่ยวของมันแยกออกมา รวมเข้าเป็นองค์ประกอบของสารอื่น เช่น สารไนเตรท จะมีบทบาทสำคัญต่อสิ่งมีชีวิต
ท ก๊าซออกซิเจน (O2) เป็นผลผลิตจากการสังเคราะห์แสงของพืช สาหร่าย แพลงตอน และสิ่งมีชีวิต มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยากับสารอื่น และช่วยให้ไฟติด ถ้าปริมาณของออกซิเจนในอากาศมีมากกว่า 35% โลกทั้งดวงจะลุกไหม้ติดไฟ ดังนั้นสิ่งมีชีวิตบนโลกจึงวิวัฒนาการให้มีสัตว์ ซึ่งใช้ออกซิเจนในการเผาผลาญธาตุอาหาร และคายก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา
           ก๊าซอาร์กอน (Ar) เป็นก๊าซเฉื่อยไม่ทำปฏิกิริยากับธาตุอื่น เกิดขึ้นจากการสลายตัว (ซากกัมมันตภาพรังสี) ของธาตุโปแตสเซียมภายในโลก
           ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นก๊าซเรือนกระจก (Greenhouse gas) แม้มีอยู่ในบรรยากาศเพียง 0.036% แต่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิต เนื่องจากก๊าซเรือนกระจกมีคุณสมบัติในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดซึ่งแผ่ออกจากโลก ทำให้โลกอบอุ่น อุณหภูมิของกลางวันและกลางคืนไม่แตกต่างจนเกินไป นอกจากนั้นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ยังเป็นแหล่งอาหารของพืช
           อย่างไรก็ตามแม้ว่าไนโตรเจน ออกซิเจน จะเป็นองค์ประกอบหลัก แต่ก็มิได้มีอิทธิพลต่ออุณหภูมิของโลก ในทางตรงกันข้ามก๊าซโมเลกุลใหญ่ เช่น ไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และมีเทน แม้จะมีอยู่ในบรรยากาศเพียงเล็กน้อย แต่มีความสามารถในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด ทำให้อุณหภูมิของโลกอบอุ่น เราเรียกก๊าซพวกนี้ว่า “ก๊าซเรือนกระจก” (Greenhouse gas)

ตารางที่ 1: ก๊าซเรือนกระจก
ก๊าซเรือนกระจก
ปริมาณก๊าซในบรรยากาศ
(ต่อล้านส่วน)
ไอน้ำ
40,000
คาร์บอนไดออกไซด์
360
มีเทน
1.7
ไนตรัสออกไซด์
0.3
โอโซน
0.01

 

องค์ประกอบผันแปร
          นอกจากก๊าซต่างๆ ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลัก มีปริมาณคงที่แล้ว ยังมีองค์ประกอบอื่นๆ ซึ่งมีปริมาณผันแปร ขึ้นอยู่กับสถานที่และเวลา องค์ประกอบผันแปรนี้แม้ว่าจะมีจำนวนอยู่เพียงเล็กน้อย แต่ก็ส่งผลกระทบต่อสภาพอากาศและภูมิอากาศเป็นอันมาก
           ไอน้ำ (H2O) มีปริมาณ 0 – 4% ในบรรยากาศ ขึ้นอยู่กับช่วงเวลาและสถานที่ เมื่อเรากล่าวถึง “ไอน้ำ”
เราหมายถึง น้ำในสถานะก๊าซ เมื่อน้ำเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่ง เช่น ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ จะมีการดูดกลืนและคายความร้อนแฝง (Latent heat) ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่ทำให้เกิดพายุ ไอน้ำเป็นก๊าซเรือนกระจกเช่นเดียวกับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ จึงมีคุณสมบัติในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่แผ่ออกจากโลก นอกจากนั้นเมื่อไอน้ำกลั่นตัวเป็นละอองน้ำ หรือ “เมฆ” มีความสามารถในการสะท้อนแสงอาทิตย์ และแผ่รังสีอินฟราเรด ทำให้พื้นผิวโลกไม่ร้อน หรือหนาวจนเกินไป
           โอโซน (O3) เกิดจากการที่ก๊าซออกซิเจนแตกตัวเป็นอะตอมเดี่ยว (O) เนื่องจากการดูดกลืนรังสีอุลตรา
ไวโอเล็ตในบรรยากาศชั้นสตราโตรสเฟียร์ (Stratrosphere) แล้วรวมตัวกับก๊าซออกซิเจนอีกทีหนึ่ง กลายเป็นก๊าซซึ่งมีโมเลกุลของออกซิเจน 3 อะตอม เรียกว่า “โอโซน” (Ozone) สะสมตัวเป็นชั้นบางๆ ที่ระยะสูงประมาณ 50 กิโลเมตร โอโซนมีประโยชน์ในการกรองรังสีอุลตราไวโอเล็ต มิให้ลงมาทำอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต แต่เนื่องจากก๊าซโอโซนเองเป็นพิษต่อร่างกาย หากมีก๊าซโอโซนเกิดขึ้นที่ระดับต่ำในชั้นโทรโพสเฟียรส์ (มักเกิดขึ้นจากเครื่องยนต์ และโรงงาน) ก็จะทำให้เกิดมลภาวะ
           ละอองอากาศ (Aerosols) หมายถึง อนุภาคขนาดเล็กที่ลอยค้างอยู่ในอากาศ ซึ่งอาจเกิดขึ้นโดยธรรมชาติหรือฝีมือมนุษย์ก็ได้ เช่น เกสรดอกไม้ ละอองเกลือ ขี้เถ้าภูเขาไฟ ฝุ่นผง หรือ เขม่าจากการเผาไหม้ ละอองอากาศทำหน้าที่เป็นแกนให้ละอองน้ำจับตัวกัน (ในอากาศบริสุทธิ์ ละอองน้ำไม่สามารถจับตัวได้ เนื่องจากไม่มีแกนนิวเคลียส) ละอองอากาศสามารถดูดกลืนและสะท้อนแสงอาทิตย์ จึงมีอิทธิพลในการควบคุมอุณหภูมิของพื้นผิวโลก เรามองเห็นดวงอาทิตย์ขึ้นและตกที่ขอบฟ้าเป็นแสงสีแดง ก็เพราะละอองอากาศกรองรังสีคลื่นสั้น เหลือแต่รังสีคลื่นยาวซึ่งเป็นแสงสีส้มและสีแดงทะลุผ่านมาได้เรียกว่า “การกระเจิงของแสง” (Light gathering)

โครงสร้างในแนวดิ่ง
          ไม่มีขอบเขตของรอยต่อระหว่างบรรยากาศและอวกาศที่แน่ชัด ยิ่งสูงขึ้นไปอากาศยิ่งบาง แม้ว่าชั้นบรรยากาศที่เราศึกษาจะมีความสูงไม่เกิน 100 กิโลเมตร แต่ทว่าที่ระยะสูง 400 กิโลเมตร ก็ยังมีอนุภาคของอากาศอยู่มากพอที่จะสร้างแรงเสียดทานให้ดาวเทียมและยานอวกาศเคลื่อนที่ช้าลง โมเลกุลของอากาศถูกแรงโน้มถ่วงของโลกดึงดูดไว้ให้กองทับถมกัน ดังนั้นยิ่งใกล้พื้นผิวโลก ก็ยิ่งมีการกดทับของอากาศมาก เราเรียกน้ำหนักของอากาศที่กดทับลงมานี้ว่า “ความกดอากาศ” (Air pressure) ความกดอากาศมีค่าแปรผันตรงกับ “ความหนาแน่นของอากาศ” (Air density) ยิ่งความดันอากาศสูง ความหนาแน่นของอากาศก็ยิ่งมาก


ภาพที่ 5 กราฟความกดอากาศ (ซ้าย) และความหนาแน่นของอากาศ (คอลัมน์ขวา)

           ที่ระดับน้ำทะเลปานกลางมีความกดอากาศ 1013 กรัม/ตารางเซนติเมตร หรือ 1013 มิลลิบาร์
           ที่ระยะสูง 5.6 กิโลเมตร ความกดอากาศจะลดลง 50%
           ที่ระยะสูง 16 กิโลเมตร ความกดอากาศจะลดลงเหลือ 10%
           ที่ระยะสูง 100 กิโลเมตร ความกดอากาศจะลดลงเหลือเพียง 0.00003% แต่สัดส่วนองค์ประกอบของก๊าซแต่ละชนิดก็ยังคงเดิม ณ ความสูงระดับนี้แม้ว่าจะมีอากาศอยู่ แต่ก็มีความหนาแน่นน้อยกว่าสภาวะ
สูญญากาศที่มนุษย์สร้างขึ้น

หมายเหตุ: อุปกรณ์วัดความกดอากาศเรียกว่า “บารอมิเตอร์” (Barometer) มีหน่วยวัดเป็น ”มิลลิบาร ์“
              มิลลิบาร์
เป็นหน่วยมาตรฐานในการวัดความกดอากาศ
               1 มิลลิบาร์ = แรงกด 100 นิวตัน/พื้นที่ 1 ตารางเมตร
              นิวตัน เป็นหน่วยวัดของแรง
               1 นิวตัน = แรงที่ใช้ในการเคลื่อนมวล 1 กิโลกรัม ให้เกิดความเร่ง 1 เมตร/วินาทีู^2

ชั้นบรรยากาศ
          นักวิทยาศาสตร์แบ่งโครงสร้างของบรรยากาศของเป็นชั้นๆ โดยใช้เกณฑ์ต่างๆ กัน อาทิ แบ่งตามสัดส่วนของก๊าซ แบ่งตามคุณสมบัติทางไฟฟ้า แต่ในการศึกษาด้านอุตุนิยมวิทยาแล้ว เราแบ่งชั้นบรรยากาศตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ดังนี้

ภาพที่ 6 การแบ่งชั้นบรรยากาศ ตามการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

           โทรโพสเฟียร์ (Troposphere)
          เป็นบรรยากาศชั้นล่างสุดที่เราอาศัย มีความหนาประมาณ 10 - 15 กิโลเมตร ร้อยละ 80 ของมวลอากาศทั้งหมดอยู่ในบรรยากาศชั้นนี้ แหล่งกำเนิดความร้อนของโทรโพสเฟียร์คือ พื้นผิวโลกซึ่งดูดกลืนรังสีคลื่นสั้นจากดวงอาทิตย์ และแผ่รังสีอินฟราเรดออกมา ดังนั้นยิ่งสูงขึ้นไปอุณหภูมิจะลดต่ำลงในอัตรา 6.5°C ต่อ 1 กิโลเมตร จนกระทั่งระยะสูงประมาณ 12 กิโลเมตร อุณหภูมิจะคงที่ประมาณ -60°C ที่รอยต่อชั้นบนซึ่งเรียกว่า โทรโพพอส (Tropopause)
          โทรโพสเฟียร์มีไอน้ำอยู่จำนวนมาก จึงทำให้เกิดปรากฏการณ์น้ำฟ้าต่างๆ เช่น เมฆ พายุ ฝน เป็นต้น บรรยากาศชั้นนี้มักปรากฏสภาพอากาศรุนแรง เนื่องจากมีมวลอากาศอยู่หนาแน่น และการดูดคายความร้อนแฝง อันเนื่องมาจากการเปลี่ยนสถานะของน้ำในอากาศ รวมทั้งอิทธิพลทางภูมิศาสตร์ของพื้นผิวโลก
           สตราโตสเฟียร์ (Stratosphere)
          มวลอากาศในชั้นนี้มีร้อยละ 19.9 ของมวลอากาศทั้งหมด เหนือระดับโทรโพพอสขึ้นไป อุณหภูมิยิ่งสูงขึ้นในอัตรา 2°C ต่อ 1 กิโลเมตร เนื่องจากโอโซนที่ระยะสูง 48 กิโลเมตร ดูดกลืนรังสีอุลตราไวโอเล็ตจากดวงอาทิตย์เอาไว้ บรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์มีความสงบมากกว่าชั้นโทรโพสเฟียรส์ เครื่องบินไอพ่นจึงนิยมบินในตอนล่างของบรรยากาศชั้นนี้ เพื่อหลีกเลี่ยงสภาพอากาศที่รุนแรงในชั้นโทรโพสเฟียร์
           เมโซสเฟียร์ (Mesosphere)
          เหนือสตราโตรสเฟียรส์ขึ้นไป อุณหภูมิลดต่ำลงอีกครั้ง จนถึง -90°C ที่ระยะสูง 80 กิโลเมตร ทั้งนี้เนื่องจากห่างจากแหล่งความร้อนในชั้นโอโซนออกไป มวลอากาศในชั้นนี้มีไม่ถึงร้อยละ 0.1 ของมวลอากาศทั้งหมด
           เทอร์โมสเฟียร์ (Thermosphere)
          มวลอากาศในชั้นเทอร์โมสเฟียร์มิได้อยู่ในสถานะของก๊าซ หากแต่อยู่ในสถานะของประจุไฟฟ้า เนื่องจากอะตอมของก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศชั้นบน ได้รับรังสีคลื่นสั้นจากดวงอาทิตย์ เช่น รังสีเอ็กซ์ และแตกตัวเป็นประจุ อย่างไรก็ตามแม้ว่าบรรยากาศชั้นนี้จะมีอุณหภูมิสูงมาก แต่ก็มิได้มีความร้อนมาก เนื่องจากมีอะตอมของก๊าซอยู่เบาบางมาก (อุณหภูมิเป็นเพียงค่าเฉลี่ยของพลังงานในแต่ละอะตอม ปริมาณความร้อนขึ้นอยู่กับมวลทั้งหมดของสสาร)
          เหนือชั้นเทอร์โมสเฟียร์ขึ้นไป ที่ระยะสูงประมาณ 500 กิโลเมตร โมเลกุลของอากาศอยู่ห่างไกลกันมาก จนอาจมิสามารถวิ่งชนกับโมเลกุลอื่นได้ ในบางครั้งโมเลกุลซึ่งเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงเหล่านี้ อาจหลุดพ้นอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงโลก เราเรียกบรรยากาศในชั้นที่อะตอมหรือโมเลกุลของอากาศมีแนวโน้มจะหลุดหนีไปสู่อวกาศนี้ว่า “เอ็กโซสเฟียร์” (Exosphere)

         หมายเหตุ: บางครั้งเราเรียกบรรยากาศที่ระดับความสูง 80-400 กิโลเมตร ว่า “ไอโอโนสเฟียร์” (Ionosphere) เนื่องจากก๊าซในบรรยากาศชั้นนี้มีสถานะเป็นประจุไฟฟ้า ซึ่ง มีประโยชน์ในการสะท้อนคลื่นวิทยุสำหรับการสื่อสารโทรคมนาคม

 

อุณหภูมิอากาศ

          อุณหภูมิอากาศ (Air temperature) เป็นปัจจัยพื้นฐานในการศึกษาสภาพอากาศ (weather) อุณหภูมิอากาศแปรเปลี่ยนไปในแต่ละช่วงเวลา เช่น ปี ฤดูกาล เดือน วัน และแม้กระทั่งรายชั่วโมง ดังนั้น
           ค่าอุณหภูมิเฉลี่ยในแต่ละวัน (Daily mean temperature) จึงใช้ค่าอุณหภูมิสูงสุดและอุณหภูมิต่ำสุดรวมกันแล้วหารสอง
           ค่าอุณหภูมิเฉลี่ยของเดือน (Monthly mean temperature) ใช้ค่าเฉลี่ยอุณหภูมิของแต่ละวันรวมกัน แล้วหารด้วยจำนวนวัน
           ค่าอุณหภูมิเฉลี่ยของปี (Monthly mean temperature) ใช้ค่าเฉลี่ยอุณหภูมิของแต่ละเดือนรวมกัน แล้วหารด้วยสิบสอง
          สิ่งที่เป็นสาเหตุสำคัญที่สุดในการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในรอบวันก็คือ การหมุนรอบตัวเองของโลก ซึ่งทำให้มุมที่แสงอาทิตย์ตกกระทบพื้นผิวโลกเปลี่ยนแปลงไป ในช่วงเวลาเที่ยงวันดวงอาทิตย์อยู่สูงเหนือขอบฟ้ามากที่สุด แสงอาทิตย์ตกกระทบพื้นโลกเป็นมุมฉาก ลำแสงมีความเข้มสูง ในช่วงเวลาเช้าและเย็น ดวงอาทิตย์อยู่ด้านข้าง แสงตกกระทบพื้นโลกเป็นมุมเฉียง ลำแสงครอบคลุมพื้นที่กว้างกว่า ความเข้มของแสงจึงมีน้อยกว่า อีกประการหนึ่งในช่วงเวลาเที่ยง ลำแสงส่องผ่านบรรยากาศเป็นระยะทางไม่มาก แต่ในช่วงเวลาเช้าและเย็น ลำแสงอาทิตย์ทำมุมลาด ต้องเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศเป็นระยะทางไกล ความเข้มของแสงจึงถูกบรรยากาศกรองให้ลดน้อยลง ยังผลให้อุณหภูมิต่ำลงไปอีก

ภาพที่ 1 เทอร์มอมิเตอร์ชนิดสูงสุด-ต่ำสุด (Max –min thermometer)

          อุปกรณ์ซึ่งใช้ในการวัดอุณหภูมิของอากาศ เรียกว่า “เทอร์มอมิเตอร์” (Thermometer) เทอร์มอมิเตอร์ที่ใช้ในการศึกษาสภาพอากาศ คือ “เทอร์มอมิเตอร์ชนิดสูงสุด-ต่ำสุด” (Max-min thermometer) ซึ่งสามารถวัดค่าอุณหภูมิสูงสุดและต่ำสุดในรอบวันได้ จากการศึกษากราฟอุณหภูมิในรอบวัน จะพบว่า อุณหภูมิสูงสุดมักเกิดขึ้นตอนบ่าย มิใช่ตอนเที่ยง ทั้งนี้เนื่องจากพื้นดินและบรรยากาศต้องการอาศัยเวลาในดูดกลืนและคายความร้อน (การเกิดภาวะเรือนกระจก) อีกทีหนึ่ง

ภาพที่ 2 กราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของอากาศในรอบ 3 วัน

ปัจจัยที่ทำให้อุณหภูมิอากาศในแต่ละสถานที่มีความแตกต่างกัน
           พื้นดินและพื้นน้ำ
          พื้นดินและพื้นน้ำมีคุณสมบัติในการดูดกลืนและคายความร้อนแตกต่างกัน เมื่อรับความร้อนพื้นดินจะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว และมีอุณหภูมิสูงกว่าพื้นน้ำ เมื่อคายความร้อนพื้นดินจะเย็นตัวอย่างรวดเร็ว และมีอุณหภูมิต่ำกว่าพื้นน้ำ ทั้งนี้เนื่องจากพื้นน้ำมีความร้อนจำเพาะสูงกว่าพื้นดินถึง 3 เท่าตัว (ความร้อนจำเพาะ หมายถึง ปริมาณความร้อนที่ทำให้สสาร 1 กรัม มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1°C)
           ระดับสูงของพื้นที่ (Elevation)
          อากาศมีคุณสมบัติเป็นตัวนำความร้อน (Conduction) ที่เลว เนื่องจากอากาศมีความโปร่งใส และมีความหนาแน่นต่ำ พื้นดินจึงดูดกลืนพลังงานจากแสงอาทิตย์ได้ดีกว่า อากาศถ่ายเทความร้อนจากพื้นดิน ด้วยการพาความร้อน (Convection) ไปตามการเคลื่อนที่ของอากาศ ในสภาพทั่วไปเราจะพบว่ายิ่งสูงขึ้นไป อุณหภูมิของอากาศจะลดต่ำลงด้วยอัตรา 6.5°C ต่อกิโลเมตร (Environmental lapse rate) ดังนั้นอุณหภูมิบนยอดเขาสูง 2,000 เมตร จะต่ำกว่าอุณหภูมิที่ระดับน้ำทะเลประมาณ 13°C
           ละติจูด
          เนื่องจากโลกเป็นทรงกลม แสงอาทิตย์จึงตกกระทบพื้นโลกเป็นมุมไม่เท่ากัน (ภาพที่ 3) ในเวลาเที่ยงวันพื้นผิวบริเวณศูนย์สูตรได้รับรังสีจากแสงอาทิตย์เป็นมุมชัน แต่พื้นผิวบริเวณขั้วโลกได้รับรังสีจากแสงอาทิตย์เป็นมุมลาด ส่งผลให้เขตศูนย์สูตรมีอุณหภูมิสูงกว่าเขตขั้วโลก ประกอบกับรังสีที่ตกกระทบพื้นโลกเป็นมุมลาด เดินทางผ่านความหนาชั้นบรรยากาศเป็นระยะทางมากกว่า รังสีที่ตกกระทบเป็นมุมชัน ความเข้มของแสงจึงถูกบรรยากาศกรองให้ลดน้อยลง ยังผลให้อุณหภูมิลดต่ำลงไปอีก

ภาพที่ 3 มุมที่แสงอาทิตย์ตกกระทบพื้นผิวโลก

           ตำแหน่งทางภูมิศาสตร์
          พื้นผิวโลกมีสภาพภูมิประเทศแตกต่างกัน มีทั้งที่ราบ ทิวเขา หุบเขา ทะเล มหาสมุทร ทะเลสาบ ทะเลทราย ที่ราบสูง สภาพภูมิประเทศมีอิทธิพลส่งผลกระทบสภาพลมฟ้าอากาศโดยตรง เช่น พื้นที่ทะเลทรายจะมีอุณหภูมิแตกต่างระหว่างกลางวันกลางคืนมากกว่าพื้นที่ชายทะเล พื้นที่รับลมจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าพื้นที่อับลมเนื่องจากไม่มีการถ่ายเทความร้อน
           ปริมาณเมฆ และอัลบีโดของพื้นผิว
          เมฆสะท้อนรังสีจากอาทิตย์บางส่วนกลับคืนสู่อวกาศ ขณะเดียวกันเมฆดูดกลืนรังสีคลื่นสั้นเอาไว้และแผ่พลังงานออกมาในรูปของรังสีอินฟราเรด ในเวลากลางวัน เมฆช่วยลดอุณหภูมิอากาศให้ต่ำลง และในเวลากลางคืน เมฆทำให้อุณหภูมิอากาศสูงขึ้น เมฆจึงทำให้อุณหภูมิอากาศเวลากลางวันและกลางคืนไม่แตกต่างกันมากนัก
          พื้นผิวของโลกก็เช่นกัน พื้นโลกที่มีอัลบีโดต่ำ (สีเข้ม) เช่น ป่าไม้ ดูดกลืนพลังงานจากดวงอาทิตย์ พื้นโลกที่มีอัลบีโดสูง (สีอ่อน) เช่น ธารน้ำแข็ง ช่วยสะท้อนพลังงานจากดวงอาทิตย์ (อัลบีโด หมายถึง ความสามารถในการสะท้อนแสงของวัตถุ)

 

ความชื้น และเสถียรภาพของอากาศ

          แม้ว่าองค์ประกอบส่วนใหญ่ของบรรยากาศจะเป็น ก๊าซไนโตรเจน และก๊าซออกซิเจน แต่ก๊าซทั้งสองก็มิได้มีอิทธิพลต่อในการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศ ทั้งนี้เนื่องจากก๊าซทั้งสองมีจุดควบแน่น และจุดเยือกแข็งต่ำมาก อุณหภูมิของอากาศมิได้ต่ำพอที่จะทำให้ก๊าซทั้งสองเปลี่ยนสถานะได้ ยกตัวอย่างเช่น หากจะทำให้ก๊าซไนโตรเจนในอากาศเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว อุณหภูมิอากาศจะต้องลดต่ำลงถึง -196°C ซึ่งก็เป็นไปไม่ได้ เนื่องจากโลกอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากเกินไป
          ในทางตรงข้ามแม้บรรยากาศจะมีไอน้ำอยู่เพียงเล็กน้อยประมาณ 0.1 - 4% แต่ก็มีอิทธิพลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศได้อย่างรุนแรง ทั้งนี้เนื่องจากน้ำในอากาศสามารถเปลี่ยนสถานะกลับไปกลับมาได้ทั้งสามสถานะ เนื่องเพราะอุณหภูมิ ณ จุดควบแน่น และจุดเยือกแข็ง มิได้แตกต่างกันมาก การเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำอาศัยการดูดและคายพลังงาน ซึ่งเป็นกลไกในการขับเคลื่อนให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพลมฟ้าอากาศ

