BlogGang.com : : sirivinit : ปรากฏการณ์เรือนกระจก

ปรากฏการณ์เรือนกระจก

แผนภูมิแสดงให้เห็นระหว่างพลังงานในอวกาศ พลังงานในบรรยากาศของโลก และพลังงานที่พื้นผิวโลก ขีดความสามารถของบรรยากาศในอุ้มและรีไซเคิลพลังงานที่เปล่งจากผิวโลกเป็นตัวกำหนดลักษณะของปรากฏการณ์เรือนกระจก

เรือนกระจกสมัยใหม่ในสวนพฤกษศาสตร์ไวสเลย์ RHS Wisley

ปรากฏการณ์เรือนกระจก (Greenhouse Effect) คือกระบวนการที่เกิดจากการแผ่รังสีอินฟราเรดโดยบรรยากาศ แล้วทำให้พื้นผิวโลกร้อนขึ้น ชื่อดังกล่าวมาจากการอุปมาที่คลาดเคลื่อน ว่าเป็นการเปรียบเทียบอากาศที่อุ่นกว่าภายในเรือนกระจก กับอากาศที่เย็นกว่าภายนอก (ความจริงในอวกาศไม่มีอากาศ)

โจเซฟ ฟูริเออร์เป็นผู้ค้นพบปรากฏการณ์เรือนกระจกเมื่อ พ.ศ. 2367 และสวานเต อาร์เรเนียส (Svante Arrhenius) เป็นผู้ทดสอบหาปริมาณความร้อนเมื่อ พ.ศ. 2439

อุณหภูมิเฉลี่ยของโลกซึ่งอยู่ที่ 14 °C จะเย็นเท่ากับ -19 °C หากโลกปราศจากปรากฏการณ์เรือนกระจก ปรากฏการณ์โลกร้อน หรือการร้อนขึ้นของปรากฏการณ์โลกร้อนจากที่เป็นอยู่เดิมของบรรยากาศชั้นล่างของโลกเมื่อเร็วๆ นี้ เชื่อกันว่าเป็นผลมาจากการเพิ่มปริมาณของก๊าซเรือนกระจกในบรรยากาศ นอกจากโลกแล้ว ดาวอังคาร และดาวศุกร์ ก็มีปรากฏการณ์โลกร้อนเช่นเดียวกัน

กลไกพื้นฐาน

การแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ที่บรรยากาศชั้นบนและบรรยากาศชั้นล่าง
ลักษณะแถบการดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์และรังสีสะท้อนกลับจากพื้นผิวโลกของก๊าซเรือนกระจกชนิดต่างๆ โปรดสังเกตรังสีสะท้อนกลับสู่ท้องฟ้าที่ถูกดูดซับไว้เป็นปริมาณที่มากกว่า ซึ่งเป็นตัวการทำให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก

โลกรับพลังงานจากดวงอาทิตย์ในรูปของการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ พลังงานเกือบทั้งหมด มีขนาดความยาวช่วงคลื่นที่มองเห็นได้และในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรดที่เกือบมองเห็น (บางครั้งเรียกว่าช่วงคลื่นใกล้อินฟราเรด) โลกมีอัตราส่วนรังสีสะท้อน (albedo) ประมาณ 30% ของรังสีดวงอาทิตย์ที่แผ่ลงมา ที่เหลือร้อยละ 70 จะถูกดูดซับไว้ ทำความอบอุ่นให้แก่พื้นดิน บรรยากาศและมหาสมุทร

การที่อุณหภูมิของโลกอยู่ในภาวะเสถียรซึ่งไม่ร้อนขึ้นหรือเย็นลงอย่างรวดเร็วเกินไปได้นั้น การดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์สู่โลกจะต้องอยู่ในสภาวะสมดุลเป็นอย่างมาก กับรังสีอินฟราเรดที่สะท้อนกลับออกสู่อวกาศ

โดยที่ความเข้มของการแผ่กระจายรังสีอินฟราเรด เพิ่มขึ้นตามการเพิ่มของอุณหภูมิ เราจึงคิดว่าอุณหภูมิของโลก ขึ้นอยู่กับปริมาณของฟลักซ์หรือแรง (flux) ของอินฟราเรดที่จะต้องถ่วงดุลกับฟลักซ์ ของรังสีดวงอาทิตย์

