ก๊าซเรือนกระจก ภาวะเรือนกระจก คือ สาเหตุปรากฏการณ์เรือนกระจก

16 พย. 55     496

ก๊าซเรือนกระจก ภาวะเรือนกระจก คือ สาเหตุปรากฏการณ์เรือนกระจก

 




ก๊าซ เรือนกระจก

กลศาสตร์ควอนตัม เป็นวิชาที่ให้พื้นฐานสำหรับใช้คำนวณปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลและการแผ่กระจายรังสี ปฏิสัมพันธ์เกือบทั้งหมดนี้เกิดขึ้นเมื่อความถี่ของการแผ่กระจายรังสีที่เทียบได้กับเส้นสเปกตรัม (spectral lines)ของโมเลกุลซึ่งกำหนดโดยโหมดของการสั่นสะเทือนและการหมุนควงของโมเลกุล (การกระตุ้นทางอีเลกทรอนิกส์โดยทั่วไปใช้ไม่ได้กับการแผ่กระจายรังสีอินฟราเรดเนื่องจากความต้องการพลังงานในปริมาณที่มากกว่าที่จะใช้กับโฟตอนอินฟราเรด)

ความกว้างของเส้นสเปกตรัมเป็นองค์ประกอบ สำคัญที่จะช่วยให้เกิดความเข้าใจถึงความสำคัญของการดูดกลืนการแผ่รังสี ความกว้างของสเปกตรัมในบรรยากาศโดยทั่วไปกำหนดด้วย “การแผ่กว้างของแรงดัน” ซึ่งก็คือการบิดเบี้ยวของสเปกตรัมเนื่องจากการประทะกับโมเลกุลอื่น การดูดกลืนรังสีอินฟราเรดเกือบทั้งหมดในบรรยากาศอาจนึกเปรียบเทียบได้ว่าป็น การชนกันระหว่างสองโมเลกุล การดูดกลืนที่เกิดจากโฟตอนทำปฏิกิริยากับโมเลกุลโดดมีขนาดเล็กมากๆ ปัญหาที่เกิดจากการณ์ลักษณะทั้งสามนี้คือ โฟตอน 1 ตัวและโมเลกุล 2 ตัวดังกล่าวสร้างความท้าทายโดยตรงที่ให้น่าสนใจมากขึ้นในเชิงของการคำนวณทางกลศาสตร์ควอนตัม การวัดสเปกตรัม (spectroscopic measurements) อย่างระมัดระวังในห้องทดลองให้ผลการคำนวณการถ่ายโอนการแผ่รังสีในการศึกษา บรรยากาศได้น่าเชื่อถือมากกว่าการใช้การคำนวณเชิงกลศาสตร์ควอนตัมแบบเก่า

โมเลกุล/อะตอมที่เป็นองค์ประกอบใหญ่ของบรรยากาศ ซึ่งได้แก่ออกซิเจน (O2), ไนโตรเจน (N2) และ อาร์กอน (Ar) ไม่ทำปฏิกิริยากับรังสีอินฟราเรดมากนักขณะที่โมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจน สามารถสั่นตัวได้เนื่องจากความสมดุลในตัว การสั่นตัวจึงไม่เกิดการแยกตัวเชิงภาวะชั่วครู่ของประจุไฟฟ้า (transient charge separation) การขาดความเป็น “ขั้วคู่” ของภาวะชั่วครู่ดังกล่าวจึงไม่มีทั้งการดูดกลืนเข้าและการปล่อยรังสี อินฟราเรดออก ในบรรยากาศของโลกก๊าซที่ทำหน้าที่หลักในการดูดกลืนอินฟราเรดมากที่สุดคือไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์และโอโซน (O3) นอกจากนี้ โมเลกุลอย่างเดียวกันก็ยังเป็นกลุ่มโมเลกุลหลักในการปล่อยอินฟราเรด CO2 และ O3 มีลักษณะการสั่นของโมเลกุลแบบยวบยาบซึ่งเมื่ออยู่ในภาวะที่เป็นหน่วยเล็กสุด (quantum state) มันจะถูกกระตุ้นจากการชนของพลังงานที่เข้าปะทะกับบรรยากาศของโลก ตัวอย่างเช่น คาร์บอนไดออกไซด์ซึ่ง เป็นโมเลกุลเป็นแบบเกาะกันตามยาวแต่มีรูปแบบการสั่นที่สำคัญคือการแอ่นตัว ของโมเลกุลที่คาร์บอนไดออกไซด์ที่อยู่ตรงกลางเอนไปข้างหนึ่งและออกซิเจนแอ่น ไปอีกข้างหนึ่งทำให้เกิดประจุไฟฟ้าแยกตัวออกมาเป็น “ขั้วคู่” (dipole moment) ชั่วขณะหนึ่งซึ่งทำให้โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ดูดกลืนรังสีอินฟราเรดไว้ ได้ การปะทะทำให้เกิดการถ่ายโอนพลังงานไปทำให้ก๊าซที่อยู่รอบๆ ร้อนขึ้น หรืออีกนัยหนึ่งก็คือโมเลกุลของ CO2 ถูกสั่นโดยการปะทะนั่นเอง ประมาณร้อยละ 5 ของโมเลกุล CO2 ถูกสั่นโดยที่อุณหภูมิของห้องและปริมาณร้อยละ 5 นี้เองที่เปล่งรังสีออกมา การเกิดที่สำคัญของปรากฏการณ์เรือนกระจกจึงเนื่องมาจากการปรากฏอยู่ของ คาร์บอนไดออกไซด์ที่สั่นไหวง่ายเมื่อถูกกระตุ้นโดยอินฟราเรด CO2