การเปลี่ยนสถานะของน้ำ
          ไอน้ำ เป็นน้ำที่อยู่ในสถานะก๊าซ ไอน้ำไม่มีสี ไม่มีกลิ่น น้ำในอากาศสามารถเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่ง หรือแปรเปลี่ยนกลับไปมาได้ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดันอากาศ การเปลี่ยนสถานะของน้ำมีการดูดกลืนหรือการคายความร้อน โดยที่ไม่ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เราเรียกว่า “ความร้อนแฝง” (Latent heat)

ความร้อนแฝงมีหน่วยวัดเป็นแคลอรี
          1 แคลอรี = ปริมาณความร้อนซึ่งทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1°C (ดังนั้นหากเราเพิ่มความร้อน 10 แคลอรี
ให้กับน้ำ 1 กรัม น้ำจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น 10°C)

ภาพที่ 1 พลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของน้ำ

การหลอมเหลว - การแข็งตัว
          ถ้าเราต้องการให้น้ำแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว เราจะเพิ่มความร้อนให้แก้วซึ่งบรรจุน้ำแข็ง น้ำแข็งดูดกลืนความร้อนนี้ไว้ โดยยังคงรักษาอุณหภูมิ 0°C คงที่ไม่เปลี่ยนแปลงจนกว่าน้ำแข็งจะละลายหมดก้อน ความร้อนที่ถูกดูดกลืนเข้าไปจะทำลายโครงสร้างผลึกน้ำแข็ง ทำให้น้ำแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว เราเรียกว่า “การหลอมเหลว” (Melting) ซึ่งต้องการการดูดกลืนความร้อนแฝง 80 แคลอรี/กรัม
          ในทางกลับกัน เมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นน้ำแข็ง เราเรียกว่า “การแข็งตัว” (Freezing) น้ำจะคายความร้อนแฝงออกมา 80 แคลอรี/กรัม
การระเหย – การควบแน่น
          เมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำ เราเรียกว่า “การระเหย” (Evaporation) ซึ่งต้องการดูดกลืนความร้อนแฝง 600 แคลอรี เพื่อที่จะเปลี่ยน น้ำ 1 กรัมให้กลายเป็นไอน้ำ
ในทางกลับกัน เมื่อไอน้ำกลั่นตัวกลายเป็นหยดน้ำ “การควบแน่น” (Condensation) น้ำจะคายความร้อนแฝงออกมา 600 แคลอรี/กรัม เช่นกัน
การระเหิด – การระเหิดกลับ
          ในบางครั้งน้ำแข็งสามารถเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำได้โดยตรง โดยที่ไม่จำเป็นต้องละลายเป็นของเหลวแล้วระเหยเป็นก๊าซ การเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นก๊าซโดยตรงนี้เราเรียกว่า “การระเหิด” (Sublimation) ซึ่งต้องการดูดกลืนความร้อนแฝง 680 แคลอรี เพื่อที่จะเปลี่ยน น้ำแข็ง 1 กรัมให้กลายเป็นไอน้ำ
          ในทางกลับกัน เมื่อไอน้ำจะเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็งโดยตรง เราเรียกว่า “การระเหิดกลับ” (Deposition) ไอน้ำจะคายความร้อนแฝงออกมา 680 แคลอรี/กรัม เช่นกัน

ไอน้ำในอากาศ

ภาพที่ 2 โมเลกุลน้ำในภาชนะ

          หากมีกล้องวิเศษที่สามารถมองถังน้ำในภาพที่ 2 ด้วยกำลังขยายหนึ่งพันล้านเท่า เราจะมองเห็นโมเลกุลของน้ำอยู่เบียดเสียด วิ่งไปวิ่งมา โดยที่โมเลกุลแต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแตกต่างกัน ช้าบ้าง เร็วบ้าง ซึ่งค่าเฉลี่ยของความเร็วในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก็คือ “อุณหภูมิ” ของน้ำ (พลังงานจลน์) ถ้าโมเลกุลที่อยู่บริเวณผิวน้ำมีความเร็วมากพอ ที่จะทำให้โมเลกุลเคลื่อนที่หลุดออกไปสู่อากาศ โมเลกุลเหล่านี้จะเปลี่ยนสถานะจากน้ำเป็นไอน้ำ ซึ่งก็คือ “การระเหย” นั่นเอง
          เมื่อเราปิดฝาถังและดันเข้าไปดังเช่นในภาพขวามือ น้ำที่เคยระเหยเป็นไอน้ำ จะถูกควบแน่นกลับเป็นของเหลวอีกครั้งหนึ่ง หาก “จำนวนโมเลกุลของน้ำที่ระเหยกลายเป็นไอน้ำ จะเท่ากับจำนวนโมเลกุลของไอน้ำที่ควบแน่นกลับเป็นน้ำพอดี” เราจะเรียกว่า “อากาศอิ่มตัวด้วยไอน้ำ” ในทางกลับกันหากเราดึงฝาเปิดออก ไอน้ำในอากาศซึ่งเคยอยู่ในถังจะหนีออกมาก ทำให้จำนวนโมเลกุลของไอน้ำที่มีอยู่ในน้อยกว่าจำนวนโมเลกุลของไอน้ำที่ทำให้อากาศอิ่มตัว อากาศจึงไม่เกิดการอิ่มตัว (ปัจจัยในธรรมชาติที่ช่วยให้อากาศไม่เกิดการอิ่มตัวคือ กระแสลม )
          นอกจากความดันแล้ว ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการระเหยของน้ำคือ อุณหภูมิ น้ำร้อนระเหยได้ง่ายกว่าน้ำเย็น เนื่องจากความร้อนทำให้โมเลกุลของน้ำเคลื่อนที่เร็วขึ้น และหลุดหนีจากสถานะของเหลวไปเป็นก๊าซ ในทำนองกลับกัน อากาศเย็นทำให้เกิดการควบแน่นได้ดีกว่าอากาศร้อน เนื่องจากโมเลกุลของไอน้ำเย็นมีพลังงานน้อยกว่า จึงสูญเสียความเร็วและเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวได้ง่าย

ภาพที่ 3 กราฟแสดงปริมาณไอน้ำที่ทำให้อากาศ 1 กิโลกรัม เกิดการอิ่มตัว

กราฟในภาพที่ 3 แสดงให้เห็นว่า ปริมาณไอน้ำที่จะทำให้เกิดอากาศอิ่มตัวภายใต้อุณหภูมิต่างๆ เราจะเห็นได้ว่า อุณหภูมิสูงขึ้นทุกๆ 10°C อากาศจะต้องการปริมาณไอน้ำเพิ่มขึ้น 2 เท่า เพื่อทำให้เกิดการอิ่มตัว
           ณ อุณหภูมิ 10ฐC อากาศ 1 กิโลกรัม ต้องการไอน้ำ 7 กรัม
           ณ อุณหภูมิ 20ฐC อากาศ 1 กิโลกรัม ต้องการไอน้ำ 14 กรัม
           ณ อุณหภูมิ 30ฐC อากาศ 1 กิโลกรัม ต้องการไอน้ำ 28 กรัม
เราจึงสรุปได้ว่า “อากาศร้อนมีความสามารถในการเก็บจำนวนโมเลกุลของไอน้ำได้มากกว่าอากาศเย็น”

ความดันไอน้ำ

ภาพที่ 4 โมเลกุลของก๊าซต่างๆ ในกลุ่มอากาศ

          อากาศมีแรงดันออกทุกทิศทุกทาง ความดันนี้เกิดขึ้นจากการพุ่งชนกันของโมเลกุลของก๊าซ ถ้าสมมติให้กลุ่มอากาศ (Air parcel) ในภาพที่ 4 มีความกดอากาศ 1,000 mb (มิลลิบาร์) มีองค์ประกอบเป็นก๊าซไนโตรเจน 78% ก๊าซออกซิเจน 21% และไอน้ำประมาณ 1% ด้วยสัดส่วนนี้ ก๊าซไนโตรเจนทำให้เกิดแรงดัน 780 mb ก๊าซไนโตรเจนทำให้เกิดแรงดัน 210 mb
และไอน้ำทำให้เกิดแรงดัน 10 mb จะเห็นได้ว่า “ความดันไอน้ำ” (Vapor pressure) มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับความดันก๊าซทั้งหมด อย่างไรก็ตามหากเราเพิ่มความดันให้กับกลุ่มอากาศ โดยการเพิ่มปริมาณอากาศในลักษณะเดียวกับการเป่าลูกโป่ง “จำนวนโมเลกุลของไอน้ำที่มากขึ้น จะทำให้ความดันไอน้ำมากขึ้นตามไปด้วย” นอกจากนั้นตามกฎของก๊าซ “อุณหภูมิจะแปรผันตามความดัน” กล่าวคือเมื่อความดันเพิ่มขึ้น อุณหภูมิก็จะเพิ่มตามไปด้วย

ภาพที่ 5 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอน้ำอิ่มตัวกับอุณหภูมิ

          กราฟในภาพที่ 5 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอน้ำอิ่มตัวกับอุณหภูมิของอากาศ
           ความดันไอน้ำอิ่มตัว 12 มิลลิบาร์ ทำให้อากาศมีอุณหภูมิ 10°C
           ความดันไอน้ำอิ่มตัว 42 มิลลิบาร์ ทำให้อากาศมีอุณหภูมิ 30°C
          หากมีจำนวนไอน้ำในอากาศมากขึ้น ความดันไอน้ำจะเพิ่มขึ้น และอุณหภูมิของอากาศก็จะสูงตามไปด้วย เราจึงสรุปได้ว่า “อุณหภูมิของอากาศแปรผันตามความดันไอน้ำ (ปริมาณของไอน้ำในอากาศ)” และ “อากาศชื้นย่อมจะมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศแห้ง”

ความชื้น
          ความชื้น (Humidity) หมายถึง จำนวนไอน้ำที่มีอยู่ในอากาศ ความชื้นของอากาศมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา
จะมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับความดัน และอุณหภูมิ
          ความชื้นสัมพัทธ์ (Relativety humidity) หมายถึง “อัตราส่วนของปริมาณไอน้ำที่มีอยู่จริงในอากาศ ต่อ ปริมาณไอน้ำที่จะทำให้อากาศอิ่มตัว ณ อุณหภูมิเดียวกัน” หรือ “อัตราส่วนของความดันไอน้ำที่มีอยู่จริง ต่อ ความดันไอน้ำอิ่มตัว” ค่าความชื้นสัมพัทธ์แสดงในรูปของร้อยละ (%)

ความชื้นสัมพัทธ์ = (ปริมาณไอน้ำที่อยู่ในอากาศ / ปริมาณไอน้ำที่ทำให้อากาศอิ่มตัว ) x 100%

หรือ

ความชื้นสัมพัทธ์ = (ความดันไอน้ำที่มีอยู่ในอากาศ / ความดันไอน้ำของอากาศอิ่มตัว) x 100%


           ปริมาณของไอน้ำในอากาศขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของอากาศ อากาศร้อนสามารถเก็บไอน้ำได้มากกว่าอากาศเย็น ดังนั้นหากเราลดอุณหภูมิของอากาศจนถึงจุดๆ หนึ่ง จะเกิด “อากาศอิ่มตัว” (Saturated air) อากาศไม่สามารถเก็บกักไอน้ำไว้ได้มากกว่านี้ หรือกล่าวได้ว่า อากาศมีความชื้นสัมพัทธ์ 100% ดังนั้นหากอุณหภูมิยังคงลดต่ำลงอีก ไอน้ำจะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว อุณหภูมิที่ทำให้เกิดการควบแน่นนี้เรียกว่า “จุดน้ำค้าง” (Dew point)

ภาพที่ 6 ความสามารถในการเก็บไอน้ำในอากาศ ณ อุณหภูมิต่างๆ


          จากที่กล่าวมาแล้วในข้างต้น เราสามารถสรุปได้ว่า “จุดน้ำค้างของอากาศชื้นมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดน้ำค้างของอากาศแห้ง” การควบแน่นของไอน้ำในอากาศ ทำให้เกิดการคายความร้อนแฝง ส่งผลให้อากาศโดยรอบมีอุณหภูมิสูงขึ้น เราเรียกการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ โดยที่ไม่ต้องมีการเพิ่มพลังงานความร้อนจากภายนอกระบบเช่นนี้ว่า “การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบ
อะเดรียแบติก”
(Adiabatic temperature change)

ตัวอย่าง:
           เมื่อเราใส่น้ำแข็งไว้ในแก้ว จะเกิดละอองน้ำเล็กๆ เกาะอยู่รอบๆ แก้ว ละอองน้ำเหล่านี้เกิดจากอากาศรอบๆ แก้ว มีอุณหภูมิลดต่ำลงจนเกิดการอิ่มตัว และไม่สามารถเก็บไอน้ำได้มากกว่านี้ ไอน้ำจึงควบแน่นเปลี่ยนสถานะเป็นหยดน้ำ
           ในวันที่มีอากาศหนาว เมื่อเราหายใจออกจะมีควันสีขาว ซึ่งเป็นละอองน้ำเล็กๆ เกิดจากอากาศอบอุ่นภายในร่างกายปะทะกับอากาศเย็นภายนอก ทำให้ไอน้ำซึ่งออกมากับอากาศภายในร่างกาย ควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำเล็กๆ มองเห็นเป็นควันสีขาว
           กาต้มน้ำเดือดพ่นควันสีขาวออกจากพวยกา ควันสีขาวนั้นที่จริงเป็นหยดน้ำเล็กๆ ซึ่งเกิดจาก อากาศร้อนภายในกาพุ่งออกมาปะทะอากาศเย็นภายนอก แล้วเกิดการอิ่มตัว ควบแน่นเป็นละอองน้ำเล็กๆ ทำให้เรามองเห็น (ไอน้ำในสถานะของก๊าซนั้น ไม่มีสี เราไม่สามารถมองเห็นได้)

ภาพที่ 7 สลิงไซโครมิเตอร์ (Sling psychrometer)

          ในการวัดความชื้นสัมพัทธ์ เราใช้เครื่องมือซึ่งเรียกว่า “ไฮโกรมิเตอร์” (Hygrometer) ซึ่งมีอยู่หลายหลากชนิด มีทั้งทำด้วยกระเปาะเทอร์มอมิเตอร์ และเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ไฮโกรมิเตอร์ซึ่งสามารถทำได้เองและมีความน่าเชื่อถือเรียกว่า “สลิงไซโครมิเตอร์” (Sling psychrometer) ประกอบด้วยเทอร์มอมิเตอร์จำนวน 2 อันอยู่คู่กัน โดยมีเทอร์มอมิเตอร์อันหนึ่งมีผ้าชุบน้ำหุ้มกระเปาะไว้ เรียกว่า “กระเปาะเปียก” (Wet bulb) ส่วนกระเปาะเทอร์มอมิเตอร์อีกอันหนึ่งไม่ได้หุ้มอะไรไว้ เรียกว่า “กระเปาะแห้ง” (Dry bulb) เมื่อหมุนสลิงไซโครมิเตอร์จับเวลา 3 นาที แล้วอ่านค่าแตกต่างของอุณหภูมิกระเปาะทั้งสองบนตารางเปรียบเทียบ ก็จะได้ค่าความชื้นสัมพัทธ์ มีหน่วยเป็นเปอร์เซ็นต์

ไอน้ำ เป็นน้ำในสถานะก๊าซ ไอน้ำเป็นก๊าซไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และมองไม่เห็น
เมฆ ที่เรามองเห็นเป็นหยดน้ำในสถานะของเหลว หรือเกล็ดน้ำแข็งในสถานะของแข็ง

การยกตัวของอากาศ
          พื้นผิวโลกได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์ ทำให้อากาศซึ่งอยู่บนพื้นผิวมีอุณหภูมิสูงขึ้นและลอยตัวสูงขึ้น เมื่อกลุ่มอากาศร้อนยกตัว ปริมาตรจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากความกดอากาศน้อยลง มีผลทำให้อุณหภูมิลดลงด้วยอัตรา 10°C ต่อ 1,000 เมตร จนกระทั่งกลุ่มอากาศมีความอุณหภูมิเท่ากับสิ่งแวดล้อมมันก็จะหยุดลอยตัว และเมื่อกลุ่มอากาศมีอุณหภูมิต่ำกว่าสิ่งแวดล้อม มันก็จะจมตัวลง และมีปริมาตรน้อยลงเนื่องจากความกดอากาศที่เพิ่มขึ้น และส่งผลทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นด้วย ดังภาพที่ 8

ภาพที่ 8 เสถียรภาพของอากาศ

          เมื่อกลุ่มอากาศยกตัว ปริมาตรจะเพิ่มขึ้น ทำให้อุณหภูมิลดต่ำลงด้วยอัตรา 10°C ต่อ 1,000 เมตร จะกระทั่งถึงระดับการควบแน่น อากาศจะอิ่มตัวเนื่องจากอุณหภูมิลดต่ำจนถึงจุดน้ำค้าง หากอุณหภูมิยังคงลดต่ำไปอีก ไอน้ำในอากาศจะควบแน่นเปลี่ยนสถานะเป็นหยดน้ำขนาดเล็ก (ซึ่งก็คือเมฆที่เรามองเห็น) และคายความร้อนแฝงออกมา ทำให้อัตราการลดลองของอุณหภูมิเหลือ 5°C ต่อ 1,000 เมตร ดังภาพที่ 9

ภาพที่ 9 การควบแน่นเนื่องจากการยกตัวของอากาศ

          เราจะเห็นได้ว่า “เมฆ” เกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการยกตัวของอากาศเท่านั้น กลไกที่ทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของอากาศ
ในแนวดิ่งเช่นนี้ มี 4 กระบวนการ ดังนี้
           สภาพภูมิประเทศ เมื่อกระแสลมปะทะภูเขา อากาศถูกบังคับให้ลอยสูงขึ้น (เนื่องจากไม่มีทางออกทางอื่น) จนถึงระดับควบแน่นก็จะกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ ดังเราจะเห็นได้ว่า บนยอดเขาสูงมักมีเมฆปกคลุมอยู่ ทำให้บริเวณยอดเขามีความชุ่มชื้นและอุดมไปด้วยป่าไม้ และเมื่อกระแสลมพัดผ่านยอดเขาไป อากาศแห้งที่สูญเสียไอน้ำไป จะจมตัวลงจนมีอุณหภูมิสูงขึ้น ภูมิอากาศบริเวณหลังภูเขาจึงเป็นเขตที่แห้งแล้ง เรียกว่า “เขตเงาฝน” (Rain shadow)

ภาพที่ 10 อากาศยกตัวเนื่องจากสภาพภูมิประเทศ

           แนวปะทะ อากาศร้อนมีความหนาแน่นต่ำกว่าอากาศเย็น เมื่ออากาศร้อนปะทะกับอากาศเย็น อากาศร้อนจะเสยขึ้น และอุณหภูมิลดต่ำลงจนถึงระดับควบแน่น ทำให้เกิดเมฆและฝน ดังเราจะเคยได้ยินข่าวพยากรณ์อากาศที่ว่า ลิ่มความกดอากาศสูง (อากาศเย็น) ปะทะกับลิ่มความกดอากาศต่ำ (อากาศร้อน) ทำให้เกิดพายุฝน

ภาพที่ 11 อากาศยกตัวเนื่องจากแนวปะทะอากาศ

           อากาศบีบตัว เมื่อกระแสลมพัดมาปะทะกัน อากาศจะยกตัวขึ้น ทำให้อุณหภูมิลดต่ำลงจนเกิดอากาศอิ่มตัว ไอน้ำในอากาศควบแน่นเป็นหยดน้ำ กลายเป็นเมฆ

ภาพที่ 12 อากาศยกตัวเนื่องจากอากาศบีบตัว

           การพาความร้อน พื้นผิวของโลกมีความแตกต่างกัน จึงมีการดูดกลืนและคายความร้อนไม่เท่ากัน จึงมีผลทำให้กลุ่มอากาศที่ลอยอยู่เหนือมัน มีอุณหภูมิแตกต่างกันไปด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงฤดูร้อน (ตัวอย่างเช่น กลุ่มอากาศที่ลอยอยู่เหนือพื้นคอนกรีตจะมีอุณหภูมิสูงกว่ากลุ่มอากาศที่ลอยอยู่เหนือพื้นหญ้า) กลุ่มอากาศที่มีอุณหภูมิสูงมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศในบริเวณโดยรอบ จึงลอยตัวสูงขึ้น
ดังเราจะเห็นว่า ในวันที่มีอากาศร้อน นกเหยี่ยวสามารถลอยตัวอยู่เฉยๆ โดยไม่ต้องขยับปีกเลย

ภาพที่ 13 อากาศยกตัวเนื่องจากการพาความร้อน

เสถียรภาพของอากาศ

ภาพที 14 เสถียรภาพของอากาศ

          เมื่อกลุ่มอากาศยกตัว มันจะขยายตัว และมีอุณหภูมิลดต่ำลง ถ้ากลุ่มอากาศมีอุณหภูมิต่ำกว่าสภาวะแวดล้อม มันจะจมตัวกลับสู่ที่เดิม เนื่องจากมีความหนาแน่นกว่าอากาศโดยรอบ เราเรียกสภาวะเช่นนี้ว่า “อากาศมีเสถียรภาพ” (Stable air) ถ้ากลุ่มอากาศยกตัวสูงจนเหนือระดับควบแน่นก็จะเกิดเมฆในแนวราบ และไม่สามารถยกตัวต่อไปได้อีก อากาศมีเสถียรภาพมักเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่มีอุณหภูมิต่ำ เช่น เวลาเช้า
          ในวันที่มีอากาศร้อน กลุ่มอากาศจะยกตัวขึ้นอย่างรวดเร็ว แม้จะมีความสูงเลยระดับควบแน่นไปแล้วก็ตาม แต่ก็ยังมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศโดยรอบ จึงลอยตัวสูงขึ้นไปอีก ทำให้เกิดเมฆก่อตัวในแนวตั้ง เช่น เมฆคิวมูลัส เมฆคิวมูโลนิมบัส
เราเรียกสภาวะเช่นนี้ว่า “อากาศไม่มีเสถียรภาพ” (Unstable air) อากาศไม่มีเสถียรภาพมักเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่มีอุณหภูมิสูง เช่น เวลาบ่ายของฤดูร้อน

          หมายเหตุ: การที่เราเห็นฐานของเมฆแบนเรียบเป็นระดับเดียวกันนั้น เป็นเพราะเมื่อกลุ่มอากาศ (ก้อนเมฆ) จมตัวลงต่ำกว่าระดับควบแน่น อากาศด้านล่างมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดน้ำค้าง และยังไม่อิ่มตัว ละอองน้ำที่หล่นลงมาจึงระเหยเปลี่ยนในสถานะเป็นก๊าซ (ไอน้ำ) เราจึงมองไม่เห็น

 

เมฆ หมอก และหยาดน้ำฟ้า

          อากาศเย็นมีความสามารถเก็บไอน้ำได้น้อยกว่าอากาศร้อน เมื่ออุณหภูมิของอากาศลดลงจนถึงจุดน้ำค้าง อากาศจะอิ่มตัวไม่สามารถเก็บไอน้ำได้มากกว่านี้ หากอุณหภูมิยังคงลดต่ำไปอีก ไอน้ำจะควบแน่นเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว
อย่างไรก็ตามนอกจากปัจจัยทางด้านความดันและอุณหภูมิแล้ว การควบแน่นของไอน้ำยังจำเป็นจะต้องมี “พื้นผิว” ให้หยดน้ำ (Droplet) เกาะตัว ยกตัวอย่างเช่น เมื่ออุณหภูมิของอากาศบนพื้นผิวลดต่ำกว่าจุดน้ำค้าง ไอน้ำในอากาศจะควบแน่นเป็นหยดน้ำเล็กๆ เกาะบนใบไม้ใบหญ้าเหนือพื้นดิน บนอากาศก็เช่นกัน ไอน้ำต้องการอนุภาคเล็กๆ ที่แขวนลอยอยู่ในอากาศเป็น “แกนควบแน่น” (Condensation nuclei) แกนควบแน่นเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติในการดูดซับน้ำ (Hygroscopic) ดังเช่น ฝุ่น ควัน เกสรดอกไม้ หรืออนุภาคเกลือ ซึ่งมีขนาดประมาณ 0.0002 มิลลิเมตร หากปราศจากแกนควบแน่นแล้ว ไอน้ำบริสุทธิ์ไม่สามารถควบแน่นเป็นของเหลวได้ ถึงแม้จะมีความชื้นสัมพัทธ์มากกว่า 100% ก็ตาม

