( เรื่องเล่าจากคนใช้งานพลาสมาที่ความดันบรรยากาศ )

ฟ้าผ่า การละเล่นของเมขลา และรามสูร [1]
เมื่อเมขลาออกมาล่อแก้ว รามสูรเห็นแล้ว ขว้างขวานออกไป การละเล่นของตัวละครในเรื่องเล่า สองตัวนี้ ทำให้เราเห็นประกายเจิดจ้าของแก้วมณีเมขลา เป็นฟ้าแลบ แปล๊บ ๆ ระหว่างก้อนเมฆ หรือ ฟ้าผ่า ระหว่างก้อนเมฆกับพื้น แถมยังพ่วงด้วยเสียงขวานของรามสูรแหวกอากาศ ชวนให้ตกอกตกใจ หรือถึงกับอกสั่นขวัญแขวน แหม เล่าเรื่องปรากฏการณ์ธรรมชาติแบบนี้ ด้วยนิทานปรัมปรา อย่างนี้ ก็น่าสนใจอยู่ไม่ใช่น้อยครับ

บางทีน้อง ๆ อาจจะมีคำถาม ทำไม เมขลากับรามสูร ถึงชอบออกมาเล่นตอนครึ้มฟ้าครึ้มฝน หรือ ฝนฟ้าคะนอง มาเล่นตอนกลางวันแสก ๆ แดดจ้าๆ ไม่ได้หรือ ประกายแก้วของเมขลา ถึงเป็นเส้นคดเคี้ยวไปมา บางทียังแตกกิ่งเล็ก กิ่งน้อย ออกมาข้าง ๆ ด้วย ทำไมไม่เป็นเส้นตรง ๆ นะ ผมจะขอชี้ชวน ให้ทุกท่านมาลองดูปรากฎการณ์ฟ้าผ่าว่ามีลักษณะใกล้เคียงกับ พลาสมา อย่างไร ในมุมมองของคนใช้งานพลาสมาดูนะครับ

ความหมายของพลาสมา
แก๊สที่อยู่ในสถานะที่ถูกกระตุ้นให้เกิดการดิสชาร์จเป็นไอออนและอิเล็กตรอนอย่างต่อเนื่อง ไอออนและอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นในพลาสมา บางส่วน สามารถรวมตัวกลับเป็นอะตอม คายพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น แสงที่ตาเรามองเห็น ในภาพรวม ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนและไอออนจะมีค่าเท่า ๆ กัน ถือว่า พลาสมาเป็นกลางทางไฟฟ้า ผู้รู้บางท่านจัดว่า พลาสมาเป็นสถานะที่สี่ของสสาร เห็นเพียงประปรายในดาวเคราะห์สีฟ้าเช่นโลกของเรา แต่เชื่อหรือไม่ว่า มากกว่า 99% ของจักรวาล เป็นพลาสมา

ในธรรมชาติ ก่อนการเกิดฟ้าผ่า มวลอากาศเคลื่อนตัวจากบริเวณที่มีความกด(ดัน)อากาศสูง สู่บริเวณที่มีความกด(ดัน)อากาศต่ำกว่า เกิดเป็นลมหรือพายุ ทำให้เกิดการเสียดสีระหว่างลม เมฆ น้ำและเกล็ดน้ำแข็งในอากาศ เกิดการสะสมตัวของประจุในก้อนเมฆ นำไปสู่ความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าอย่างมหาศาลระหว่างก้อนเมฆกับพื้นดิน ไปกระตุ้นอากาศ ที่อยู่ระหว่างกลางให้เกิดการดิสชาร์จ ให้เห็นเป็นฟ้าผ่า

พลาสมาอื่น ๆ ที่พบเห็นในธรรมชาติ ได้แก่ พลาสมาในดวงอาทิตย์ ส่วนพลาสมาที่มนุษย์สร้างขึ้นเอง เช่น ในหลอดฟลูออเรสเซนต์หรือที่รู้จักกันดีในชื่อหลอดนีออน พลาสมาของแก๊สนี้จะแตกต่างกับพลาสมาที่ใช้ในทางชีววิทยาหรือทางการแพทย์ โดยสิ้นเชิง ซึ่งในทางชีววิทยาหรือทางการแพทย์ นั้น พลาสมาจะหมายถึงของเหลวภายในเซลล์

ความต่างศักย์ดิสชาร์จของแก๊ส [2]

ในขั้นนี้คงจะต้องกล่าวถึง ความต่างศักย์ที่ทำให้แก๊สดิสชาร์จเป็นพลาสมา ตาม กฎของ พาสเชน (Paschen’s law) ซึ่งตั้งขึ้นเมื่อ ปี 2342 ตามชื่อของ Friedrich Paschen เขาได้ศึ่กษาความต่างศักย์ระหว่างคู่อิเล็กโตรดเพื่อทำให้แก๊สที่อยู่ระหว่างแผ่นเกิดการดิสชาร์จ โดยเขาได้ลองปรับเปลี่ยน ความดันของแก๊สและระยะห่างระหว่างของคู่อิเล็กโตรด เมื่อให้ระยะคงที่ แล้วความดันของแก๊สลง ความต่างศักย์ที่ทำให้เกิดการคายประจุ จะลดลง ตามความดัน แต่เมื่อผ่านความต่างศักย์ต่ำสุดค่าหนึ่งแล้ว ความต่างศักย์นี้จะกลับเพิ่มมากขึ้น สวนทางกับความดันที่ลดลง เมื่อเปลี่ยนหันมาใช้แก๊สที่ความดันคงที่ แต่เลื่อนระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรดแทน จะเห็นการเปลี่ยนแปลงในลักษณะเดียวกัน เขาได้ข้อสรุปว่า ความต่างศักย์ดิสชาร์จของแก๊ส V แสดงได้เป็น เมื่อ V เป็นความต่างศักย์ดิสชาร์จ (Breakdown Voltage) ในหน่วยโวลต์ คือความดันของแก๊ส (atm) d คือระยะทางระหว่างคู่อิเล็กโตรดในหน่วยเมตร a และ b เป็นค่าคงที่เฉพาะตัวของแก๊ส ขึ้นอยู่กับชนิดและส่วนผสมของแก๊ส ลองดูในกราฟที่ หนึ่งประกอบ

กราฟที่ หนึ่ง ความต่างศักย์เพื่อให้อากาศเกิดการดิสชาร์จ เมื่อใช้ความดันและระยะระหว่างอิเล็กโตรดต่าง ๆ ตามการทดลองของพาสเชน

เมื่อขยายผลตามกฎของพาสเชนออกมาเพื่อใช้ทำนายการเกิดฟ้าผ่า โดยมีข้อสมมติว่า ความดันขณะเกิดฟ้าผ่าเท่ากับความดันบรรยากาศ และ ใช้ตัวแปรที่พอหาได้สำหรับอากาศแห้งที่ความดันบรรยากาศ ว่า a=43.6 ×106 V/(atm•m) และ b = 12.8 ทำให้เราสามารถหาความต่างศักย์ดิสชาร์จระหว่างก้อนเมฆและพื้นดิน ได้ดังกราฟที่สอง ค่าความต่างศักย์ที่ต้องใช้เพื่อทำให้อากาศที่ความดันบรรยากาศ เกิดการดิสชาร์จเป็นพลาสมาหรือฟ้าผ่า ประมาณ หก เมกะโวลต์ สำหรับก้อนเมฆที่อยู่สูงจากพื้นเป็น ระยะทาง สามกิโลเมตร

กราฟที่สอง ความต่างศักย์ที่ทำให้เกิดฟ้าผ่าในอากาศที่ความดันบรรยากาศ จากก้อนเมฆสู่พื้นดิน ตามความสูงเหนือพื้นของก้อนเมฆ

คุณลักษณะของพลาสมา [3]

แม้ภาพรวมของพลาสมามีความเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่เมื่อถือว่าเกิดการดิสชาร์จของอะตอมของแก๊สเป็นไอออนและอิเล็กตรอน และแยกกันอยู่ ดังนั้นเมื่อดูเฉพาะจุดเล็ก แล้วพลาสมามีไอออนและอิเล็กตรอนที่มีประจุเป็นองค์ประกอบ บริเวณเล็ก ๆ จะไม่เป็นกลางทางไฟฟ้าอีกต่อไป



ด้วยประจุที่ต่างกัน ทำให้ไอออนยังส่งแรงดึงดูด กักอิเล็กตรอนล้อมรอบตัวมันอยู่ เมื่อเคลื่อนที่ไกลจากไอออนเลยกลุ่มอิเล็กตรอนที่แวดล้อมออกไป ประจุปรากฏของไอออนที่ระยะนั้นจึงลดลงเป็นศูนย์ (ปรากฏการณ์การกำบังประจุ) ระยะจากไอออนถึงจุดที่ประจุปรากฏเป็นศูนย์ เรียกกันว่า ระยะเดอบาย (λD) สามารถหาได้จาก เมื่อ ε0 คือ ค่าสภาพยอมได้ของสุญญากาศ k เป็นค่าคงที่ของโบลท์มาน Te เป็นอุณหภูมิของอิเล็กตรอน neคือความหนาแน่นของอิเล็กตรอน และ e เป็นประจุของอิเล็กตรอน



พารามิเตอร์ที่ใช้นับความเป็นพลาสมา ได้แก่ (ก) ระยะเดอบาย (λD) น้อยกว่าขนาดหรือความกว้างของพลาสมามากและ (ข) จำนวนอิเล็กตรอนที่ล้อมรอบประจุ หรืออีกนัยหนึ่งคือจำนวนอิเล็กตรอนในทรงกลมของเดอบาย มีค่ามากกว่าหนึ่งมาก ๆ



