เรื่องโดย รวิศ ทัศคร
ไฟป่าไม่ได้เป็นเพียงการลุกไหม้ของเชื้อเพลิง แต่เป็นปรากฏการณ์ที่ความร้อน การลอยตัวของอากาศ ลม และโครงสร้างของเชื้อเพลิงทำงานร่วมกันอย่างต่อเนื่อง เมื่อเงื่อนไขเหล่านี้เปลี่ยนไป พฤติกรรมของเปลวไฟก็เปลี่ยนตาม
ไฟผิวดินเมื่อมีการยกระดับขึ้นอีก ไฟป่าจะวิวัฒนาการกลายเป็น “ไฟเรือนยอด” (crown fire) คำนี้หมายถึงจุดที่ไฟเปลี่ยนจากควบคุมได้เป็นควบคุมไม่ได้ ในทางทฤษฎีพบว่า ความสูงฐานเรือนยอด (crown base height, CBH) หรือระยะจากพื้นดินถึงตำแหน่งต่ำสุดของกิ่งหรือใบที่มีชีวิตซึ่งรองรับการลุกไหม้ต่อเนื่องได้นั้นมีผลมาก ค่าความสูงฐานเรือนยอดที่ลดลงจะเพิ่มโอกาสเกิดไฟเรือนยอดต่อเนื่องสูง ขณะที่อิทธิพลของลมไม่ได้เป็นปัจจัยเดียวเนื่องจากความสูงฐานเรือนยอดมีผลด้วย เช่น พบว่าการสูญเสียมวลเรือนยอดที่ความเร็วลม 10 เมตรต่อวินาที กลับต่ำกว่าที่ความเร็วลม 8 เมตรต่อวินาที ทั้งนี้เพราะเปลวไฟถูกลมกดจนไม่สัมผัสเรือนยอด ในเชิงปฏิบัติการป้องกันไฟป่าคือ การลิดกิ่งล่างเพื่อเพิ่มค่าความสูงฐานเรือนยอดอาจป้องกันไฟลามได้ดีกว่าการคาดการณ์จากความเร็วลมเพียงอย่างเดียว
ทิศทางเองก็มีผล นั่นคือหากแนวไฟป่าสองแนวมาบรรจบกันเป็นรูปตัว V หรือที่เรียกว่า junction fire เมื่อใด จุดบรรจบจะเร่งความเร็วอย่างรวดเร็วในช่วงแรก อย่างไรก็ตามในกรณีที่เกิดไฟป่าบนพื้นราบไร้ลม ไฟจะชะลอตัวลง เนื่องจากเปลวไฟและแนวไฟบริเวณจุดบรรจบเปลี่ยนทิศ ทำให้แขนของแนวไฟทั้งสองค่อย ๆ ถ่างออกจากกัน อัตราการลามของแนวไฟจะลดลง แต่หากพื้นที่มีความชันหรือลมภายนอกแรงพอ ลมเหนี่ยวนำจะเรียงตัวไปทางเดียวกันกับทิศทางการลาม ไฟจึงลามด้วยอัตราเกือบคงที่โดยไม่มีการชะลอตัว
ไฟป่ามาพร้อมกับละอองลอยและเขม่าซึ่งเป็นภัยต่อสุขภาพของนักผจญเพลิงมาก เขม่าไม่ได้เกิดทันทีที่เชื้อเพลิงติดไฟ แต่ผ่านลำดับขั้นที่ค่อนข้างเหมือนกันเกือบทุกกรณี โดยเฉพาะเปลวที่มีเชื้อเพลิงเข้มข้น เริ่มจากสารตั้งต้นในวัฏภาคแก๊ส (อะเซทิลีน และสาร PAHs (polycyclic aromatic hydrocarbons)) ตามด้วยการก่อนิวเคลียสเป็นอนุภาคของแข็งขนาดนาโน การเติบโตที่ผิวพร้อมการสูญเสียไฮโดรเจนจนกลายเป็นกึ่งกราไฟต์ซึ่งเป็นขั้นที่อนุภาคเริ่มดูดกลืนแสง แล้วจึงรวมตัวเป็นกลุ่มอนุภาคแขวนลอย หรือ “แอกกรีเกตแบบแฟร็กทัล” ที่มีมิติแฟร็กทัล (Df) น้อยกว่า 1.8 ในบริบทของไฟป่า
