รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 2021 กับการไขความลับปัญหาโลกร้อน

A A
Oct 28, 2021
Oct 28, 2021
A A

      เชื่อว่าถึงตอนนี้ คงไม่มีใครไม่ตระหนักถึงปัญหาโลกร้อน ซึ่งเป็นวิกฤตร้ายแรงของมวลมนุษยชาติแล้ว ในปีนี้ ครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ก็มอบให้แก่ ผู้สร้างแบบจำลองที่อธิบายปรากฏการณ์ซับซ้อนนี้สองท่าน ได้แก่ ซูคุโระ มานาเบะ (Syukuro Manabe) และ เคลาส์ ฮัสเซลมานน์ (Klauss Hasslemann) 

     แบบจำลองทั้งสองวางรากฐานความเข้าใจเกี่ยวกับสภาพภูมิอากาศโลก และผลกระทบจากฝีมือมนุษย์ เรามาดูกันว่า พวกมันเฉียบขาดอย่างไร ถึงได้รางวัลโนเบลไปครอง (สัญญาว่าเข้าใจได้ไม่ยาก)

ผลของคาร์บอนไดออกไซด์ต่ออุณหภูมิโลก

ทุกวันนี้ ใครๆ ก็รู้อยู่แล้วว่า ก๊าซเรือนกระจกอย่างคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้โลกร้อน

แต่ถ้าถามต่อว่า แล้วเรารู้ได้ยังไงล่ะ

ผลงานของมานาเบะมีส่วนสำคัญมากเลยทีเดียว

     ผู้ที่ศึกษาผลของ CO2 กับอุณหภูมิโลกเป็นคนแรกเมื่อร้อยกว่าปีที่แล้ว คือ สวานเต อาร์เรเนียส (Svante Arrhenius) เรื่องย้อนแย้งก็คือ ตอนนั้นอาร์เรเนียสสนใจในสิ่งตรงข้ามกับทุกวันนี้อย่างสิ้นเชิง นั่นคือ ยุคน้ำแข็ง (ice age) เกิดขึ้นได้อย่างไร เขาได้ข้อสรุปว่าถ้า CO2 ในอากาศลดลงครึ่งหนึ่ง โลกก็อาจเจอยุคน้ำแข็งเข้าให้อีกครั้ง แน่นอนว่าเขารู้ด้วยว่า ถ้า CO2 เพิ่มขึ้น โลกก็จะร้อนขึ้น แต่ตอนนั้นก็ยังไม่สามารถคำนวณอะไรได้อย่างแม่นยำ 

     ผ่านมา 70 ปี ถึงช่วงทศวรรษ 1960 มานาเบะเริ่มพัฒนาแบบจำลองเพื่อศึกษาผลของ CO2 ที่เพิ่มขึ้น ต่อการเพิ่มของอุณหภูมิ โดยแบบจำลองของเขานั้นไม่ธรรมดา เพราะรวมการเคลื่อนที่ของอากาศในแนวดิ่งเข้าไปด้วย ประมาณว่า อากาศร้อนที่มีน้ำหนักเบาจะลอยสูง พร้อมกับหอบไอน้ำ (ก๊าซเรือนกระจกตัวร้ายอันดับ 1) ไปกับมัน พอถึงระดับที่สูงขึ้นและอุณหภูมิเย็นลง ไอน้ำก็จะกลั่นตัวเป็นฝน พร้อมกับปล่อยความร้อนแฝง (latent heat) ออกมา อะไรแบบนี้

     แน่นอนว่าเมื่อ 60 ปีที่แล้ว คอมพิวเตอร์ยังไม่มีศักยภาพอะไรมาก จะสร้างแบบจำลองสามมิติแสดงผลแอนนิเมชันแบบปัจจุบันก็เป็นไปไม่ได้ มานาเบะเลยต้องใช้แบบจำลองแบบง่าย โดยเขาสร้างแบบจำลองหนึ่งมิติ เป็นแท่งบรรยากาศสูง 40 กิโลเมตร แต่แค่นั้นก็ต้องใช้เวลาประมวลผลเป็นร้อยๆ ชั่วโมงแล้ว

     ผลงานที่ได้นั้นทรงคุณค่า เพราะมานาเบะบอกได้ว่า ออกซิเจนและไนโตรเจนในอากาศไม่มีผลต่อโลกร้อน และ หากความเข้มข้นของ CO2 เพิ่มขึ้นเท่าตัว โลกจะร้อนขึ้นมากกว่า 2 องศา (อ่านต่อในตอนท้ายว่ามานาเบะแม่นหรือเปล่า)

     นอกจากนั้น เขายังบอกได้ด้วยว่า CO2 ที่สูงขึ้น จะทำให้อุณหภูมิที่ผิวโลกเพิ่มขึ้น ในขณะที่อุณหภูมิที่ระดับความสูง 30-40 กิโลเมตร อุณหภูมิจะลดลง ซึ่งมันก็เป็นอย่างนั้นจริงๆ 

     นั่นทำให้เราบอกได้ว่า โลกร้อนขึ้นเพราะ CO2 ไม่ใช่เพราะแสงอาทิตย์แรงขึ้น (อย่างที่ฝ่ายไม่เชื่อเรื่องโลกร้อนชอบกล่าวอ้าง) เพราะถ้าแสงอาทิตย์แรงขึ้นจริง อุณหภูมิจะต้องเพิ่มขึ้นทุกระดับความสูง

ภายหลัง ในปี 1975 มานาเบะก็ตีพิมพ์ผลงานแบบจำลองสามมิติ ซึ่งเป็นส่วนสำคัญในการไขความลับสภาพภูมิอากาศ

เชื่อมโยงสภาพอากาศ (weather) กับ ภูมิอากาศ (climate)

ทราบกันไหมครับว่า สภาพอากาศกับภูมิอากาศต่างกันอย่างไร

บางคนเปรียบเทียบว่า สภาพอากาศเหมือนกับเงินในกระเป๋าที่เปลี่ยนไปในแต่ละวัน ส่วนภูมิอากาศเหมือนความมั่งคังซึ่งเปลี่ยนแปลงไปอย่างช้าๆ บางคนก็บอกว่า สภาพอากาศเหมือนอารมณ์ ส่วนภูมิอากาศเหมือนบุคลิก

ใครที่ชอบดูพยากรณ์อากาศ คงรู้ว่าพยากรณ์ส่วนมากแม่นยำแค่ไม่กี่วันล่วงหน้า เกิน 10 วันนี่ไม่ต้องพูดถึง นี่ขนาดใช้ซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ประมวลผลแล้วนะ

     ที่เป็นอย่างนี้ก็เพราะว่า แม้จะมีทฤษฎีอธิบายสภาพอากาศ แต่โลกของเรานั้นใหญ่มาก จะใส่ข้อมูลทั้งหมด (เช่น ทุกโมเลกุลของอากาศ) เพื่อประมวลผลในแบบจำลองนั้นเป็นไปไม่ได้ นอกจากนั้น ทฤษฎีพวกนี้ยังใช้ความสัมพันธ์แบบไม่เป็นเส้นตรงอีกด้วย ทำให้พอเราป้อนข้อมูลตั้งต้นที่คลาดเคลื่อนไปแค่นิดเดียว ผลลัพธ์ที่ได้ก็ผิดพลาดกระจุยกระจาย อย่างที่หลายคนเคยได้ยินในชื่อ ทฤษฎีผีเสื้อขยับปีก (butterfly effect) หรือวลี “เด็ดดอกไม้สะเทือนถึงดวงดาว” ซึ่งที่มาของทฤษฎีนี้ก็มาจากการเรื่องพยากรณ์อากาศนี่แหละ

 

     อ้าว…แล้วถ้าพยากรณ์สภาพอากาศล่วงหน้าแค่ไม่กี่วันยังไม่แม่น แล้วจะไปเชื่อแบบจำลองภูมิอากาศล่วงหน้าหลายสิบหลายร้อยปีได้ยังไง

 

     ช่วงทศวรรษ 1970 ฮัสเซลมานน์พัฒนาแบบจำลองที่เชื่อมโยงสภาพอากาศและภูมิอากาศเข้าด้วยกัน โดยได้แรงบันดาลใจมากจากการเคลื่อนที่แบบสุ่ม (Brownian motion) ที่ตั้งชื่อตาม โรเบิร์ต บราวน์ (Robert Brown) นักพฤกษศาสตร์ชาวสก็อต

 

     เมื่อปี 1827 บราวน์เอากล้องจุลทรรศน์ไปส่องอนุภาคในเกสรดอกไม้ที่แขวนลอยในน้ำ แล้วสังเกตว่าอนุภาคพวกนั้นกระดุ๊กกระดิ๊กไปมาไร้รูปแบบ (ตอนแรกบราวน์สงสัยว่ามันอาจมีชีวิต) ต่อมาถึงปี 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) กับ มาเรียน สโมลูโชวสกี้ (Marian Smoluchowski) ก็อธิบายได้ว่า ที่อนุภาคมันเคลื่อนที่ไปมาเป็นเพราะ โมเลกุลน้ำรอบๆ ที่เล็กกว่า วิ่งไปวิ่งมา กระแทกให้อนุภาคเคลื่อนที่

 

     ฮัสเซลมานน์มองสภาพอากาศที่แปรปรวนเป็นเหมือนโมเลกุลน้ำ และมองภูมิอากาศเป็นเหมือนอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่า แบบจำลองของเขารวมผลของความไม่แน่นอนของสภาพอากาศ และเชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศระยะสั้นเข้ากับการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศระยะยาว ฮัสเซลมานน์แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงของบรรยากาศที่รวดเร็ว ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในมหาสมุทรอย่างช้าๆ

 

     ความพิเศษอีกอย่างคือ ฮัสเซลมานน์พัฒนาเทคนิคที่ทำให้เขาแยกแยะได้ว่า ผลลัพธ์ของแบบจำลอง (เช่น อุณหภูมิที่สูงขึ้น) มาจากไหนบ้าง อย่างละเท่าไหร่ เช่น มาจากรังสีดวงอาทิตย์เท่าไหร่ มาจากฝุ่นผงจากภูเขาไฟระเบิด (ซึ่งทำให้โลกเย็น) เท่าไหร่ หรือ มาจากปริมาณก๊าซเรือนกระจกที่สูงขึ้นเท่าไหร่

 

เพิ่มเติม

**แบบจำลองของมานาเบะและฮัสเซลมานน์ทำให้เรารู้แน่ชัดว่า โลกร้อนเป็นผลจากฝีมือมนุษย์ และยังใช้ในการวางแผนลดการปล่อยก๊าซอีกด้วย เพราะแบบจำลองบอกได้ว่า เราปล่อยก๊าซได้อีกเท่าไหร่ก่อนที่จะโลกจะร้อนขึ้นเกิน 2 องศา แล้วอะไรๆ จะสายเกินแก้

สำหรับใครที่สงสัยว่า ผลจากแบบจำลองของมานาเบะแม่นยำหรือเปล่า นับจากปี 1850 ระดับ CO2 ได้เพิ่มสูงขึ้น 40% (สูงสุดในรอบ 2 ล้านปี) พร้อมกับทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นแล้ว 1 องศา ใกล้เคียงกับที่มานาเบะคาดการณ์ (อาจมากกว่าเล็กน้อย เพราะก๊าซเรือนกระจกอื่นๆ ที่ไม่ใช่ CO2 ก็เพิ่มสูงขึ้นด้วย)

 

เรียบเรียงโดย : พรพุฒิ สุริยะมงคล

 

อ้างอิง:

Share

Authors

Authors

RELATED POSTS