Blockdit Logo (Mobile)
วิทยาศาสตร์ทันโลกและภัยพิบัติในไทย
•
9 ส.ค. 2020 เวลา 14:29 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
***หลักการของคลื่นช๊อค คลื่นระเบิด และการระเบิดทำอันตรายต่อคนได้อย่างไร***
จากเหตุการณ์ระเบิดจากโกดังในเลบานอน 5 วันก่อน หลายคนเห็นคลิปแล้วคงเห็นคลื่นช็อค (shock wave) ที่ทำให้เราสังเกตุได้จากไอน้ำพวยพุ่งแบบทรงกลมแป๊บนึง(รูป2) แล้วหายไป .. จริงๆแล้วคลื่นที่เกิดขึ้น นักวิทย์เรียกว่า blast wave (คลื่นระเบิด) มากกว่า แต่หลักการก็ใกล้เคียงกันและคลื่นระเบิดนั้นเป็นชนิดย่อยของคลื่นช็อค ซึ่งเกิดจากการที่ความดันอากาศในบริเวณนั้นเพิ่มขึ้นอย่างเฉียบพลันและมากพอที่เกิดคลื่นเดินทางด้วยความเร็วไวกว่าความเร็วเสียงในอากาศ (ในที่นี้เป็นความดันอากาศเพราะระบบที่เราสนใจอยู่ในอากาศ) เช่นการที่เครื่องบินบินด้วยความเร็วที่ไวกว่าความเร็วเสียง(เรียกว่า supersonic) จะเกิดคลื่นช็อคดังรูป1 แต่ blast wave หรือคลื่นระเบิดนั้น เกิดในบริเวณรายล้อมจุดแก่นระเบิดที่อากาศเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วไวกว่าความเร็วเสียง พวกนี้เกิดไวมากเพียงหลักเศษเสี้ยวของวินาที ... หากใครนึกภาพคลื่นจากระเบิดไม่ออก ลองคิดว่าโยนหินก้อนใหญ่ลงไปในน้ำก็จะเกิดคลื่นกระเพื่อมๆออกมา เพียงแต่ในอากาศนั้นเป็นของไหลชนิดบีบอัดได้ พลวัตของมันจึงมีสิ่งน่าสนใจมากกว่าในน้ำ และแม้จะมองด้วยตาเปล่าได้ยากในอากาศ(เว้นแต่ไอน้ำควบแน่น รูป2) แต่มีหลายสิ่งเกิดขึ้นดังจะอธิบาย
รูป 1 คลื่นช็อค (Shock wave) ขณะเครื่องบินบินไวกว่าเสียง (Photo by Christopher Pasatieri)
รูป 2 คลื่นระเบิด (blast wave ) ขณะเกิดระเบิดที่เบรุต เลบานอน วันก่อน แสดงเมฆ/ไอน้ำชั่วขณะตามมา ระหว่างเกิด decompress ของอากาศ (Image credit: Karim Sokhn)
รูป 3 คลื่นระเบิด (blast wave) ระหว่างการระเบิด นำพามาซึ่งความดันสูงมากของอากาศ
ก่อนอื่น ในกรณีอย่างเครื่องบิน Concorde และรุ่นอื่นๆอย่างเครื่องบินทหาร ที่บินไวกว่าความเร็วเสียง จนเกิดเสียงดังที่เรียก Sonic Boom .. เครื่องบินทั่วไปนั้นบินไปก็บีบอัดอากาศด้านหน้าของมันจนเกิดคลื่นความดันอากาศที่เรียก bow wave (เปรียบคร่าวๆกับเรือที่เคลื่อนไปก็เกิดคลื่นกระเพื่อมในน้ำ) แต่อย่าง Concorde นั้นเมื่อบินไวกว่าความเร็วเสียงที่ 1235 