ภาพที่ 1 แกนควบแน่น ละอองน้ำในเมฆ และหยดน้ำฝน

         หยดน้ำหรือละอองน้ำในก้อนเมฆ (Cloud droplet) ที่เกิดขึ้นครั้งแรกมีขนาดเล็กมากเพียง 0.02 มิลลิเมตร (เล็กกว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมซึ่งมีขนาด 0.075 มิลลิเมตร) ละอองน้ำขนาดเล็กตกลงอย่างช้าๆ ด้วยแรงต้านของอากาศ และระเหยกลับเป็นไอน้ำ (ก๊าซ) เมื่ออยู่ใต้ระดับควบแน่นลงมา ไม่ทันตกถึงพื้นโลก อย่างไรก็ตามในกรณีที่มีกลุ่มอากาศยกตัวอย่างรุนแรง หยดน้ำเหล่านี้สามารถรวมตัวกันภายในก้อนเมฆ จนมีขนาดใหญ่ประมาณ 0.05 มิลลิเมตร ถ้าหยดน้ำมีขนาด 2 มิลลิเมตร มันจะมีน้ำหนักมากกว่าแรงพยุงของอากาศ และตกลงมาด้วยแรงโน้มถ่วงของโลกสู่พื้นดินกลายเป็นฝน

ไอน้ำ เป็นน้ำในสถานะก๊าซ ไอน้ำเป็นก๊าซไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และมองไม่เห็น
เมฆที่เรามองเห็นเป็นหยดน้ำในสถานะของเหลว หรือเกล็ดน้ำแข็งในสถานะของแข็ง

เมฆ (Clouds)
          “เมฆ” เป็นกลุ่มละอองน้ำที่เกิดจากการควบแน่น ซึ่งเกิดจากการยกตัวของกลุ่มอากาศ (Air parcel) ผ่านความสูงเหนือระดับควบแน่น และมีอุณหภูมิลดต่ำกว่าจุดน้ำค้าง ตัวอย่างการเกิดเมฆที่เห็นได้ชัด ได้แก่ “คอนเทรล” (Contrails) ซึ่งเป็นเมฆที่สร้างขึ้นโดยฝีมือมนุษย์ เมื่อเครื่องบินไอพ่นบินอยู่ในระดับสูงเหนือระดับควบแน่น ไอน้ำซึ่งอยู่ในอากาศร้อนที่พ่นออกมาจากเครื่องยนต์ ปะทะเข้ากับอากาศเย็นซึ่งอยู่ภายนอก เกิดการควบแน่นเป็นหยดน้ำ โดยการจับตัวกับเขม่าควันจากเครื่องยนต์ซึ่งทำหน้าที่เป็นแกนควบแน่น เราจึงมองเห็นควันเมฆสีขาวถูกพ่นออกมาทางท้ายของเครื่องยนต์เป็นทางยาว
ในการสร้างฝนเทียมก็เช่นกัน เครื่องบินทำการโปรยสารเคมี “ซิลเวอร์ไอโอไดด์” (Silver Iodide) เพื่อทำหน้าที่เป็นแกนควบแน่น เพื่อให้ไอน้ำในอากาศมาจับตัว และควบแน่นเป็นเมฆ

ภาพที่ 2 “คอนเทรล” เมฆซึ่งเกิดขึ้นจากไอพ่นเครื่องบิน

การเรียกชื่อเมฆ
           เมฆซึ่งเกิดขึ้นในธรรมชาติมี 2 รูปร่างลักษณะคือ เมฆก้อน และเมฆแผ่น เราเรียกเมฆก้อนว่า “เมฆคิวมูลัส” (Cumulus) และเรียกเมฆแผ่นว่า “เมฆสเตรตัส” (Stratus) หากเมฆก้อนลอยชิดติดกัน เรานำชื่อทั้งสองมารวมกัน และเรียกว่า “เมฆสเตรโตคิวมูลัส” (Stratocumulus) ในกรณีที่เป็นเมฆฝน เราจะเพิ่มคำว่า “นิมโบ” หรือ “นิมบัส” ซึ่งแปลว่า “ฝน” เข้าไป เช่น เราเรียกเมฆก้อนที่มีฝนตกว่า “เมฆคิวมูโลนิมบัส” (Cumulonimbus) และเรียกเมฆแผ่นที่มีฝนตกว่า “เมฆนิมโบสเตรตัส” (Nimbostratus)
          เราแบ่งเมฆออกเป็น 3 ระดับ คือ เมฆชั้นสูง เมฆชั้นกลาง และเมฆชั้นต่ำ
          หากเป็นเมฆชั้นกลาง (2 - 6 กิโลเมตร) เราจะเติมคำว่า “อัลโต” ซึ่งแปลว่า “ชั้นกลาง” ไว้ข้างหน้า เช่น เราเรียกเมฆก้อนชั้นกลางว่า “เมฆอัลโตคิวมูลัส” (Altocumulus) และเรียกเมฆแผ่นชั้นกลางว่า “เมฆอัลโตสเตรตัส” (Altostratus)
หากเป็นเมฆชั้นสูง (2 - 6 กิโลเมตร) เราจะเติมคำว่า “เซอโร” ซึ่งแปลว่า “ชั้นสูง” ไว้ข้างหน้า เช่น เราเรียกเมฆก้อน
ชั้นสูงว่า “เมฆเซอโรคิวมูลัส” (Cirrocumulus) เรียกเมฆแผ่นชั้นสูงว่า “เมฆเซอโรสเตรตัส” (Cirrostratus) และเรียกชั้นสูงที่มีรูปร่างเหมือนขนนกว่า “เมฆเซอรัส” (Cirrus)

ภาพที่ 3 ผังแสดงการเรียกชื่อเมฆ

ประเภทของเมฆ
          นักอุตุนิยมวิทยา แบ่งเมฆออกเป็นทั้งสิบชนิดออกเป็น 4 ประเภท ดังนี้
           เมฆชั้นสูง (High Clouds) เกิดขึ้นที่ระดับสูงมากกว่า 6 กิโลเมตร

เมฆเซอโรคิวมูลัส (Cirrocumulus)
เมฆสีขาว เป็นผลึกน้ำแข็ง มีลักษณะเป็นริ้วคลื่นเล็กๆ มักเกิดขึ้นปกคลุมท้องฟ้าบริเวณกว้าง
เมฆเซอโรสเตรตัส (Cirrostratus)
เมฆแผ่นบาง สีขาว เป็นผลึกน้ำแข็ง ปกคลุมท้องฟ้าเป็นบริเวณกว้าง โปร่งแสงต่อแสงอาทิตย์ บางครั้งหักเหแสง ทำให้เกิดดวงอาทิตย์ทรงกลด และดวงจันทร์ทรงกลด เป็นรูปวงกลม สีคล้ายรุ้ง
เมฆเซอรัส (Cirrus)
เมฆริ้ว สีขาว รูปร่างคล้ายขนนก เป็นผลึกน้ำแข็ง มักเกิดขึ้นในวันที่มีอากาศดี ท้องฟ้าเป็นสีฟ้าเข้ม

           เมฆชั้นกลาง (Middle Clouds) เกิดขึ้นที่ระดับสูง 2 - 6 กิโลเมตร

เมฆอัลโตคิวมูลัส (Altocumulus)
เมฆก้อน สีขาว มีลักษณะคล้ายฝูงแกะ ลอยเป็นแพ มีช่องว่างระหว่างก้อนเล็กน้อย
เมฆอัลโตสเตรตัส (Altostratus)
เมฆแผ่นหนา ส่วนมากมักมีสีเทา เนื่องจากบังแสงดวงอาทิตย์ ไม่ให้ลอดผ่าน และเกิดขึ้นปกคลุมท้องฟ้าเป็นบริเวณกว้างมาก หรือปกคลุมท้องฟ้าทั้งหมด

           เมฆชั้นต่ำ (Low Clouds) เกิดขึ้นที่ระดับต่ำกว่า 2 กิโลเมตร

เมฆสเตรตัส (Stratus)
เมฆแผ่นบาง ลอยสูงเหนือพื้นไม่มากนัก เช่น ลอยปกคลุมยอดเขามักเกิดขึ้นตอนเช้า หรือหลังฝนตก บางครั้งลอยต่ำปกคลุมพื้นดิน เราเรียกว่า “หมอก”
เมฆสเตรโตคิวมูลัส (Stratocumulus)
เมฆก้อน ลอยติดกันเป็นแพ ไม่มีรูปทรงที่ชัดเจน มีช่องว่างระหว่างก้อนเพียงเล็กน้อย มักเกิดขึ้นเวลาที่อากาศไม่ดี และมีสีเทา เนื่องจากลอยอยู่ในเงาของเมฆชั้นบน
เมฆนิมโบสเตรตัส (Nimbostratus)
เมฆแผ่นสีเทา เกิดขึ้นเวลาที่อากาศมีเสถียรภาพ ทำให้เกิดฝนพรำๆ ฝนผ่าน หรือฝนตกแดดออก ไม่มีพายุฝนฟ้าคะนอง ฟ้าร้องฟ้าผ่ามักปรากฏให้เห็นสายฝนตกลงมาจากฐานเมฆ

           เมฆก่อตัวในแนวตั้ง (Clouds of Vertical Development)
เมฆคิวมูลัส (Cumulus)
เมฆก้อนปุกปุย สีขาวเป็นรูปกะหล่ำ ก่อตัวในแนวตั้ง เกิดขึ้นจากอากาศไม่มีเสถียรภาพ ฐานเมฆเป็นสีเทาเนื่องจากมีความหนามากพอที่จะบดบังแสง จนทำให้เกิดเงา มักปรากฏให้เห็นเวลาอากาศดี ท้องฟ้าเป็นสีฟ้าเข้ม
เมฆคิวมูโลนิมบัส (Cumulonimbus)
เมฆก่อตัวในแนวตั้ง พัฒนามาจากเมฆคิวมูลัส มีขนาดใหญ่มากปกคลุมพื้นที่ครอบคลุมทั้งจังหวัด ทำให้เกิดพายุฝนฟ้าคะนอง หากกระแสลมชั้นบนพัดแรง ก็จะทำให้ยอดเมฆรูปกะหล่ำ กลายเป็นรูปทั่งตีเหล็ก ต่อยอดออกมาเป็น เมฆเซอโรสเตรตัส หรือเมฆเซอรัส

หมอก (Fog)
          หมอก เกิดจากไอน้ำเปลี่ยนสถานะควบแน่นเป็นหยดน้ำเล็กๆ เช่นเดียวกับเมฆ เพียงแต่เมฆเกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเนื่องจากการยกตัวของกลุ่มอากาศ แต่หมอกเกิดขึ้นจากความเย็นของพื้นผิว หรือการเพิ่มปริมาณไอน้ำในอากาศ
           ในวันที่มีอากาศชื้น และท้องฟ้าใส พอตกกลางคืนพื้นดินจะเย็นตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้ไอน้ำในอากาศเหนือพื้นดินควบแน่นเป็นหยดน้ำ หมอกซึ่งเกิดขึ้นโดยวิธีนี้จะมีอุณหภูมิต่ำและมีความหนาแน่นสูง เคลื่อนตัวลงสู่ที่ต่ำ และมีอยู่อย่างหนาแน่นในหุบเหว
           เมื่ออากาศอุ่นมีความชื้นสูง ปะทะกับพื้นผิวที่มีความหนาวเย็น เช่น ผิวน้ำในทะเลสาบ อากาศจะควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำ ในลักษณะเช่นเดียวกับหยดน้ำซึ่งเกาะอยู่รอบแก้วน้ำแข็ง
           เมื่ออากาศร้อนซึ่งมีความชื้นสูง ปะทะกับอากาศเย็นซึ่งอยู่ข้างบน แล้วควบแน่นเป็นหยดน้ำ เช่น เวลาหลังฝนตก ไอน้ำที่ระเหยขึ้นจากพื้นถนนซึ่งร้อน ปะทะกับอากาศเย็นซึ่งอยู่ข้างบน แล้วควบแน่นกลายเป็นหมอก หรือไอน้ำจากลมหายใจเมื่อปะทะกับอากาศเย็นของฤดูหนาว แล้วควบแน่นกลายเป็นละอองน้ำเล็กๆ ให้เรามองเห็นเป็นควันสีขาว

น้ำค้าง (Dew)
          น้ำค้าง เกิดจากการควบแน่นของไอน้ำบนพื้นผิวของวัตถุ ซึ่งมีการแผ่รังสีออกจนกระทั่งอุณหภูมิลดต่ำลงกว่าจุดน้ำค้างของอากาศซึ่งอยู่รอบๆ เนื่องจากพื้นผิวแต่ละชนิดมีการแผ่รังสีที่แตกต่างกัน ดังนั้นในบริเวณเดียวกัน ปริมาณของน้ำค้างที่ปกคลุมพื้นผิวแต่ละชนิดจึงไม่เท่ากัน เช่น ในตอนหัวค่ำ อาจมีน้ำค้างปกคลุมพื้นหญ้า แต่ไม่มีน้ำค้างปกคลุมพื้นคอนกรีต เหตุผลอีกประการหนึ่งซึ่งทำให้น้ำค้างมักเกิดขึ้นบนใบไม้ใบหญ้าก็คือ ใบของพืชคายไอน้ำออกมา ทำให้อากาศบริเวณนั้นมีความชื้นสูง

ภาพที่ 4 น้ำค้าง

หยาดน้ำฟ้า
           หยาดน้ำฟ้า (Precipitation) เป็นชื่อเรียกรวมของ หยดน้ำ และน้ำแข็ง ที่เกิดจาการควบแน่นของไอน้ำแล้วตกลงมาสู่พื้น เช่น ฝน ลูกเห็บ หิมะ เป็นต้น หยาดน้ำฟ้าแตกต่างจากจากหยดน้ำหรือละอองน้ำในก้อนเมฆ (Cloud droplets) ตรงที่หยาดน้ำต้องมีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักมากพอที่จะชนะแรงต้านอากาศ และตกสู่พื้นโลกได้โดยไม่ระเหยเป็นไอน้ำเสียก่อน ขณะที่อยู่ใต้ระดับควบแน่น ฉะนั้นกระบวนการเกิดหยาดน้ำฟ้าจึงมีความสลับซับซ้อนมากกว่ากระบวนการควบแน่นที่ทำให้เกิดเมฆ
           โดยทั่วไปก้อนเมฆจะมีหยดน้ำเล็กๆ ขนาดเท่ากัน ตกลงมาอย่างช้าๆ ด้วยความเร็วเดียวกัน ดังนั้นหยดน้ำเหล่านั้นจะไม่มีโอกาสที่จะชนหรือรวมตัวกันให้มีขนาดใหญ่ขึ้นได้เลย แต่ในเมฆซึ่งก่อตัวในแนวตั้ง เช่น เมฆคิวมูโลนิมบัสจะมีหยดน้ำหลายขนาด หยดน้ำขนาดใหญ่จะตกลงมาด้วยความเร็วที่มากกว่าหยดน้ำขนาดเล็ก ดังนั้นหยดน้ำขนาดใหญ่จึงมีโอกาสชนและรวมตัวกับหยดน้ำขนาดเล็กที่อยู่เบื้องล่าง ทำให้เกิดการรวมตัวจนมีขนาดใหญ่ขึ้น ดังภาพที่ 5 เราเรียกกระบวนการนี้ว่า “กระบวนการชนและรวมตัวกัน” (Collision – coalescence process)

ภาพที่ 5 การหล่นของหยดน้ำขนาดเท่ากัน (ซ้าย) และขนาดแตกต่างกัน (ขวา)

           นอกจากนั้นกระแสอากาศไหลขึ้น (Updraft) ยังช่วยให้เร่งอัตราการชนและรวมตัวให้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่อหยดน้ำมีขนาดใหญ่ประมาณ 1 มิลลิเมตร มันจะมีน้ำหนักมากพอที่จะชนะแรงพยุง และตกลงมาด้วยแรงโน้มถ่วงของโลก หยดน้ำที่ตกลงมาจากยอดเมฆชนและรวมตัวกับหยดน้ำอื่นๆ ในขาลง ทำให้มีมันขนาดใหญ่และมีความเร็วมากขึ้นจนก็กลายเป็น
“หยดน้ำฝน” (Rain droplets) ตกลงจากฐานเมฆ โดยมีขนาดประมาณ 2 - 5 มิลลิเมตร ดังภาพที่ 6

ภาพที่ 6 การเพิ่มขนาดของหยดน้ำในก้อนเมฆ

          ในเขตที่มีอากาศหนาวเย็น เช่น ในเขตละติจูดสูง หรือบนเทือกเขาสูง รูปแบบของการเกิดหยาดน้ำฟ้าจะแตกต่างไปจากเขตร้อน หยดน้ำบริสุทธิ์ในก้อนเมฆไม่ได้แข็งตัวที่อุณหภมิ 0°C หากแต่แข็งตัวที่อุณหภูมิประมาณ -40°C เราเรียกน้ำในสถานะของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0°C นี้ว่า “น้ำเย็นยิ่งยวด” (Supercooled water) น้ำเย็นยิ่งยวดจะเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งได้ก็ต่อเมื่อกระทบกับวัตถุของแข็งอย่างทันทีทันใด ยกตัวอย่าง เมื่อเครื่องบินเข้าไปในเมฆชั้นสูง ก็จะเกิดน้ำแข็งเกาะที่ชายปีกด้านหน้า การระเหิดกลับเช่นนี้ (Deposition) จำเป็นจะต้องอาศัยแกนซึ่งเรียกว่า “แกนน้ำแข็ง” (Ice nuclei) เพื่อให้ไอน้ำจับตัวเป็นผลึกน้ำแข็ง ในก้อนเมฆมีน้ำครบทั้งสามสถานะและมีแรงดันที่แตกต่างกัน ไอน้ำระเหยจากละอองน้ำโดยรอบ แล้วระเหิดกลับรวมตัวเข้ากับผลึกน้ำแข็งอีกทีหนึ่ง ทำให้ผลึกน้ำแข็งมีขนาดใหญ่ขึ้น ดังภาพที่ 7 เราเรียกกระบวนการนี้ว่า “กระบวนการเบอร์เจอรอน” (Bergeron process)

ภาพที่ 7 การเพิ่มขนาดของผลึกน้ำแข็ง

          เมื่อผลึกน้ำแข็งมีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักมากพอที่จะชนะแรงพยุง (Updraft) มันจะตกลงมาด้วยแรงโน้มถ่วงของโลก และปะทะกับหยดน้ำเย็นยิ่งยวดซึ่งอยู่ด้านล่าง ทำให้เกิดการเยือกแข็งและรวมตัวให้ผลึกมีขนาดใหญ่ยิ่งขึ้นไปอีก นอกจากนั้นผลึกอาจจะปะทะกันเอง จนทำให้เกิดผลึกขนาดใหญ่ที่เรียกว่า “เกล็ดหิมะ” (Snow flake) ในเขตอากาศเย็น หิมะจะตกลงมาถึงพื้น แต่ในวันที่มีอากาศร้อน หิมะจะเปลี่ยนสถานะกลายเป็น “ฝน” เสียก่อนแล้วจึงตกถึงพื้น

ภาพที่ 8 กระบวนการเกิดหยาดน้ำฟ้าในเมฆคิวมูโลนิมบัส

ชนิดของหยาดน้ำฟ้าในประเทศไทย
           ฝน (Rain) เป็นหยดน้ำมีขนาดประมาณ 0.5 – 5 มิลลิเมตร ฝนส่วนใหญ่ตกลงมาจากเมฆนิมโบสเตรตัส และเมฆคิวมูโลนิมบัส
           ฝนละออง (Drizzle) เป็นหยดน้ำขนาดเล็กกว่า 0.5 มิลลิเมตร เกิดจากเมฆสเตรตัส พบเห็นบ่อยบนยอดเขาสูง ตกต่อเนื่องเป็นเวลานานหลายชั่วโมง
           ละอองหมอก (Mist) เป็นหยดน้ำขนาด 0.005 – 0.05 มิลลิเมตร เกิดจากเมฆสเตรตัส ทำให้เรารู้สึกชื้นเมื่อเดินผ่าน มักพบบนยอดเขาสูง
           ลูกเห็บ (Hail) เป็นก้อนน้ำแข็งขนาดใหญ่กว่า 5 เซนติเมตร เกิดขึ้นจากกระแสในอากาศไหลขึ้น (updraft) และไหลลง (downdraft) ภายในเมฆคิวมูโลนิมบัส พัดให้ผลึกน้ำแข็งปะทะกับน้ำเย็นยิ่งยวด กลายเป็นก้อนน้ำแข็งห่อหุ้มกันเป็นชั้นๆ จนมีขนาดใหญ่ และตกลงมา

ภาพที่ 9 ลูกเห็บ

           หิมะ (Snow) เป็นผลึกน้ำแข็งขนาดประมาณ 1 – 20 มิลลิเมตร ซึ่งเกิดจากไอน้ำจากน้ำเย็นยิ่งยวด ระเหิดกลับเป็นผลึกน้ำแข็ง แล้วตกลงมา

อุปกรณ์วัดน้ำฝน
          ในการวัดปริมาณน้ำฝน เราใช้หน่วยวัดเป็นมิลลิเมตร เช่น ถ้าฝนตกลงมาทำให้ระดับน้ำฝนในภาชนะที่รองรับสูงขึ้น 10 มิลลิเมตร หมายความว่า ฝนตกวัดได้ 10 มิลลิเมตร ถ้าฝนตกลงมาทำให้ระดับน้ำฝนในภาชนะที่รองรับสูงขึ้น 25 มิลลิเมตร หมายความว่า ฝนตกวัดได้ 25 มิลลิเมตร ดังในภาพที่ 10 ด้านซ้าย
          อุปกรณ์วัดน้ำฝน (Rain gauge) ขนาดมาตรฐานเป็นทรงกระบอกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 เซนติเมตร บนปากกระบอกมีกรวยรอรับน้ำฝน ให้ตกลงสู่กระบอกตวงซึ่งอยู่ภายในซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กกว่ากระบอกนอก 10 เท่า (เส้นผ่านศูนย์กลาง 2 เซนติเมตร) ทั้งนี้เพื่อขยายมาตราส่วนขยายขึ้น 10 เท่า ทำให้เกิดความสะดวกในการอ่านค่าปริมาณ
น้ำฝนได้ละเอียดยิ่งขึ้น ดังในภาพที่ 10 ด้านขวา

ภาพที่ 10 อุปกรณ์วัดน้ำฝน
 


 

ความกดอากาศ และการเกิดลม

          แม้ว่าอากาศจะเป็นก๊าซ แต่อากาศก็มีน้ำหนักเช่นเดียวกับของแข็งและของเหลว เราเรียกน้ำหนักซึ่งกดทับกันลงมานี้ว่า “ความกดอากาศ” (Air pressure) ความกดอากาศจะมีความแตกต่างกับแรงที่เกิดจากน้ำหนักกดทับตรงที่ ความกดอากาศมีแรงดันออกทุกทิศทุกทาง เช่นเดียวกับแรงดันของอากาศในลูกโป่ง

ภาพที่ 1 บารอมิเตอร์ชนิดปรอท

          อุปกรณ์วัดความกดอากาศ เรียกว่า “บารอมิเตอร์” (Barometer) หากเราบรรจุปรอทใส่หลอดแก้วปลายเปิด แล้วคว่ำลงตามภาพที่ 1 ปรอทจะไม่ไหลออกจากหลอดจนหมด แต่จะหยุดอยู่ที่ระดับสูงประมาณ 760 มิลลิเมตร เนื่องจากอากาศภายนอกกดดันพื้นที่หน้าตัดของอ่างปรอทไว้ ความกดอากาศมีหน่วยวัดเป็น “มิลลิเมตรปรอท” “นิ้วปรอท” และ “มิลลิบาร์” โดยความกดอากาศที่พื้นผิวโลกที่ระดับน้ำทะเลปานกลาง มีค่าเท่ากับ 760 มิลลิเมตรปรอท (29.92 นิ้วปรอท) หรือ 1013.25 มิลลิบาร์
          ในปัจจุบันนักอุตุนิยมวิทยานิยมใช้ “มิลลิบาร์” เป็นหน่วยมาตรฐานในการวัดความกดอากาศ
                    1 มิลลิบาร์ = แรงกด 100 นิวตัน/พื้นที่ 1 ตารางเมตร
                                   โดยที่ แรง 1 นิวตัน คือ แรงที่ใช้ในการเคลื่อนมวล 1 กิโลกรัม
                                   ให้เกิดความเร่ง 1 (เมตร/วินาที)/วินาที