ยังมีรูปแบบอื่นอีก 2 รูปแบบ ได้แก่การแอ่นตัวที่สมดุลไม่เปล่งรังสีกับการแอ่นตัวที่ไม่สมดุลที่ทำให้ เกิดความถี่ในการสั่นสูงเกินที่จะถูกกระตุ้นได้ด้วยการปะทะจากความร้อนของ บรรยากาศได้แม้มันจะยังทำหน้าที่ดูดกลืนอินฟราเรดได้บ้างก็ตาม รูปแบบการสั่นตัวของโมเลกุลของน้ำอยู่อัตราที่สูงเกินที่จะแผ่รังสีออกมาได้อย่างมีผล แต่มันยังสามารถดูดกลืนรังสอินฟราเรดที่มีความถี่สูงได้ ไอน้ำมี รูปโมเลกุลแอ่น มีขั้วคู่ที่ถาวร (ปลายของอะตอมออกซิเจนมีอีเลกตรอนมากและอะตอมของไฮโดรเจนมีน้อย) ซึ่งหมายความว่าแสงอินฟราเรดสามารถเปล่งออกและดูดกลืนได้ในระหว่างช่วงต่อ ของการหมุนตัวและการหมุนตัวก็เกิดได้จากการชนระหว่างการถ่ายโอนพลังงาน เมฆก็ นับเป็นตัวดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่สำคัญ ดังนั้น น้ำจึงมีปรากฏการณ์เชิงอเนกต่อการแผ่รังสีอินฟราเรดผ่านช่วงการเป็นไอและ ช่วงการกลั่นตัว ตัวดูดกลืนที่สำคัญอื่นๆ รวมถึงก๊าซมีเทน ไนตรัสออกไซด์และคลอโรฟลูโอโรคาร์บอน

การโต้เถียงเกี่ยวกับความสำคัญในความ สัมพันธ์ของตัวดูดกลืนรังสีอินฟราเรดชนิดต่างๆ ยังมีความสับสนที่เนื่องมาจากการทับซ้อนกันระหว่างเส้นสเปกตรัมที่เกิดจาก ก๊าซต่างชนิดที่ถ่างออกเนื่องจากแรงกดดันที่กว้างขึ้น ซึ่งมีผลทำให้การดูดกลืนของก๊าซชนิดหนึ่งไม่อาจเป็นอิสระจากก๊าซอื่นที่มี ร่วมอยู่ในขณะนั้นได้ ช่องทางที่อาจทำได้วิธีหนึ่งคือการแยกเอาก๊าซดูดกลืนที่ต้องการวัดออก ปล่อยก๊าซดูดกลืนอื่นๆ ไว้และคงอุณหภูมิไว้ตามเดิมแล้วจึงวัดรังสีอินฟราเรดที่หนีออกสู่ห้วงอวกาศ ค่าที่ลดลงของการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่วัดได้จึงกลายเป็นตัวสำคัญขององค์ ประกอบ และเพื่อให้แม่นยำขึ้น การบ่งชี้ปรากฏการณ์เรือนกระจกให้ชัดเจนว่ามีความแตกต่างกันระหว่างการแผ่ รังสอินฟราเรดจากผิวโลกสู่ห้วงอวกาศที่ปราศจากบรรยากาศ กับการแผ่รังสีอินฟราเรดที่หนีออกสู่ห้วงอวกาศตามที่เกิดขึ้นจริง จากนั้นจึงคำนวณอัตราร้อยละของการลดลงของปรากฏการณ์เรือนกระจกเมื่อส่วน ประกอบ (constituent) ถูกแยกออกไป ตารางข้างล่างนี้คือผลการคำนวณโดยใช้วิธีนี้ ซึ่งได้ใช้แบบจำลองมิติเดี่ยวของบรรยากาศ การใช้แบบจำลอง 3 มิติที่นำมาใช้คำนวณเมื่อเร็วๆ นี้ได้ผลออกมาใกล้เคียงกัน