กม/ชม. คือบินไวกว่าคลื่นเสียงที่ตัวเองสร้าง และคลื่นที่เกิดจากการบีบอัดอากาศ(คลื่นความดันอากาศ)ก็ถูกบีบมากขึ้นๆ จนไปกองกันอยู่ด้านหลังเครื่องบิน (รูป 4) จนคลื่นใกล้กันมากและทำให้เกิด คลื่นช็อค (shock wave) ในที่สุด ซึ่งความเข้มของช็อคจะสลายลงไปตามระยะทางรอบๆอย่างว่องไว ด้วยเพราะพลังงาน(เช่นความร้อนที่เกิดขึ้น)ส่งผ่านไปในอากาศ คลื่นช็อคจะกลายเป็นคลื่นปกติเช่นคลื่นเสียงไป .. เสียงจาก Sonic Boom ไม่ใช่สิ่งเดียวที่บ่งบอกว่าเกิดคลื่นช็อคและการบีบอัดอากาศอย่างมากจากการบินความเร็วเหนือเสียง ไอน้ำควบแน่นที่เกิดเป็นวงก็บ่งบอกด้วย ในการที่บินในอากาศที่ความชื้นพอ เมื่อเกิดการบีบอัดอากาศมากจนเกิดคลื่นช็อคก็จะเกิดสิ่งตรงข้ามตามมาเช่นกัน (เรียก rarefaction หรือความดันลดฮวบจนติดลบ) และในสภาวะเช่นนั้น อากาศจะเย็นชั่วขณะ ไอน้ำจะควบแน่นได้ง่ายดูเป็นเมฆตามรูป
2
รูป 4 เมื่อเครื่องบินบินไวกว่าความเร็วเสียง คลื่นที่เกิดจากการบีบอัดอากาศก็จะถูกบีบมากขึ้นๆ จนไปกองกันอยู่ด้านหลังเครื่องบิน และทำให้เกิดคลื่นช็อค (Photo by Melamed katz)
รูป 5 แสดงชัดเจนถึงคลื่นช็อคบนผิวน้ำทะเล ที่เกิดจากการระเบิดจากการยิงปืนใหญ่บนเรือรบ USS Iowa ของอเมริกา
มาถึงเรื่อง blast wave หรือคลื่นระเบิด อากาศที่รายล้อมจุดแก่นกลางระเบิดใหญ่(จากพลังงานสูงที่อัดอยู่ในปริมาตรเล็กๆ) จะเคลื่อนตัวออกอย่างรวดเร็ว อากาศบีบอัดเกิดความดันสูง(compression) พอเคลื่อนไวกว่าความเร็วเสียงก็เกิดคลื่นช็อคนำออกมา ในรูปของลมพัดแรง (blast wind) ที่แรงกว่าเฮอริเคนเสียอีก ...เช่นเดียวกับกรณีเครื่องบิน สิ่งที่ตามมาคือ ความดันลดฮวบจนติดลบ(decompression/rarefaction) ในรูปของลมแรงอีกรอบแม้จะเบากว่าอันแรก ซึ่งคราวนี้พัดดูดสิ่งต่างๆเข้าสู่ทิศใจกลางระเบิด (ดูรูป 6, 7 ) ในขณะนั้นอากาศจะเย็นชั่วขณะ จนเกิดไอน้ำควบกลั่นคล้ายเมฆกลมๆแผ่ ดังรูป 2 ใช้เวลารวมราวครึ่งวินาที.. ทั้งหมดนี้ไม่จำเป็นต้องเป็นระเบิดนิวเคลียร์ ระเบิดธรรมดาก็เกิดได้ หรือแม้แต่ภูเขาไฟระเบิดด้วยแรงดันสูง (รูป 10)
รูป 6 แสดงความดันอากาศรอบๆจุดระเบิด ในช่วงที่เกิดคลื่นระเบิด ที่แปรเปลี่ยนไปตามเวลาเสี้ยววินาที ในช่วงแรกเกิดความดันสูงมากๆ (overpressure)เพราะบีบอัด ลมเคลื่อนพัดกระแทกคนและตึกราม และต่อมาเกิดลมที่สองที่เบากว่าแต่พัดดูดเข้าหาแก่นกลางระเบิด ในช่วงที่ความดันลดฮวบติดลบ (เฟสลบ negative phase) และหากความชื้นสูง จะเกิดเมฆชั่วขณะ