ปัยจัยที่มีอิทธิพลต่อความกดอากาศ
           ยิ่งสูงขึ้นไป อากาศยิ่งบาง อุณหภูมิยิ่งต่ำ ความกดอากาศยิ่งลดน้อยตามไปด้วย เพราะฉะนั้น ความกดอากาศบนยอดเขา จึงมักจะน้อยกว่าความกดอากาศที่เชิงเขา
           อากาศเย็นมีความหนาแน่นมากกว่าอากาศร้อน จึงมีความกดอากาศมากกว่า เรียกว่า “ความกดอากาศสูง” (High pressure) ในแผนที่อุตุนิยมจะใช้อักษร“H” สีน้ำเงิน เป็นสัญลักษณ์ (ดูภาพที่ 2)
           อากาศร้อนมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศเย็น จึงมีความกดอากาศน้อยกว่า เรียกว่า “ความกดอากาศต่ำ” (Low pressure) ในแผนที่อุตุนิยมจะใช้อักษร “L” สีแดง เป็นสัญลักษณ์

การเคลื่อนที่ของอากาศ
          การพาความร้อน (Convection) ของบรรยากาศ ทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของอากาศทั้งแนวตั้งและแนวราบ
           แนวตั้ง อากาศร้อนยกตัวขึ้น อากาศเย็นจะเคลื่อนเข้ามาแทนที่ การเคลื่อนตัวของอากาศในแนวตั้ง ทำให้เกิดการเมฆ ฝน และความแห้งแล้ง
           แนวราบ อากาศจะเคลื่อนตัวจากหย่อมความกดอากาศสูง (H) ไปยังหย่อมความกดอากาศต่ำ (L) ทำให้เกิดการกระจายและหมุนเวียนอากาศไปยังตำแหน่งต่างๆ บนผิวโลก เราเรียกอากาศซึ่งเคลื่อนตัวในแนวราบว่า “ลม” (Wind)

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อลม
          แรงเกรเดียนของความกดอากาศ (Pressure-gradiant force)
พื้นผิวโลกแต่ละบริเวณได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ไม่เท่ากัน พื้นที่ดังกล่าวจึงมีอุณหภูมิและความดันอากาศแตกต่างกันไป บนแผนที่อุตุนิยมจะมีเส้นแสดงความกดอากาศเท่ากัน เรียกว่า “ไอโซบาร์” (Isobars) เส้นไอโซบาร์แต่ละเส้นจะมีค่าความกดอากาศแตกต่างเท่าๆ กัน เช่น แตกต่างกันทุกๆ 6 มิลลิบาร์เป็นต้น (ภาพที่ 2)

แรงเกรเดียนของความกดอากาศ = ความกดอากาศที่แตกต่าง / ระยะทางระหว่าง 2 ตำแหน่ง

          ถ้าหากเส้นไอโซบาร์อยู่ใกล้ชิดกันแสดงว่า ความกดอากาศเหนือบริเวณนั้นมีความแตกต่างกันมาก หรือมีแรง
เกรเดียนมาก แสดงว่ามีลมพัดแรง แต่ถ้าเส้นไอโซบาร์อยู่ห่างกันแสดงว่า ความกดอากาศเหนือบริเวณนั้นมีความแตกต่างกันไม่มาก หรือมีแรงเกรเดียนน้อย แสดงว่ามีลมพัดอ่อน

ภาพที่ 2 แผนที่แสดงเกรเดียนของความกดอากาศ และทิศทางลม

แรงโคริออริส (Coriolis)
          เป็นแรงเสมือนซึ่งเกิดจากการที่โลกหมุนหมุนรอบตัวเอง ในภาพที่ 3 บน แสดงให้เห็นว่า หากโลกไม่หมุนรอบตัวเอง การยิงจรวดจากขั้วโลกเหนือไปยังเป้าหมายบนตำแหน่งที่เส้นศูนย์สูตรตัดกับเส้นแวงที่ 90° จะได้วิถีของจรวดเป็นเส้นตรง โดยสมมุติให้จรวดใช้เวลาเดินทางจากจุดปล่อยไปยังเป้าหมายใช้เวลาเดินทาง 1 ชั่วโมง
ในภาพที่ 3 ล่าง อธิบายถึงการเกิดแรงโคริออริส เนื่องจากโลกหมุนรอบตัวเอง 1 รอบใช้เวลา 24 ชั่วโมง เมื่อเวลาผ่านไปหนึ่งชั่วโมง นับตั้งแต่จรวดถูกปล่อยออกจากจุดปล่อยไปยังเป้าหมาย การหมุนของโลกทำให้วิถีของจรวดเป็นเส้นโค้ง และเคลื่อนไปตกบนเส้นแวงที่ 105° เนื่องจากหนึ่งชั่วโมงโลกหมุนไปได้ 15° (105° - 90° = 15°)

ภาพที่ 3 แรงโคริออริส

          แรงโคริออริสไม่มีอิทธิพลต่อกระแสลมที่บริเวณเส้นศูนย์สูตร แต่จะมีอิทธิพลมากขึ้นในละติจูดที่สูงเข้าใกล้ขั้วโลก
แรงโคริออริสทำให้ลมในซีกโลกเหนือเบี่ยงเบนไปทางขวา และทำให้ลมในซีกโลกใต้เบี่ยงเบนไปทางซ้าย ภาพที่ 4 แสดงให้เห็นว่า ในบริเวณซีกโลกเหนือ แรงโคริออริสทำให้มวลอากาศรอบหย่อมความกดอากาศต่ำ (L) หรือ “ไซโคลน” (Cyclone) หมุนตัวทวนเข็มนาฬิกาเข้าสู่ศูนย์กลาง และมวลอากาศรอบหย่อมความกดอากาศสูง (H) “แอนติไซโคลน” (Anticyclone) หมุนตัวตามเข็มนาฬิกาออกจากศูนย์กลาง ในบริเวณซีกโลกใต้ “ไซโคลน” จะหมุนตัวตามเข็มนาฬิกา และ “แอนติไซโคลน” จะหมุนตัวทวนเข็มนาฬิกา ตรงกันข้ามกับซีกโลกเหนือ

ภาพที่ 4 ไซโคลน และ แอนติไซโคลน ในซีกโลกเหนือ

          แรงเสียดทาน (Friction) เป็นแรงที่เกิดจากความขรุขระของผิวโลก ทำให้เกิดความต้านทางการเคลื่อนที่ของอากาศ แรงเสียดทานมีอิทธิพลเฉพาะกับอากาศบริเวณใกล้พื้นผิว ซึ่งอยู่เหนือขึ้นไปเพียงไม่กี่กิโลเมตร แรงเสียดทานมีผลกระทบต่อความเร็วลม และก่อให้เกิดกระแสอากาศปั่นป่วน (Turbulence) ซึ่งมีปัจจัยควบคุม 3 ประการคือ
           ความร้อนที่ผิวดิน ถ้าอากาศเหนือพื้นผิวร้อนมาก ก็จะทำให้เกิดกระแสอากาศปั่นป่วนอย่างรุนแรง (ในลักษณะเดียวกับน้ำเดือดในภาชนะ)
           กระแสลม ถ้ากระแสลมแรง ก็จะทำให้เกิดกระแสอากาศปั่นป่วนอย่างรุนแรง
           ลักษณะภูมิประเทศ บริเวณภูเขาและหุบเขา จะมีกระแสอากาศปั่นป่วนกว่าบริเวณที่เป็นพื้นราบ

อุปกรณ์วัดลม
          อุปกรณ์วัดทิศทางลม (Wind Vane) ประกอบด้วย 2 ส่วนคือ
           เครื่องวัดทิศทางลม มีรูปร่างคล้ายเหมือนลูกศร กระแสลมปะทะเข้ากับแผ่นหางเสือที่ปลายลูกศร ทำให้หัวลูกศรชี้เข้าหาทิศทางที่กระแสลมพัดมาตลอดเวลา
           แป้นบอกทิศทาง ทำหน้าที่เสมือนหน้าปัด มีอักษรบอกทิศหลักสี่ทิศ คือ ทิศเหนือ (N) ทิศตะวันออก (E) ทิศใต้ (S) และทิศตะวันตก (W) สำหรับแป้นบอกทิศทางชนิดละเอียด จะมีแบ่งหน้าปัดแบ่งทิศออกเป็น 360 องศา โดยมีจุดเริ่มต้นเป็นทิศเหนือ แล้วนับมุมตามเข็มนาฬิกาไปทางขวา ดังภาพที่ 5

ภาพที่ 5 หน้าปัดแสดงทิศทางลม

          อุปกรณ์วัดความเร็วลม (Anemometer) มีรูปร่างเหมือนใบพัดเครื่องบิน หรือกรวยดักลม มีหลักการทำงานเหมือนเช่นเดียวกับเครื่องวัดความเร็วในรถยนต์ เมื่อกระแสลมพัดมาปะทะใบพัด (กรวยดักลม) จะทำให้แกนหมุนและส่งสัญญาณจำนวนรอบมาให้เครื่องคำนวณเป็นค่าความเร็วลมอีกทีหนึ่ง โดยมีหน่วยวัดเป็นเมตรต่อวินาที

ภาพที่ 6 เครื่องวัดความเร็วลม

 
 

การหมุนเวียนของบรรยากาศ และอิทธิพลของฤดูกาล

         เมื่อเราพูดถึง “ลม” เราหมายถึงการเคลื่อนที่หมุนเวียนถ่ายเทของอากาศ ในลักษณะเป็นวงรอบ (Circulation) ซึ่งเกิดขึ้นด้วยความแตกต่างของความกดอากาศ (อุณหภูมิ) เหนือพื้นผิว การหมุนเวียนอากาศมีทั้งวงรอบขนาดเล็ก ปกคลุมพื้นที่เพียงไม่ถึงตารางกิโลเมตร และวงรอบขนาดใหญ่ ปกคลุมพื้นที่ทั้งทวีปและมหาสมุทร เราแบ่งสเกลการหมุนเวียนอากาศ
ออกเป็น 3 ระดับ ดังนี้

สเกล
ช่วงเวลา
ขนาด (ระยะทาง)
ตัวอย่าง
ระดับใหญ่ (Macroscale)
     โลก
     ทวีป

สัปดาห์ - ปี
วัน - สัปดาห์

1,000 – 40,000 กิโลเมตร
100 – 5,000 กิโลเมตร

ลมค้า ลมเวสเทอรีส
์ลมมรสุม ไซโคลน พายุไต้ฝุ่น เฮอริเคน
ระดับกลาง (Mesoscale)
นาที - ชั่วโมง
1 - 100 กิโลเมตร ลมบก-ลมทะเล พายุฝนฟ้าคะนอง
ระดับเล็ก (Microscale)
วินาที - นาที
ี <1 กิโลเมตร ลมบ้าหมู ลมกรรโชก

ระบบลมท้องถิ่น
          ลมท้องถิ่น (Local winds) เป็นลมซึ่งเกิดขึ้นในช่วงวัน คลอบคลุมพื้นที่ขนาดจังหวัด การหมุนเวียนของอากาศในสเกลระดับกลางเช่นนี้ เกิดขึ้นเนื่องจากสภาพภูมิศาสตร์และความแตกต่างของอุณหภูมิภายในท้องถิ่น ตัวอย่างเช่น ลมบก-ลมทะเล ลมภูเขา-ลมหุบเขา

ภาพที่ 1 ลมบก ลมทะเล

ลมบก – ลมทะเล
          เวลากลางวัน พื้นดินดูดกลืนความร้อนเร็วกว่าพื้นน้ำ อากาศเหนือพื้นดินร้อนและขยายตัวลอยสูงขึ้น (ความกดอากาศต่ำ) อากาศเหนือพื้นน้ำมีอุณหภูมิต่ำกว่า (ความกดอากาศสูง) จึงจมตัวและเคลื่อนเข้าแทนที่ ทำให้เกิดลมพัดจากทะเลเข้าสู่ชายฝั่ง เรียกว่า “ลมทะเล” (Sea breeze)
          เวลากลางคืน พื้นดินคลายความร้อนได้เร็วกว่าพื้นน้ำ อากาศเย็นเหนือพื้นดินจมตัวลง (ความกดอากาศสูง) และเคลื่อนตัวไปแทนที่อากาศอุ่นเหนือพื้นน้ำซึ่งยกตัวขึ้น (ความกดอากาศต่ำ) จึงเกิดลมพัดจากบกไปสู่ทะเล เรียกว่า “ลมบก” (Land breeze)

ภาพที่ 2 ลมหุบเขา ลมภูเขา

ลมหุบเขา – ลมภูเขา
          เวลากลางวัน พื้นที่บริเวณไหล่เขาได้รับความร้อนมากกว่าบริเวณพื้นที่ราบหุบเขา ณ ระดับสูงเดียวกัน ทำให้อากาศร้อนบริเวณไหล่เขายกตัวลอยสูงขึ้น (ความกดอากาศต่ำ) เกิดเมฆคิวมูลัสลอยอยู่เหนือยอดเขา อากาศเย็นบริเวณหุบเขาเคลื่อนตัวเข้าแทนที่ จึงเกิดลมพัดจากเชิงเขาขึ้นสู่ลาดเขา เรียกว่า “ลมหุบเขา” (Valley breeze)
หลังจากดวงอาทิตย์ตก พื้นที่ไหล่เขาสูญเสียความร้อน อากาศเย็นตัวอย่างรวดเร็ว จมตัวไหลลงตามลาดเขา เกิดลมพัดลงสู่หุบเขา เรียกว่า “ลมภูเขา” (Mountain breeze) ในบางครั้งกลุ่มอากาศเย็นเหล่านี้ปะทะกับพื้นดินในหุบเขาซึ่งยังมีอุณหภูมิสูงอยู่ จึงควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำ ทำให้เกิดหมอก (Radiation fog)

ระบบการหมุนเวียนของบรรยากาศโลก
          โลกมีสัณฐานเป็นทรงกลม โคจรรอบดวงอาทิตย์ 1 รอบ ใช้เวลา 1 ปี หากโลกหมุนไม่หมุนรอบตัวเอง บริเวณเส้นศูนย์สูตรของโลกจะเป็นแถบความกดอากาศต่ำ (อุณหภูมิสูง) เนื่องจากแสงอาทิตย์ตกกระทบเป็นมุมชัน ส่วนบริเวณขั้วโลกทั้งสองจะเป็นแถบความกดอากาศสูง (อุณหภูมิต่ำ) เนื่องจากแสงอาทิตย์ตกกระทบเป็นมุมลาด อากาศร้อนบริเวณศูนย์สูตรยกตัวขึ้น ทำให้อากาศเย็นบริเวณขั้วโลกเคลื่อนตัวเข้าแทนที่ เราเรียกการหมุนเวียนของอากาศทั้งสองซีกโลกว่า “แฮดเลย์เซลล์” (Hadley cell) ดังรูปที่ 3

ภาพที่ 3 การหมุนเวียนของบรรยากาศ หากโลกไม่หมุนรอบตัวเอง

          ในความเป็นจริง โลกหมุนรอบตัวเอง 1 รอบ ใช้เวลา 24 ชั่วโมง เซลล์การหมุนเวียนของบรรยากาศจึงแบ่งออกเป็น 3 เซลล์ ได้แก่ แฮดเลย์เซลล์ (Hadley cell), เฟอร์เรลเซลล์ (Ferrel cell) และ โพลาร์เซลล์ (Polar cell) ในแต่ละซีกโลก ดังภาพที่ 4

ภาพที่ 4 การหมุนเวียนของบรรยากาศ เนื่องจากโลกหมุนรอบตัวเอง

          แถบความกดอากาศต่ำบริเวณเส้นศูนย์สูตร (Equator low) เป็นเขตที่ได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์มากที่สุด กระแสลมค่อนข้างสงบ เนื่องจากอากาศร้อนชื้นยกตัวขึ้น ควบแน่นเป็นเมฆคิวมูลัสขนาดใหญ่ และมีการคายความร้อนแฝงจำนวนมาก ทำให้เป็นเกิดพายุฝนฟ้าคะนอง อากาศชั้นบนซึ่งสูญเสียไอน้ำไปแล้ว เคลื่อนตัวไปทางขั้วโลก
          แถบความกดอากาศสูงกึ่งศูนย์สูตร (Subtropical high) ที่บริเวณละติจูดที่ 30° เป็นเขตแห้งแล้ง เนื่องจากเป็นบริเวณที่อากาศแห้งจากแฮดลีย์เซลล์ และเฟอร์เรลเซลล์ ปะทะกันแล้วจมตัวลง ทำให้พื้นดินแห้งแล้งเป็นเขตทะเลทราย และพื้นน้ำมีกระแสลมอ่อนมาก เราเรียกเส้นละติจูดที่ 30ฐ ว่า “เส้นรุ้งม้า” (horse latitudes) เนื่องจากเป็นบริเวณที่กระแสลมสงบ จนบางครั้งเรือใบไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ ลูกเรือต้องโยนสินค้า ข้าวของ รวมทั้งม้าที่บรรทุกมาทิ้งทะเล อากาศเหนือผิวพื้นบริเวณเส้นรุ้งม้าเคลื่อนตัวไปยังแถบความกดอากาศต่ำบริเวณเส้นศูนย์สูตร ทำให้เกิด “ลมค้า” (Trade winds) แรงโคริออริสซึ่งเกิดจากการหมุนรอบตัวของโลกเข้ามาเสริม ทำให้ลมค้าทางซีกโลกเหนือเคลื่อนที่มาจากทิศตะวันออกเฉียงเหนือ และลมค้าทางซีกโลกใต้เคลื่อนที่มาจากทิศตะวันออกเฉียงใต้ ลมค้าทั้งสองปะทะชนกันและยกตัวขึ้นบริเวณเส้นศูนย์สูตร แถบความกดอากาศต่ำนี้จึงมีอีกชื่อหนึ่งว่า “แนวปะทะอากาศยกตัวเขตร้อน” หรือ “ITCZ” ย่อมาจาก Intertropic convection zone
          แถบความกดอากาศต่ำกึ่งขั้วโลก (Subpolar low) ที่บริเวณละติจูดที่ 60ฐ เป็นเขตอากาศยกตัว เนื่องจากอากาศแถบความกดอากาศสูงกึ่งศูนย์สูตร (H) เคลื่อนตัวไปทางขั้วโลก ถูกแรงโคริออริสเบี่ยงเบนให้เกิดลมพัดมาจากทิศตะวันตก เรียกว่า “ลมเวสเทอลีส์” (Westerlies) ปะทะกับ “ลมโพลาร์อีสเทอลีส์” (Polar easteries) ซึ่งพัดมาจากทิศตะวันออก โดยถูกแรงโคริออริสเบี่ยงเบนมาจากขั้วโลก มวลอากาศจากลมทั้งสองมีอุณหภูมิแตกต่างกันมาก ทำให้เกิด ”แนวปะทะอากาศขั้วโลก” (Polar front) มีพายุฝนฟ้าคะนอง อากาศชั้นบนซึ่งสูญเสียไอน้ำไปแล้ว เคลื่อนตัวไปยังจมตัวลงที่เส้นรุ้งม้า และบริเวณขั้วโลก

ภาพที่ 5 แกนของโลกเอียงขณะที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ทำให้เกิดฤดูกาล

อิทธิพลของฤดูกาล
          เนื่องจากแกนของโลกเอียง 23.5° ขณะที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ในช่วงฤดูร้อนของซีกโลกเหนือ (ภาพที่ 5 ด้านซ้าย) โลกจะหันซีกโลกเหนือเข้าหาดวงอาทิตย์ และจะหันขั้วโลกใต้เข้าหาดวงอาทิตย์ในอีกหกเดือนต่อมา ซึ่งจะเป็นช่วงฤดูหนาวของซีกโลกเหนือ (ภาพที่ 5 ด้านขวา) การเปลี่ยนแปลงเช่นนี้ส่งผลให้ “แนวปะทะอากาศยกตัวเขตร้อน” หรือ ICTZ เลื่อนขึ้นทางเหนือในฤดูร้อนของซีกโลกเหนือ และเลื่อนลงทางใต้ในฤดูหนาวของซีกโลกเหนือ ดังในภาพที่ 6 การหมุนเวียนของบรรยากาศโลกที่เปลี่ยนแปลง ทำให้เกิดการกระจายความร้อนบนพื้นผิวโลก และมีผลต่อลมฟ้าอากาศดังนี้

ภาพที่ 6 การเคลื่อนที่ของ ITCZ เนื่องจากฤดูกาล

อุณหภูมิและแสงอาทิตย์
          ในช่วงฤดูร้อน ซีกโลกที่เป็นฤดูร้อนจะได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์มากกว่าซีกโลกที่เป็นฤดูหนาว กลางวันยาวนานกว่ากลางคืน อุณหภูมิของกลางวันและกลางคืนมีความแตกต่างกันมาก ในเขตละติจูดสูงใกล้ขั้วโลกจะได้รับผลกระทบมาก แต่ในเขตละติจูดต่ำใกล้กับเส้นศูนย์สูตรไม่มีความแตกต่างมากนัก

ทิศทางลม
          ลมเกิดขึ้นจากความแตกต่างของความกดอากาศ (แรงเกรเดียนความกดอากาศ) ดังนั้นการเปลี่ยนตำแหน่งของหย่อมความกดอากาศย่อมมีผลต่อทิศทางของลม ลมจึงมีการเปลี่ยนแปลงทิศทางไปตามฤดูกาล ลมมรสุมเป็นตัวอย่างหนึ่งของลมประจำฤดู คำว่า “มรสุม” (Monsoon) มีรากฐานมากจากคำภาษาอารบิกซึ่งแปลว่า “ฤดูกาล” ลมมรสุมเกิดขึ้นในเขตเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ โดยมีความเกี่ยวเนื่องมาจากอุณหภูมิพื้นผิวและสภาพภูมิศาสตร์ คล้ายกับการเกิดลมบกลมทะเล แต่มีสเกลใหญ่กว่ามาก

ภาพที่ 7 ลมมรสุมตะวันออกเฉียงเหนือ และ ลมมรสุมตะวันตกเฉียงใต้

          ในช่วงเดือนพฤศจิกายน – กุมภาพันธ์ อากาศแห้งบริเวณตอนกลางของทวีปมีอุณหภูมิต่ำกว่าอากาศชื้นเหนือมหาสมุทรอินเดีย กระแสลมพัดจากหย่อมความกดอากาศสูงในเขตไซบีเรีย ในลักษณะตามเข็มนาฬิกา (แอนตี้ไซโคลน) มายังหย่อมอากาศต่ำในมหาสมุทรอินเดีย ทำให้เกิด “ลมมรสุมตะวันออกเฉียงเหนือ” พัดผ่านประเทศไทย ทำให้อากาศหนาวเย็น และแห้งแล้ง ท้องฟ้าใส
          ในช่วงเดือนมีนาคม – ตุลาคม อากาศบริเวณตอนกลางทวีปมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศเหนือมหาสมุทรอินเดีย อากาศร้อนยกตัวพัดเข้าหาแผ่นดินใจกลางทวีป ในลักษณะทวนเข็มนาฬิกา (ไซโคลน) ทำให้เกิด “ลมมรสุมตะวันตกเฉียงใต้” เมื่ออากาศชื้นปะทะเข้ากับชายฝั่งและภูมิประเทศซึ่งเป็นภูเขา มันจะยกตัวอย่างรวดเร็วและควบแน่น ทำให้เกิดเมฆและพายุฝนฟ้าคะนอง

ปริมาณไอน้ำในอากาศ และความชื้นสัมพัทธ์
          อุณหภูมิมีผลต่อปริมาณไอน้ำในอากาศ ฤดูร้อนมีปริมาณไอน้ำในอากาศมาก อากาศจึงมีความชื้นสัมพัทธ์สูง และมีอุณหภูมิของจุดน้ำค้างสูงกว่าด้วย ฤดูหนาวมีปริมาณไอน้ำในอากาศน้อย อากาศมีความชื้นสัมพันธ์ต่ำ และมีอุณหภูมิของจุดน้ำค้างต่ำ อากาศจึงแห้ง

ปริมาณเมฆ และหยาดน้ำฟ้า
          เมฆและหยาดน้ำฟ้าเกิดขึ้นจากการควบแน่นของอากาศยกตัว ดังนั้นการเคลื่อนตัวของแนว ITCZ แนวปะทะอากาศขั้วโลก ย่อมตามมาด้วยการเปลี่ยนแปลงปริมาณเมฆและหยาดน้ำฟ้า ในแต่ละภูมิภาค

ภาพที่ 8 หมอกแดด ซึ่งเกิดจากละอองอากาศ (ใต้ฐานเมฆคิวมูลัส)

ละอองอากาศ
          ในเขตความกดอากาศต่ำ อากาศร้อนยกตัวขึ้นทำให้มีปริมาณอนุภาคขนาดเล็ก เช่น ฝุ่นละออง เขม่าควัน จากพื้นดินขึ้นไปแขวนลอยในอากาศ ซึ่งเรียกโดยรวมว่า “ละอองอากาศ” (Aerosols) หากอากาศมีละอองอากาศจำนวนมากก็จะเกิด “หมอกแดด” (Haze) หรือ ฟ้าหลัว ทำให้ทัศนวิสัยต่ำ แสงแดดกระทบพื้นดินได้น้อย หมอกแดดเป็นกลุ่มละอองอากาศ มิได้เกิดขึ้นจากการควบแน่นของไอน้ำในอากาศดังเช่น เมฆ และหมอก ในทางตรงข้ามในเขตอากาศสูง อากาศเย็นจะจมตัวลง ทำให้ละอองอากาศไม่สามารถลอยขึ้นได้ ท้องฟ้าจึงโปร่งใส นอกจากนี้เราจะเห็นได้ว่า หลังจากฝนตกหนัก ท้องฟ้าจะโปร่งใส ทั้งนี้เนื่องจากน้ำฝนชะล้างละอองอากาศให้ตกลงสู่พื้น

ภาพที่ 9 กราฟแสดงปริมาณคาร์บอนได้ออกไซด์ในอากาศของแต่ละปี

องค์ประกอบของอากาศ
          บรรยากาศมีปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในช่วงฤดูร้อนน้อยกว่าฤดูหนาว (เส้นกราฟขึ้น-ลง ในภาพที่ 9) ทั้งนี้เนื่องจากในฤดูร้อนพืชพรรณเจริญเติบโต จึงมีการสังเคราะห์แสง และตรึงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศมาสร้างอาหาร เป็นจำนวนมาก ส่วนในฤดูหนาวต้นไม้ผลัดใบ เจริญเติบโตได้ช้ากว่า แต่การหายใจออกเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ยังคงเดิม ในทางกลับกัน ในช่วงฤดูร้อนจะมีปริมาณก๊าซโอโซนในอากาศมากกว่าฤดูหนาว ทั้งนี้เนื่องจากแสงแดดช่วยให้เร่งปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้เกิดก๊าซโอโซน

 

ภูมิอากาศ

          ลมฟ้าอากาศ (Weather) หมายถึง สภาพอากาศในแต่ละช่วงเวลา แต่ละสถานที่ ซึ่งแปรเปลี่ยนอยู่ตลอดเวลา

          ภูมิอากาศ (Climate) หมายถึง สรุปลักษณะสภาพลมฟ้าอากาศซึ่งหมุนเวียนไปตามฤดูกาลของแต่ละสถานที่

ภาพที่ 1 แกนของโลกเอียง 23.5° ทำให้เกิดเขตภูมิอากาศ

          จากภาพที่ 1 แสดงถึง แกนของโลกเอียง 23.5° กับระนาบวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ ในวันที่ 21 มิ.ย. โลกหันขั้วเหนือเข้าหาดวงอาทิตย์ บริเวณเหนือเส้นอาร์คติกเซอร์เคิล (ละติจูด 66.5° เหนือ) ขึ้นไป จะได้รับแสงอาทิตย์ตลอดเวลา ส่วนบริเวณใต้เส้นแอนตาร์คติกเซอร์เคิล (ละติจูด 66.5° ใต้) ลงมา จะเป็นกลางคืนตลอดเวลา ซีกโลกเหนือเป็นฤดูร้อน ขณะที่ซีกโลกใต้เป็นฤดูหนาว
          หกเดือนต่อมา ในวันที่ 21 ธ.ค. บริเวณใต้เส้นแอนตาร์คติกเซอร์เคิล (ละติจูด 66.5° ใต้) ลงมา จะได้รับแสงอาทิตย์ตลอดเวลา ส่วนบริเวณเหนือเส้นอาร์คติกเซอร์เคิล (ละติจูด 66.5° เหนือ) ขึ้นไป จะกลายเป็นกลางคืนตลอดเวลา ซีกโลกใต้เป็นฤดูร้อน ขณะที่ซีกโลกเหนือเป็นฤดูหนาว
          หากโลกเป็นทรงกลมที่สมบูรณ์และมีพื้นผิวราบเรียบ ไม่มีภูเขาหุบเขา ไม่มีทะเลมหาสมุทร และมีองค์ประกอบของพื้นผิวเป็นเนื้อเดียวกัน ไม่มีแม้กระทั่งใบไม้ใบหญ้า เราสามารถแบ่งเขตภูมิอากาศในแต่ละซีกโลกออกเป็น 3 เขต ดังนี้
           เขตร้อน อยู่ระหว่างเส้นทรอปิคออฟแคนเซอร์ กับเส้นทรอปิคออฟแคปริคอน (ละติจูด 23.5° ใต้) แสงอาทิตย์ตกกระทบพื้นโลกเป็นมุมชัน และมีโอกาสที่ดวงอาทิตย์จะอยู่เหนือศีรษะได้ พื้นที่เขตนี้จึงรับพลังงานจากดวงอาทิตย์ได้มากกว่าส่วนอื่น ๆ ของโลก
           เขตอบอุ่น อยู่ระหว่างเส้นทรอปิคออฟแคนเซอร์ (ละติจูด 23.5° เหนือ) กับเส้นอาร์คติกเซอร์เคิล (ละติจูด 66.5° เหนือ) และพื้นที่ระหว่างเส้นทรอปิคออฟแคปริคอน (ละติจูด 23.5° ใต้) กับเส้นแอนตาร์คติกเซอร์เคิล (ละติจูด 66.5° ใต้) แสงอาทิตย์ตกกระทบพื้นโลกเป็นมุมเฉียง แม้ว่าไม่มีโอกาสที่ดวงอาทิตย์จะอยู่เหนือศีรษะ แต่ก็ยังได้รับแสงอาทิตย์ตลอดปี
           เขตหนาว อยู่เหนือเส้นอาร์คติกเซอร์เคิล (ละติจูด 66.5° เหนือ) ขึ้นไป และใต้เส้นแอนตาร์คติกเซอร์เคิล (ละติจูด 66.5° ใต้) ลงมา แสงอาทิตย์ตกกระทบพื้นโลกเป็นมุมลาด มีโอกาสได้รับแสงอาทิตย์ในช่วงฤดูหนาวน้อยมาก

          แต่เนื่องจากโลกมิใช่ทรงกลมที่สมบูรณ์ และมีพื้นผิวไม่ราบเรียบ มีทั้งที่ราบ ภูเขา หุบเขา ทะเล มหาสมุทร และถูกปกคลุมด้วยสิ่งปกคลุมและพืชพรรณต่างๆ กัน เราจึงแบ่งเขตภูมิอากาศโลก โดยพิจารณาปัจจัยที่ควบคุมสภาพภูมิอากาศ ดังนี้
           ความเข้มของแสงแดด ซึ่งแปรผันตามละติจูด แสงอาทิตย์ตกกระทบพื้นผิวบริเวณศูนย์สูตรเป็นมุมชันกว่าบริเวณขั้วโลก ความเข้มของแสงจึงมากกว่า ประกอบกับแสงอาทิตย์เดินทางผ่านชั้นบรรยากาศบริเวณศูนย์สูตร เป็นระยะทางสั้นกว่าผ่านชั้นบรรยากาศบริเวณขั้วโลก เพราะฉะนั้นยิ่งละติจูดสูงขึ้นไป ความเข้มของแสงแดดยิ่งน้อย อุณหภูมิยิ่งต่ำ
           การกระจายตัวของแผ่นดิน และมหาสมุทร พื้นดินและพื้นน้ำมีความสามารถดูดกลืนและคายความร้อนไม่เท่ากัน จึงมีผลต่อความกดอากาศ ตลอดจนทิศทางและความเร็วลม
ท กระแสน้ำในมหาสมุทร กระแสน้ำมีความสัมพันธ์กับกระแสลมผิวพื้น อุณหภูมิของน้ำทะเลมีผลต่ออุณหภูมิและความชื้นของอากาศ กระแสน้ำอุ่นและกระแสน้ำเย็นจึงมิอิทธิพลต่ออุณหภูมิของอากาศผิวพื้นโดยตรง
           กระแสลมจากมหาสมุทร ลมเป็นตัวถ่ายเทความร้อนของบรรยากาศ กระแสลมในมหาสมุทรสามารถหอบเอาไอน้ำจากมหาสมุทร มาทำความชุ่มชื่นให้กับตอนในของทวีป
           ตำแหน่งของหย่อมความกดอากาศต่ำ และหย่อมความกดอากาศสูง เป็นตัวกำหนดการเคลื่อนที่ของอากาศทั้งแนวดิ่งและแนวตั้ง ความกดอากาศต่ำทำให้เกิดเมฆและหยาดน้ำฟ้า ความกดอากาศสูงทำให้ท้องฟ้าโปร่ง แรงเกรเดียนความกดอากาศซึ่งเกิดจากความแตกต่างของความกดอากาศ ทำให้เกิด
กระแสลม
           เทือกเขา เป็นกำแพงขวางกั้นทิศทางลม เมื่อลมปะทะกับเทือกเขาจะเกิดการยกตัวของกลุ่มอากาศ และเกิดการควบแน่นเป็นเมฆและหยาดน้ำฟ้า ทำให้ด้านหน้าของเทือกเขามีความชุ่มชื้น อากาศแห้งจมลงด้านหลังเขา เกิดเป็นเขตเงาฝนที่แห้งแล้ง
           ระดับสูงของพื้นที่ ยิ่งสูงขึ้นอุณหภูมิยิ่งต่ำลง ณ ตำแหน่งละติจูดเดียวกัน พื้นที่สูงจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าพื้นที่ราบ

การจำแนกภูมิอากาศโลก
          ในปี ค.ศ.1918 วลาดิเมียร์ เคิปเปน (Vladimir Kóppen) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอร์มัน ได้จำแนกภูมิอากาศโลกโดยใช้เกณฑ์อุณหภูมิเฉลี่ยรายเดือนและปริมาณหยาดน้ำฟ้า โดยใช้สัญลักษณ์เป็นตัวอักษรภาษาอังกฤษ ดังนี้
          A    ภูมิอากาศร้อนชื้นแถบศูนย์สูตร ทุกเดือนมีอุณหภูมิเฉลี่ยสูงกว่า 18°C ไม่มีฤดูหนาว
          B    ภูมิอากาศแห้ง อัตราการระเหยของน้ำมากกว่าหยาดน้ำฟ้าที่ตกลงมา
          C    ภูมิอากาศอบอุ่นชื้นแถบละติจูดกลาง ฤดูร้อนอากาศอบอุ่น ฤดูหนาวไม่หนาวมาก อุณหภูมิเฉลี่ยของเดือนที่หนาวที่สุดต่ำกว่า 18°C และสูงกว่า -3°C
          D    ภูมิอากาศชื้นภาคพื้นทวีป ฤดูร้อนอากาศเย็น ฤดูหนาวหนาวเย็น อุณหภูมิเฉลี่ยของเดือนที่อบอุ่นที่สุดไม่ต่ำกว่า 10°C อุณหภูมิเฉลี่ยของเดือนที่หนาวที่สุดต่ำกว่า -3°C
          E    ภูมิอากาศขั้วโลก อุณหภูมิเฉลี่ยของเดือนที่อบอุ่นที่สุดต่ำกว่า 10°C
          H    ภูมิอากาศแถบภูเขาสูง เป็นลักษณะภูมิอากาศหลายแบบรวมกัน ตามระดับสูงของภูเขา (กำหนดโดยนักวิทยาศาสตร์ในสมัยต่อมา)

ภูมิอากาศแถบร้อนชื้นแถบศูนย์สูตร (Tropical Moist Climates) : A
          เป็นบริเวณที่มีอากาศร้อนชื้น ทุกๆ เดือนมีอุณหภูมิเฉลี่ยไม่ต่ำกว่า 18°C และมีฝนตกมากกว่า 150 เซนติเมตร กลางวันมีอุณหภูมิเฉลี่ย 32°C กลางคืนมีอุณหภูมิเฉลี่ย 22°C กลางวันและกลางคืนมีอุณหภูมิไม่แตกต่างกันมาก เนื่องจากอยู่ในแนวปะทะอากาศเขตร้อน (ITCZ) จึงมีการก่อตัวของเมฆคิวมูลัส และเมฆคิวมูโลนิมบัส ทำให้เกิดพายุฝนฟ้าคะนองในช่วงบ่ายและเย็น สภาพอากาศจะสงบท้องฟ้าใสหลังจากที่ฝนตกลงมา เนื่องจากความชื้นสูงมีไอน้ำในอากาศจำนวนมาก จึงมักมีการควบแน่นเกิดน้ำค้างและหมอกปกคลุมพื้นดินเวลากลางคืน มีปริมาณน้ำฝนเฉลี่ย 2,500 มิลลิเมตรต่อปี

ภาพที่ 2 ภูมิอากาศร้อนชื้นแถบศูนย์สูตร

          พื้นที่ส่วนใหญ่อยู่ระหว่างละติจูดที่ 25° เหนือ - 25° ใต้ ได้แก่ ลุ่มน้ำอเมซอนในประเทศบราซิล ลุ่มน้ำคองโกในตอนกลางของทวีปแอฟริกา หมู่เกาะในประเทศอินโดนีเซีย เอเชียตะวันออกเฉียงใต้ รวมทั้งประเทศไทย พื้นที่บางส่วนปกคลุมด้วยป่าฝนเขตร้อน (Tropical rain forest) มีความหลากหลายทางชีวภาพสูง ป่าฝนเขตร้อนมีพื้นที่เพียง 7% ของโลก แต่มีสปีชีส์ของสิ่งมีชีวิตมากกว่าครึ่งหนึ่งของโลก

ภูมิอากาศแห้ง (Dry Climates) : B
          เป็นบริเวณที่อากาศแห้ง ปริมาณการระเหยของน้ำมากกว่าปริมาณหยาดน้ำฟ้าที่ตกลงมา ทำให้ท้องฟ้าโปร่ง แสงอาทิตย์ตกกระทบพื้นผิวมีความเข้มแสงมากกว่า 90% กลางวันมีอุณหภูมิสูงกว่า 38°C (50° ในช่วงฤดูร้อน) กลางคืนอาจจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง (-15°C ในช่วงฤดูหนาว) กลางวันและกลางคืนมีอุณหภูมิต่างกันมาก ปริมาณน้ำฝนในรอบปีเพียงประมาณ 5 เซนติเมตร บางปีอาจไม่มีฝนตกเลย

ภาพที่ 3 ภูมิอากาศแห้ง

          พื้นที่ในเขตนี้กินอาณาบริเวณถึง 30% ของพื้นทวีปทั้งหมดของโลก อยู่ระหว่างละติจูดที่ 20° - 30° เหนือและใต้ โดยมากจะเป็นทะเลทรายบนที่ราบซึ่งห้อมล้อมด้วยเทือกเขา ได้แก่ ทะเลทรายซาฮาร่าในทวีปแอฟริกาตอนเหนือ ทะเลทรายโกบีในประเทศจีน มีความแห้งแล้งเนื่องจากอยู่ในบริเวณแถบความกดอากาศสูงกึ่งศูนย์สูตร ซึ่งเกิดจากมวลอากาศแห้งปะทะกันแล้วจมตัวลง

ภูมิอากาศอบอุ่นชื้นแถบละติจูดกลาง (Moist subtropical mid-lattitude climate) : C
          เป็นบริเวณที่ฤดูร้อนและฤดูหนาวมีอุณหภูมิไม่แตกต่างกันมาก เพราะว่ามีอากาศชื้นตลอดทั้งปีเนื่องจากพื้นที่ส่วนใหญ่อยู่ใกล้ทะเลและมหาสมุทร อุณหภูมิเฉลี่ยของเดือนที่หนาวที่สุดต่ำกว่า 18°C และสูงกว่า -3°C แบ่งย่อยออกเป็น

ภาพที่ 4 ภูมิอากาศแถบละติจูดกลาง

           ภูมิอากาศแถบเมดิเตอร์เรเนียน (Mediterranean climates) พื้นที่ส่วนใหญ่อยู่รอบชายฝั่งทะเลเมดิเตอร์เรเนียน ทางตอนใต้ของทวีปยุโรป และตอนเหนือของทวีปยุโรป เป็นเขตที่มีฝนตกน้อย พืชพรรณเป็นพุ่มเตี้ย มักเกิดไฟป่าในช่วงฤดูร้อน และมีฝนตกในช่วงฤดูหนาว
           ภูมิอากาศแถบอบอุ่น (Temperate climates) พื้นที่ส่วนใหญ่อยู่ระหว่างละติจูดที่ 25° - 40° เหนือ ได้แก่ ทวีปยุโรปตอนกลาง และซีกตะวันออกของประเทศสหรัฐอเมริกาและประเทศจีน เป็นบริเวณที่ฤดูกาลทั้งสี่มีความแตกต่างอย่างเด่นชัด ปริมาณน้ำฝนในรอบปีประมาณ 500 - 1,500 มิลลิเมตร

ภูมิอากาศชื้นภาคพื้นทวีป (Humid continental climates) : D
          ลมเวสเทอลีส์พัดมาจากมหาสมุทรทางด้านตะวันตก นำความชื้นเข้ามาสู่ภาคพื้นทวีปซึ่งอยู่ตอนใน เนื่องจากอยู่ในเขตละติจูดสูง อากาศจึงหนาวเย็นในช่วงฤดูร้อน (อุณหภูมิเฉลี่ยของเดือนที่อบอุ่นที่สุดไม่ต่ำกว่า 10°C) และมีสภาพอากาศรุนแรงในช่วงฤดูหนาว อากาศหยาวเย็นปกคลุมนานถึง 9 เดือน (อุณหภูมิเฉลี่ยของเดือนที่หนาวที่สุดต่ำกว่า -3°C) ซึ่งทำให้น้ำแข็งจับตัวภายในดิน ทำให้ต้นไม้เจริญเติบโตได้ช้า

ภาพที่ 5 ภูมิอากาศชื้นภาคพื้นทวีป

          พื้นที่ส่วนใหญ่อยู่ในอยู่ระหว่างละติจูดที่ 40° - 60° เหนือ ของทวีปอเมริกาเหนือ ยุโรป และเอเชีย ในแถบความกดอากาศต่ำกึ่งขั้วโลก แนวปะทะอากาศขั้วโลกทำให้เกิดการยกตัว ทำให้เกิดการควบแน่นของหยาดน้ำฟ้าช่วยให้พื้นดินมีความชื้น (หมายเหตุ: ภูมิอากาศชื้นภาคพื้นทวีปไม่มีในเขตซีกโลกใต้ เนื่องจากพื้นที่ส่วนใหญ่ของละติจูดนี้ในซีกโลกใต้ ส่วนใหญ่เป็นมหาสมุทร ไม่มีพื้นทวีปขนาดใหญ่)


ภูมิอากาศขั้วโลก (Polar Climates) : E
          มีอากาศแห้ง ลมแรง และหนาวเย็นตลอดทั้งปี ฤดูร้อนมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดน้ำแข็งเพียงแค่ 2-4 เดือน (ต่ำกว่า 10°C) มีฤดูหนาวที่ยาวนาน และมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง พื้นที่ส่วนใหญ่อยู่เหนือเส้นอาร์คติกเซอร์เคิล (66.5°เหนือ) ขึ้นไป และใต้เส้นแอนตาร์คติกเซอร์เคิล (66.5°ใต้) ลงมา บริเวณใกล้กับขั้วโลกเช่น           เกาะกรีนแลนด์และทวีปแอนตาร์กติกมีแผ่นน้ำแข็งถาวรหนาหลายร้อยเมตรปกคลุม พื้นมหาสมุทรเต็มไปด้วยภูเขาน้ำแข็ง พื้นทวีปในส่วนที่ห่างไกลจากขั้วโลก น้ำในดินแข็งตัวอย่างถาวร พืชส่วนใหญ่ไม่สามารถเจริญเติบโตได้ มีแต่หญ้าและป่าสน

ภาพที่ 6 ภูมิอากาศขั้วโลก

ภูมิอากาศแถบภูเขาสูง (Highland Climates) : H
          เป็นลักษณะภูมิอากาศหลายแบบรวมกันขึ้นอยู่กับระดับสูงของพื้นที่ บนยอดเขาสูงมีความหนาวเย็นคล้ายคลึงกับภูมิอากาศขั้วโลก หากแต่มีความชื้นสูงซึ่งเกิดจากอากาศยกตัวและควบแน่น สภาพลมฟ้าอากาศเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ภูมิอากาศแบบนี้ปกคลุมพื้นที่เล็กๆ ตามเทือกเขาสูงของโลก เช่น เทือกเขาหิมาลัยในทวีปเอเชีย เทือกเขาเซียร์ราเนวาดา
          ในทวีปอเมริกาเหนือ และเทือกเขาแอนดิสในทวีปอเมริกาใต้ ชนิดของพืชพรรณตามไหล่เขา เปลี่ยนไปตามสภาพภูมิอากาศซึ่งแตกต่างกันทุกๆ ระยะสูงที่เพิ่มขึ้น 300 เมตร เช่น บริเวณตีนเขาอาจเป็นไม้ผลัดใบ สูงขึ้นมาเป็นป่าสน และไม้แคระ ยอดเขาปกคลุมด้วยธารน้ำแข็ง

ภาพที่ 7 ภูมิอากาศแถบภูเขาสูง

 

สุริยุปราคา (Solar Eclipse)

       “สุริยุปราคา” หรือ “สุริยะคราส” เกิดจากการที่ดวงจันทร์โคจรผ่านหน้าดวงอาทิตย์ เราจึงมองเห็นดวงอาทิตย์ค่อยๆ แหว่งมากขึ้น จนกระทั่งมืดมิดหมดดวง และโผล่กลับมาอีกครั้ง คนในสมัยโบราณเชื่อว่า “ราหูอมดวงอาทิตย์” สุริยุปราคาจะเกิดขึ้นเฉพาะในวันแรม 15 ค่ำ แต่ไม่เกิดขึ้นทุกเดือน เนื่องจากระนาบที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ และระนาบที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลก มิใช่ระนาบเดียวกัน หากตัดกันเป็นมุม 5 องศา (ภาพที่ 1) ดังนั้นโอกาสที่จะเกิดสุริยุปราคาบนพื้นผิวโลก จึงมีเพียงประมาณปีละ 1 ครั้ง และเกิดไม่ซ้ำที่กัน เนื่องจากเงาของดวงจันทร์ที่ทาบไปบนพื้นผิวโลก ครอบคลุมพื้นที่ขนาดเล็ก และโลกหมุนที่รอบตัวเองอย่างรวดเร็ว


ภาพที่ 1 ระนาบที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลกทำมุม 5ฐ กับระนาบที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์

เงาของดวงจันทร์
ดวงจันทร์เคลื่อนที่บังแสงอาทิตย์ ทำให้เกิดเงาขึ้น 2 ชนิด คือ เงามืด และเงามัว
           เงามืด (Umbra) เป็นส่วนที่มืดที่สุด เนื่องจากดวงจันทร์บดบังดวงอาทิตย์จนหมดสิ้น ถ้าหากเข้าไปอยู่ ในเงามืด เราจะมิสามารถมองเห็นดวงอาทิตย์ได้เลย
           เงามัว (Penumbra) ไม่มืดมากนักเนื่องจากได้รับแสงเป็นบางส่วนจากอาทิตย์ ถ้าหากเราเข้าไปอยู่ ในเงามัว เราจะมองเห็นบางส่วนของดวงอาทิตย์โผล่พ้นส่วนโค้งของดวงจันทร์ออกมาก