การแผ่ของรังสีดวงอาทิตย์เกือบทั้งหมด ทำพื้นผิวของโลกร้อนขึ้น ไม่ใช่เป็นการทำให้บรรยากาศร้อนขึ้น บรรยากาศชั้นบนไม่ใช่ผิวโลกที่เป็นตัวช่วยให้การแผ่กระจายรังสีอินฟราเรดหนีออกสู่อวกาศ โฟตอนอินฟราเรด ที่ส่งออกมาทางผิวโลกเกือบทั้งหมดจะถูกดูดซับไว้ในบรรยากาศ โดยก๊าซเรือนกระจกและเมฆ ไม่ได้หนีออกโดยตรงสู่ห้วงอวกาศ

เหตุผลที่พื้นผิวโลกร้อนขึ้นนี้อาจทำให้เข้าใจได้ง่ายๆ ด้วยการเริ่มต้นจากการใช้แบบจำลองปรากฏการณ์เรือนกระจกอย่างง่าย ที่คิดเฉพาะการแผ่กระจายรังสี โดยไม่นำไปรวมกับการถ่ายโอนพลังงานในบรรยากาศโดยการพาความร้อน (sensible heat transport) และการระเหยและการกลั่นตัวของไอน้ำ (latent heat transport)

ในกรณีการคิดการแผ่กระจายรังสีเพียงอย่างเดียวนี้ เราอาจคิดได้ว่าบรรยากาศแผ่กระจายรังสีอินฟราเรด ทั้งจากด้านสู่ด้านบนลงมาและจากด้านล่างขึ้นไป ฟลักซ์ของรังสีอินฟราเรดที่ปล่อยออกจากผิวโลก จะต้องสมดุลไม่เพียงกับการดูดกลืนฟลักซ์ของรังสีดวงอาทิตย์เท่านั้น

แต่จะต้องสมดุลกับฟลักซ์ของอินฟราเรด ที่บรรยากาศปล่อยลงมาด้วย อุณหภูมิพื้นผิวโลกจะร้อนขึ้น จนถึงระดับการปลดปล่อยความร้อนในปริมาณเท่ากับผลรวมของรังสีดวงอาทิตย์ และอินฟราเรดที่เข้ามา

เริ่มจากการสังเกตที่เห็นได้ว่า ภาวะทึบแสงของบรรยากาศที่มีต่อการแผ่รังสีอินฟราเรด ว่าเป็นตัวกำหนดช่วงสูงของโฟตอนในบรรยากาศเกือบทั้งหมด ที่ถูกปล่อยออกสู่ห้องอวกาศ หากบรรยากาศมีภาวะทึบแสงมากขึ้น โฟตอนทั่วไปที่จะหนีออกสู่ห้วงอวกาศจะถูกปลดปล่อยจากชั้นบรรยากาศที่สูงขึ้น

เนื่องจากการแผ่กระจายของรังสีอินฟราเรด คือตัวทำให้เกิดความร้อน ดังนั้นอุณหภูมิของบรรยากาศ ในระดับการปลดปล่อยที่ทำให้เกิดผลจึงถูกกำหนด โดยความต้องการที่ฟลักซ์ของการปลดปล่อยสมดุล กับการดูดกลืนฟลักซ์ของรังสีดวงอาทิตย์

แต่อุณหภูมิของบรรยากาศโดยทั่วไป จะลดลงตามความสูงเหนือผิวพื้นในอัตราประมาณ 6.5 °C ต่อความสูง 1 กิโลเมตรโดยเฉลี่ยจนถึงบรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์ที่ความสูงประมาณ 10 – 15 กิโลเมตรจากผิวโลก (โฟตอนเกือบทั้งหมดที่ถูกปล่อยออกสู่ห้วงอวกาศโดยบรรยากาศชั้นโทรโปสเฟียร์ ซึ่งเป็นอาณาบริเวณที่อยู่ระหว่างผิวโลกกับสตราโตสเฟียร์ ดังนั้นเราจึงไม่นับบรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์)

แบบจำลองที่ง่ายที่สุด แต่เป็นแบบที่มีประโยชน์ที่สุด ได้แก่แบบจำลองที่มีสมมุติฐานว่า โปรไฟล์ของอุณหภูมิมีความคงที่และฟลักซ์ของพลังงาน เป็นแบบไม่มีการแผ่กระจายและกำหนดค่าอุณหภูมิไว้ ณ ระดับฟลักซ์ของการแผ่กระจายรังสีที่หนีออกสู่ห้วงอวกาศ