รูป 7 แสดงหลักการรูปที่แล้ว
รูป 8 ขณะเกิดระเบิดในสงครามก็เกิดวงไอน้ำได้
รูป 9 ขณะเกิดระเบิดในสงครามในอากาศชื้น เกิดเมฆชั่วขณะ
รูป 10 ขณะเกิดภูเขาไฟระเบิด เมื่ออากาศบีบอัดจนเกิดคลื่นช็อค ก็เกิดเมฆชั่วขณะได้ รูปนี้ดังมาก ถ่ายโดยนาซ่า
ทำไมระเบิดถึงทำคนตาย 73 คนและบาดเจ็บเกือบ 4000 คนที่เลบานอนวันก่อน ...ในช่วงแรกของการระเบิด (ราว 0.2 วินาที) จะเกิดแรงดันอากาศสูงมากๆ (ดังส่วนแหลมๆช่วงแรกในกราฟรูป 6) ที่มาตามคลื่นช็อคหรือคลื่นระเบิด (blast wave) .. ความดันสูงนี้จะทำให้เกิดความต่างสูงของความดันระหว่างอวัยวะภายใน(โดยเฉพาะที่กลวงๆเช่นปอด)กับอากาศภายนอก จนอวัยวะเสียหายหรือเลือดออกภายในได้ .. อากาศภายในอาคารซึ่งมีความดันน้อยกว่าภายนอก กระจกจึงแตกในทันที ตึกรามที่อยู่ใกล้ๆใจกลางระเบิดจะเสียหายมากจากแรงลมมหาศาลปะทะ การปะทะนี้อาจเกิดนานหลายวินาทีแม้ว่าช่วงเกิดไอน้ำตอนความดันลบจะผ่านพ้นไปแล้ว .. นอกจากนี้ยังมีผลทุติยภูมิต่อมาจากเศษเล็กเศษน้อยวัตถุที่กระจายบินไปในอากาศ (ในกรณีระเบิดสงครามก็คือเศษกระสุน) ซึ่งที่ความเร็วสูงมีผลดั่งมีดโกนถาโถมใส่คนได้ ต่อมาผลตติยภูมิก็ได้แก่ ผลกระทบด้านความร้อน ซึ่งจริงๆเสียชีวิตจากสาเหตุนี้น้อยสุด แต่เพราะการระเบิดสามารถทำให้เกิดไฟไหม้ได้ คนอาจสำลักควันหรือแผลไฟไหม้หรือสลบ และยังมีผลจากตึกถล่มใส่ด้วย
รูป 11 ความเสียหายของตึกในเบรุต เพราะแรงดันอากาศสูงกระแทก (Image credit: Joseph Eid/AFP)
รูป 12 เมืองเบรุต เลบานอน ก่อนเกิดระเบิด
รูป 13 ผลกระทบต่างๆต่อคนจากการระเบิด
ท้ายนี้ นายกรัฐมนตรีเลบานอนได้กล่าวว่าสาเหตุระเบิดเพราะโกดังเก็บสารเคมีแอมโมเนียไนเตรตถูกไฟไหม้ลุกลาม สารนี้เอาไว้ทำปุ๋ยในเกษตรกรรมและไว้ใช้ระเบิดทำเหมือง ส่วนที่มีข่าวลือว่ามีลักษณะคล้ายเมฆกลมๆจึงเป็นอาวุธนิวเคลียร์นั้น (เราก็เข้าใจเรื่องเมฆกันไปแล้วข้างต้น) อาจารย์มหาลัย MIT ผู้ศึกษานิวเคลียร์มาตลอดยืนยันว่าไม่ใช่ เพราะขาดการกระจายตัวของความร้อนที่หากเป็นนิวเคลียร์จะทำให้ไฟไหม้ไปทั่ว และลวกไหม้ผู้คน อีกทั้งยังขาดการแฟรชแสงขาวหากเป็นระเบิดนิวเคลียร์ และยังขาดการพบสารกัมมันตรังสีอีกด้วยหลังจากระเบิด
ขอ Rest In Peace ผู้เสียชีวิตทุกท่านในเบรุต เลบานอน
 
บทความโดย ดร. ไพลิน ฉัตรอนันทเวช
1
โฆษณา