ด้วย รังสีความร้อนที่แผ่มาจากดวงอาทิตย์ ทำให้แต่ละพื้นที่ของโลกมีอุณหภูมิแตกต่างกัน เกิดการไหลเวียนเปลี่ยนที่กันของวัสดุของโลก จำพวกก๊าซและของเหลว เช่น วัฏจักรของน้ำ การหมุนเวียนของกระแสน้ำในมหาสมุทร รวมทั้งการหมุนเวียนของ มวลอากาศ (air mass) หรือ ลม (wind) บนโลก

โลกมีการหมุนเวียนของกระแสลมตลอดเวลา ซึ่งแนวคิดตั้งต้นที่ จอร์จ แฮดลีย์ (Hadley G) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ใช้อธิบายระบบการหมุนเวียนลมโลก คือ หากสมมติให้ดวงอาทิตย์อยู่เหนือเส้นศูนย์สูตร พื้นผิวโลกจะได้รับพลังงานความร้อนจากดวงอาทิตย์แตกต่างกันในแต่ละพื้นที่ โดยขั้วโลกจะได้รับพลังงานแสงอาทิตย์น้อยกว่า พื้นที่ละติจูดต่ำหรือแถบศูนย์สูตร (รูปซ้าย) ส่งผลให้ลมโลกมีการไหลเวียน โดยมวลอากาศแถบศูนย์สูตรมีความร้อนมากกว่า จึง 1) ขยายตัว 2) ลอยขึ้นด้านบนสู่ชั้น โทรโพพอส (tropopause) ของชั้นบรรยากาศ และ 3) ไหลไปทางขั้วโลกเหนือ-ใต้ ซึ่งมีอากาศเย็นกว่า จากนั้นมวลอากาศเย็นที่ขั้วโลกจึงไหลเลียดตามพื้นผิวโลก จากขั้วโลกทั้งสอง ลงสู่แถบศูนย์สูตร เกิดการหมุนเวียนของกระแสลมเป็นวัฎจักร เรียกแบบจำลองการหมุนเวียนดังกล่าวว่า แบบจำลองการหมุนเวียนอากาศแบบเซลล์เดี่ยว (single-cell model) หรือ แฮดเลย์เซลล์ (Hadley cell)

โทรโพพอส (tropopause) คือ ขอบในชั้นบรรยากาศของโลกที่กั้นระหว่างชั้น โทรโพสเฟียร์ (troposphere) และ สตราโทสเฟียร์ (stratosphere) มีความสูงจากพื้นโลกประมาณ 5 – 15 กิโลเมตร

เพิ่มเติม : บรรยากาศ

โลกได้รับรังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์ แตกต่างกันในแต่ละพื้นที่ เนื่องจาก 1) มุมตกกระทบโลกของรังสีดวงอาทิตย์ที่แตกต่างกันในแต่ละพื้นที่ 2) ความเอียงของแกนโลก และ 3) พื้นที่ที่มีน้ำแข็งปกคลุม จะสะท้อนรังสีดวงอาทิตย์คืนสู่อวกาศได้มากกว่าพื้นที่อื่นๆ

เพิ่มเติม : การแผ่รังสี ดวงอาทิตย์-โลก

1) แบบจำลองการหมุนเวียนอากาศ

อย่างไรก็ตาม แบบจำลองการหมุนเวียนอากาศแบบเซลล์เดี่ยว (single-cell model) ซึ่งเป็นเพียงไอเดียตั้งต้น ยังมีข้อจำกัด โดยต้องเชื่อว่า 1) ผิวโลกเรียบเป็นทรงกลม 2) รังสีจากดวงอาทิตย์ส่องตรงมายังแถบศูนย์สูตรเท่านั้น และ 3) โลกต้องไม่หมุน แบบจำลองตั้งต้นจึงไม่สามารถอธิบายระบบลมโลกได้แม่นยำ ในเวลาต่อมา นักวิทยาศาสตร์จึงพัฒนาแบบจำลองใหม่ให้เข้าใกล้ความจริงมากขึ้น เรียกว่า แบบจำลองการหมุนเวียนอากาศแบบ 3 เซลล์ (three-cell model) (รูปขวา) ซึ่งประกอบไปด้วย วงจรการไหลเวียนในแนวดิ่งของลม หรือ เซลล์ลม (wind cell) จำนวน 3 เซลล์ ในแต่ละละติจูดของโลก ได้แก่

