ภาวะเรือนกระจก ไม่มีก็ไม่ได้ มากไปก็ไม่ดี

A A
Jan 16, 2022
Jan 16, 2022
A A

ภาวะเรือนกระจก ไม่มีก็ไม่ได้ มากไปก็ไม่ดี

 

ตอนนี้ใคร ๆ ก็มองก๊าซเรือนกระจกเป็นผู้ร้ายที่ทำให้โลกร้อน แต่ทราบไหมครับว่า ถ้าไม่มีก๊าซพวกนี้เลย เราก็อยู่ไม่รอดเลยเหมือนกัน วันนี้เรามาดูกันหน่อยว่าภาวะเรือนกระจกถูกค้นพบยังไง ทำไมการเผาถ่านหินถึงเคยถูกมองว่าเป็นสิ่งดี และเราสามารถคำนวณอุณหภูมิเฉลี่ยโลกด้วยสูตรง่าย ๆ ได้อย่างไร

ฟูรีเยสงสัยว่าทำไมโลกอุ่นจัง

โฌแซ็ฟ ฟูรีเย (Joseph Fourier) นักคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ศึกษาระยะทางระหว่างดวงอาทิตย์กับโลก แล้วก็สงสัยว่า ทำไมโลกถึงได้อุ่นขนาดนี้

เขารู้ว่าพลังงานจากแสงอาทิตย์ที่ส่งมายังโลกทั้งหมดจะต้องถูกส่งคืนออกไปในจำนวนที่เท่ากันเพื่อรักษาสมดุล ไม่อย่างนั้น ถ้ามีส่วนเกินหลงเหลือ โลกก็จะร้อนขึ้นจนเดือด หรือถ้าพลังงานออกจากโลกมากเกินไป โลกก็จะเย็นลงจนแข็ง

ฟูรีเยรู้ว่าพลังงานที่เข้ามาอยู่ในรูปแสงที่ตามองเห็น ส่วนพลังงานที่ออกไปอยู่ในรูป “ความร้อนสีดำ” (dark heat) ซึ่งเป็นชื่อเรียก อินฟราเรด ในสมัยนั้น เขายังรู้อีกว่ายิ่งอุณหภูมิโลกสูงขึ้น ก็จะยิ่งคายความร้อนคืนสู่อวกาศได้มากขึ้น แต่ไม่รู้ว่ามากน้อยขนาดไหน เพราะตอนนั้นยังไม่มีใครรู้จักทฤษฎีการแผ่รังสี

ฟูริเยไปพบ ฮอเรซ เดอ โซซูร์ (Horace de Saussure) นักธรณีวิทยาที่กำลังทำการทดลองวัดความเข้มข้นของพลังงานแสงอาทิตย์ โดยใช้กล่องทึบปิดด้วยฝากระจก พอฟูริเยเห็นก็เข้าใจได้ว่า ฝากระจกยอมให้แสงผ่านเข้าไปในกล่อง แต่ไม่ยอมให้อินฟราเรดบางส่วนออกไป เหมือนกับบรรยากาศของโลก อ่า…ฟูริแบบจำลองสมดุลพลังงานบอกเราว่า “พลังงานขาเข้าต้องเท่ากับพลังงานขาออก” โดยพลังงานขาเข้ามาจากแสงอาทิตย์ ส่วนพลังงานขาออกมาจากการแผ่รังสีอินฟราเรดของโลกเยเข้าใจภาวะเรือนกระจกแล้ว

สมดุลพลังงานก็เข้าใจแล้ว ภาวะเรือนกระจกก็เข้าใจแล้ว ในที่สุดฟูริเยก็ได้ข้อสรุป…ที่ผิด!

บทความในปี 1827 ของฟูริเยอธิบายว่า โลกอุ่นเพราะได้รับความร้อนมหาศาลจากอวกาศ ซึ่งมีอุณหภูมิพอๆ กับขั้วโลก เขียนไปเขียนมา กลับสรุปไปอีกทางว่า เป็นเพราะความเฉื่อยทางความร้อนจากน้ำทะเล

ด้วยความรู้ความเข้าใจฟิสิกส์สมัยนั้น แม้แต่อัจฉริยะอย่างฟูริเย ยังปะติดปะต่อเรื่องราวไม่สำเร็จ

ค้นพบก๊าซเรือนกระจก

สวานเต อาร์เรเนียส (Svante Arrhenius) นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวสวีเดน รู้ว่าก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ทำให้โลกร้อน

เขากลัวในสิ่งตรงข้ามต่างหาก!

