พลังงานจากดวงอาทิตย์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
มีทั้งรังสีคลื่นสั้นและคลื่นยาว บรรยากาศของโลก
ทำหน้าที่ปกป้องรังสีคลื่นสั้น
ไม่ให้ลงมาทำอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตบนพื้นโลกได้ โมเลกุลของก๊าซไนโตรเจน
และออกซิเจนในบรรยากาศชั้นบนสุด
ดูดกลืนรังสีแกมมาและรังสีเอ็กซ์ จนทำให้อะตอมของก๊าซในบรรยากาศ
ชั้นบนมีอุณหภูมิสูง
และแตกตัวเป็นประจุ (บางครั้งเราเรียกชั้นบรรยากาศที่เต็มไปด้วยประจุนี้ว่า
ไอโอโนสเฟียร์ มีประโยชน์ในการสะท้อนคลื่นวิทยุสำหรับการสื่อสาร)
รังสีอุลตราไวโอเล็ตสามารถส่องผ่านบรรยากาศชั้นบน
ลงมา แต่ถูกดูดกลืนโดยก๊าซโอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์ที่ระยะสูงประมาณ
19 - 48 กิโลเมตร แสงแดดหรือ
แสงที่ตามองเห็นสามารถส่องลงมาถึงพื้นโลก
รังสีอินฟราเรดถูกดูดกลืนโดยก๊าซเรือนกระจก เช่น ไอน้ำและ
คาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นโทรโปสเฟียร์ ส่วนคลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุในบางความถี่สามารถส่องทะลุชั้น
บรรยากาศได้
ภาพที่ 1 การกรองรังสีของบรรยากาศ
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
(max) อยู่ที่ 500 นาโนเมตร ทำให้เรามองเห็นดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์สีเหลือง
ภาพที่ 2 การแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ และการแผ่รังสีของโลก
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 |
ภาพที่ 3 พลังงานที่โลกได้รับและสะท้อนออก
พลังงานที่แผ่จากโลก
= พลังงานที่โลกดูดกลืนไว้ |
ให้
อุณหภูมิของโลก = T
รัศมีของโลก
= R
พื้นผิวของโลก
= 4R2
พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่โลกได้รับต่อพื้นที่
(energy flux)
F = 1,370 วัตต์/ตารางเมตร
กฎของสเตฟาน-โบลท์มานน์
F = T4
โดยที่ =
5.67 x 10-8 วัตต์/ตารางเมตร K4
อัตราส่วนการสะท้อนแสงของโลก
= A = 0.3
พลังงานที่แผ่จากโลก
= F x พื้นที่ผิวของโลก
= T4
x 4R2
(กฎของสเตฟาน-โบลท์มานน์ S = T4)
พลังงานที่โลกดูดกลืน
= พลังงานที่โลกได้รับ พลังงานที่สะท้อนออก (ภาพที่ 3)
= R2
x F - R2
x F x A
= R2
x F (1-A)
พลังงานที่แผ่จากโลก
= พลังงานที่โลกดูดกลืนไว้
T4
x R2
= R2
x F (1-A)
T4
= F/4 (1-A)T
=
4F/4s
(1-A)
=
4(1,370
/ 4 x 5.67 x 10-8) x (1-0.3) K2
=
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 5 บทบาทของเมฆในการรักษาอุณหภูมิ
จะเห็นได้ว่า
ภาวะเรือนกระจกมีคุณประโยชน์ เพราะช่วยให้โลกมีความอบอุ่น และทำให้น้ำบนพื้นโลกมีครบทั้งสาม
สถานะ จึงเป็นปัจจัยที่สำคัญที่เอื้ออำนวยต่อการดำรงชีวิต ดังนั้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์ต้องการจะหาดาวเคราะห์ที่มีความเป็นไปได้ที่จะมีสิ่งมีชีวิต
เขาจะมองหาดาวที่มีสเปคตรัมของก๊าซเรือนกระจก
ภาพที่
6 ภาวะเรือนกระจกที่ช่วย
ให้โลกอบอุ่น
คลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว
© 2003 - 2010 The LESA Project
All rights reserved.
|