• แฮดเลย์เซลล์ (Hadley cell) หมุนเวียนตามแนวตั้ง (ตามเส้นลองจิจูด) โดยอากาศจะยกตัวบริเวณเส้นศูนย์สูตร 0^o และจมตัวใกล้ระดับละติจูดที่ 30^o เหนือและใต้
• เฟอร์เรลเซลล์ (Ferrel cell) ยกตัวที่ละติจูดที่ 60^o และจมตัวที่ 30^o ทั้งในซีกโลกเหนือและใต้
• โพลาร์เซลล์ (Polar cell) ยกตัวที่ละติจูดที่ 60^o และจมตัวที่ 90^o

โดยรอยต่อระหว่างกระแสลมในแต่ละเซลล์ ที่ระดับ โทรโพพอส (tropopause) จะมี ลมกรด (jet stream) ที่วิ่งขวางล้อล้อมรอบโลก ขนานไปกับแนวละติจูดของโลกที่ละติจูด 30^o และ 60^o ทั้งในซีกโลกเหนือและซีกโลกใต้

ลมกรด (jet stream) คือ กระแสลมที่วิ่งรอบโลกที่ระดับความสูง 5-15 กิโลเมตร เหนือพื้นดิน (โทรโพพอส (tropopause)) ด้วยความเร็วลมประมาณ 200-400 กิโลเมตร/ชั่วโมง แบ่งเป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ คือ 1) ลมกรดกึ่งโซนร้อน (subtropical jet) ละติจูด 30^o เหนือ และ 30^o ใต้ 2) ลมกรดขั้วโลก (polar jet) ละติจูด 60^o เหนือ และ 60^o ใต้

2) ชนิดและการเคลื่อนที่ของลม

ดังที่กล่าวไปในเบื้องต้น หากพิจารณาการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง ทั้ง 3 เซลล์ลม จะประกอบไปด้วยทั้ง 1) ลมชั้นบน (geostrophic wind) ที่วิ่งอยู่ในระดับ โทรโพพอส (tropopause) และ 2) ลมผิวพื้น (surface wind) ซึ่งในกรณีของ ลมผิวพื้น (surface wind) ด้วยปัจจัยของแรงเสียดทานระหว่างลมและพื้นผิวของโลก ประกอบกับการหมุนรอบตัวเองของโลก (แรงโคริออริส (Coriolis fource)) ทำให้ ทิศทางการไหลจริงของลมผิวพื้นในแนวราบ แตกต่างจากการมองลมผิวพื้น จากแบบจำลองลมในแนวดิ่ง (วิ่งดิ่งเหนือลงใต้ หรือ ใต้ขึ้นเหนือ) ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ ได้จัดจำแนกและเรียกชื่อ ลมผิวพื้น (surface wind) ในแต่ละโซนของโลก ดังนี้ (ลูกศรในรูป)

• ลมตะวันออกแถบศูนย์สูตร (equatorial easterlies) หรือ ลมค้า (trade wind) คือ ส่วนลมผิวพื้นของ แฮดเลย์เซลล์ (Hadley cell) ที่หากพิจารณาว่าโลกไม่หมุน จะไหลเวียนตามแนวตั้ง (ตามเส้นลองจิจูด) จากละติจูดที่ 30^o เหนือและใต้ เข้าสู่ละติจูดที่ 0^o บริเวณเส้นศูนย์สูตร แต่หากมองในมิติแนวราบ ลมตะวันออกแถบศูนย์สูตร หรือ ลมค้า ทางซีกโลกเหนือจะไหลเวียนจาก ทิศตะวันออกเฉียงเหนือ (NE) เข้าสู่เส้นศูนย์สูตร ในทิศตะวันตกเฉียงใต้ (SW) ของแนวลม ส่วนในกรณีลมค้าทางซีกโลกใต้จะไหลเวียนจากทิศ SE ไปทิศ NW
• ลมตะวันตกแถบศูนย์สูตร (equatorial westerlies) คือ ส่วนลมผิวพื้นของ เฟอร์เรลเซลล์ (Ferrel cell) ที่หากพิจารณาว่าโลกไม่หมุน จะไหลเวียนตามแนวตั้งจากละติจูดที่ 30^o เหนือและใต้ เข้าสู่ละติจูดที่ 60^o เหนือและใต้ แต่หากมองในมิติแนวราบ ลมตะวันตกแถบศูนย์สูตร ทางซีกโลกเหนือจะไหลเวียนจากทิศ SW ไปทิศ NE ของแนวลม ส่วนในซีกโลกใต้ ลมจะไหลเวียนจากทิศ NW ไปสู่ทิศ SE ของแนวลม
• ลมตะวันออกออกจากขั้วโลก (polar easterlies) คือ ส่วนลมผิวพื้นของ โพลาร์เซลล์ (Polar cell) ที่หากพิจารณาว่าโลกไม่หมุน จะไหลเวียนตามแนวตั้งจากละติจูดที่ 90^o (ขั้วโลกเหนือและใต้) เข้าสู่ละติจูดที่ 60^o เหนือและใต้ แต่หากมองในมิติแนวราบ ลมตะวันออกออกจากขั้วโลก ทางซีกโลกเหนือจะไหลเวียนจากทิศ NE ไปทิศ SW ของแนวลม ส่วนในซีกโลกใต้ ลมจะไหลเวียนจากทิศ SE ไปสู่ทิศ NW ของแนวลม