สิ่งเหล่านี้คือกลุ่มอนุภาคเขม่าควันขนาดเล็ก (black carbon) ที่เกิดจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ แล้วจับตัวกันเป็นโครงร่างสามมิติที่มีรูปร่างคล้ายกิ่งไม้หรือพวงองุ่น มีลักษณะเด่นคือ ความไม่เป็นระเบียบและมีความพรุนสูงมากซึ่งเกิดจากอนุภาคคาร์บอนทรงกลมขนาดจิ๋ว (ขนาดประมาณ 30-50 นาโนเมตร) ลอยมาชนและเกาะติดกันในอากาศ จนกลายเป็นโครงสร้างที่มีความยืดขยาย
ประเด็นสำคัญต่อสุขภาพคือ กลุ่มอนุภาคแขวนลอยเหล่านี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางเชิงอากาศพลศาสตร์ต่ำกว่า 300 นาโนเมตร จึงอันตรายมากเพราะแทรกลึกถึงถุงลมปอดได้ ส่วนปริมาณฝุ่นที่ปล่อยออกมาจากไฟวัดได้ด้วยค่าการปล่อยเชิงอนุภาค (particulate emission factor, pEF) ซึ่งสัมพันธ์กับประสิทธิภาพการเผาไหม้ดัดแปลง (modified combustion efficiency, MCE) ที่บ่งบอกระดับความสมบูรณ์ของการเผาไหม้ ยิ่งเผาไหม้ได้สมบูรณ์มาก ปริมาณฝุ่นที่ปล่อยออกมาก็มักจะน้อยลง
มีการทดลองภาคสนามที่ทุ่งหญ้าแพรรีคอนซา (Konza Prairie) ในสหรัฐอเมริกา เพื่อพิสูจน์สมมติฐานการปล่อยมลพิษ พบว่า pEF ไม่ใช่ค่าคงที่ประจำชีวนิเวศ แต่เปลี่ยนแปลงไปตามพฤติกรรมของไฟโดยตรง ไฟหัวและไฟวงซึ่งมีความเข้มสูง จะให้ pEF ต่ำกว่าไฟข้างและไฟถอยอย่างชัดเจน เพราะไฟความเข้มสูงมีสัดส่วนการเผาไหม้แบบมีเปลวสูง เกิดกลุ่มควันลอยตัวที่แรงพอจะดูดผลิตภัณฑ์จากการคุกรุ่นกลับเข้าไปเผาซ้ำ ทำให้เหลือฝุ่นในควันน้อยลง ส่วนไฟความเข้มต่ำจะเกิดการคุกรุ่นมากกว่าและเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ จึงปล่อยฝุ่นมากกว่า พูดง่าย ๆ คือ รูปแบบการจุดไฟในการเผาเป็นตัวแปรควบคุมคุณภาพอากาศได้จริง
เมื่อ Lfire คือ มวลของมลพิษที่ปล่อยออกมา (เช่น CO2, CO, PM2.5, CH4, NOx) หน่วยมักเป็น ตัน (t), A คือ พื้นที่ที่ถูกเผาไหม้, MB คือ มวลเชื้อเพลิงที่พร้อมเผาไหม้ต่อหน่วยพื้นที่, Cf คือ สัมประสิทธิ์การเผาไหม้, Gef คือ ค่าการปล่อยแก๊สเรือนกระจก (emission factor)
อันที่จริงแล้วในสมการนี้ Gef เป็นจุดอ่อนเนื่องจาก IPCC มักใช้ค่า Gef คงที่ แต่ในความเป็นจริงนั้นขึ้นกับหลายปัจจัย เช่น ความชื้นเชื้อเพลิง อัตราการลามไฟ ความเข้มไฟ อัตราการปลดปล่อยความร้อน การเผาไหม้ว่าเป็นแบบมีเปลวหรือคุกรุ่น ความเร็วลม ชนิดของเชื้อเพลิง
ทอร์นาโดเพลิงและวังวนเพลิงคราม มหัศจรรย์แห่งเปลวเพลิง
ทอร์นาโดเพลิงหรือพายุหมุนไฟ (fire whirl/firenado) คือ ปรากฏการณ์ของเปลวไฟที่หมุนวนเป็นลำซึ่งทั้งสวยงามและน่าสะพรึง เกิดเมื่อกลุ่มควันลอยตัวขึ้นเหนือแหล่งไฟแล้วดูดอากาศเข้ามาในสนามการไหลที่มีการหมุนเวียนเชิงมุมอยู่ก่อน เมื่ออากาศถูกดึงเข้าใกล้แกนหมุน การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมจะทำให้ความเร็วในการหมุนเพิ่มขึ้น จนเกิดแกนหมุนที่บีบเปลวให้สูงและเรียว
