สารเคมีฝนหลวง

สารเคมีฝนหลวง 

พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว ทรงห่วงใยยิ่ง ในการนำสารเคมีฝนหลวงไปใช้ในการปฏิบัติการ ดังนั้นก่อนที่จะทรงเห็นชอบให้นำไปใช้ จึงต้องมีการวิเคราะห์วิจัยอย่างถี่ถ้วน ถึงผลกระทบว่า จะเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต ทั้งมนุษย์ พืช และสัตว์ ตลอดจนก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมหรือไม่ จากนั้นจึงทรงให้เลือกสารเคมีที่ผลิตในประเทศเท่าที่จะทำได้ และราคาไม่แพง เพื่อใช้ในการปฏิบัติการ (สารเคมีฝนหลวงทั้งหมด ๘ ชนิด ปัจจุบัน มีเพียง ๒ ชนิด ที่ต้องสั่งเข้ามาจากต่างประเทศ คาดว่าในอนาคตอันใกล้จะผลิตได้เองทั้งหมดในประเทศ)

สารเคมีฝนหลวงทุกชนิด ที่ใช้ในปัจจุบัน เป็นสารเคมีที่มีคุณสมบัติดูดซับความชื้นได้ดี และเมื่อดูดซับความชื้น จะทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นหรือต่ำลงแตกต่างกัน เพื่อให้เลือกชนิดและปริมาณใช้ได้ตามความเหมาะสมกับสภาพอากาศ และขั้นตอนกรรมวิธีในขณะนั้น ในรูปอนุภาคแบบผงและสารละลาย ทำหน้าที่เป็นแกนกลั่นตัวของเมฆ (Cloud condensation nuclei) ซึ่งมีลักษณะเป็นแกนแข็ง และสารละลายเข้มข้น หรือใช้สารเคมีที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ชักนำให้หยดน้ำ หรือสารละลายเข้มข้น กลายเป็นเกล็ดน้ำแข็ง (Ice nuclei) ดังนั้นสารเคมีฝนหลวงจึงแบ่งออกเป็น ๓ ประเภท คือ 

๑. สารเคมีประเภทคายความร้อน หรือทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น

สารเคมีประเภทนี้ เมื่อดูดซับความชื้นแล้ว จะเกิดปฏิกิริยา ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น เราใช้สารเคมีประเภทนี้ เพื่อดัดแปรสภาพอากาศให้เกิดความเปลี่ยนแปลงพลังความร้อน ที่ทำให้มวลอากาศเคลื่อนที่ (Thermodynamic) ด้วยการเพิ่มความร้อนอย่างฉับพลันที่เกิดจากปฏิกิริยา (Sensible heat) และความร้อนแฝงที่เกิดจากการกลั่นตัว ของไอน้ำรอบอนุภาคสารเคมี ที่เป็นแกนกลั่นตัวด้วย เมื่อเสริมสร้างความร้อนจากแสงอาทิตย์ จะทำให้มวลอากาศในบริเวณที่โปรยสารเคมีนี้ มีอุณหภูมิสูง และเกิดการลอยตัวขึ้น (Updraft) ได้ดีกว่าบริเวณที่ไม่ได้รับการโปรยสารเคมี อุณหภูมิ อากาศที่สูงขึ้นเพียง ๐.๑ องศาเซลเซียส จะมีผล ที่จะทำให้เกิดการลอยตัวขึ้นของอากาศได้ ปัจจุบันนี้มีใช้ในการปฏิบัติการฝนหลวงอยู่ ๓ ชนิด คือ

สารแคลเซียมคาร์ไบด์    (๑) แคลเซียมคาร์ไบด์ (Calcium carbide; CaC2) เมื่อดูดซับความชื้นแล้วจะให้ความร้อน ๒๙.๙ กิโลแคลอรี ต่อหนึ่งโมเลกุล และกลาย เป็นแกนกลั่นตัวแบบแกนแข็ง มีปฏิกิริยาดังนี้ 

   (๒) แคลเซียมคลอไรด์ (Calcium chloride: CaCl2) เมื่อดูดซับความชื้นแล้วจะให้ความร้อน ๑๙.๐ กิโลแคลอรี ต่อหนึ่งโมเลกุล และกลายเป็นแกนกลั่นตัวที่เป็นสารละลายเข้มข้น ที่มีความไวในการดูดซับความชื้นที่ผิวสูง มีปฏิกิริยาดังนี้