ภาพที่ 2 การเกิดสุริยุปราคา

สุริยุปราคา 3 ชนิด
           สุริยุปราคาเต็มดวง (Total Solar Eclipse) เกิดขึ้นเมื่อผู้สังเกตการณ์อยู่ในตำแหน่งเงามืดบนพื้นผิวโลก (A) ดวงจันทร์จะบังดวงอาทิตย์จนหมดสิ้น
           สุริยุปราคาบางส่วน (Partial Solar Eclipse) เกิดขึ้นเมื่อผู้สังเกตการณ์อยู่ในตำแหน่งของเงามัว (B) จึงมองเห็นดวงอาทิตย์เป็นสว่างเป็นเสี้ยว
           สุริยุปราคาวงแหวน (Annular Solar Eclipse) เนื่องจากวงโคจรของดวงจันทร์เป็นรูปวงรี บางครั้งดวงจันทร์อยู่ห่างจากโลกมากเสียจนเงามืดของดวงจันทร์จะทอดยาวไม่ถึงผิวโลก (C) ดวงจันทร์จะมีขนาดปรากฏเล็กกว่าดวงอาทิตย์ ทำให้ผู้สังเกตการณ์มองเห็นดวงอาทิตย์ปรากฏเป็นรูปวงแหวน


จันทรุปราคา (Lunar Eclipse)


“จันทรุปราคา” หรือ “จันทรคราส” เกิดจากการที่ดวงจันทร์โคจรผ่านเข้าไปในเงาของโลก เราจึงมองเห็นดวงจันทร์ค่อย ๆ แหว่งมากขึ้น จนหมดลับดวงและโผล่กลับขึ้นมาอีกครั้ง อย่างที่คนสมัยโบราณเรียกว่า “ราหูอมจันทร์” จันทรุปราคาจะเกิดขึ้นเฉพาะในคืนวันเพ็ญ 15 ค่ำ หรือคืนวันพระจันทร์เต็มดวง อย่างไรก็ตามปรากฏการณ์จันทรุปราคา มิสามารถเกิดขึ้นทุกเดือน เนื่องจากระนาบที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ และระนาบที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลก มิใช่ระนาบเดียวกัน หากตัดกันเป็นมุม 5 องศา ดังนั้นโอกาสที่จะเกิดจันทรุปราคา จึงมีเพียงประมาณปีละ 1-2 ครั้ง โดยที่สามารถมองเห็นจากประเทศไทย เพียงปีละครั้ง



เงาโลก
โลกเป็นดาวเคราะห์ดวงหนึ่ง ไม่มีแสงสว่างในตัวเอง หากแต่ได้รับแสงจากดวงอาทิตย์ ด้านที่หันหน้าเข้าหาดวงอาทิตย์เป็นกลางวัน ส่วนด้านที่หันหลังให้ดวงอาทิตย์เป็นกลางคืน การที่โลกบังแสงอาทิตย์ในอวกาศ บังเกิดเงา 2 ชนิด คือ เงามืด และเงามัว



-  เงามืด (Umbra) เป็นส่วนที่มืดที่สุด เนื่องจากโลกบดบังดวงอาทิตย์จนหมดสิ้น เรามิสามารถมองเห็นดวงอาทิตย์ได้เลย หากเข้าไปอยู่ในตำแหน่งใด ๆ ในเงามืด
-  เงามัว (Penumbra) เป็นส่วนที่ไม่มืดสนิท เนื่องจากโลกบดบังดวงอาทิตย์เป็นบางส่วนไม่ทั้งดวง ถ้าเราเข้าไปอยู่ในตำแหน่งใด ๆ ในเงามัว เราจะมองเห็นบางส่วนของดวงอาทิตย์โผล่พ้นส่วนโค้งของโลก

จันทรุปราคา 3 ชนิด

-  จันทรุปราคาเต็มดวง (Total Eclipse)    เกิดขึ้นเมื่อดวงจันทร์ทั้งดวงเข้าไปอยู่ในเงามืดของโลก
-  จันทรุปราคาบางส่วน (Partial Eclipse)   เกิดขึ้นเมื่อบางส่วนของดวงจันทร์เฉี่ยวผ่านเงามัว
-  จันทรุปราคาเงามัว (Penumbra Eclipse)   เกิดขึ้นเมื่อดวงจันทร์โคจรผ่านเข้าไปในเงามัวของโลก โดยมิได้เฉี่ยวกายเข้าไปในเงามืดแม้แต่น้อย ดวงจันทร์จึงยังคงมองเห็นเต็มดวงอยู่ แต่ความสว่างลดน้อยลง สีออกส้มแดง จันทรุปราคาชนิดนี้หาโอกาสดูได้ยาก เพราะโดยทั่วไปดวงจันทร์มักจะผ่านเข้าไปในเงามืดด้วย
 


 

จันทรุปราคาเต็มดวงจะเกิดขึ้นเฉพาะในคืนที่ดวงจันทร์เต็มดวง เมื่อดวงจันทร์อยู่ในตำแหน่งตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ โดยมีโลกอยู่ตำแหน่งกลาง ผู้สังเกตการณ์อยู่ในตำแหน่งใด ๆ บนซีกมืดของโลก (หรือกลางคืน) จะมองเห็นดวงจันทร์โคจรผ่านเงามืดด้วยความเร็ว 1 ก.ม.ต่อวินาที และด้วยเงามืดของโลกมีขนาดจำกัด ดังนั้นดวงจันทร์จะอยู่ในเงามืดได้นานที่สุดเพียง 1 ชั่วโมง 42 นาที เท่านั้น

วันที่
เปอร์เซนต์การบดบัง
ช่วงเวลาบังเต็มดวง
16 ก.ค.43
100%
1 ชั่วโมง 42 นาที
10ม.ค.44
100%
1 ชั่วโมง 2 นาที
5 ก.ค.44
50%
-
16 พ.ค.46
100%
52 นาที
9 พ.ย.46
100%
24 นาที
5 พ.ค.47
100%
1 ชั่วโมง 16 นาที
28 ต.ค.47
100%
1 ชั่วโมง 22 นาที


 


ข้างขึ้นข้างแรม

         ข้างขึ้นข้างแรม (The Moon’s Phases) หมายถึง ปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เรามองเห็นดวงจันทร์เปลี่ยนแปลงเป็นเสี้ยว บางคืนก็เสี้ยวเล็ก บางคืนก็เสี้ยวใหญ่ บางคืนสว่างเต็มดวง บางบางคืนก็มืดหมดทั้งดวง การที่เรามองเห็นการเปลี่ยนแปลงเช่นนี้เป็นเพราะ ดวงจันทร์มีรูปร่างเป็นทรงกลม ไม่มีแสงในตัวเอง แต่ได้รับแสงจากดวงอาทิตย์ ด้านมืดของดวงจันทร์เกิดจากส่วนโค้งของดวงจันทร์บังแสง ทำให้เกิดเงามืดทางด้านตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ เมื่อมองดูดวงจันทร์จากพื้นโลก เราจึงมองเห็นเสี้ยวของดวงจันทร์มีขนาดเปลี่ยนไปเป็นวงรอบ ใช้เวลา 29.5 วัน


ภาพที่ 1 การเกิดข้างขึ้นข้างแรม

          คนไทยแบ่งเดือนทางจันทรคติออกเป็น 30 วัน คือ วันขึ้น 1 ค่ำ - วันขึ้น 15 ค่ำ และ วันแรม 1 ค่ำ - วันแรม 15 ค่ำ โดยถือให้วันขึ้น 15 ค่ำ (ดวงจันทร์สว่างเต็มดวง), วันแรม 1 ค่ำ (ดวงจันทร์มืดทั้งดวง), วันแรม 8 ค่ำ และวันขึ้น 8 ค่ำ (ดวงจันทร์สว่างครึ่งดวง) เป็นวันพระ
      วันแรม 15 ค่ำ (รูป ก) เมื่อดวงจันทร์อยู่ระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์จะหันแต่ทางด้านมืดให้โลก         ดวงจันทร์ปรากฏบนท้องฟ้าในตำแหน่งใกล้กับดวงอาทิตย์ ทำให้เราไม่สามารถมองเห็นดวงจันทร์ได้เลย
      วันขึ้น 8 ค่ำ (รูป ข) เมื่อดวงจันทร์เคลื่อนมาอยู่ในตำแหน่งทำมุมฉากกับโลก และดวงอาทิตย์         ทำให้เรามองเห็นด้านสว่างและด้านมืดของดวงจันทร์มีขนาดเท่าๆ กัน
      วันขึ้น 15 ค่ำ หรือ วันเพ็ญ (รูป ค) ดวงจันทร์โคจรมาอยู่ด้านตรงข้ามกับดวงอาทิตย์         ดวงจันทร์หันด้านที่ได้รับแสงอาทิตย์เข้าหาโลก ทำให้เรามองเห็นดวงจันทร์เต็มดวง
      วันแรม 8 ค่ำ (รูป ง) ดวงจันทร์โคจรมาอยู่ในตำแหน่งทำมุมฉากกับโลก และดวงอาทิตย์        ทำให้เรามองเห็นด้านสว่างและด้านมืดของดวงจันทร์มีขนาดเท่าๆ กัน

เกร็ดความรู้:  
           วันเพ็ญขึ้น 15 ค่ำ ดวงจันทร์อยู่ด้านตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ ดังนั้นเราจึงเห็นดวงจันทร์จะขึ้นทางทิศตะวันออก ขณะที่ดวงอาทิตย์ตกทางทิศตะวันตก
           ดวงจันทร์ขึ้นช้า วันละ 50 นาท
ี           ข้างขึ้น: เราจะเห็นดวงจันทร์ในช่วงหัวค่ำ
           ข้างแรม: เราจะเห็นดวงจันทร์ในช่วงรุ่งเช้า
           ในช่วงเวลาที่ดวงจันทร์ปรากฏเป็นเสี้ยวบาง แต่เราก็สามารถมองเห็นด้านมืดของดวงจันทร์ได้ เป็นเพราะแสงอาทิตย์ส่องกระทบพื้นผิวโลก แล้วสะท้อนไปยังดวงจันทร์ เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “เอิร์ธไชน์” (Earth Shine)

 


ภาพที่ 2 แสงอาทิตย์สะท้อนจากโลก ทำให้เรามองเห็นส่วนมืดของดวงจันทร์


น้ำขึ้นน้ำลง (Tides)

       แรงไทดัล (Tidal forces) หมายถึง ความแตกต่างของแรงโน้มถ่วงซึ่งกระทำต่อตำแหน่งต่าง ๆ ของวัตถุชิ้นเดียวกัน


รูปที่ 1 ก.

เป็นที่ทราบกันดีแล้วว่า “แรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุจะน้อยลง เมื่อวัตถุอยู่ไกลจากกัน” ดังนั้นเมื่อเรียงลูกบิลเลียดสามลูกในอวกาศ โดยมีลำดับระยะห่างจากดาวเคราะห์ ดังรูปที่ 1 ก. จะพบว่า “แรงโน้มถ่วงระหว่างดาวเคราะห์กับลูกบิลเลียดเบอร์ 3” มากกว่า “แรงโน้มถ่วงระหว่างดาวเคราะห์กับลูกบิลเลียดเบอร์ 2” และมากกว่า “แรงโน้มถ่วงระหว่างดาวเคราะห์กับลูกบิลเลียดเบอร์ 1” ตามลำดับ


รูปที่ 1ข.

ดังนั้นเมื่อเวลาผ่านไป (รูปที่ 1 ข.)
          - ลูกบิลเลียดเบอร์ 3 จะเคลื่อนที่เข้าหาดาวเคราะห์เป็นระยะทางมากที่สุด
          - ลูกบิลเลียดเบอร์ 2 จะเคลื่อนที่เข้าหาดาวเคราะห์เป็นระยะทางน้อยกว่า
          - ลูกบิลเลียดเบอร์ 1 จะเคลื่อนที่เข้าหาดาวเคราะห์เป็นระยะทางน้อยที่สุด


รูปที่ 1ค.


พิจารณาที่ลูกบิลเลียดเบอร์ 2 เป็นหลัก (รูปที่ 1 ค.) จะพบว่า “ระยะทางระหว่างลูกบิลเลียดเบอร์ 1 และเบอร์ 2” และ “ระยะทางระหว่างลูกบิลเลียดเบอร์ 2 และเบอร์ 3” เพิ่มมากขึ้น เราเรียกแรงที่กระทำให้ลูกบิลเลียดทั้งสามกระจายห่างจากกันนี้ว่า “แรงไทดัล”

แรงไทดัลบนโลก:


รูปที่ 2 ก.

แรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์กระทำ ณ ตำบลต่างๆ ของโลกแตกต่างกัน โดยสามารถวาดลูกศรแสดงขนาดและทิศทางของแรงดึงดูด ซึ่งเกิดจากอิทธิพลความโน้มถ่วงของดวงจันทร์ ได้ดังรูปที่ 2 ก.


รูปที่ 2 ข.

เมื่อพิจารณาแรงไทดัล ณ ตำบลใดๆ ของโลก
          แรงไทดัล = แรงดึงดูดจากดวงจันทร์ ณ ตำบลนั้น ลบด้วย แรงดึงดูดจากดวงจันทร์ ณ ใจกลางของโลก
ซึ่งสามารถเขียนลูกศรแสดงขนาดและทิศทางของแรง ได้ดังรูปที่ 2 ข.


รูปที่ 3 ก.

          เนื่องจากเปลือกโลกเป็นของแข็ง ไม่สามารถยืดหยุ่นตัวไปตามแรงไทดัลซึ่งเกิดจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ได้ แต่พื้นผิวส่วนใหญ่ของโลกปกคลุมด้วยน้ำทะเลในมหาสมุทร เป็นของเหลวสามารถปรับทรงเป็นรูปรี ไปตามแรงไทดัลที่เกิดขึ้น (ดังรูปที่ 3 ก.) ทำให้เกิดปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลง โดยที่ระดับน้ำทะเลจะขึ้นสูงสุด บนด้านที่หันเข้าหาดวงจันทร์และด้านตรงข้ามดวงจันทร์ (ตำแหน่ง H และ H’) และระดับน้ำทะเลจะลงต่ำสุด บนด้านที่ตั้งฉากกับดวงจันทร์ (ตำแหน่ง L และ L’) โลกหมุนรอบตัวเอง 1 รอบ ทำให้ ณ ตำแหน่งหนึ่งๆ บนพื้นผิวโลก จึงเคลื่อนผ่านบริเวณที่เกิดน้ำขึ้น และน้ำลง ทั้งสองด้าน จึงทำให้เกิดน้ำขึ้น – น้ำลง วันละ 2 ครั้ง


รูปที่ 3 ข.

          ในวันเพ็ญเต็มดวง และในวันเดือนมืด (ขึ้น 15 ค่ำ และแรม 15 ค่ำ) ดวงอาทิตย์ โลก และดวงจันทร์ อยู่ในแนวเดียวกัน แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์และดวงจันทร์เสริมกัน ทำให้แรงไทดัลมากขึ้น ระดับน้ำทะเลจึงมีการเปลี่ยนแปลงมากกล่าวคือ น้ำขึ้นสูงมากและน้ำลงต่ำกว่ามาก เราเรียกว่า “น้ำเป็น” (Spring tides) ดังรูปที่ 3 ข.


รูปที่ 3 ค.

ส่วนในวันที่เห็นดวงจันทร์ครึ่งดวง (ขึ้น 8 ค่ำ และ แรม 8 ค่ำ) ดวงอาทิตย์ โลก และดวงจันทร์ อยู่ในแนวตั้งฉากกัน แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ไม่เสริมกัน ทำให้ระดับน้ำทะเลเปลี่ยนแปลงน้อย เราเรียกว่า “น้ำตาย” (Neap tides) ดังรูปที่ 3 ค.


ฤดูกาล

        ฤดูกาล (Season) เกิดจากการที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์โดยที่แกนของโลกเอียง 23.5° ในฤดูร้อนโลกเอียงขั้วเหนือเข้าหาดวงอาทิตย์ ทำให้ซีกโลกเหนือกลายเป็นฤดูร้อน และซีกโลกใต้กลายเป็นฤดูหนาว หกเดือนต่อมาโลกโคจรไปอยู่อีกด้านหนึ่งของวงโคจร โลกเอียงขั้วใต้เข้าหาดวงอาทิตย์ (แกนของโลกเอียง 23.5° คงที่ตลอดปี) ทำให้ซีกโลกใต้กลายเป็นฤดูร้อน และซีกโลกเหนือกลายเป็นฤดูหนาว ดังแสดงในภาพที่ 1


ภาพที่ 1 แกนของโลกเอียง 23.5° ขณะที่โคจรรอบดวงอาทิตย์

หากพื้นผิวของโลกมีสภาพเป็นเนื้อเดียวเหมือนกันหมด (ทรงกลมที่สมบูรณ์) โลกจะมี 4 ฤดู อันได้แก่
           ฤดูร้อน: เมื่อโลกหันซีกโลกนั้น เข้าหาดวงอาทิตย์ (กลางวันนานกว่ากลางคืน)
           ฤดูใบไม้ร่วง: เมื่อแต่ละซีกโลกหันเข้าหาดวงอาทิตย์เท่ากัน (กลางวันนานเท่าๆ กลางคืน)
           ฤดูหนาว: เมื่อโลกหันซีกโลกนั้น ออกจากดวงอาทิตย์ (กลางคืนนานกว่ากลางวัน)
           ฤดูใบไม้ผลิ: เมื่อแต่ละซีกโลกหันเข้าหาดวงอาทิตย์เท่ากัน (กลางวันนานเท่าๆ กลางคืน)

แต่เนื่องจากพื้นผิวโลกมีสภาพแตกต่างกันไป เช่น ภูเขา ที่ราบ ทะเล มหาสมุทร ซึ่งส่งอิทธิพลต่อสภาพลมฟ้าอากาศ ประเทศไทยตั้งอยู่บนคาบสมุทรอินโดจีน ระหว่างมหาสมุทรอินเดียกับทะเลจีนใต้ จึงตกอยู่ในอิทธิพลของลมมรสุม (Monsoon) ทำให้ประเทศไทยมี 3 ฤดู ประกอบด้วย
           ฤดูร้อน: เดือนมีนาคม – เดือนพฤษภาคม
           ฤดูฝน: เดือนมิถุนายน – เดือนตุลาคม
           ฤดูหนาว: เดือนพฤศจิกายน - เดือนกุมภาพันธ์


กลางวันกลางคืน

      กลางวันกลางคืนเกิดขึ้นจากการหมุนรอบตัวเองของโลกจากทิศตะวันตกไปยังทิศตะวันออก ด้านที่หันรับแสงอาทิตย์เป็น “กลางวัน” และด้านตรงข้ามที่ไม่ได้รับแสงอาทิตย์เป็น “กลางคืน”


ภาพที่ 1 แกนของโลกเอียง 23.5° ขณะที่โคจรรอบดวงอาทิตย์

          เราแบ่งพิกัดเส้นแวง (Longitude) ในแนวเหนือ-ใต้ ออกเป็น 360 เส้น โดยมี ลองจิจูดที่ 0°
อยู่ที่ ตำบล “กรีนิช” (Greenwich) ประเทศอังกฤษ และนับไปทางตะวันออกและตะวันตกข้างละ 180 องศา อันได้แก่ ลองจิจูดที่ 1° - 180° ตะวันออก และลองจิจูดที่ 1° - 180° ตะวันตก เมื่อนำ 360° หารด้วย 24 ชั่วโมง เส้นลองจิจูดที่ 180° ตะวันออก และลองจิจูดที่ 180° ตะวันตก เป็นเส้นเดียวกันซึ่งเรียกว่า “เส้นแบ่งวันสากล” หรือ “International Date Line” (เส้นหนาทางขวามือของภาพที่ 2) หากเราเดินทางข้ามเส้นแบ่งวันจากทิศตะวันออกมายังทิศตะวันตก วันจะเพิ่มขึ้นหนึ่งวัน แต่ถ้าเราเดินทางข้ามเส้นแบ่งวันจากทิศตะวันตกมายังทิศตะวันออก วันจะลดลงหนึ่งวัน
เวลาในแต่ละลองจิจูด จะมีความแตกต่างกันชั่วโมงละ 15 องศา เวลามาตรฐานของประเทศไทยถือเอาเวลาลองจิจูดที่ 105° ตะวันออก (จังหวัดอุบลราชธานี) จึงเร็วกว่า “เวลาสากล” (Universal Time เขียนย่อว่า UT) ซึ่งเป็นเวลาที่ตำบลกรีนิช ไป 7 ชั่วโมง (105°/15° = 7) เวลามาตรฐานประเทศไทยจึงมีค่าเท่ากับ UT+7

เกร็ดความรู้เรื่องเวลา
      โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์หนึ่งรอบ ใช้เวลา 1 ปี หรือ 365 วัน
      เราแบ่งเวลาหนึ่งปี ออกเป็น 12 เดือน ๆ ละ 30 หรือ31 วัน เพื่อให้สอดคล้องกับเดือนทางจันทรคติ        ซึ่งดวงจันทร์โคจรรอบโลกหนึ่งรอบใช้เวลาประมาณ 30 วัน
      โลกหมุนรอบตัวเองหนึ่งรอบ ใช้เวลา 1 วัน หรือ 24 ชั่วโมง โดยแต่ละชั่วโมงจะถูกแบ่งย่อยออกเป็น 60 นาที        และแต่ละนาทีถูกแบ่งอีกเป็น 60 วินาที



ภาพที่ 2 แผนที่แสดงโซนเวลาของโลก (Time Zone)

ตัวอย่างที่ 1
ถาม: ในวันที่ 24 มกราคมเวลา 18:30 UT. เวลามาตรฐานของประเทศไทยจะเป็นเวลาอะไร
เวลามาตรฐานประเทศไทย = 18:30 + 7:00 = 25:30
ตอบ: เวลามาตรฐานของประเทศไทยจะเป็น วันที่ 25 สิงหาคม เวลา 01:30 นาฬิกา

ตัวอย่างที่ 2
ถาม: วันที่ 2 มกราคม เวลา 08:00 น. ของประเทศไทย (UT+7)คิดเป็นเวลาสากล (UT = 0) ได้เท่าไร
เวลาประเทศไทยเร็วกว่าเวลาสากล = 7 - 0 = 7 ชั่วโมง
ตอบ: เวลาสากลจะเป็น วันที่ 2 มกราคม เวลา 01:00 UT (08:00 – 07:00)

ตัวอย่างที่ 3
ถาม: วันที่ 2 มกราคม เวลา 08:00 น. ของไทย (UT+7) ตรงกับเวลาอะไรของประเทศญี่ปุ่น (UT+9)
เวลาประเทศญี่ปุ่นเร็วกว่าเวลาประเทศไทย = 9 - 7 = 2 ชั่วโมง
ตอบ: เวลาที่ประเทศญี่ปุ่นจะเป็น วันที่ 2 สิงหาคม เวลา 06:00 น. (08:00 – 02:00)

ตัวอย่างที่ 4
ถาม: วันที่ 2 มกราคม เวลา 08:00 น. ของไทย (UT+7) ตรงกับเวลาอะไรที่กรุงวอชิงตัน ดีซี (UT-5)
เวลาประเทศไทยเร็วกว่าเวลาที่กรุงวอชิงตัน ดีซี = (+7) - (-5) = 12 ชั่วโมง
ตอบ: เวลาที่กรุงวอชิงตันดีซี จะเป็น วันที่ 1 มกราคม เวลา 20:00 น. (24:00 + 08:00 – 12:00)