ก๊าซที่ถูกดึงออกการลดปรากฏการณ์เรือนกระจก
H2O 36%
CO2 9%
O3 3%

(ที่มา: GISS-GCM ModelE simulation) [4]

ด้วยการคำนวณวิธีนี้ ทำให้เราคิดได้ว่าไอน้ำเป็นตัวที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์ เรือนกระจก ประมาณร้อย ละ 30 คาร์บอนไดออกไซด์ร้อยละ 9 แต่ผลจากการดึงตัวประกอบทั้งสองเมื่อนำมารวมกันจะได้มากกว่าผลรวมที่ได้จาก การลดผลกระทบของตัวประกอบทั้ง 2 ตัวซึ่งในกรณีนี้มากกว่าร้อยละ 45 ข้อกำหนดที่เป็นเงื่อนไขคือตัวเลขเหล่านี้คำนวณได้โดยมีข้อแม้ว่าการกระจาย ของเมฆต้องตายตัว แต่การแยกเอาไอน้ำออกจากบรรยากาศทั้งๆ ที่มีเมฆมากดูจะไม่สมเหตุผลทางกายภาพเท่าใดนัก นอกจากนี้ปรากฏการณ์ของก๊าซที่กำหนดให้มักเป็นประเภทที่ในแง่ของปริมาณไม่ เป็นไปตามยาว ทั้งนี้เนื่องจากการดูดกลืนโดยก๊าซ ณ ระดับหนึ่งในบรรยากาศทำให้โฟตอนแยกออกไปโดยไม่มีผลกระทบใดๆ กับก๊าซที่อยูในระดับความสูงอื่น ประเภทของการประมาณการที่ปรากฏในตารางข้างต้นมักประสบปัญหาที่เป็นที่ถก เถียงกันได้มากเกี่ยวกับปรากฏการณ์โลกร้อน การประมาณการที่แตกต่างไปที่พบในแหล่งข้อมูลอื่นๆ มักได้มาจากการนิยามที่แตกต่างกันไม่ไม่ได้สะท้อนให้เห็นถึงความไม่แน่นอนใน การถ่ายโอนพลังงานที่กล่าวถึง

 

การป้อนกลับเชิงบวก, การกู่ไม่กลับของปรากฏการณ์ เรือนกระจก และจุดพลิกผัน

จุดกู่ไม่กลับ (Tipping point) ของภาวะโลกร้อนคือจุดของการเปลี่ยนที่กระทำโดยกิจกรรมของมนุษย์ที่เสริมให้กระบวนการที่เคยเป็นไปตามปกติของธรรมชาติถึง จุดที่ไม่สามารถดึงกลับได้ อีก นักวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศบางคนเชื่อว่าปรากฏการณ์ดังกล่าวนี้จะเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2560 หรืออีก 52 ปีข้างหน้า[5] ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์คนอื่น เช่นเจมส์ แฮนเสน (James Hansen) นักวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศคนสำคัญของนาซาเชื่อว่าช่วงเวลากู่ไม่กลับดังกล่าวได้มาถึงแล้วในขณะนี้ [6]

เมื่อมีวงวนของปรากฏการณ์ เช่นความเข้มข้นของก๊าซเรือนกระจกชนิดหนึ่งเกิดขึ้นกลายเป็นตัวเพิ่ม อุณหภูมิ การป้อนกลับย่อมเกิดขึ้นเป็นวงวนดังดล่าว ถ้าปรากฏการณ์อุณหภูมิเกิดขึ้นไปในทิศทางเดียวกันการป้อนกลับก็จะเป็นเชิง บวก และถ้าเป็นไปในทิศทางตรงกันข้ามก็จะเป็นการป้อนกลับเชิงลบ ในบางครั้งผลป้อนกลับอาจเกิดขึ้นได้ด้วยเหตุเดียวกันกับแรง แต่ก็อาจเกิดโดยผ่านก๊าซเรือนกระจกตัวอื่นหรือปรากฏการณ์อื่นก็ได้ เช่นการเปลี่ยนแปลงของน้ำแข็งที่ปกคลุมผิวโลกซึ่งมีผลต่ออัตราส่วนรังสีสะท้อนของโลก