 ทอร์นาโดเพลิงหรือพายุหมุนไฟ ที่มาภาพ : U.S. Fish and Wildlife Service, Public Domain via Wikimedia Commons |
ทอร์นาโดเพลิงอันตรายกว่าเปลวลอยตัวธรรมดาเพราะมีอุณหภูมิและอัตราการเผาไหม้ต่อพื้นที่สูงกว่า จึงยกเศษไฟลุกโชนขึ้นไปปล่อยลงในระยะไกลและก่อเป็นไฟใหม่ที่เกิดข้ามแนวกันไฟได้ ในธรรมชาติทอร์นาโดอาจเกิดขนาดใหญ่และรุนแรงมากได้ ดังเหตุการณ์แผ่นดินไหวใหญ่ย่านคันโต กรุงโตเกียว ประเทศญี่ปุ่น ปี ค.ศ. 1923 ที่ทั้งเมืองเกิดไฟไหม้รวมกันเป็นทอร์นาโดเพลิงขนาดมหึมา มีผู้เสียชีวิตอย่างสยดสยองมากถึง 38,000 คน ในเวลาเพียง 15 นาทีเท่านั้น หรือเหตุการณ์ไฟป่า Carr Fire ในแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา เมื่อปี ค.ศ. 2018 ที่มีพายุหมุนไฟเกิดขึ้นใกล้เมืองเรดดิง รัฐแคลิฟอร์เนีย พายุหมุนไฟครั้งนี้มีความรุนแรงเทียบเท่าพายุทอร์นาโดระดับ EF3 ด้วยความเร็วลมสูงสุดถึง 230 กิโลเมตรต่อชั่วโมง และมีความสูงถึง 5 กิโลเมตร นับเป็นพายุหมุนไฟที่ทรงพลังและร้ายแรงที่สุดครั้งหนึ่งในประวัติศาสตร์
คำถามคือ พายุหมุนไฟต้องหมุนแรงเท่าใดจึงจะทำให้เปลวเปลี่ยนสภาพ ? ผลการทดลองทำทอร์นาโดเพลิงในแล็บพบว่า ระบบแสดงสมบัติฮิสเทอรีซิส (hysteresis) กล่าวคือ ความแรงของการหมุนที่ทำให้เปลวไฟเอียงกลายเป็นไฟหมุนมีค่าสูงกว่าความแรงของการหมุนที่ทำให้ไฟหมุนสลายตัวถึง 1.50 เท่า และการก่อตัวเริ่มจากการวนขนาดเล็กที่ปลายเปลวแล้วแพร่ลงมาถึงฐาน เมื่อไฟหมุนก่อตัวแล้ว การลดลมลงเพียงเล็กน้อยไม่พอที่จะทำให้มันสลายตัว
แต่พายุเพลิงหมุนไม่ได้มีเค่ความน่ากลัวเพียงอย่างเดียว ล่าสุดในปี ค.ศ. 2016 นักวิทยาศาสตร์ได้พบปรากฏการณ์ใหม่ระหว่างการศึกษาทอร์นาโดเพลิงที่เผาไฮโดรคาร์บอนเหลวบนผิวน้ำโดยบังเอิญว่า ทอร์นาโดเพลิงสูงราวหนึ่งเมตรที่กำลังปั่นป่วน มีเขม่า และส่งเสียงดัง ยุบตัวลงภายในไม่กี่วินาที กลายเป็นเปลวสีน้ำเงินขนาดเล็กที่หมุนอย่างสงบ ราบเรียบ ไม่ปั่นป่วน (เรียกว่า การไหลแบบลามินาร์) และไม่มีเขม่าเลย
กลไกเบื้องหลังปรากฏการณ์นี้คือ การสลายตัวของกระแสวน (vortex breakdown) ซึ่งเป็นความไม่เสถียรของการไหลแบบหมุนที่มาเปลี่ยนกระแสวนเรียบให้เป็นโครงสร้างแบบฟอง โดยเงื่อนไขการเกิดปรากฏการณ์นี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยสามประการ คือ หมายเลขสเวิร์ล (swirl number, S) ที่วัดอัตราส่วนโมเมนตัมเชิงมุมต่อโมเมนตัมตามแกน ต่อไปคือ หมายเลขริชาร์ดสัน (Richardson number, Ri) ที่เป็นตัวแทนของแรงลอยตัว และสุดท้ายคือ การสูญเสียเชิงความหนืด