จรวดและยานอวกาศ

        อวกาศอยู่สูงเหนือศีรษะขึ้นไปเพียงหนึ่งร้อยกิโลเมตร แต่การที่จะขึ้นไปถึงมิใช่เรื่องง่าย เซอร์ไอแซค นิวตัน นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ผู้คิดค้นทฤษฎีเรื่องแรงโน้มถ่วงของโลกและการเดินทางสู่อวกาศเมื่อสามร้อยปีมาแล้ว ได้อธิบายไว้ว่า หากเราขึ้นไปอยู่บนที่สูง และปล่อยก้อนหินให้หล่นจากมือ ก้อนหินก็จะตกลงสู่พื้นในแนวดิ่ง เมื่อออกแรงขว้างก้อนหินออกไปให้ขนานกับพื้น (ภาพที่ 3) ก้อนหินจะเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้ง (A) เนื่องจากแรงลัพธ์ซึ่งเกิดจากแรงที่เราขว้างและแรงโน้มถ่วงของโลกรวมกัน หากเราออกแรงมากขึ้น วิถีการเคลื่อนที่ของวัตถุจะโค้งมากขึ้น และก้อนหินจะยิ่งตกไกลขึ้น (B) และหากเราออกแรงมากจนวิถีของวัตถุขนานกับความโค้งของโลก ก้อนหินก็จะไม่ตกสู่พื้นโลกอีก แต่จะโคจรรอบโลกเป็นวงกลม (C) เราเรียกการตกในลักษณะนี้ว่า “การตกอย่างอิสระ” (free fall) และนี่เองคือหลักการส่งยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจรรอบโลก
หากเราเพิ่มแรงให้กับวัตถุมากขึ้นไปอีก เราจะได้วงโคจรเป็นรูปวงรี (D) และถ้าเราออกแรงขว้างวัตถุไปด้วยความเร็ว 11.2 กิโลเมตรต่อวินาที วัตถุจะไม่หวนกลับคืนอีกแล้ว แต่จะเดินทางออกสู่ห้วงอวกาศ (E) เราเรียกความเร็วนี้ว่า “ความเร็วหลุดพ้น” (escape speed) และนี่คือหลักการส่งยานอวกาศไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่น


ภาพที่ 1 หลักการส่งยานอวกาศ

หมายเหตุ: ในทางปฏิบัติเราไม่สามารถยิงจรวดขึ้นสู่อวกาศในแนวราบได้ เพราะโลกมีบรรยากาศห่อหุ้มอยู่ ความหนาแน่นของอากาศจะต้านทานให้จรวดเคลื่อนที่ช้าลงและตกลงเสียก่อน ดังนั้นเราจึงส่งจรวดขึ้นสู่ท้องฟ้าในแนวดิ่ง แล้วค่อยปรับวิถีให้โค้งขนานกับผิวโลก เมื่ออยู่เหนือชั้นบรรยากาศในภายหลัง

จรวด (Rocket)
เมื่อพูดถึงจรวด เราหมายถึงอุปกรณ์สำหรับสร้างแรงขับดันเท่านั้น หน้าที่ของจรวดคือ การนำยานอวกาศ ดาวเทียม หรืออุปกรณ์ประเภทอื่นขึ้นสู่อวกาศ แรงโน้มถ่วง (Gravity) ของโลก ณ พื้นผิวโลกมีความเร่งเท่ากับ 9.8 เมตร/วินาที 2 ดังนั้นจรวดจะต้องมีแรงขับเคลื่อนสูงมาก เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลก

จรวดทำงานตามกฎของนิวตัน ข้อที่ 3 “แรงกริยา = แรงปฏิกิริยา” จรวดปล่อยก๊าซร้อนออกทางท่อท้าย (แรงกริยา) ทำให้จรวดเคลื่อนที่ไปข้างหน้า (แรงปฏิกิริยา)


ภาพที่ 2 จรวดอารีอาน นำดาวเทียมไทยคมขึ้นสู่วงโคจร

เราแบ่งประเภทของจรวดตามชนิดของเชื้อเพลิงออกเป็น 2 ประเภท คือ
จรวดเชื้อเพลิงแข็ง มีโครงสร้างไม่สลับซับซ้อน แต่เมื่อการเผาไหม้เชื้อเพลิงเกิดขึ้นแล้ว ไม่สามารถหยุดได้
จรวดเชื้อเพลิงเหลว มีโครงสร้างสลับซับซ้อน เพราะต้องมีถังเก็บเชื้อเพลิงเหลว และออกซิเจนเหลว (เพื่อช่วยให้เกิดการสันดาป) ซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง และยังต้องมีท่อและปั๊มเพื่อลำเลียงเชื้อเพลิงเข้าสู่ห้องเครื่องยนต์เพื่อทำการเผาไหม้ จรวดเชื้อเพลิงเหลวมีข้อดีคือ สามารถควบคุมปริมาณการเผาไหม้ และปรับทิศทางของกระแสก๊าซได้


ภาพที่ 3 จรวดเชื้อเพลิงเหลว และจรวดเชื้อเพลิงแข็ง

จรวดหลายตอน
          การนำจรวดขึ้นสู่อวกาศนั้นจะต้องทำการเผาไหม้เชื้อเพลิงจำนวนมาก เพื่อให้เกิดความเร่งมากกว่า 9.8 เมตร/วินาที2 หลายเท่า ดังนั้นจึงมีการออกแบบถังเชื้อเพลิงเป็นตอนๆ เราเรียกจรวดประเภทนี้ว่า “จรวดหลายตอน” (Multistage rocket) เมื่อเชื้อเพลิงตอนใดหมด ก็จะปลดตอนนั้นทิ้ง เพื่อเพิ่มแรงขับดัน (Force) โดยการลดมวล (mass) เพื่อให้จรวดมีความเร่งมากขึ้น (กฎของนิวตัน ข้อที่ 2: ความเร่ง = แรง / มวล)

ความแตกต่างระหว่างเครื่องบินไอพ่น และจรวด
         เครื่องยนต์ของเครื่องบินไอพ่นดูดอากาศภายนอกเข้ามาอัดแน่น และทำการสันดาป (เผาไหม้) ทำให้เกิดแรงดันไปข้างหน้า จนปีกสามารถสร้างแรงยก (ความดันอากาศบนปีกน้อยกว่าความดันอากาศใต้ปีก) ทำให้เครื่องลอยขึ้นได้ ส่วนจรวดบรรจุเชื้อเพลิงและออกซิเจนไว้ภายใน เมื่อทำการสันดาปจะปล่อยก๊าซร้อนพุ่งออกมา ดันให้จรวดพุ่งไปในทิศตรงกันข้าม

จรวดไม่ต้องอาศัยอากาศภายนอก มันจึงเดินทางในอวกาศได้ ส่วนเครื่องบินต้องอาศัยอากาศทั้งในการสร้างแรงยก และการเผาไหม้

ภาพที่ 4 SR-71, X-15 และ Space Shuttle

          อากาศยานบางชนิดมีคุณสมบัติทั้งความเป็นจรวดและเครื่องบินในตัวเอง อย่างเช่น X-15, SR-71 และ กระสวยอวกาศ (Space Shuttle) หากดูอย่างผิวเผินเราแทบจะแยกแยะไม่ออกเลยว่า อากาศยานเหล่านี้คือ จรวด หรือเครื่องบินกันแน่

ยกตัวอย่าง เช่น
SR-71 มีรูปร่างคล้ายจรวด แต่เป็นเครื่องบินไอพ่นที่บินได้เร็วที่สุดในโลก มีความเร็วเหนือเสียง 3 เท่า
X-15 เป็นเครื่องบินที่ใช้เครื่องยนต์จรวดที่บินได้เร็วที่สุดในโลก มีความเร็วเหนือเสียง 6.7 เท่า
กระสวยอวกาศ มีรูปร่างคล้ายเครื่องบินปีกสามเหลี่ยมโดยทั่วไป ทว่าเป็นยานอวกาศที่ติดตั้งเครื่องยนต์จรวดไว้ภายใน กระสวยอวกาศไม่ใช้ปีกเมื่ออยู่ในอวกาศ แต่ขับเคลื่อนและเปลี่ยนทิศทางด้วยเครื่องยนต์ขนาดเล็ก ซึ่งอยู่รอบตัว (ภาพที่ 5) ปีกของกระสวยอวกาศทำหน้าที่สร้างแรงต้านและแรงยก ในขณะที่ร่อนกลับสู่พื้นโลก


ภาพที่ 5 การปรับทิศทางของกระสวยอวกาศ

อุปกรณ์ที่จรวดนำขึ้นไป (Payload)
          ดังที่กล่าวไปแล้ว จรวดเป็นเพียงตัวขับเคลื่อนขึ้นสู่อวกาศ สิ่งที่จรวดนำขึ้นไปมีมากมายหลายชนิด ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์หรือภารกิจ ซึ่งอาจจะมีทั้งการทหาร สื่อสารโทรคมนาคม หรืองานวิจัยทางวิทยาศาสตร์
           ขีปนาวุธ (Missile) เป็นคำที่เรียกรวมของจรวดและหัวรบ เนื่องจากจรวดมีราคาสูง และมีพิกัดบรรทุกไม่มาก หัวรบที่บรรทุกขึ้นไปจึงมีขนาดเล็ก แต่มีอำนาจการทำลายสูงมาก เช่น หัวรบนิวเคลียร์
           ดาวเทียม (Satellite) หมายถึง อุปกรณ์ที่ส่งขึ้นไปโคจรรอบโลก เพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ เช่น ถ่ายภาพ โทรคมนาคม ตรวจสภาพอากาศ หรืองานวิจัยทางวิทยาศาสตร์
           ยานอวกาศ (Spacecraft) หมายถึง ยานพาหนะที่โคจรรอบโลก หรือเดินทางไปยังดาวดวงอื่น อาจจะมีหรือไม่มีมนุษย์เดินทางไปด้วยก็ได้ เช่น ยานอะพอลโล่ ซึ่งนำมนุษย์เดินทางไปดวงจันทร์
           สถานีอวกาศ (Space Station) หมายถึง ห้องปฏิบัติการในอวกาศ ซึ่งมีปัจจัยสนับสนุนให้มนุษย์สามารถอาศัยอยู่ในอวกาศได้นานนับเดือน หรือเป็นปี สถานีอวกาศส่วนมากถูกใช้เป็นห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ เพื่อประโยชน์ในการวิจัย ทดลอง และประดิษฐ์คิดค้นในสภาวะไร้แรงโน้มถ่วง สถานีอวกาศที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน ได้แก่ สถานีอวกาศนานาชาติ ISS (International Space Station)


ภาพที่ 6 สถานีอวกาศนานาชาติ (ISS)

สภาพแวดล้อมในอวกาศ
          อวกาศเป็นสภาวะไร้อากาศและแรงโน้มถ่วง ดังนั้นการเคลื่อนที่จึงไร้แรงเสียดทานและความเร่ง ยานอวกาศหรือนักบินอวกาศเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ด้วยการจุดจรวดขนาดเล็ก และจุดจรวดด้านตรงข้ามด้วยแรงที่เท่ากันเมื่อต้องการจะหยุด (ภาพที่ 5)
บนอวกาศเต็มไปด้วยรังสีคลื่นสั้นซึ่งมีพลังงานสูง ดาวเทียมและยานอวกาศอาศัยพลังงานเหล่านี้ด้วยการใช้เซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม รังสีคลื่นสั้นเหล่านี้มีอานุภาพในการกัดกร่อนสสาร ดังจะเห็นว่ายานอวกาศและดาวเทียมส่วนมากถูกห่อหุ้มด้วยโลหะพิเศษ สีเงิน หรือสีทอง อุปกรณ์ทุกอย่างที่ใช้ในอวกาศถูกสร้างขึ้นด้วยวัสดุชนิดพิเศษ จึงมีราคาแพงมาก


ภาพที่ 7 มนุษย์อวกาศสวมอุปกรณ์สำหรับเคลื่อนที่ในอวกาศ

          บนพื้นผิวโลกมีบรรยากาศคอยทำหน้าที่กรองรังสีคลื่นสั้นที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต แต่ในอวกาศไม่มีเกราะกำบัง ในขณะที่นักบินอวกาศออกไปทำงานข้างนอกยาน พวกเขาจะต้องสวมใส่ชุดอวกาศ ซึ่งออกแบบมาเพื่อจำลองสภาพแวดล้อมที่อยู่บนโลก กล่าวคือ ปรับอุณหภูมิให้พอเหมาะ มีออกซิเจนให้หายใจ มีแรงดันอากาศเพื่อป้องกันมิให้เลือดซึมออกตามผิวหนัง และรังสีจากดวงอาทิตย์ (ภาพที่ 7)


ศูนย์กลางของระบบสุริยะ

         มนุษย์พยายามจะทำความเข้าใจเรื่องจักรวาล โดยทำการศึกษาการเคลื่อนที่ของเทห์วัตถุท้องฟ้ามาแต่โบราณแล้ว ประมาณ 800 ปีก่อนคริสตกาล ชาวบาบีโลนได้สร้างปฏิทินโดยการศึกษาการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ผ่านหน้ากลุ่มดาวจักราศี พวกเขาได้ตั้งชื่อ ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ที่มองเห็นด้วยตาเปล่าทั้งห้าดวง ขึ้นเป็นชื่อวันในสัปดาห์ วันอาทิตย์, วันจันทร์, วันอังคาร, ....... ถึง วันเสาร์ ตามที่เราได้ใช้กันอยู่ตราบจนทุกวันนี้
         เมื่อประมาณ 600 ปีก่อนคริสตกาล พีธากอรัส (Pythagoras) ชาวปราชญ์ชาวกรีกได้สร้างแบบจำลองของจักรวาลว่า โลกของเราเป็นทรงกลมตั้งอยู่ ณ ศูนย์กลาง ถูกห้อมล้อมด้วยทรงกลมขนาดใหญ่ เรียกว่า ทรงกลมท้องฟ้า (Celestial sphere) ดวงดาวทั้งหลายติดอยู่บนทรงกลมท้องฟ้า ซึ่งเคลื่อนที่จากทางทิศตะวันออกไปยังทิศตะวันตก          นอกจากทรงกลมใหญ่ซึ่งเป็นที่ตั้งของดาวฤกษ์ทั้งหลายแล้ว ยังมีทรงกลมข้างในอีก 7 วง ซ้อนกันอยู่อันเป็นที่ตั้งของ ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ที่มองเห็นด้วยตาเปล่าอีก 5 ดวง อันได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์ ทรงกลมทั้งเจ็ดเคลื่อนที่สวนทางกับทรงกลมท้องฟ้า จากทางทิศตะวันตกไปยังทิศตะวันออกด้วยความเร็วที่แตกต่างกันไป คนในยุคก่อนสังเกตการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ทั้งห้า สวนทางกับกลุ่มดาวจักราศีทั้งสิบสอง ซึ่งตั้งอยู่บนทรงกลมท้องฟ้า จึงเกิดเป็น “ปฏิทิน” (Calendar) โดยมีชื่อของดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ ดาวเคราะห์เป็น “ชื่อของวัน” (Day) และมีชื่อของกลุ่มดาวจักราศีเป็น “ชื่อเดือน” (Month)


ภาพที่ 1  แบบจำลองระบบจักรวาลของพีธากอรัส

หมายเหตุ: ในสมัยนั้นมนุษย์ยังไม่รู้จักความแตกต่างทางกายภาพของดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ พวกเขาแยกแยะ ดาวฤกษ์ กับ ดาวเคราะห์ ์ด้วยความแตกต่างของการเคลื่อนที่บนท้องฟ้า พวกเขาเห็น “ดาวฤกษ์” (Star) เป็นดาวประจำที่ เคลื่อนที่ไปเป็นรูปกลุ่มดาว (Constellations) พร้อม ๆ กับทรงกลมท้องฟ้า ส่วนดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ทั้งห้าที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่านั้น เคลื่อนที่ด้วยในแนวตะวันออก-ตะวันตก ด้วยความเร็วไม่คงที่ ผ่านหน้ากลุ่มดาวจักราศี (Zodiac) จึงเรียกโดยรวมว่า “ดาวเคราะห์” (Planets) ซึ่งแปลว่า “นักท่องเที่ยว” ดังภาพที่ 1  และนี่เองคือต้นกำเนิดของวิชาโหราศาสตร์ (Astrology) ดังที่เราจะได้ยินคำว่า ฤกษ์ เคราะห์ และยาม (เวลา) อยู่เสมอ ในเรื่องของการทำนายโชคชะตา

          ในช่วง 350 ปีก่อนคริสตกาล อริสโตเติล (Aristotle) นักปราชญ์ผู้มีชื่อเสียงของกรีกสอนว่า ดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ (มีผิวเรียบ) ทั้งดาวฤกษ์ ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ ต่างเคลื่อนที่รอบโลก ซึ่งเป็นศูนย์กลางของจักรวาล อริสโตเติลสอนด้วยว่า การเคลื่อนที่ของวัตถุบนโลกมีอยู่สองชนิด คือ การเคลื่อนที่ในแนวราบเรียกว่า “แรง” (Force)  ส่วนการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งนั้นถือว่าเป็น “การเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ” (Natural motion) มิได้มีแรงอะไรมากระทำ ทุกสรรพสิ่งต้องเคลื่อนที่เข้าหาศูนย์กลางของโลก เนื่องจาก “โลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล” (Geocentric)
           หลังจากนั้นไม่นาน อริสตาชุส (Aristarchus) นักปราชญ์ชาวกรีกแห่งเมืองอเล็กซานเดรีย (ประเทศอียิปต์ในปัจจุบัน) ได้เสนอแบบจำลองใหม่ของจักรวาลซึ่งมี “ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง” (Heliocentric)   อริสตาชุสอธิบายว่า โลกหมุนรอบตัวเองวันละ 1 รอบ ทำให้เรามองเห็นท้องฟ้าเคลื่อนที่จากทิศตะวันออกไปยังทิศตะวันตก ขณะเดียวกันโลกก็โคจรไปรอบดวงอาทิตย์ ทำให้เรามองเห็น ดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ผ่านหน้ากลุ่มดาวจักราศีทั้งสิบสอง นอกจากนั้นเขายังคำนวณ เปรียบเทียบระยะทางระหว่างโลกกับดวงจันทร์ และโลกกับดวงอาทิตย์ เขาทราบดีว่า ดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่กว่าโลกมาก ถึงกระนั้นก็ตาม แม้ว่าแนวความคิดนี้จะถูกต้อง แต่ก็ยังไม่เป็นที่ยอมรับกันในยุคนั้น เพราะเป็นสิ่งที่ขัดแย้งกับสิ่งที่ตามองเห็น ยากต่อการจินตนาการ และยังไม่มีใครพิสูจน์ความเป็นได้ ประกอบกับ โชคไม่ดีที่ห้องสมุดของเมืองอเล็กซานเดรียถูกไฟใหม้ ตำราที่อริสตาชุสเขียนขึ้น ถูกทำลายจนหมดสิ้น มีแต่หลักฐานที่เกี่ยวข้องจากผู้ที่อยู่ร่วมยุคสมัย
 


ภาพที่ 2  การเคลื่อนที่ย้อนทาง (Retrograde motion)

          ในปี ค.ศ.125 คลอเดียส ปโตเลมี (Claudius Ptolemy) นักดาราศาสตร์ชาวกรีก ได้แต่งตำราดาราศาสตร์ฉบับแรกของโลก ชื่อว่า “อัลมาเจสท์” (Almagest) ปโตเลมีทำการศึกษาการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ด้วยหลักการทางเรขาคณิตอย่างละเอียด โดยระบุว่า โลกเป็นทรงกลมอยู่ตรงใจกลางของจักรวาล โลกหยุดนิ่งไม่มีการเคลื่อนไหว เขาให้เหตุผลอธิบาย การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ทั้งเจ็ด (รวมดวงอาทิตย์ และดวงจันทร์) ซึ่งเคลื่อนไปข้างหน้า และบางครั้งก็เคลื่อนที่ย้อนทาง (Retrograde) สวนกับกลุ่มดาวจักราศี บนทรงกลมท้องฟ้า ดังที่แสดงในภาพที่ 2 ว่า การที่เรามองเห็นดาวเคราะห์เคลื่อนที่ย้อนกลับไปมานั้น เป็นเพราะดาวเคราะห์ทั้งเจ็ด เคลื่อนที่อยู่บนวงกลมขนาดเล็กซึ่งเรียกว่า “เอปิไซเคิล” (Epicycle) ซึ่งวางอยู่บนวงโคจรรอบโลกอีกทีหนึ่ง ดังที่แสดงในภาพที่ 3

ภาพที่ 3  ระบบโลกเป็นศูนย์กลางของปโตเลมี และระบบดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของโคเปอร์นิคัส

        แบบจำลองของปโตเลมีได้รับการยอมรับกันในวงการวิทยาศาสตร์โบราณมานานกว่า 1,400 ปี จนกระทั่งในปี ค.ศ.1514  นิโคลาส โคเปอร์นิคัส (Nicolaus Copernicus) บาทหลวงชาวโปแลนด์ ได้ทำการศึกษาเรื่องการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์นานถึง 20 ปี ได้เสนอแนวความคิดซึ่งมีระบบดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง ดังนี้


ภาพที่ 4  นิโคลาส โคเปอร์นิคัส

          1. ทรงกลมท้องฟ้าทั้งหมด (ซึ่งเป็นที่ตั้งของดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่ศูนย์กลางของจักรวาล
          2. ระยะทางจากโลกไปยังทรงกลมท้องฟ้าซึ่งเป็นที่ตั้งของดาวฤกษ์ อยู่ไกลกว่า ระยะทางจากโลกไปยังดวงอาทิตย์
          3. การเคลื่อนที่ของทรงกลมท้องฟ้าปรากฏสัมพัทธ์กับเส้นขอบฟ้าในแต่ละวัน เป็นผลมาจากการที่โลกหมุนรอบแกนของตัวเอง
          4. การเคลื่อนที่ย้อนกลับ (Retrograde motion) ของดาวเคราะห์ เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ไปตามวงโคจรของโลกสัมพัทธ์กับการเคลื่อนที่ไปตามวงโคจรของดาวเคราะห์ (ดังภาพที่ 5)


ภาพที่ 5  การอธิบายการเคลื่อนที่ย้อนกลับของดาวเคราะห์


การค้นพบของกาลิเลโอ

          ในต้นคริสต์ศตวรรษที่ 17 กาลิเลโอ กาลิเลอี (Galileo Galilei) นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี ซึ่งมีชีวิตอยู่ในช่วง ค.ศ.1564 - 1642 ได้นำกล้องส่องทางไกลซึ่งประดิษฐ์คิดค้นโดยชาวฮอลแลนด์ มาประยุกต์สร้างขึ้นเป็นกล้องโทรทรรศน์ชนิดหักเหแสง (Refracting telescope) เพื่อใช้ส่องดูเทห์วัตถุท้องฟ้า กาลิเลโอพบว่า พื้นผิวของดวงจันทร์เต็มไปด้วยหลุมขรุขระ และพื้นผิวของดวงอาทิตย์ก็มีจุด (Sunspots) มิได้เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ (มีผิวราบเรียบ) ดังคำสั่งสอนของอริสโตเติล


ภาพที่ 1 กาลิเลโอ กาลิเลอี

          กาลิเลโอพบว่า ดาวพฤหัสบดีมีดาวจันทร์ 4 ดวง เขาเฝ้าบันทึกการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์ทั้งสี่ด้วยการสเก็ตรูป (ภาพที่ 2) และสรุปได้ว่า ดวงจันทร์ทั้งสี่โคจรรอบดาวพฤหัสบดีมิได้โคจรรอบโลก แต่โคจรรอบดาวพฤหัสบดี สิ่งที่กาลิเลโอค้นพบ ขัดแย้งกับคำสอนของอริสโตเติลที่ว่า “โลกคือศูนย์กลางของจักรวาล เทห์วัตถุท้องฟ้าทุกอย่างโคจรรอบโลก”


ภาพที่ 2 การบันทึกตำแหน่งดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดี ของกาลิเลโอ

          เมื่อกาลิเลโอใช้กล้องโทรทรรศน์ส่องมองดาวศุกร์ เขาพบว่าขนาดของดาวศุกร์เปลี่ยนแปลงไปในแต่ละวัน เสี้ยวสว่างของดาวศุกร์เปลี่ยนแปลงสอดคล้องกับการที่ดาวศุกร์โคจรรอบดวงอาทิตย์ เมื่อดาวศุกร์โคจรอยู่ด้านเดียวกับโลก ดาวศุกร์จะมีขนาดใหญ่ แต่ปรากฏเป็นเสี้ยวบางคล้ายข้างแรมของดวงจันทร์ เนื่องจากเรามองเห็นแต่ทางด้านหลังดาวศุกร์ เมื่อดาวศุกร์โคจรไปอยู่อีกด้านหนึ่งของดวงอาทิตย์ ดาวศุกร์จะมีขนาดเล็กลง และปรากฏเกือบเป็นวงกลม (ภาพที่ 3)


ภาพที่ 3 ภาพปรากฏของดาวศุกร์

          แม้ว่าการค้นพบของกาลิเลโอจะถูกต้องตรงกับความเป็นจริง แต่ทว่าขัดแย้งกับคำสั่งสอนของศาสนาในยุคนั้น ตำราที่เขาเขียนจึงถูกอายัด และตัวเขาเองก็ถูกจองจำอยู่กับบ้านจนวันตาย จนกระทั่งสามร้อยปีต่อมา ในเดือนตุลาคม ค.ศ.1992 ทางโบสถ์แห่งสำนักวาติกัน ได้ออกมาแถลงการณ์ ยอมรับข้อผิดพลาดที่ปฏิบัติต่อกาลิเลโอ
          กาลิเลโอ มิได้เป็นเพียงนักดาราศาสตร์ผู้เฝ้าสังเกตการณ์ แต่ยังเป็นนักฟิสิกส์ยุคใหม่อีกด้วย ในยุคก่อนอริสโตเติลให้คำอธิบายไว้ว่า “การที่สิ่งของตกลงสู่พื้นดินนั้น เป็นเรื่องของการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ มิได้มีเรื่องของแรงมาเกี่ยวข้อง หากเป็นเพราะโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล ทุกสิ่งจึงต้องเคลื่อนที่เข้าสู่ศูนย์กลางของโลก” กาลิเลโอคิดแตกต่างออกไป เขาเชื่อว่าการที่วัตถุตกลงสู่พื้นนั้น มิใช่เป็นแค่เพียงการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ แต่เป็นเพราะมีแรงมากระทำต่อวัตถุ กาลิเลโอได้ทำการทดลอง ณ หอเอนแห่งเมืองปิซา (Piza) โดยพิสูจน์ให้เห็นว่า วัตถุต่างชนิดตกลงสู่พื้นโลก ด้วยความเร่งที่เท่ากัน แนวความคิดนี้ถูกนำไปพัฒนาต่อโดย เซอร์ไอแซค นิวตัน นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษในยุคต่อมา
 


กฎของเคปเลอร์ (Kepler’s laws)


ภาพที่ 1 โจฮานเนส เคปเลอร์

          นักปราชญ์ในยุคก่อนเชื่อว่า วงโคจรของดาวเคราะห์เป็นรูปวงกลมที่สมบูรณ์ จนกระทั่ง โจฮานเนส เคปเลอร์ (Johannes Kepler) นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมันซึ่งมีชีวิตอยู่ในระหว่าง ค.ศ.1571 – 1630 ได้ทำการวิเคราะห์ข้อมูลตำแหน่งของดาวเคราะห์ ที่ได้จากการตรวจวัดจากการสังเกตการณ์อย่างละเอียด แล้วทำการคำนวณย้อนกลับ พบว่า ผลของการคำนวณซึ่งถือเอาวงโคจรเป็นรูปวงกลมนั้น ไม่สอดคล้องกับข้อมูลที่ได้จากการสังเกตการณ์ แต่กลับสอดคล้องกับผลของการคำนวณซึ่งถือเอาวงโคจรเป็นรูปวงรี   ในปี ค.ศ.1609 เคปเลอร์ได้ประกาศว่า “ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่โฟกัสจุดหนึ่ง” (กฎข้อที่ 1 กฎของวงรี)
หมายเหตุ: การสร้างวงรี สามารถทำได้โดย 2 วิธีคือ วิธีขึงเชือก สร้างสามเหลี่ยมระหว่างจุดโฟกัส 2 จุด และปลายดินสอ จากนั้นลากดินสอรอบจุดโฟกัส โดยให้เส้นเชือกตรึงอยู่ตลอดเวลา ดังภาพที่ 2  และวิธีภาคตัดกรวย ในภาพที่ 3


ภาพที 2 วงโคจรของดาวเคราะห์เป็นวงรี


ภาพที 3 ภาคตัดกรวยชนิดต่าง ๆ

          ในปีเดียวกัน เคปเลอร์พบว่า ความเร็วในวงโคจรของดาวเคราะห์มิใช่ค่าคงที่ แต่จะเคลื่อนที่เร็วเมื่อเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ และเคลื่อนที่ช้าลงเมื่อออกห่างจากดวงอาทิตย์ เคปเลอร์พบว่า “เมื่อดาวเคราะห์เคลื่อนที่ตามวงโคจรไปในแต่ละช่วงเวลา 1 หน่วย เส้นสมมติที่ลากโยงระหว่างดาวเคราะห์กับดวงอาทิตย์ จะกวาดพื้นที่ในอวกาศไปได้เท่าๆ กัน” (กฎข้อที่ 2 กฎของพื้นที่เท่ากัน)


ภาพที่ 4 พื้นที่ที่กวาดไปช่วงเวลาที่เท่ากัน ย่อมมีขนาดเท่ากัน

          เก้าปีต่อมา ในปี ค.ศ.1618 เคปเลอร์พบว่า พื้นที่ของคาบวงโคจรของดาวเคราะห์ (คำว่า “พื้นที่” หมายถึง กำลังสอง) จะแปรผันตาม ปริมาตรของระยะห่างจากดวงอาทิตย์เสมอ (คำว่า “ปริมาตร” หมายถึง กำลังสาม) หรือพูดอย่างง่ายว่า “กำลังสองของคาบวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ จะแปรผันตาม กำลังสามของระยะห่างจากดวงอาทิตย์” เมื่อนำค่ายกกำลังสองของคาบวงโคจรของดาวเคราะห์ (p2) มาหารด้วย ค่ากำลังสามของระยะห่างจากดวงอาทิตย์ a3 จะได้ค่าคงที่เสมอ (p2/a3 = k, k เป็นค่าคงที่) มิว่าจะเป็นดาวเคราะห์ดวงใดก็ตาม กฎข้อที่ 3 นี้เรียกว่า “กฎฮาร์มอนิก” (Harmonic Law)

ตารางแสดง กฏข้อที่ 3 ของเคปเลอร์

 
คาบการโคจร
รอบดวงอาทิตย์ (ปี)
 
ระยะห่างจาก
ดวงอาทิตย์ (AU)
 
กฏข้อที่ 3
ของเคปเลอร์
 
p
p2
a
a3
p2/a3
ดาวพุธ
0.24
0.06
0.39
0.06
0.97
ดาวศุกร์
0.62
0.38
0.72
0.37
1.03
โลก
1
1.00
1.00
1.00
1.00
ดาวอังคาร
1.9
3.61
1.52
3.51
1.03
ดาวพฤหัสบดี
12
144
5.20
140.61
1.02
ดาวเสาร์
29
841
9.50
857.38
0.98
ดาวยูเรนัส
84
7,056
19.20
7,077.89
1.00
ดาวเนปจูน
164
26,896
30.07
28,189.44
0.99
ดาวพลูโต
248
61,504
39.72
62,655.39
0.98

 


กฎของนิวตัน (Newton’s laws)

         เซอร์ ไอแซค นิวตัน (Sir Isaac Newton) เป็นนักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ถือกำเนิดใน ปี ค.ศ.1642 นิวตันสนใจ
ดาราศาสตร์ และประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ชนิดสะท้อนแสง (Reflecting telescope) ขึ้นโดยใช้โลหะเงาเว้าในการรวมแสง แทนการใช้เลนส์ เช่นในกล้องโทรทรรศน์ชนิดหักเหแสง (Refracting telescope) นิวตันติดใจในปริศนาที่ว่า แรงอะไรทำให้ผลแอปเปิลตกสู่พื้นดินและตรึงดวงจันทร์ไว้กับโลก และสิ่งนี้เองที่นำเขาไปสู่การค้นพบกฎที่สำคัญ 3 ข้อ
 

ภาพที่ 1 เซอร์ไอแซค นิวตัน

กฎข้อที่ 1 กฎของความเฉื่อย (Inertia)
“วัตถุที่หยุดนิ่งจะพยายามหยุดนิ่งอยู่กับที่ ตราบที่ไม่มีแรงภายนอกมากระทำ ส่วนวัตถุที่เคลื่อนที่จะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ ตราบที่ไม่มีแรงภายนอกมากระทำเช่นกัน“

ตัวอย่าง: ขณะที่รถติดสัญญาณไฟแดง ตัวเราหยุดนิ่งอยู่กับที่
          • แต่เมื่อสัญญาณไฟแดงเปลี่ยนเป็นไฟเขียว เมื่อคนขับเหยียบคันเร่งให้รถเคลื่อนที่ไปข้างหน้า แต่ตัวของเราจะพยายามคงสภาพหยุดนิ่งไว้ ผลคือ หลังของเราจะถูกผลักติดกับเบาะ ขณะที่รถเกิดความเร่งไปข้างหน้า
          • ในทำนองกลับกัน เมื่อสัญญาณไฟเขียวเปลี่ยนเป็นไฟแดง คนขับรถเหยียบเบรคเพื่อจะหยุดรถ ตัวเราซึ่งเคยเคลื่อนที่ด้วยความเร็วพร้อมกับรถ ทันใดเมื่อรถหยุด ตัวเราจะถูกผลักมาข้างหน้า


ภาพที่ 2 การเคลื่อนที่ในอวกาศ

          นิวตันอธิบายว่า ในอวกาศไม่มีอากาศ ดาวเคราะห์จึงเคลื่อนที่โดยปราศจากความฝืด โดยมีความเร็วคงที่ และมีทิศทางเป็นเส้นตรง เขาให้ความคิดเห็นว่า การที่ดาวเคราะห์โคจรเป็นรูปวงรีนั้น เป็นเพราะมีแรงภายนอกมากระทำ (แรงโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์) นิวตันตั้งข้อสังเกตว่า แรงโน้มถ่วงที่ทำให้แอปเปิลตกสู่พื้นดินนั้น เป็นแรงเดียวกันกับ แรงที่ตรึงดวงจันทร์ไว้กับโลก หากปราศจากซึ่งแรงโน้มถ่วงของโลกแล้ว ดวงจันทร์ก็คงจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงผ่านโลกไป
 

กฎข้อที่ 2 กฎของแรง (Force)
“ความเร่งของวัตถุจะแปรผันตามแรงที่กระทำต่อวัตถุ แต่จะแปรผกผันกับมวลของวัตถุ”

          • ถ้าเราผลักวัตถุให้แรงขึ้น ความเร่งของวัตถุก็จะมากขึ้นตามไปด้วย
          • ถ้าเราออกแรงเท่า ๆ กัน ผลักวัตถุสองชนิดซึ่งมีมวลไม่เท่ากัน วัตถุที่มีมวลมากจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งน้อยกว่าวัตถุที่มีมวลน้อย

ความเร่งของวัตถุ = แรงที่กระทำต่อวัตถุ / มวลของวัตถ (หรือ a = F/m)

ตัวอย่าง: เมื่อเราออกแรงเท่ากัน เพื่อผลักรถให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า รถที่ไม่บรรทุกของจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งมากกว่ารถที่บรรทุกของ



ภาพที่ 3  ความเร่งแปรผกผันกับมวล

          ในเรื่องดาราศาสตร์ นิวตันอธิบายว่า ดาวเคราะห์และดวงอาทิตย์ต่างโคจรรอบกันและกัน โดยมีจุดศูนย์กลางร่วม แต่เนื่องจากดวงอาทิตย์มีมวลมากกว่าดาวเคราะห์หลายแสนเท่า เราจึงมองเห็นว่า ดาวเคราะห์เคลื่อนที่ไปด้วยความเร่งที่มากกว่าดวงอาทิตย์ และมีจุดศูนย์กลางร่วมอยู่ภายในตัวดวงอาทิตย์เอง ดังเช่น การหมุนลูกตุ้มดัมเบลสองข้างที่มีมวลไม่เท่ากัน ในภาพที่ 4


ภาพที่ 4  การหมุนรอบจุดศูนย์กลางมวล

กฎข้อที่ 3 กฎของแรงปฏิกิริยา
“แรงที่วัตถุที่หนึ่งกระทำต่อวัตถุที่สอง ย่อมเท่ากับ แรงที่วัตถุที่สองกระทำต่อวัตถุที่หนึ่ง แต่ทิศทางตรงข้ามกัน”
(Action = Reaction)

 


ภาพที่ 5   แรงกริยา = แรงปฏิกริยา

          หากเราออกแรงถีบยานอวกาศในอวกาศ ทั้งตัวเราและยานอวกาศต่างเคลื่อนที่ออกจากกัน (แรงกริยา = แรงปฏิกิริยา) แต่ตัวเราจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งที่มากกว่ายานอวกาศ ทั้งนี้เนื่องจากตัวเรามีมวลน้อยกว่ายานอวกาศ (กฎข้อที่ 2) ดังภาพที่ ุ6


ภาพที่ 6  การเคลื่อนที่ในอวกาศ

          นิวตันอธิบายว่า ขณะที่ดวงอาทิตย์มีแรงกระทำต่อดาวเคราะห์ ดาวเคราะห์ก็มีแรงกระทำต่อดวงอาทิตย์ในปริมาณที่เท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม และนั่นคือแรงดึงดูดร่วม

นิวตันอธิบายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ตามกฎของเคปเลอร์

          การค้นพบกฎทั้งสามข้อนี้ นำไปสู่การค้นพบ “กฎความโน้มถ่วงแห่งเอกภพ” (The Law of Universal) “วัตถุสองชิ้นดึงดูดกันด้วยแรงซึ่งแปรผันตามมวลของวัตถุ แต่แปรผกผันกับระยะทางระหว่างวัตถุยกกำลังสอง” ซึ่งเขียนเป็นสูตรได้ว่า

F = G (m1m2/r2)   โดยที่ F = แรงดึงดูดระหว่างวัตถุ

m1 = มวลของวัตถุชิ้นที่ 1
m2 = มวลของวัตถุชิ้นที่ 2
r = ระยะห่างระหว่างวัตถุทั้ง 2 ชิ้น
G = ค่าคงที่ของแรงโน้มถ่วง = 6.67 x 10-11 newton m2/kg2

          บางครั้งเราเรียกกฎข้อนี้อย่างง่ายๆ ว่า “กฎการแปรผกผันยกกำลังสอง” (Inverse square law) นิวตันพบว่า “ขนาดของแรง จะแปรผกผันกับ ค่ากำลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุ”

          ตัวอย่าง: เมื่อระยะทางระหว่างวัตถุเพิ่มขึ้น 2 เท่า แรงดึงดูดระหว่างวัตถุจะลดลง 4 เท่า ดังที่แสดงในภาพที่ 6 เขาอธิบายว่า การร่วงหล่นของผลแอปเปิล ก็เช่นเดียวกับการร่วงหล่นของดวงจันทร์ ณ ตำแหน่งบนพื้นผิวโลก สมมติว่าแรงโน้มถ่วงบนพื้นผิวโลกมีค่า = 1 ระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์มีค่า 60 เท่าของรัศมีโลก ดังนั้นแรงโน้มถ่วง ณ ตำแหน่งวงโคจรของดวงจันทร์ย่อมมีค่าลดลง = (60)2 = 3,600 เท่า


ภาพที่ 7  การเคลื่อนที่ในอวกาศ

          ในภาพที่ 8 แสดงให้เห็นว่า ใน 1 วินาที ดวงจันทร์เคลื่อนที่ไปได้ 1 กิโลเมตร จะถูกโลกดึงดูดให้ตกลงมา 1.4 มิลลิเมตร เมื่อดวงจันทร์โคจรไปได้ 1 เดือน ทั้งแรงตั้งต้นของดวงจันทร์ และแรงโน้มถ่วงของโลก ก็จะทำให้ดวงจันทร์โคจรได้ 1 รอบพอดี เราเรียกการตกเช่นนี้ว่า “การตกแบบอิสระ” (Free fall) อันเป็นหลักการซึ่งมนุษย์นำไปประยุกต์ใช้กับการส่งยานอวกาศ และดาวเทียม ในยุคต่อมา


ภาพที่ 8  การเคลื่อนที่ของดวงจันทร์

          ตอนที่เคปเลอร์ค้นพบกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ซึ่งได้จากผลของการสังเกตการณ์ในคริสต์ศตวรรษที่ 16 นั้น เขาไม่สามารถอธิบายว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น จวบจนอีกหนึ่งศตวรรษต่อมา นิวตันได้ใช้กฎการแปรผกผันยกกำลังสอง อธิบายเรื่องการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ตามกฎทั้งสามข้อของเคปเลอร์ ดังนี้
          • ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงรี เกี่ยวเนื่องจากระยะทางและแรงโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์
          • ในวงโคจรรูปวงรี ดาวเคราะห์จะเคลื่อนที่เร็ว ณ ตำแหน่งใกล้ดวงอาทิตย์ และเคลื่อนที่ช้า ณ ตำแหน่งไกลจากดวงอาทิตย์ เนื่องจากอิทธิพลของระยะห่างระหว่างดวงอาทิตย์
          • ดาวเคราะห์ดวงในเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าดาวเคราะห์ดวงนอก เป็นเพราะว่าอยู่ใกล้กับดวงอาทิตย์มากกว่า จึงมีแรงโน้มถ่วงระหว่างกันมากกว่า
 

ความเร็ว (Speed) หมายถึง ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปใน 1 หน่วยของเวลา (ระยะทาง/เวลา)
ความเร่ง (Acceleration) หมายถึง ความเร็วของวัตถุที่เปลี่ยนแปลงไปใน 1 หน่วยเวลา (ระยะทาง/เวลา)/เวลา

ตัวอย่าง:
ในวินาทีแรก รถเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 1 เมตร/วินาที ในวินาทีที่สอง รถคันนี้เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 5 เมตร/วินาที
เพราะฉะนั้น รถคันนี้มีความเร่ง 4 (เมตร/วินาที)/วินาที


ภาพที่ 9  ความเร่งของการร่วงหล่น

          ณ ตำแหน่งพื้นผิวโลก วัตถุจะร่วงหล่นสู่พื้นด้วยความเร่ง (9.8 เมตร/วินาที)/วินาที ภาพที่ 8 แสดงให้เห็นว่า ความเร็วของแอปเปิลเพิ่มมากขึ้นในแต่ละช่วงเวลา 0.1 วินาที


 

 

 

ตารางที่ 3 ตัวอย่างแร่ที่สำคัญ

รูปภาพ
แร่
ประเภท
สูตรเคมี
รูปผลึก
ความแข็ง
ถ.พ.
สีผง
การนำไปใช้
ควอรตซ์
ซิลิเกต
SiO2
7
2.7
ขาว
ทราย
เฟลด์สปาร์
ซิลิเกต
Al2Si2O6
6
2.5
ทราย
ดิน
ไมก้า
ซิลิเกต
(AlSi)4O10(OH)2
3
3
ขาว/ดำ
ทำฉนวน
แคลไซต์
คาร์บอเนต
CaCO3
3
2.7
ขาว
ปูนซีเมนต์
ฮีมาไทต์
ออกไซด์
Fe2O3
5 - 6
5
แดง
สินแร่เหล็ก
กาลีนา
ซัลไฟด์
PbS
2.5
7.5
เทา
สินแร่ตะกั่ว
เฮไลต์
เฮไลด์
NaCl
2.5
2.2
ขาว
เกลือ
ฟลูออไรต์
เฮไลด์
CaF2
2.5
3.2
ขาว
อุตสาหกรรม
ทอง
ไม่รวมกับธาตุอื่น
Au
2.5 - 3
19.3
ทอง
เครื่องประดับ
เพชร
ไม่รวมกับธาตุอื่น
C
10
3.5
ไม่มีสี
เครื่องประดับ
กราไฟต์
ไม่รวมกับธาตุอื่น
C
1 - 2
2.2
ดำ
ไส้ดินสอ

ศัพท์วิทยาศาสตร์ ฉบับราชบัณฑิตสถาน

A  B  D  F  G  H  I  J  K  L  M  N  O  Q  R  S  T  U  V  W  X  Y 

                        ถ                                       อ   

นักวิทยาศาสตร    หน่วย      ศัพท์แผ่นดินไหวตัวอักษรจาก A-M   จาก N-Z

  A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

คำศัพท์คณิตศาสตร์ที่น่าสนใจ

หมวด :

| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

    ศัพท์เคมี    ศัพท์คณิตศาสตร์   ศัพท์ฟิสิกส์   

  บทความวิทยาศาสตร์      ศัพท์ชีววิทยา      สื่อการสอนฟิสิกส์      ศัพท์วิทยาศาสตร์

พจนานุกรมเสียง 1   แมว    วัว 1    วัว 2    วัว 3    เหมียว   แกะ     พจนานุกรมภาพการ์ตูน

พจนานุกรมภาพเคลื่อนไหว   ดนตรี  Bullets แบบ JEWEL  พจนานุกรมภาพต่างๆ  ภาพเคลื่อนไหวของสัตว์ต่างๆ  โลกและอวกาศ

อุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ

 

  หนังสืออิเล็กทรอนิกส์ 

ฟิสิกส์ 1(ภาคกลศาสตร์) 

 ฟิสิกส์ 1 (ความร้อน)

ฟิสิกส์ 2 

กลศาสตร์เวกเตอร์

โลหะวิทยาฟิสิกส์

เอกสารคำสอนฟิสิกส์ 1

ฟิสิกส์  2 (บรรยาย)

แก้ปัญหาฟิสิกส์ด้วยภาษา c  

ฟิสิกส์พิศวง

สอนฟิสิกส์ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

ทดสอบออนไลน์

วีดีโอการเรียนการสอน

หน้าแรกในอดีต

แผ่นใสการเรียนการสอน

เอกสารการสอน PDF

สุดยอดสิ่งประดิษฐ์

   การทดลองเสมือน 

บทความพิเศษ 

ตารางธาตุ(ไทย1)   2  (Eng)

พจนานุกรมฟิสิกส์ 

 ลับสมองกับปัญหาฟิสิกส์

ธรรมชาติมหัศจรรย์ 

 สูตรพื้นฐานฟิสิกส์

การทดลองมหัศจรรย์ 

ดาราศาสตร์ราชมงคล

  แบบฝึกหัดกลาง 

แบบฝึกหัดโลหะวิทยา  

 แบบทดสอบ

ความรู้รอบตัวทั่วไป 

 อะไรเอ่ย ?

ทดสอบ(เกมเศรษฐี) 

คดีปริศนา

ข้อสอบเอนทรานซ์

เฉลยกลศาสตร์เวกเตอร์

คำศัพท์ประจำสัปดาห์

 

  ความรู้รอบตัว

การประดิษฐ์แของโลก

ผู้ได้รับโนเบลสาขาฟิสิกส์

นักวิทยาศาสตร์เทศ

นักวิทยาศาสตร์ไทย

ดาราศาสตร์พิศวง 

การทำงานของอุปกรณ์ทางฟิสิกส์

การทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ

 

  การเรียนการสอนฟิสิกส์ 1  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

1. การวัด

2. เวกเตอร์

3.  การเคลื่อนที่แบบหนึ่งมิติ

4.  การเคลื่อนที่บนระนาบ

5.  กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

6. การประยุกต์กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

7.  งานและพลังงาน 

8.  การดลและโมเมนตัม

9.  การหมุน  

10.  สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง

11. การเคลื่อนที่แบบคาบ

12. ความยืดหยุ่น

13. กลศาสตร์ของไหล  

14. ปริมาณความร้อน และ กลไกการถ่ายโอนความร้อน

15. กฎข้อที่หนึ่งและสองของเทอร์โมไดนามิก 

16. คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร

17.  คลื่น

18.การสั่น และคลื่นเสียง

   การเรียนการสอนฟิสิกส์ 2  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต  

1. ไฟฟ้าสถิต

2.  สนามไฟฟ้า

3. ความกว้างของสายฟ้า 

4.  ตัวเก็บประจุและการต่อตัวต้านทาน 

5. ศักย์ไฟฟ้า

6. กระแสไฟฟ้า 

7. สนามแม่เหล็ก

 8.การเหนี่ยวนำ

9. ไฟฟ้ากระแสสลับ 

10. ทรานซิสเตอร์ 

11. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและเสาอากาศ 

12. แสงและการมองเห็น

13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ

14. กลศาสตร์ควอนตัม

15. โครงสร้างของอะตอม

16. นิวเคลียร์ 

   การเรียนการสอนฟิสิกส์ทั่วไป  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

1. จลศาสตร์ ( kinematic)

   2. จลพลศาสตร์ (kinetics) 

3. งานและโมเมนตัม

4. ซิมเปิลฮาร์โมนิก คลื่น และเสียง

5.  ของไหลกับความร้อน

6.ไฟฟ้าสถิตกับกระแสไฟฟ้า 

7. แม่เหล็กไฟฟ้า 

8.    คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับแสง

9.  ทฤษฎีสัมพัทธภาพ อะตอม และนิวเคลียร์ 

 

 

กลับเข้าหน้าแรก

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

ภาพประจำสัปดาห์