ภาวะเรือนกระจก
พลังงานจากดวงอาทิตย์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีทั้งรังสีคลื่นสั้นและคลื่นยาว บรรยากาศของโลกทำหน้าที่ปกป้องรังสีคลื่นสั้น ไม่ให้ลงมาทำอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตบนพื้นโลกได้ โมเลกุลของก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศชั้นบนสุด ดูดกลืนรังสีแกมมาและรังสีเอ็กซ์ จนทำให้อะตอมของก๊าซในบรรยากาศชั้นบนมีอุณหภูมิสูง และแตกตัวเป็นประจุ (บางครั้งเราเรียกชั้นบรรยากาศที่เต็มไปด้วยประจุนี้ว่า ไอโอโนสเฟียร์ มีประโยชน์ในการสะท้อนคลื่นวิทยุสำหรับการสื่อสาร) รังสีอุลตราไวโอเล็ตสามารถส่องผ่านบรรยากาศชั้นบนลงมา แต่ถูกดูดกลืนโดยก๊าซโอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์ที่ระยะสูงประมาณ 19 - 48 กิโลเมตร แสงแดดหรือแสงที่ตามองเห็นสามารถส่องลงมาถึงพื้นโลก รังสีอินฟราเรดถูกดูดกลืนโดยก๊าซเรือนกระจก เช่น ไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นโทรโปสเฟียร์ ส่วนคลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุในบางความถี่สามารถส่องทะลุชั้นบรรยากาศได้
พลังงานที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์
ร้อยละ 95 ของรังสีที่แผ่จากดวงอาทิตย์มีความยาวคลื่น 0.1 – 2.5 ไมโครเมตร (100 นาโนเมตร – 2,500 นาโนเมตร) ในจำนวนนี้เป็นรังสีอุลตราไวโอเล็ต 7% แสงที่ตามองเห็น 43% รังสีอินฟราเรดใกล้ (Near Infrared) 49% โดยมีรังสีแกมมา รังสีเอ็กซ์ และคลื่นวิทยุ เพียง 1% ทั้งนี้โดยมีความยาวคลื่นที่ให้พลังงานมากที่สุด (lmax) อยู่ที่ 500 นาโนเมตร ทำให้เรามองเห็นดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์สีเหลือง
พลังงานที่โลกแผ่ออกมา
เมื่อโลกได้รับรังสีจากดวงอาทิตย์ ก็จะดูดกลืนพลังงานและแผ่รังสีออกมาในรูปของรังสีอินฟราเรด ซึ่งมีความยาวคลื่น 2.5 – 30 ไมโครเมตร โดยมีความยาวคลื่นที่ให้พลังงานมากที่สุด ( max) อยู่ที่ 10 ไมโครเมตร (0.01 มิลลิเมตร) เรามักเรียกรังสีช่วงนี้ว่า “รังสีคลื่นสั้น” (Shortwave) เพราะว่ามี max อยู่ในย่านที่ตามองเห็น และเรียกรังสีที่โลกแผ่ออกมาว่า “รังสีคลื่นยาว” (Longwave) เพราะว่ามี max อยู่ในย่านอินฟราเรด ดังภาพที่ 2
หมายเหตุ: 1 เมตร (m) = 1,000,000 ไมโครเมตร (mm) = 1,000,000,000 นาโนเมตร (nm)
ตัวอย่างที่ 1: โลกแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่น 10 ไมโครเมตร (0.00001008 m) สู่อวกาศ แสดงว่าโลกมีอุณหภูมิเฉลี่ยเท่าไร T = 0.00289 / max = 0.00289 / 0.00001008 = 288 K
|
สมดุลพลังงานของโลก โลกของเราได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ 100% แต่จะสะท้อนพลังงานจำนวน 30% กลับคืนสู่อวกาศ พลังงานที่โลกดูดกลืนไว้ จะแผ่รังสีออกมาในรูปของคลื่นอินฟราเรด จากบรรยากาศเป็นจำนวน 58% และจากพื้นผิวเป็นจำนวน 12% ตามบัญชีที่แสดงต่อไปนี้
บัญชีพลังงานของโลก
(Planetary Energy Budget)
พลังงานขาเข้า
|
พลังงานขาออก
|
พลังงานที่ได้รับจากดวงอาทิตย์ 100
|
สะท้อนกลับคืนอวกาศ 30
|
|
บรรยากาศแผ่รังสีสู่อวกาศ 58
|
|
พื้นโลกแผ่รังสีสู่อวกาศ 12
|
รวม 100
|
รวม 100
|
พลังงานที่แผ่จากโลก = พลังงานที่โลกดูดกลืนไว้
|