ด้วยแบบจำลองนี้เราสามารถคำนวณอุณหภูมิผิวพื้นโดยการเพิ่มของอุณหภูมิในอัตรา 6.5 °C ต่อการต่ำลงทุก 1 กิโลเมตร จนถึงผิวโลก ยิ่งบรรยากาศมีภาะวะทึบแสงมากขึ้นและระดับของการปลดปล่อยรังสีอินฟราเรดที่เพิ่มสู่ห้วงอวกาศมีมากขึ้นเท่าใด ผิวพื้นของโลกก็จะร้อนขึ้นเท่านั้น

คำว่า “ปรากฏการณ์เรือนกระจก” นี้เองที่เป็นตัวทำให้เกิดความสับสนว่าเรือนกระจกของจริงไม่ได้ร้อนขึ้นโดยกลไกนี้ การโต้เถียงที่แพร่หลายมักอ้างผิดๆ ว่ามันเป็นเช่นนั้น ความคลาดเคลื่อนนี้บางครั้งยังมีปรากฏในเอกสารทางวิทยาศาสตร์หรือเอกสารของรัฐฯ (เช่น เอกสารของ อี.พี.เอ.เป็นต้น)

ก๊าซเรือนกระจก

กลศาสตร์ควอนตัม เป็นวิชาที่ให้พื้นฐานสำหรับใช้คำนวณ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลและการแผ่กระจายรังสี ปฏิสัมพันธ์เกือบทั้งหมดนี้เกิดขึ้นเมื่อความถี่ของการแผ่กระจายรังสีที่ เทียบได้กับเส้นสเปกตรัม (spectral lines) ของโมเลกุล ซึ่งกำหนดโดยโหมดของการสั่นสะเทือนและการหมุนควงของโมเลกุล

(การกระตุ้นทางอีเลกทรอนิกส์โดยทั่วไปใช้ไม่ได้กับการแผ่กระจายรังสีอินฟราเรดเนื่องจากความต้องการพลังงานในปริมาณที่มากกว่าที่จะใช้กับโฟตอนอินฟราเรด)

ความกว้างของเส้นสเปกตรัม เป็นองค์ประกอบสำคัญที่จะช่วยให้เกิดความเข้าใจถึง ความสำคัญของการดูดกลืนการแผ่รังสี ความกว้างของสเปกตรัมในบรรยากาศโดยทั่วไปกำหนดด้วย “การแผ่กว้างของแรงดัน”

ซึ่งก็คือการบิดเบี้ยวของสเปกตรัม เนื่องจากการประทะกับโมเลกุลอื่น การดูดกลืนรังสีอินฟราเรดเกือบทั้งหมด ในบรรยากาศอาจนึกเปรียบเทียบได้ว่า เป็นการชนกันระหว่างสองโมเลกุล การดูดกลืนที่เกิดจากโฟตอนทำปฏิกิริยากับโมเลกุลโดดมีขนาดเล็กมากๆ

ปัญหาที่เกิดจากการณ์ลักษณะทั้งสามนี้คือ โฟตอน 1 ตัวและโมเลกุล 2 ตัวดังกล่าว สร้างความท้าทายโดยตรงที่ให้น่าสนใจมากขึ้นในเชิงของการคำนวณทางกลศาสตร์ควอนตัม การวัดสเปกตรัม (spectroscopic measurements) อย่างระมัดระวัง ในห้องทดลองให้ผลการคำนวณการถ่ายโอนการแผ่รังสี ในการศึกษาบรรยากาศได้น่าเชื่อถือมากกว่าการใช้การคำนวณเชิงกลศาสตร์ควอนตัมแบบเก่า

โมเลกุล/อะตอมที่เป็นองค์ประกอบใหญ่ของบรรยากาศ ซึ่งได้แก่ออกซิเจน (O2) , ไนโตรเจน (N2) และ อาร์กอน (Ar) ไม่ทำปฏิกิริยากับรังสีอินฟราเรดมากนักขณะที่โมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจนสามารถสั่นตัวได้เนื่องจากความสมดุลในตัว

การสั่นตัวจึงไม่เกิดการแยกตัวเชิงภาวะชั่วครู่ ของประจุไฟฟ้า (transient charge separation) การขาดความเป็น “ขั้วคู่” ของภาวะชั่วครู่ดังกล่าว จึงไม่มีทั้งการดูดกลืนเข้าและการปล่อยรังสีอินฟราเรดออก ในบรรยากาศของโลก

ก๊าซที่ทำหน้าที่หลักในการดูดกลืนอินฟราเรดมากที่สุดคือไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์และโอโซน (O3) นอกจากนี้ โมเลกุลอย่างเดียวกันก็ยังเป็นกลุ่มโมเลกุลหลัก ในการปล่อยอินฟราเรด CO2 และ O3 มีลักษณะการสั่นของโมเลกุลแบบยวบยาบ ซึ่งเมื่ออยู่ในภาวะที่เป็นหน่วยเล็กสุด (quantum state)

มันจะถูกกระตุ้นจากการชนของพลังงาน ที่เข้าปะทะกับบรรยากาศของโลก ตัวอย่างเช่น คาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นโมเลกุล เป็นแบบเกาะกันตามยาวแต่มีรูปแบบการสั่น ที่สำคัญคือการแอ่นตัวของโมเลกุลที่คาร์บอนไดออกไซด์ ที่อยู่ตรงกลางเอนไปข้างหนึ่งและออกซิเจนแอ่นไปอีกข้างหนึ่ง ทำให้เกิดประจุไฟฟ้าแยกตัวออกมาเป็น “ขั้วคู่” (dipole moment) ชั่วขณะหนึ่ง

ซึ่งทำให้โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ดูดกลืนรังสีอินฟราเรด ไว้ได้ การปะทะทำให้เกิดการถ่ายโอนพลังงานไป ทำให้ก๊าซที่อยู่รอบๆ ร้อนขึ้น หรืออีกนัยหนึ่งก็คือโมเลกุลของ CO2 ถูกสั่นโดยการปะทะนั่นเอง ประมาณร้อยละ 5 ของโมเลกุล CO2 ถูกสั่นโดยที่อุณหภูมิของห้องและปริมาณร้อยละ 5 นี้เองที่เปล่งรังสีออกมา การเกิดที่สำคัญของปรากฏการณ์เรือนกระจกจึงเนื่องมาจากการปรากฏอยู่ของคาร์บอนไดออกไซด์ที่สั่นไหวง่ายเมื่อถูกกระตุ้นโดยอินฟราเรด CO2

ยังมีรูปแบบอื่นอีก 2 รูปแบบ ได้แก่การแอ่นตัวที่สมดุลไม่เปล่งรังสีกับการแอ่นตัวที่ไม่สมดุล ที่ทำให้เกิดความถี่ในการสั่นสูงเกินที่จะถูกกระตุ้นได้ด้วยการปะทะจากความร้อนของบรรยากาศได้ แม้มันจะยังทำหน้าที่ดูดกลืนอินฟราเรดได้บ้างก็ตาม

รูปแบบการสั่นตัวของโมเลกุลของน้ำ อยู่อัตราที่สูงเกินที่จะแผ่รังสีออกมาได้อย่างมีผล แต่มันยังสามารถดูดกลืนรังสอินฟราเรดที่มีความถี่สูงได้ ไอน้ำมีรูปโมเลกุลแอ่น มีขั้วคู่ที่ถาวร (ปลายของอะตอมออกซิเจนมีอีเลกตรอนมากและอะตอมของไฮโดรเจนมีน้อย) ซึ่งหมายความว่า

แสงอินฟราเรดสามารถเปล่งออก และดูดกลืนได้ในระหว่างช่วงต่อของการหมุนตัว และการหมุนตัวก็เกิดได้จากการชนระหว่างการถ่ายโอนพลังงาน เมฆก็นับเป็นตัวดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่สำคัญ ดังนั้น น้ำจึงมีปรากฏการณ์เชิงอเนกต่อการแผ่รังสีอินฟราเรดผ่านช่วงการเป็นไอและช่วงการกลั่นตัว ตัวดูดกลืนที่สำคัญอื่นๆ รวมถึงก๊าซมีเทน ไนตรัสออกไซด์และคลอโรฟลูโอโรคาร์บอน