ที่น่าประหลาดใจคือนักวิทยาศาสตร์พบว่า ความหนืดกลับ “ส่งเสริม” ให้เกิดการสลายตัวของกระแสวนมากกว่าที่จะไปขัดขวาง และเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า blue whirl หรือพายุหมุนไฟสีน้ำเงิน
เมื่อค้นพบวังวนเพลิงครามที่เป็นไฟชนิดใหม่ แน่นอนว่าย่อมต้องหาทางใช้ในให้เกิดประโยชน์ ในตอนนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังค้นคิดหาวิธีใช้มันในการกำจัดคราบน้ำมันบนผิวน้ำอยู่ครับ เพราะวิธีมาตรฐานอย่างหนึ่งที่ใช้เพื่อรับมือน้ำมันรั่วไหลกลางทะเลในปัจจุบันก็คือ การเผา ณ ที่เกิดเหตุ (in-situ burning) ซึ่งกำจัดน้ำมันได้เร็วโดยไม่ต้องขนย้าย แต่เปลวจากบ่อน้ำมันเป็นเปลวแบบแพร่ที่เชื้อเพลิงเข้มข้นมาก จึงผลิตเขม่าดำมหาศาล เท่ากับเปลี่ยนมลพิษทางน้ำเป็นมลพิษทางอากาศ
blue whirl น่าสนใจในบริบทนี้ด้วยเหตุผลสามประการ ประการแรก มันเผาไฮโดรคาร์บอนเหลวบนผิวน้ำโดยตรง ตรงกับสถานการณ์น้ำมันรั่วไหลพอดี ประการที่สอง โครงสร้างสี่ส่วนของเปลวไฟทำให้เชื้อเพลิงผสมกับอากาศอย่างมีประสิทธิภาพก่อนถึงบริเวณปลดปล่อยความร้อนสูงสุด จึงไม่มีบริเวณที่เชื้อเพลิงเข้มข้นและอุณหภูมิสูงพร้อมกัน อันเป็นเงื่อนไขจำเป็นของการเกิดเขม่า ประการที่สาม การจำลองยืนยันว่าเชื้อเพลิงถูกใช้จนหมด ไม่มีไฮโดรคาร์บอนหลุดออกไปกับควัน
อย่างไรก็ตามการทำในสภาพใช้งานจริงนั้นยากเพราะอุปสรรคหลักคือ ขนาดวังวนเพลิงครามในแล็บมีเส้นผ่านศูนย์กลางวงแหวนเพียง 1.6–2.5 เซนติเมตร และเสถียรเมื่อแหล่งเชื้อเพลิงเล็กกว่า 50 มิลลิเมตรเท่านั้น ขณะที่คราบน้ำมันจริงมีขนาดเป็นกิโลเมตร อุปสรรคที่สองคือ มันดำรงอยู่ในแถบพารามิเตอร์แคบ ใกล้ขีดจำกัดการดับ การรักษาเงื่อนไขนั้นกลางทะเลเปิดที่มีลมและคลื่นเป็นเรื่องท้าทายอย่างยิ่ง และอุปสรรคที่สามคือ การก่อตัวโดยต้องเปลี่ยนผ่านจากสถานะทอร์นาโดเพลิงนั้นอันตรายเกินกว่าจะยอมรับได้ในการใช้งาน
แต่ก็มีข่าวดีคือ อุปสรรคทั้งสามประการเริ่มมีทิศทางแก้ไข มีการเสนอกฎเชิงสเกลเพื่อทำนายเงื่อนไข การเกิด blue whirl ที่ขนาดใหญ่ขึ้นโดยเฉพาะ ส่วนการค้นพบว่าการระบายอากาศเหนือเปลวสร้างวังวนเพลิงครามได้โดยตรงโดยไม่ต้องผ่านสถานะทอร์นาโดเพลิงก็ช่วยลดความเสี่ยงลงมาก ดังนั้นการเอาไปใช้งานจริงอาจไม่ใช่การสร้าง blue whirl ขนาดยักษ์ แต่เป็นการใช้ความรู้ความเข้าใจเรื่องการหมุนวนที่ได้จากการศึกษาเรื่องนี้มาลดเขม่าของการเผา ณ ที่เกิดเหตุน้ำมันรั่วไหลกลางทะเลแบบเดิมนั่นเอง