ให้ อุณหภูมิของโลก = T รัศมีของโลก = R พื้นผิวของโลก = 4 R^2 พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่โลกได้รับต่อพื้นที่ (energy flux) = F = 1,370 วัตต์/ตารางเมตร กฎของสเตฟาน-โบลท์มานน์ F = T4 โดยที่ = 5.67 x 10-8 วัตต์/ตารางเมตร K^4 อัตราส่วนการสะท้อนแสงของโลก = A = 0.3 พลังงานที่แผ่จากโลก = F x พื้นที่ผิวของโลก = T4 x 4 R2 (กฎของสเตฟาน-โบลท์มานน์ S = T4) พลังงานที่โลกดูดกลืน = พลังงานที่โลกได้รับ – พลังงานที่สะท้อนออก (ภาพที่ 3) = R^2 x F - R^2 x F x A = R^2 x F (1-A) พลังงานที่แผ่จากโลก = พลังงานที่โลกดูดกลืนไว้ T^4 x R^2 = R^2 x F (1-A) T4 = F/4 (1-A)T = 4 F/4s (1-A) = 4 (1,370 / 4 x 5.67 x 10^-8) x (1-0.3) K^2 = 255 K อุณหภูมิของโลก (T) ที่คำนวณได้จากตารางข้างบนมีค่า 255 K หรือ -18°C นั้น เป็นอุณหภูมิซึ่งเกิดจากพลังงานที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์เพียงอย่างเดียว ทว่าความจริงบนพื้นผิวโลกมีอุณหภูมิเฉลี่ย 288 K หรือ 15°C (จากตัวอย่างที่ 1) ซึ่งสูงกว่าที่คำนวณได้ถึง 15 - (-18)°C = 33°C นั่นหมายความว่า โลกมีแหล่งความร้อนในบรรยากาศ
ภาวะเรือนกระจก บรรยากาศของโลกประกอบด้วย ก๊าซไนโตรเจน 78% ก๊าซออกซิเจน 21% ก๊าซอาร์กอน 0.9% นอกนั้นเป็น ไอน้ำ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนเล็กน้อย แม้ว่าไนโตรเจน ออกซิเจน และอาร์กอน จะเป็นองค์ประกอบหลักของบรรยากาศ แต่ก็มิได้มีอิทธิพลต่ออุณหภูมิของโลก ในทางตรงกันข้ามก๊าซโมเลกุลใหญ่ เช่น ไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และมีเทน แม้จะมีอยู่ในบรรยากาศเพียงเล็กน้อย กลับมีความสามารถในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด และมีอิทธิพลทำให้อุณหภูมิของโลกอบอุ่น เราเรียกก๊าซพวกนี้ว่า “ก๊าซเรือนกระจก” (Greenhouse gas)
ตารางที่ 1: ก๊าซเรือนกระจก
ก๊าซเรือนกระจก
|
ปริมาณก๊าซในบรรยากาศ (ต่อล้านส่วน)
|
ไอน้ำ
|
40,000
|
คาร์บอนไดออกไซด์
|
360
|
มีเทน
|
1.7
|
ไนตรัสออกไซด์
|
0.3
|
โอโซน
|
0.01
|
“เรือนกระจก” หมายถึง โรงเพาะปลูกต้นไม้ ซึ่งมีผนังที่ห่อหุ้มด้วยวัสดุโปร่งใส เช่น แก้ว หรือพลาสติก เพื่อป้องกันมิให้สูญเสียความร้อนออกไป ทำให้อากาศภายในมีอุณหภูมิสูง ช่วยให้ต้นไม้เจริญเติบโต โลกของเราก็มีสภาวะนี้เรียกว่า “ภาวะเรือนกระจก” (Greenhouse effect) โมเลกุลของก๊าซเรือนกระจกในบรรยากาศ จะทำหน้าที่ดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่โลกแผ่ออกมา ไม่ให้พลังงานสูญหายไปในอวกาศจนหมด ซึ่งช่วยให้โลกมีอุณหภูมิอบอุ่นขึ้น
ภาพที่ 4 ภาวะเรือนกระจก
หากพิจารณาเปรียบเทียบโลกและดวงจันทร์ ซึ่งอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์พอๆ กัน โลกมีอุณหภูมิเฉลี่ย 15°C อุณหภูมิเวลากลางวันและกลางคืนบนโลกแตกต่างกันประมาณ 10 - 20°C แต่ด้านที่รับแสงอาทิตย์ของดวงจันทร์มีอุณหภูมิสูงถึง 130°C และด้านเงามืดมีอุณหภูมิต่ำถึง -180°C ดังนั้นกลางวันและกลางคืนบนดวงจันทร์จึงมีอุณหภูมิแตกต่างกันถึง 310°C การที่กลางวันและกลางคืนบนโลกไม่แตกต่างกันมากเป็นเพราะ โลกมีการถ่ายเทพลังงานในชั้นบรรยากาศ ในเวลากลางวันเมฆและบรรยากาศจะช่วยสะท้อนแสงอาทิตย์ส่วนหนึ่งออกไป ทำให้อุณหภูมิไม่สูงมาก และรังสีอินฟราเรดที่แผ่ออกมาจากไอน้ำและก๊าซเรือนกระจก ช่วยรักษาอุณหภูมิไว้ไม่ให้ต่ำมากเวลากลางคืน ส่วนบนดวงจันทร์ไม่มีบรรยากาศ ในหมุนเวียนพลังงาน และพาความร้อน กลางวันและกลางคืนจึงมีอุณหภูมิแตกต่างกันมาก
ภาพที่ 4 บทบาทของเมฆในการรักษาอุณหภูมิ
จะเห็นได้ว่า ภาวะเรือนกระจกมีคุณประโยชน์ เพราะช่วยให้โลกมีความอบอุ่น และทำให้น้ำบนพื้นโลกมีครบทั้งสาม สถานะ จึงเป็นปัจจัยที่สำคัญที่เอื้ออำนวยต่อการดำรงชีวิต ดังนั้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์ต้องการจะหาดาวเคราะห์ที่มีความเป็นไปได้ที่จะมีสิ่งมีชีวิต เขาจะมองหาดาวที่มีสเปคตรัมของก๊าซเรือนกระจก
ภาพที่ 5 ภาวะเรือนกระจกที่ช่วยให้โลกอบอุ่น
|