    (๓) แคลเซียมออกไซด์ (Calcium oxide; CaO) เมื่อดูดซับความชื้นแล้ว จะให้ความร้อน รวม ๔๓.๐ กิโลแคลอรี ต่อหนึ่งโมเลกุล จะเกิดปฏิกิริยา ๒ ขั้น ขั้นแรกจะให้ความร้อน ๑๕.๖ กิโลแคลอรีต่อหนึ่งโมเลกุล ขั้นที่ ๒ จะให้ความ ร้อน ๒๗.๔ กิโลแคลอรีต่อหนึ่งโมเลกุล และ กลายเป็นแกนกลั่นแบบแข็ง มีปฏิกิริยาดังนี้

๒. สารเคมีประเภทดูดกลืนความร้อน แล้วทำให้อุณหภูมิต่ำลง (Endothermic chemicals) 

สารเคมีประเภทนี้ เมื่อดูดซับความชื้นแล้ว จะเกิดปฏิกิริยา ทำให้อุณหภูมิต่ำลง เราใช้สารเคมีประเภทนี้ เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพในการดูดซับความชื้น แล้วกลายเป็นแกนสารละลายเข้มข้นที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิกลั่นตัว ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพในการกลั่นตัวสูงขึ้น และทำให้การเจริญของเม็ดน้ำในก้อนเมฆมีขนาดใหญ่เร็วขึ้น และความร้อนแฝงที่ปล่อยออกมาจากการกลั่นตัว จะทำให้เกิดการลอยตัวขึ้นของมวลอากาศ และทำให้เกิดขบวนการกลั่นตัวอย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้ขบวนการชนและรวมตัวกันของเม็ดน้ำ ให้เจริญใหญ่ขึ้น จะเสริมขบวนการกลั่นตัวในขั้นเลี้ยงให้อ้วน และเกิดขบวนการแตกตัวของเม็ดน้ำ ที่เจริญขึ้นจนมีขนาดใหญ่ จนกระทั่วความตึงผิว (Surface tension) ไม่สามารถคงขนาดอยู่ได้ หรือตกลงปะทะกับกระแสลมที่ลอยตัวขึ้น เม็ดน้ำที่มีขนาดใหญ่นั้น จะแตกตัวเองเป็นเม็ดน้ำขนาดเล็กๆ เพิ่มปริมาณแกนกลั่นตัวสารละลายเข้มข้นที่เจือจาง ลอยตัวกลับขึ้นไปเจริญใหม่ และเจริญขึ้น เป็นเม็ดน้ำขนาดใหญ่นกลายเป็นฝนตกลงมา หรือเกิดการแตกตัวอย่างต่อเนื่อง เป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ กลไก หรือขบวนการดังกล่าว เป็นการขยายขนาดเมฆ และเพิ่มปริมาณให้สูงขึ้น (Rain enhancement)

ปัจจุบันในการปฏิบัติการมีการใช้สารเคมีประเภทนี้อยู่ ๓ ชนิด คือ
(๑) ยูเรีย (Urea; Co (NH2)2) เมื่อดูด ซับความชื้นแล้วดูดกลืนความร้อนออกมาเท่ากับ ๑๐.๕๗ กิโลแคลอรีต่อหนึ่งโมเลกุล และกลาย เป็นแกนกลั่นตัว (nuclei) ซึ่งเป็นสารที่มีความไว ในการดูดซับความชื้นที่ผิว (Surface active material) สูง ทำให้การเจริญเติบโตของละอองน้ำในเมฆ กลายเป็นหยดน้ำที่มีขนาดใหญ่ขึ้นอย่างรวดเร็ว มี ปฏิกิริยาดังนี้

(๒) แอมโมเนียไนเทรต (Ammonium nitrate; NH4NO3) เมื่อดูดซับความชื้นแล้วดูดกลืน ความร้อนออกมาเท่ากับ ๖.๓๐ กิโลแคลอรีต่อหนึ่งโมเลกุล และกลายเป็นแกนกลั่นตัวเช่นเดียว กับยูเรีย ในกรณีที่สภาวะไอน้ำในอากาศหรือเมฆ ที่พร้อมจะตกเป็นฝนแล้ว เราช่วยดึงความ ร้อนออกมาได้ โดยการใช้สารประเภทดูดกลืนความร้อน มีปฏิกิริยาดังนี้

สารแอมโมเนียมไนเทรต
(๓) น้ำแข็งแห้ง (Dry ice; CO2(s)) ใช้ในสภาพบดเป็นเกล็ด หรือเป็นก้อนขนาดไม่เกิน ๑ ลูกบาศก์นิ้ว เป็นสารที่ผลิตจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ โดยผ่านกรรมวิธีภายใต้ความกดดันสูงๆ จนเปลี่ยนสถานะเป็นก้อนแข็ง เมื่ออยู่ในความกดดันปกติ จะดูดกลืนความร้อนเข้าไประเหิด เปลี่ยนจากสภาพของแข็ง เป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) มีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งถึง -๗๘ องศาเซลเซียส ทำให้สภาวะไอน้ำในอากาศ เกิดการควบแน่นและกลายเป็นเกล็ดน้ำแข็งได้ มีปฏิกิริยาดังนี้

น้ำแข็งแห้ง
๓. สารเคมีที่ทำหน้าที่ดูดซับความชื้น ประการเดียว

สารเคมีประเภทนี้ เมื่อเกิดปฏิกิริยาแล้ว เกิดการเปลี่ยนแปลงทางอุณหภูมิน้อยมาก จึงทำหน้าที่เป็นแกนกลั่นตัว และกลายเป็นแกนกลั่นตัวแบบสารละลายเข้มข้น เป็นสารที่ใช้ในทุกขั้นตอนของกรรมวิธีก่อกวน เลี้ยงให้อ้วน และโจมตี จากการเกิดขบวนการกลั่นตัว จะคายความร้อนแฝง ทำให้เกิดการลอยตัวขึ้นของมวลอากาศ ก่อให้เกิดขบวนการกลั่นตัวอย่างต่อเนื่องเช่นเดียวกัน สารเคมีประเภทนี้ ได้แก่

เกลือ    (๑) เกลือ (Sodium chloride; NaCl) ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันนี้เป็นเกลือทะเลที่ได้รับการพัฒนา จนเป็นผงละเอียดมีขนาดอนุภาคตั้งแต่ ๑๐ ไมครอน และไม่เกิน ๑๐๐ ไมครอน เมื่อดูดซับ ความชื้นแล้ว มีปฏิกิริยาดังนี้

  (๒) สารเคมี สูตร ท.๑ เป็นสารเคมี ที่เป็นทั้งสารผสมและสารประกอบหลายชนิดที่ ค้นคว้าวิจัยขึ้นมาล่าสุด สารที่ใช้ปฏิบัติการอยู่ใน ขณะนี้อยู่ในรูปของโซเดียมคลอไรด์ที่มีผลึกในรูป ของแร่เฮไลต์ (Halite) ซึ่งแตกต่างจากผลึกของ เกลือทะเลธรรมดาไม่ต่ำกว่า ๕๐% และอยู่ใน รูปของสารประกอบอื่นๆ เช่น เฟอริกออกไซด์ (Fe2O3) ในรูปของแร่ฮีมาไทต์ (Hematite) ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) ในรูปของแร่ควอรตซ์ (Quartz) แมกนีเซียมซัลเฟต (MgSO4.7H20) ในรูปของ ผลึกน้ำ อะลูมิเนียมคลอไรด์ (AlCl3) และแมกนีเซียมคลอไรด์ (MgCl2) รวมกันไม่ต่ำกว่า ๑๐% ซึ่งเมื่อดูดซับความชื้นในอากาศแล้ว จะมีคุณสมบัติเป็นแกนกลั่นตัวที่เป็นสารละลายเข้มข้น ไม่ต่ำกว่า ๕๐% นอกจากนี้ยังเป็นแกนกลั่นตัว แบบแกนแข็งไม่ต่ำกว่า ๑๐% และได้รับการพัฒนา จนมีขนาดอนุภาคตั้งแต่ ๑๐ ไมครอนถึงไม่เกิน ๑๘๐ ไมครอน เมื่อเป็นสารละลายอิ่มตัวจะมี ค่าตัวนำไฟฟ้า (Electrical conductivity) สูงถึง ๕๑๐ มิลลิโมล ซึ่งจะเสริมประสิทธิภาพในการกลั่นตัว และการรวมกันของเม็ดน้ำในขบวนการเจริญของ เม็ดน้ำและก้อนเมฆมากขึ้น