แหล่งข้อมูลอ้างอิง
- Baranovskiy, N.V., Vyatkina, V.A., Chernyshov, A.M. (2024). Numerical simulation of forest fires and possibilities to estimate aerosol emission: Recent advances. Fire Safety Journal, 150, 104250.
- Bufacchi, P., Krieger, G.C., Mell, W., Alvarado, E., Santos, J.C., Carvalho Jr., J.A. (2016). Numerical simulation of surface forest fire in Brazilian Amazon. Fire Safety Journal, 79, 44–56.
- Chen, Z., Liu, Z., Liu, L., Xiao, H. (2023). Formation and flame characteristics of the blue whirl. Proceedings of the Combustion Institute, 39, 3735–3743.
- Chung, J.D., Zhang, X., Kaplan, C.R., Oran, E.S. (2020). The structure of the blue whirl revealed. Science Advances, 6, eaba0827.
- Dubey, R.R., Yaghoobian, N. (2024). A physics-based model of thermodynamically varying fuel moisture content for fire behavior prediction. Environmental Modelling & Software, 179, 106111.
- Hu, Y., Hariharan, S.B., Qi, H., Gollner, M.J., Oran, E.S. (2019). Conditions for formation of the blue whirl. Combustion and Flame, 205, 147–153.
- Kim, Y.J., Tohidi, A., Valero, M.M., Clements, C.B. (2026). An intercomparison of wildfire spread models in Fire Dynamics Simulator (FDS) using FireFlux II experiment. Fire Safety Journal, 162, 104675.
- Lei, J., Liu, N. (2016). Reciprocal transitions between buoyant diffusion flame and fire whirl. Combustion and Flame, 167, 463–471.
- Sharaf, M., Sutherland, D., Wadhwani, R., Moinuddin, K. (2025). Thresholds of surface fire transition to crown fire: Effects of wind speed and crown base height with fixed moisture content. Fire Safety Journal, 158, 104545.
- Xiao, H., Chen, Z., Li, X., Wang, X. (2024). An experimental study of the blue whirl: Effect of fuel surface diameter. Combustion and Flame, 261, 113322.
- Zhang, W., Zussman, E., Yarin, A.L. (2020). Heat and mass transfer resulting in eruptive jetting from stems and leaves during distillation stage of forest fire. Experimental Thermal and Fluid Science, 116, 110112.
About Author