เขากลัวว่าจะเกิดยุคน้ำแข็งขึ้นอีก

ในปี 1896 อาร์เรเนียส ตีพิมพ์ผลงานเชื่อมโยงความเข้มข้นของ CO2 กับอุณหภูมิโลก เขาประมาณว่า ถ้าปริมาณ CO2 ในอากาศลดลงครึ่งหนึ่ง โลกก็จะเข้าสู่ยุคน้ำแข็งได้ แต่ถ้า CO2 เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า อุณหภูมิก็จะเพิ่มขึ้น 5-6 องศา (ภายหลัง ในหนังสือ Worlds in the Making ปี 1908 เขียนว่า 4 องศา)

แต่โลกร้อนเหมือนจะเป็นเรื่องดีสำหรับอาร์เรเนียส

ยุคนั้น โลกใช้ถ่านหินจำนวนมากในอุตสาหกรรม โดยผลิตถ่านหินปีละประมาณ 500 ล้านตันต่อปี (แน่นอนว่าน้อยกว่าปัจจุบันเป็นสิบเท่า) อาร์เรเนียสรู้ว่าการใช้ถ่านหินปล่อย CO2 มหาศาล ซึ่งจะทำให้โลกร้อนขึ้น เขาเชื่อว่าสิ่งนี่จะทำให้โลกหลีกเลี่ยงยุคน้ำแข็งได้ นอกจากนั้นยังจะทำให้โลกเพาะปลูกได้ดีขึ้นอีกด้วย

อาร์เรเนียสไม่เข้าใจผู้คนที่อยู่แถบเส้นศูนย์สูตรบ้างเลย

โรงงานอุตสหกรรม

แบบจำลองสมดุลพลังงานอันทรงพลัง

แม้สภาพอากาศจะแปรปรวน ยากที่จะพยากรณ์ แต่พอเราซูมออกมา มองจากที่ไกลๆ ดูโลกทั้งใบในภาพรวม เราก็จะพบแบบจำลองง่ายๆ ที่ทรงพลัง และมีประโยชน์อย่างไม่น่าเชื่อ

 

พลังงานขาเข้ามาจากแสงอาทิตย์ แต่ก็ไม่ทั้งหมด เพราะแสงอาทิตย์บางส่วนจะถูกสะท้อนออกนอกโลกไปก่อน (เช่น สะท้อนพื้นผิวสีขาวของหิมะ) เราเรียกความสามารถในการสะท้อนแสงนี้ว่า “อัลบีโด” (albedo) ซึ่งยิ่งค่ามากเท่าไหร่ ก็ยิ่งสะท้อนแสงได้มาก ค่า albedo เฉลี่ยของผิวโลก คือ 0.31

ดังนั้น พลังงานขาเข้าจะเท่ากับ

(1 – a) x S

โดยที่ S = พลังงานแสงอาทิตย์ที่ส่องมา 342 วัตต์ต่อตารางเมตร และ a = ค่าอัลบีโด

พลังงานขาออกคำนวณได้จากสูตร สเตฟาน-โบลต์ซมันน์ (Stefan-Boltzmann) ที่บอกว่าการแผ่รังสีจะแปรผันตามอุณหภูมิ (T) ยกกำลังสี่

แน่นอนว่าชั้นบรรยากาศจะยอมให้อินฟราเรดออกไปสู่อวกาศได้แค่บางส่วน เราใช้ค่า e (emissivity) วัดสัดส่วนนี้ โดยค่า e ยิ่งมาก ก็ยิ่งปล่อยอินฟราเรดออกไปได้มาก ปัจจุบันค่า e ของโลกอยู่ที่ 0.605

ดังนั้น พลังงานขาออกจะเท่ากับ

c x e x T4

โดยที่ c = 5.67 x 10-8 (Wm-2K-4) ซึ่งคือ ค่าคงที่สเตฟาน-โบลต์ซมันน์

คราวนี้ถ้าเราอยากรู้อุณหภูมิเฉลี่ยของโลก ก็แค่จับพลังงานขาเข้าให้เท่ากับขาออก แล้วแก้สมการหาค่า T (ลองทำดูได้นะครับ)

ใครลองทำแล้วได้ T ประมาณ 288 ก็ไม่ต้องตกใจนะครับ เพราะค่า T อยู่ในหน่วยเคลวิน (K) ถ้าอยากเปลี่ยนเป็นองศาเซลเซียส ก็แค่ลบ 273.15 แล้วเราก็ได้อุณหภูมิเฉลี่ยประมาณ 15 องศา

อ่านมาถึงตรงนี้แล้ว อยากรู้ไหมครับว่า ถ้าเราไม่มีชั้นบรรยากาศที่มีก๊าซเรือนกระจกอยู่ จะเกิดอะไรขึ้น

ดวงจันทร์ไม่มีชั้นบรรยากาศ เลยมีค่า e = 1 พอแทนเข้าไปในสูตรสมดุลพลังงาน เราก็จะพบว่า อุณหภูมิเฉลี่ยของดวงจันทร์ คือ ประมาณ -19 องศา

ขอบพระคุณชั้นบรรยากาศและก๊าซเรือนกระจก

สูตรสมดุลพลังงานนี้มีประโยชน์ในการทำความเข้าใจภาวะโลกร้อนมากเลยครับ อย่างเช่น ใช้ศึกษาว่า ค่า e ที่ลดลง (จากก๊าซเรือนกระจกที่เพิ่มขึ้น) หรือ ค่า albedo ที่ลดลง (จากน้ำแข็งที่ละลายมากขึ้น) จะส่งผลให้อุณหภูมิโลกเฉลี่ยเพิ่มขึ้นเท่าไหร่
.เรียบเรียงโดย พรพุฒิ สุริยะมงคล

อ้างอิง:
https://www.nature.com/articles/432677a
https://plus.maths.org/content/climate-modelling-made-easy
https://en.wikipedia.org/wiki/Svante_Arrhenius#Greenhouse_effect
https://www.rsc.org/images/Arrhenius1896_tcm18-173546.pdf

Share

Authors

Authors

RELATED POSTS