ผลป้อนกลับเชิงบวกไม่จำเป็นต้องทำให้เกิดปรากฏการณ์หนีห่าง (runaway effect) เสมอไป ด้วยการแผ่รังสีจากผิวโลกที่เพิ่มอุณหภูมิขึ้นเป็นสัดส่วนยกกำลังสี่ ผลป้อนกลับย่อมจะต้องมีระดับความรุนแรงพอที่จะสร้างปรากฏการณ์หนีห่างออกไป ได้ การเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซเรือนกระจกนี้จะทำให้เกิดไอน้ำเพิ่ม เป็นเหตุให้ร้อนเพิ่มขึ้นอีกนี้คือผลป้อนกลับเชิงบวก ปรากฏการณ์ดังกล่าวไม่อาจทำให้ปรากฏการณ์หนีห่างเกิดขึ้นได้ มิฉนั้นปรากฏการณ์หนีห่างดังกล่าวคงเกิดขึ้นมานานแล้ว ปรากฏการณ์ผลป้อนกลับเชิงบวกมีการเกิดได้ทั่วไปและคงมีตัวตนอยู่เสมอ ในขณะปรากฏการณ์หนีห่างเกิดขึ้นได้ยากกว่าและเมื่อเกิดก็ไม่อาจคงอยู่ได้ ตลอดเวลา

ถ้าปรากฏการณ์จากการวนซ้ำครั้งที่สองเกิด ขึ้นและมีขนาดมากกว่าการวนซ้ำครั้งแรก เหตุการณ์นี้จะทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เป็นกัลปาวสาน และถ้าเกิดขึ้นและให้ผลป้อนกลับที่หยุด ณ ขณะเมื่อเกิดอุณหภูมิสูงมากเรียกว่า “ปรากฏการณ์ เรือนกระจก แบบหนีห่าง” ผลป้อนกลับแบบหนีห่างอาจเกิดขึ้นได้ในทิศทางตรงกันข้ามที่นำไปสู่ยุคน้ำแข็งได้ ปรากฏการณ์หนีห่างจะหยุดลงถ้าความเป็นอนันต์ของอุณหภูมิไม่เกิดขึ้น มันจะหยุดเนื่องจากเหตุต่างๆ เช่นการลดปริมาณของก๊าซเรือนกระจกหรือ การเปลี่ยนของก๊าซหรือการเปลี่ยนแปลงของน้ำแข็งที่คลุมผิวโลกที่ลดลงจนไม่ เหลือ หรือเพิ่มพื้นที่ปกคลุมใหญ่ขึ้นจนใหญ่ต่อไปอีกไม่ได้

ตามสมมุติฐาน “ปืนคลาเทรต” (clathrate gun hypothesis) การหนีห่างของปรากฏการณ์เรือนกระจกอาจเกิดขึ้นได้โดยการปลดปล่อยก๊าซมีเทนจาก สถานะของแข็งที่เป็นผลของภาวะโลกร้อนถ้าปริมาณของมีเทนแข็งมีมากพอและมีสภาพ ไม่เสถียร มีการคาดคะเนว่าเหตุการณ์สูญพันธุ์ครั้งใหญ่ในยุคเพอร์เมียน-ไทรแอสสิกเกิดจากปรากฏการณ์หนีห่างดังกล่าว และยังคิดกันว่าปริมาณมีเทนที่สูงขึ้นมากครั้งนั้นอาจเกิดจากที่ราบทรุนดาของไซบีเรียที่เริ่มละลาย ก๊าซมีเทนซึ่งมีความแรงในการเป็นก๊าซเรือนกระจกมากกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ถึง 21 เท่า[7]

ปรากฏการณ์หนีห่างของ เรือนกระจก มีความเกี่ยวข้องกับ CO2 และไอน้ำดังที่เกิดบนดาวพระศุกร บนดาวพระศุกรในปัจจุบันมีไอน้ำในบรรยากาศน้อยมาก ถ้าไอน้ำมีส่วนทำให้ดาวศุกรร้อนขึ้นในครั้งหนึ่งมาก่อน เชื่อกันว่าไอน้ำได้หนีออกสู่ห้วงอวกาศ ดาวพระศุกรถูกแสงอาทิตย์ทำให้ร้อนได้มากพอที่จะทำให้ไอน้ำเกิดในปริมาณมากจนแตกตัวเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน โดยแสงอุลตราไวโอเลต และไฮโดรเจนได้หนีหายไปในอวกาศและออกซิเจนรวมตัวกันใหม่ คาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นก๊าซส่วนใหญ่ในบรรยากาศดาวพระศุกรในปัจจุบันเกิด จากการรวมตัวขนาดใหญ่ที่มีภาวะวัฏจักรของคาร์บอนไดออกไซด์ไม่เพียงพอเมื่อ เทียบกับวัฏจักรดังกล่าวบนโลก ซึ่งคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมาเป้นจำนวนมากจากภูเขาไฟถูกเก็บไว้โดยแผ่นทวีปของโลกตามกาลเวลาทางธรณีวิทยาที่ผ่านมา[8][9]

 




แหล่งที่มา : th.wikipedia.org