การโต้เถียงเกี่ยวกับความสำคัญในความสัมพันธ์ของตัวดูดกลืนรังสีอินฟราเรดชนิดต่างๆ ยังมีความสับสนที่เนื่องมาจากการทับซ้อนกันระหว่างเส้นสเปกตรัมที่เกิดจากก๊าซต่างชนิดที่ถ่างออกเนื่องจากแรงกดดันที่กว้างขึ้น ซึ่งมีผลทำให้การดูดกลืนของก๊าซชนิดหนึ่งไม่อาจเป็นอิสระจากก๊าซอื่นที่มีร่วมอยู่ในขณะนั้นได้

ช่องทางที่อาจทำได้วิธีหนึ่งคือ การแยกเอาก๊าซดูดกลืนที่ต้องการวัดออก ปล่อยก๊าซดูดกลืนอื่นๆ ไว้และคงอุณหภูมิไว้ตามเดิมแล้วจึงวัดรังสีอินฟราเรดที่หนีออกสู่ห้วงอวกาศ ค่าที่ลดลงของการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่วัดได้จึงกลายเป็นตัวสำคัญขององค์ประกอบ และเพื่อให้แม่นยำขึ้น

การบ่งชี้ปรากฏการณ์เรือนกระจก ให้ชัดเจนว่ามีความแตกต่างกันระหว่างการแผ่รังสอินฟราเรดจากผิวโลกสู่ห้วงอวกาศที่ปราศจากบรรยากาศ กับการแผ่รังสีอินฟราเรดที่หนีออกสู่ห้วงอวกาศ ตามที่เกิดขึ้นจริง

จากนั้นจึงคำนวณอัตราร้อยละ ของการลดลงของปรากฏการณ์เรือนกระจกเมื่อส่วนประกอบ (constituent) ถูกแยกออกไป ตารางข้างล่างนี้คือผลการคำนวณโดยใช้วิธีนี้ ซึ่งได้ใช้แบบจำลองมิติเดี่ยวของบรรยากาศ การใช้แบบจำลอง 3 มิติที่นำมาใช้คำนวณเมื่อเร็วๆ นี้ได้ผลออกมาใกล้เคียงกัน

ก๊าซที่ถูกดึงออก การลดปรากฏการณ์เรือนกระจก
H2O 36%
CO2 9%
O3 3%

(ที่มา: GISS-GCM ModelE simulation)

ด้วยการคำนวณวิธีนี้ ทำให้เราคิดได้ว่าไอน้ำเป็นตัวที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจกประมาณร้อยละ 30 คาร์บอนไดออกไซด์ร้อยละ 9 แต่ผลจากการดึงตัวประกอบทั้งสอง เมื่อนำมารวมกันจะได้มากกว่าผลรวมที่ได้จากการลดผลกระทบของตัวประกอบทั้ง 2 ตัว

ซึ่งในกรณีนี้มากกว่าร้อยละ 45 ข้อกำหนดที่เป็นเงื่อนไขคือตัวเลขเหล่านี้คำนวณได้โดยมีข้อแม้ว่าการกระจายของเมฆต้องตายตัว แต่การแยกเอาไอน้ำออกจากบรรยากาศทั้งๆ ที่มีเมฆมากดูจะไม่สมเหตุผลทางกายภาพเท่าใดนัก

นอกจากนี้ปรากฏการณ์ของก๊าซที่กำหนดให้ มักเป็นประเภทที่ในแง่ของปริมาณไม่เป็นไปตามยาว ทั้งนี้เนื่องจากการดูดกลืนโดยก๊าซ ณ ระดับหนึ่งในบรรยากาศทำให้โฟตอนแยกออกไป โดยไม่มีผลกระทบใดๆ กับก๊าซที่อยูในระดับความสูงอื่น

ประเภทของการประมาณการที่ปรากฏ มักประสบปัญหาที่เป็นที่ถกเถียงกันได้มาก เกี่ยวกับปรากฏการณ์โลกร้อน การประมาณการที่แตกต่างไปที่พบในแหล่งข้อมูลอื่นๆ มักได้มาจากการนิยามที่แตกต่างกัน ไม่ได้สะท้อนให้เห็นถึงความไม่แน่นอน ในการถ่ายโอนพลังงานที่กล่าวถึง

ขอขอบคุณ วิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

สิริสวัสดิ์อาทิตยวาร สิริมานภิรมย์ปรีดิ์นะคะ

Create Date : 23 มกราคม 2554

Last Update : 11 มีนาคม 2554 14:01:45 น.

0 comments

Counter : 1249 Pageviews.