3) แถบความกดอากาศ

สืบเนื่องจาก แบบจำลองการหมุนเวียนอากาศแบบ 3 เซลล์ (three-cell model) ส่งผลให้ที่รอยต่อระหว่างเซลล์ลมแต่ละเซลล์ มีการยกตัว (ความกดอากาศต่ำ) และจมตัว (ความกดอากาศสูง) ของมวลอากาศหรือลม เกิดเป็นแถบความกดอากาศ ล้อมรอบโลกตามแนวละติจูดต่างๆ 5 แนว ซึ่งแต่ละแนวก็ส่งผลต่อสภาพลมฟ้าอากาศของโลก ในแต่ละระดับละติจูดแตกต่างกัน รายละเอียดมีดังนี้

1) แถบความกดอากาศต่ำเส้นศูนย์สูตร (Equator low)

ที่เส้นศูนย์สูตร โลกรับความร้อนจากดวงอาทิตย์มากที่สุด อากาศร้อนและชื้นยกตัวขึ้นสู่ระดับ โทรโพพอส (tropopause) มวลอากาศเบาบาง เกิดเป็น แถบความกดอากาศต่ำเส้นศูนย์สูตร (Equator low) ดึงดูดให้ลมในพื้นที่ข้างเคียงไหลเข้ามา ทำให้ ลมตะวันออกแถบศูนย์สูตร (equatorial easterlies) หรือ ลมค้า (trade wind) ซึ่งเป็นเซลล์ลมข้างเคียงที่อยู่ใกล้ที่สุด พัดเข้ามาแทนที่ลมก่อนหน้านี้ที่ยกตัวขึ้นไป (ดูรูปประกอบ) โดย ลมค้า (trade wind) พัดเลียดพื้นมาจากละติจูด 30^o ทั้งเหนือ-ใต้ มุ่งหน้าสู่เส้นศูนย์สูตร (ละติจูดเหนือลมไหลลงใต้ ละติจูดใต้ลมไหลขึ้นเหนือ) ตลอดทางที่ลมไหลเลาะเลียดพื้นมา ลมก็หอบเอาความชื้นที่มีอยู่ตามพื้นผิวโลกติดมาด้วย และเมื่อลมค้าจากทั้งซีกโลกเหนือ-ใต้ ไหลมาชนกัน ที่เส้นศูนย์สูตร เรียก แนวปะทะอากาศยกตัวเขตร้อน (Intertropic convergence zone; ITCZ) มวลอากาศร้อนขึ้นและยกตัวสู่ระดับ โทรโพพอส ไอน้ำในอากาศกลั่นตัวเป็นเมฆฝนหนาแน่น (เมฆคิวมูโลนิมบัส (Cumulonimbus)) บริเวณนี้จึงมีฝนตกชุกและมีพายุฝนฟ้าคะนองบ่อยครั้ง

• แนวปะทะอากาศยกตัวเขตร้อน (Intertropic convergence zone; ITCZ)

• แถบลมสงบบริเวณศูนย์สูตร (Doldrums)

• ร่องมรสุม (Monsoon Trough หรือ Equatorial Trough)

คือพื้นที่เดียวกัน หมายถึง แนวแคบๆ บริเวณศูนย์สูตรที่มีความกดอากาศต่ำ ที่ลมค้าในเขตร้อนของทั้ง 2 ซีกโลกไหลมาบรรจบกัน เกิดการยกตัวของอากาศร้อนชื้น เกิดเมฆ และพายุฝนฟ้าคะนอง ในแต่ละช่วงของปี เส้นศูนย์สูตรจะมีการเลื่อนขึ้น-ลงตามแนวโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ ทำให้ร่องมรสุมแกว่งอยู่ในช่วง 6-8^o ทั้งเหนือ-ใต้

2) แถบความกดอากาศสูงกึ่งศูนย์สูตร (Subtropical high)