จากรายงานที่เกี่ยวข้องฟ้าผ่า [4] อุณหภูมิของฟ้าผ่ามีค่าประมาณ 30,000 K ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนประมาณ 2.0×1018 cm-3 และมีค่าสภาพนำไฟฟ้าโดยเฉลี่ยถึง 2.0×104 Sm-1 เมื่อเราใช้ข้อมูลนี้ประเมินค่าระยะเดอบาย จะได้ค่าประมาณ 7 นาโนเมตร เปรียบเทียบกับหน้าตัดของฟ้าผ่าที่มีขนาดประมาณมากกว่า 10 เซนติเมตร ผ่านเงื่อนไขข้อที่หนึ่งไปได้ และจำนวนอิเล็กตรอนที่ล้อมรอบทรงกลมของเดอบาย ประมาณ 5 อิเล็กตรอน แม้เงื่อนไขข้อนี้ยังไม่สมบูรณ์นัก แต่อย่างไรก็ดี ถ้าเราถือว่าฟ้าผ่าเกิดขึ้นจาก การเคลื่อนตัวของอากาศจากบริเวณความ(กด)ดันอากาศสูง มาสู่บริเวณที่ความ(กด) ดันอากาศต่ำ บริเวณที่เกิดฟ้าผ่าจะมีความ(กด) ดันอากาศต่ำกว่าที่เราใช้คำนวณข้างบน เมื่อรวมผลนี้ด้วยจะได้ระยะเดอบายและจำนวนอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นอีกประมาณ สามเท่า ฟ้าผ่าจึงถูกนับเป็นพลาสมาแบบหนึ่งที่เกิดในธรรมชาติ



ฟ้าผ่า เรื่องเก่า?

แหม เริ่มต้นด้วยเรื่องปรัมปรา เล่าอ้างถึง นางเมขลา และ รามสูร ชวนให้รู้สึกง่วงนอน ว่าเรื่องฟ้าผ่าเป็นเรื่องเก่าเก็บ ควรบรรจุไว้ในกรุดีกว่า ยังก่อนครับ มีหลายเรื่องราวในรายละเอียดของการเกิดฟ้าผ่าที่ยังเป็นปริศนา เช่น ในสายฟ้าผ่า ที่เราเห็นนั้น เป็นสายยาว เชื่อมระหว่าง เมฆและพื้นดิน จริงแล้ว มีการผ่าทะลุทะลวง เป็นระยะทางสั้น ๆ (ห้าสิบถึงหนึ่งร้อยเมตร) ต่อ ๆ กันไป กระทั่งถึงพื้นดิน แล้วถึงเกิด สายฟ้าผ่าหลัก [5] ยังไม่มีใครเข้าใจแจ่มแจ้งนัก ยังเป็นหัวข้อให้ศึกษาค้นคว้า กันได้อีกนานครับ นอกจากนี้พลานุภาพของฟ้าผ่า นั้นสูงยิ่ง ทำให้ต้องค้นคว้าหาทาง ป้องกันเช่นการใช้แสงเลเซอร์มาล่อหรือเหนี่ยวนำการเกิดฟ้าผ่า [6] มีคนศึกษาเชิงลึกเรื่องนี้ อีกมากโขอยู่ครับ ทั้งในแง่วิเคราะห์ภาพถ่ายจากกล้องวีดีโอความเร็วสูง [7] และการสร้างแบบจำลอง [8] ผมจบลงต้องนี้ก่อน แล้วค่อยว่ากันใหม่ในตอนถัดไป ว่าเราจะสร้าง ฟ้าผ่า (พลาสมา ที่ความดันบรรยากาศ) ที่นุ่มนวลขึ้น ควบคุมได้ ตอนกลางวันแสก ๆ และนำไปประยุกต์ได้อย่างไร



กิตติกรรมประกาศ

ขอขอบคุณ บทความของคุณพวงร้อย [9] ที่เรียบเรียงเรื่องฟ้าผ่าไว้ได้น่าสนใจยิ่ง คุณทวีศักดิ์ ที่ได้เอื้อเฟื้อ ให้ใช้รูปถ่ายฟ้าผ่า [10] ขอขอบคุณศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ ผ่านทางโครงการวิจัย พัฒนา และวิศวกรรม ของศูนย์เครือข่าย ที่ช่วยให้ผมได้มีโอกาสได้เปิดโลกทัศน์และสัมผัสกับงานด้านพลาสมา



เอกสารอ้างอิง

[1] http://www.phatlung.com/story/rammasoon.php

[2] http://home.earthlink.net/~jimlux/hv/paschen.htm

[3] F.F. Chen, Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, 2nd edition, Springer, 2006.

[4] Y.X.Guo et al. Phys. Scr. 80 (2009) 035901.

[5] J.S. Mäkelä, N. Porjo, A. Mäkelä, T. Tuomi, and V. Cooray, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 70 (2008) 2041–2052.

[6] F. Vidal, et al., Comptes Rendus Physique 3 (2002) 1361-1374.

[7] M.M.F. Saba, M. G. Ballarotti, and O. Pinto Jr. J. Geophys. Res., 111 (2006) D03101,doi:10.1029/2005JD006415.

[8] O. Mendes Jr. and M. O. Domingues, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 67 (2005) 1287–1297.

[9] http://www.vcharkarn.com/varticle/78.

[10] http://www.taweesak.in.th/