การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอากาศโลก

          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