ที่ละติจูดที่ 30° ทั้งในซีกโลกเหนือและใต้ ลมชั้นบนในระดับ โทรโพพอส วิ่งจากละติจูดที่ 60^o (เฟอร์เรลเซลล์) และ 0^o (แฮดเลย์เซลล์) วิ่งมาชนกันที่ละติจูดที่ 30° และกดตัวลงสู่พื้น ทำให้พื้นผิวโลกในแถบละติจูดที่ 30° มีความกดอากาศสูง เรียกว่า แถบความกดอากาศสูงกึ่งศูนย์สูตร (Subtropical high) และสืบเนื่องมาจากลมหรืออากาศที่จมตัวลงมา เป็นลมที่เย็นและแห้ง (เพราะก่อเมฆ ทิ้งไอน้ำเอาไว้ตั้งแต่ตอนยกตัวขึ้นระดับโทรโพพอส) ทำให้พื้นที่แถบนี้จะมี ท้องฟ้าแจ่มใส เพราะไม่มีการยกมวลอากาศร้อนชื้นขึ้นไปก่อเมฆ

หรือ แถบความกดอากาศสูงกึ่งศูนย์สูตร (Subtropical high) บนพื้นทวีปหรือพื้นแผ่นดิน ความชื้นที่พื้นผิวจะถูกลมแห้งดูดซับและไหลออกจากพื้นที่ตามกระแสลม ทำให้ที่ละติจูดที่ 30° ทั้งในซีกโลกเหนือและใต้ เป็นพื้นที่แห้งแล้ง ทะเลทราย (desert) และ ทุ่งหญ้าสเตปป์ (steppe) ส่วนใหญ่บนโลก ก็เกิดจากสาเหตุนี้และแถบละติจูดที่ 30° นี้

ที่ละติจูดที่ 30° หรือ แถบความกดอากาศสูงกึ่งศูนย์สูตร (Subtropical high) ในมหาสมุทร พื้นน้ำจะมีกระแสลมอ่อนมาก ถือเป็นอุปสรรคต่อการเดินเรือใบในสมัยโบราณ ที่ต้องใช้กระแสลมในการขับเคลื่อน นักเดินเรือในสมัยโบราณ รวมทั้งนักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน ถึงกับเรียกพื้นที่แถบนี้ตรงตามกันว่า เส้นละติจูดม้า (horse latitude) หรือ เส้นรุ้งม้า (horse latitude) ทั้งนี้ก็เนื่องมาจากเรื่องเล่าที่ว่า ในสมัยที่ยังใช้เรือใบแล่นลมในการเดินทาง เมื่อตั้งผ่าน ละติจูดที่ 30° หรือ แถบความกดอากาศสูงกึ่งศูนย์สูตร (Subtropical high) ลมจะสงบนิ่งมาก เรือไม่สามารถแล่นต่อไปได้ ลูกเรือจึงจำเป็นต้องโยนสินค้าสัมภาระ รวมทั้งม้าที่บรรทุกมากับเรือ ทิ้งลงทะเล เพื่อที่จะให้เรือแล่นต่อได้

3) แถบความกดอากาศต่ำกึ่งขั้วโลก (Subpolar low)

ที่ละติจูดที่ 60° เนื่องจาก 1) ลมตะวันออกออกจากขั้วโลก (polar easterlies) ซึ่งส่วนลมผิวพื้นของ โพลาร์เซลล์ (Polar cell) และ 2) ลมตะวันตกแถบศูนย์สูตร (equatorial westerlies) ซึ่งส่วนลมผิวพื้นของ เฟอร์เรลเซลล์ (Ferrel cell) ไหลเข้ามาปะทะกัน เกิดการยกตัวขึ้นของมวลอากาศสู่ระดับ โทรโพพอส ก่อให้เกิด แถบความกดอากาศต่ำกึ่งขั้วโลก (Subpolar low) หรือ แนวปะทะอากาศขั้วโลก (polar front) ทั้งในซีกโลกเหนือและซีกโลกใต้ ที่ละติจูดที่ 60°

เช่นเดียวกันกับ แถบความกดอากาศต่ำเส้นศูนย์สูตร (Equator low) การยกตัวของมวลอากาศ ทำให้ไอน้ำในอากาศกลั่นตัวเป็นเมฆฝนหนาแน่น (เมฆคิวมูโลนิมบัส (Cumulonimbus)) บริเวณนี้จึงมีฝนตกชุกและมีพายุฝนฟ้าคะนองบ่อยครั้ง เช่นกัน

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth