บรรยากาศของโลกเป็นสิ่งที่เคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา
(Dynamic) ภูมิอากาศของโลกจึงมีการเปลี่ยนแปลงเป็นช่วงเวลาสั้นบ้างยาวบ้าง
ขึ้นอยู่กับปัจจัยสาเหตุนานาประการ ตัวอย่างเช่น การระเบิดของภูเขาไฟทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเพียงช่วงเดือนหรือปี
การพุ่งชนของอุกาบาตทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงหลายสิบปี การเพิ่มขึ้นของมลภาวะทางอากาศก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนับศตวรรษ
การเปลี่ยนแปลงของกระแสน้ำในมหาสมุทรและขนาดของแผ่นน้ำแข็ง ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงของวงโคจรโลก
ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นคาบนับล้านปี การเคลื่อนที่ของทวีปและการเปลี่ยนพลังงานจากดวงอาทิตย์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนับพันล้านปี
ดังกราฟในภาพที่ 1
ภาพที่ 1 ปัจจัยและคาบการเปลี่ยนแปลงของภูมิอากาศโลก
ปัจจัยที่ทำให้ภูมิอากาศเปลี่ยนแปลง
ปัจจัยที่ทำให้ภูมิอากาศโลกเปลี่ยนแปลง
มีทั้งปัจจัยภายนอกและปัจจัยภายใน ปัจจัยภายนอกได้แก่ พลังงานจากดวงอาทิตย์
และวงโคจรของโลก ปัจจัยภายในได้แก่ การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของก๊าซในบรรยากาศ
การเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวโลก ซึ่งพอสรุปรวมได้ดังนี้
พลังงานจากดวงอาทิตย์
วงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์
องค์ประกอบของบรรยากาศ
อัลบีโด หรือความสามารถในการสะท้อนแสงของบรรยากาศ และพื้นผิวโลก
น้ำในมหาสมุทร
แผ่นน้ำแข็งขั้วโลก
การเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลก
ทุกปัจจัยที่กล่าวมามีผลกระทบต่อบรรยากาศโลกโดยตรง และมีผลกระทบต่อกันและกัน
ซึ่งยังผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในภาพรวม ดังที่แสดงในภาพที่ 2
ภาพที่ 2 ปัจจัยที่ทำให้ภูมิอากาศโลกเปลี่ยนแปลง
ความแปรปรวนของแสงดวงอาทิตย์
พลังงานจากดวงอาทิตย์
ดวงอาทิตย์มีขนาดไม่คงที่ ในยุคเริ่มแรกของระบบสุริยะดวงอาทิตย์มี
ขนาดเล็กและมีแสงสว่างน้อยกว่าปัจจุบัน
ดวงอาทิตย์ขยายตัวใหญ่ขึ้นเนื่องจากการเผาไหม้ก๊าซ
ไฮโดรเจนที่อยู่ภายใน
เมื่อพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น ความสว่างก็ยิ่งมากขึ้นด้วย อีกประมาณ
5 พันล้านปี ดวงอาทิตย์จะมีขนาดใหญ่เท่าวงโคจรของดาวอังคาร นอกจากนี้ปริมาณและพื้นที่ของจุดบนดวงอาทิตย์
(Sunspots) ในแต่ละวันยังไม่เท่ากัน
ดวงอาทิตย์จะมีจุดมากเป็นวงรอบทุกๆ 11 ปี สิ่งนี้มีผลกระทบต่อ
พลังงานที่โลกได้รับด้วย
วัฏจักรมิลานโควิทช์
ในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่
19 นักวิทยาศาสตร์ชาวเซอร์เบียชื่อ มิลูติน มิลานโควิทช์ (Milutin
Milankovitch) ได้อธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศโลกเป็นคาบเวลาระยะยาว
เกิดขึ้นจากปัจจัย 3 ประการคือ
1.
วงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ เปลี่ยนแปลงขนาดความรี (รีมาก - รีน้อย)
เป็นวงรอบ 96,000 ปี เมื่อโลกเข้าใกล้ดวงอาทิตย์อุณหภูมิก็จะสูงขึ้น
เมื่อโลกอยู่ไกลอุณหภูมิก็จะต่ำลง
2.
แกนหมุนของโลกส่าย (เป็นวงคล้ายลูกข่าง) รอบละ 21,000 ปี ทำให้แต่ละพื้นที่ของโลกได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ไม่เท่ากัน
ในช่วงเวลาเดียวกันของแต่ละปี
3.
แกนของโลกเอียงทำมุมระหว่าง 21.5 - 24.5 องศา กับระนาบของวงโคจรโลกรอบดวงอาทิตย์
กลับไปมาในคาบเวลา 41,000 ปี แกนของโลกเอียงเป็นสาเหตุทำให้เกิดฤดูกาล
ปัจจุบันแกนของโลกเอียง 23.5 องศา หากแกนของโลกเอียงมากขึ้น ก็จะทำให้ขั้วโลกได้รับแสงอาทิตย์มากขึ้นในฤดูร้อนและน้อยลงในฤดูหนาว
ซึ่งมีผลทำให้ฤดูร้อนและฤดูหนาวมีอุณหภูมิแตกต่างกันมากขึ้น กราฟในภาพที่ 3 แสดงให้เห็นอิทธิพลของปัจจัยทั้งสามทำให้ภูมิอากาศโลกมีอุณหภูมิสูงและต่ำสลับกันไปเป็น
วัฏจักร โดยที่แต่ละคาบนั้นมีระยะเวลาและความรุนแรงไม่เท่ากัน
ภาพที่ 3 ปัจจัยของวัฏจักรมิลานโควิทช์
องค์ประกอบของบรรยากาศ
สัดส่วนของก๊าซในบรรยากาศ ไม่ใช่สิ่งคงตัว แต่ก่อนโลกของเราเต็มไปด้วยก๊าซคาร์บอน
ไดออกไซด์
ก๊าซออกซิเจนเพิ่งจะเกิดขึ้นจากการสังเคราะห์อาหารด้วยแสงของคลอโรฟิลล์ในสิ่งมีชีวิต
เมื่อประมาณ
2 พันปีที่แล้วมานี้ (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมในบทสิ่งมีชีวิต) ก๊าซบางชนิดมีผลกระทบต่อ
อุณหภูมิของบรรยากาศโดยตรง
เช่น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซมีเทน เนื่องจากเป็นก๊าซเรือน
กระจก
ก๊าซบางชนิดไม่มีผลกระทบต่ออุณหภูมิของบรรยากาศโดยตรง แต่จะมีผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิต
และองค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ
เช่น ก๊าซออกซิเจน ก๊าซโอโซน
ภาพที่ 4 องค์ประกอบของบรรยากาศโลกในอดีต
น้ำในมหาสมุทร
น้ำในมหาสมุทรมีหน้าที่ควบคุมภูมิอากาศโดยตรง
ความชื้นในอากาศมาจากน้ำในมหาสมุทร ความเค็มของน้ำทะเลมีผลต่อความจุความร้อนของน้ำ
การไหลเวียนของน้ำในมหาสมุทรจึงมีผลกระทบต่อภูมิอากาศบนพื้นทวีปโดยตรง
ระบบการไหลเวียนของน้ำใต้มหาสมุทรที่เรียกว่า แถบสายพานยักษ์
(Great conveyor belt) สร้างผลกระทบต่อภูมิอากาศโลก เป็นวงรอบ
500 2,000 ปี
ภาพที่ 5 แถบสายพานยักษ์
อัลบีโด
อุณหภูมิของพื้นผิวและบรรยากาศของโลกจะสูงหรือต่ำ
ขึ้นอยู่กับความสามารถในการดูดกลืนและสะท้อนพลังงานจากดวงอาทิตย์
แผ่นน้ำแข็ง ก้อนเมฆ สะท้อนรังสีคืนสู่อวกาศ และฝุ่นละอองที่แขวนลอยในอากาศ
ทำให้พื้นผิวโลกมีอุณหภูมิต่ำ ขณะที่ป่าไม้และน้ำดูดกลืนพลังงาน
ทำให้พื้นผิวมีอุณหภูมิสูง เพราะฉะนั้นการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิว
ย่อมทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิด้วย (รายละเอียดเพิ่มเติมในเรื่อง สมดุลของพลังงาน)
แผ่นน้ำแข็งขั้วโลก
ร้อยละ
75 ของน้ำจืดบนโลก สะสมอยู่ที่เกาะกรีนแลนด์ ในมหาสมุทรอาร์คติก
และบนทวีปแอนตาร์คติก ในรูปของแผ่นน้ำแข็งขั้วโลก หากแผ่นน้ำแข็งขั้วโลกทั้งสองละลายหมดจะทำให้ระดับน้ำทะเลสูงขึ้น
66 เมตร พื้นที่เกาะและบริเวณชายฝั่งจะถูกน้ำท่วม อัลบีโดของพื้นผิวและปริมาณความร้อนที่สะสมอยู่ในน้ำทะเลจะเปลี่ยนแปลงไป
และส่งผลกระทบต่อภูมิอากาศ
การเคลื่อนตัวของเปลือกโลก
เปลือกโลกมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาเป็นวัฏจักรต่อเนื่อง
(ดูรายละเอียดเพิ่มเติมในเรื่อง วัฏจักรวิลสัน ในบทธรณี) กระบวนการธรณีแปรสันฐาน
หรือ เพลตเทคโทนิคส์ (Plate Tectonics) เป็นสาเหตุที่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของทุกสิ่งทุกอย่างบนผิวโลก
อันเป็นปัจจัยนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ เช่น ก๊าซจากภูเขาไฟ
ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของบรรยากาศ ฝุ่นละอองภูเขาไฟกรองรังสีจากดวงอาทิตย์
การเปลี่ยนแปลงของผิวโลก ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอัลบีโด และวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต
การศึกษาบรรยากาศของโลกในอดีต
ในการพยากรณ์อากาศนั้น
นักอุตุนิยมวิทยาได้ข้อมูลอากาศมาจากสถานีตรวจอากาศภาคพื้น ประกอบกับข้อมูลจากบอลลูน
เครื่องบิน และดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา แต่ทว่าในการสืบค้นข้อมูลสภาพอากาศในอดีตนับหมื่นหรือแสนปีนั้น
นักวิทยาศาสตร์ทำการศึกษาจากฟองก๊าซซึ่งถูกกักขังไว้ในแผ่นน้ำแข็งขั้วโลก
เมื่อหิมะตกลงมาทับถมบนพื้นผิว มันจะมีช่องว่างสำหรับอากาศ กาลเวลาต่อมาหิมะที่ถูกทับถมตกผลึกกลายเป็นน้ำแข็งกักขังฟองก๊าซไว้ข้างใน
(ดังที่แสดงในภาพที่ 6) เพราะฉะนั้นแผ่นน้ำแข็งแต่ละชั้นย่อมเก็บตัวอย่างของบรรยากาศไว้ในยุคสมัยที่แตกต่างกัน
ยิ่งเจาะน้ำแข็งลงไปลึกเท่าไหร่ ก็ยิ่งได้ฟองอากาศเก่าแก่โบราณมากขึ้นเท่านั้น
วิธีการตรวจวัดเช่นนี้สามารถได้ฟองอากาศซึ่งมีอายุถึง 110,000
ปี สถานีขุดเจาะแผ่นน้ำแข็งเพื่อการวิจัยบรรยากาศที่สำคัญมี 2
แห่งคือ ที่เกาะกรีนแลนด์ ในมหาสมุทรอาร์คติกใกล้ขั้วโลกเหนือ
และที่สถานีวิจัยวอสตอค ในทวีปแอนตาร์คติกใกล้ขั้วโลกใต้
ภาพที่ 6 การกักขังฟองก๊าซของแผ่นน้ำแข็ง
นักวิทยาศาสตร์ทำการตรวจวัดอายุของฟองก๊าซ
ได้จากการศึกษาก๊าซและฝุ่นละอองที่ถูกสะสม เทียบกับเหตุการณ์ทางธรณีในยุคนั้น
หรือไม่ก็ใช้การตรวจวัดกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอน ในฟองก๊าซ
คาร์บอนไดออกไซด์
ภายในก้อนน้ำแข็ง ภาพที่ 7 แสดงให้เห็นถึงปริมาณของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
ในแต่ละยุคสมัย
ซึ่งมีผลทำให้อุณหภูมิของอากาศแปรผันตามไปด้วย
ทั้งนี้เป็นเพราะก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นก๊าซเรือนกระจก
ดูดกลืนรังสีอินฟราเรดทำให้โลกอบอุ่น ในบางช่วงเวลาอุณหภุมิต่ำมากจนกลายเป็นยุคน้ำแข็ง
ในช่วงเวลาโลกร้อนสลับกันไป ด้วยสาเหตุของวัฎจักรมิลานโควิทช์
และปัจจัยทั้งหลายที่กล่าวมาแล้วข้างต้น
ภาพที่ 7 กราฟแสดงอุณหภูมิและปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอดีต