ปรากฏการณ์เรือนกระจก

หากลองจินตนาการว่าโลกของเราไม่มีชั้นบรรยากาศ เป็นเพียงก้อนหินขนาดใหญ่อันแห้งแล้งที่ลอยอยู่ในห้วงอวกาศ ถ้าเป็นเช่นนั้น อุณหภูมิใกล้พื้นผิวโลกจะเพิ่มสูงอย่างมากในช่วงกลางวันและลดต่ำลงอย่างสุดๆ ในช่วงกลางคืน ค่าเฉลี่ยของอุณหภูมิอาจจะอยู่ในระดับเย็นยะเยือกที่ลบ 18 องศาเซลเซียส ซึ่งในความเป็นจริง อุณหภูมิเฉลี่ยผิวโลกจะสบายกว่านั้นมากนัก คือ อยู่ที่ 14.4 องศาเซลเซียส เห็นได้ชัดเจนว่ามีบางสิ่งในอากาศที่ทำให้สิ่งต่างๆ อบอุ่น เหมาะสมสำหรับมนุษย์และสิ่งมีชีวิต

คนแรกๆ ที่คิดเกี่ยวกับสมดุลพลังงานของโลกคือนักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส โจเซฟ ฟูริเออร์ (Joseph Fourier ) การคำนวณของเขาในช่วงทศวรรษ 1820 เป็นการคำนวณชิ้นแรกที่แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างโลกที่ไร้บรรยากาศและโลกที่เราอาศัยอยู่ทุกวัน ฟูริเออร์รู้ว่าพลังงานที่มาถึงโลกซึ่งคือแสงอาทิตย์นั้นต้องสมดุลกับพลังงานจากโลกที่สะท้อนกลับคืนสู่อวกาศในรูปแบบที่แตกต่างกัน ถึงแม้ว่าเขาไม่สามารถระบุได้อย่างชัดเจนถึงกระบวนการดังกล่าว ฟูริเออร์สงสัยว่าพลังงานบางส่วนที่ออกไปจากพื้นโลกนี้ถูกกักไว้อย่างต่อเนื่องโดยชั้นบรรยากาศ ทำให้พื้นผิวโลกอบอุ่น

เมื่อพิจารณาจากที่นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ทำการทดลองว่ากล่องกระจกใสเก็บความร้อนได้อย่างไร ฟูริเออร์จึงเปรียบเทียบชั้นบรรยากาศเป็นเรือนกระจก แนวคิดเรื่องปรากฏการณ์เรือนกระจกจึงเกิดขึ้นและอยู่กับเรานับตั้งแต่นั้น ถึงแม้ว่ามันจะเป็นการอุปมาอุปไมยที่มีข้อบกพร่อง เพราะชั้นบรรยากาศโลกมิได้เก็บกักอากาศไว้เหมือนกับอากาศในเรือนกระจก แต่มันดูดซับรังสีอินฟราเรดจากพื้นผิวโลกที่รับแสงอาทิตย์ ทั้งหมดนั้นเป็นสมดุลของธรรมชาติ เมื่อมีก๊าซเรือนกระจกมากขึ้น รังสีความร้อนจากโลกที่ออกไปสู่อวกาศก็น้อยลงและทำให้โลกเราอุ่นขึ้น

เมื่อแสงอาทิตย์มาถึงผิวโลก เมฆ ฝุ่น และพื้นผิว โดยเฉพาะพื้นผิวที่สว่าง เช่น น้ำแข็ง จะเป็นตัวสะท้อนและกระจายรังสีดวงอาทิตย์กลับออกสู่อวกาศประมาณร้อยละ 30 เมฆและไอน้ำในชั้นบรรยากาศจะดูดซับรังสีดวงอาทิตย์ไว้ประมาณร้อยละ 20 และพื้นดิน ป่าไม้ มหาสมุทร รวมทั้งส่วนต่างๆ บนพื้นผิวโลกจะดูดซับรังสีดวงอาทิตย์ไว้อีกเกือบร้อยละ 50

รังสีบางส่วนที่แผ่ออกจากโลกจะผ่านชั้นบรรยากาศออกไปสู่อวกาศโดยตรง แต่รังสีส่วนใหญ่จะถูกดูดซับโดยเมฆและก๊าซเรือนกระจกรวมถึงไอน้ำ ซึ่งในทางกลับกันดวงอาทิตย์ก็จะปล่อยรังสีความร้อนบางส่วนลงสู่ผิวโลกและบางส่วนออกสู่อวกาศ ดังนั้น ระบบพลังงานของโลกจะคงไว้ซึ่งความสมดุลระหว่างรังสีของดวงอาทิตย์ที่แผ่เข้ามา และการผสมผสานของรังสีความร้อนที่แผ่จากพื้นผิวอันอบอุ่นของโลกและชั้นบรรยากาศโลกที่เย็นกว่า

องค์ประกอบหลักของอากาศคือไนโตรเจน (ร้อยละ 78) และออกซิเจน (ร้อยละ 20) ทั้งสองอย่างนี้ไม่มีคุณลักษณะในการดูดซับรังสีความร้อนจากโลก ส่วนหนึ่งเป็นเพราะมีโครงสร้างเชิงเส้นเป็น 2 อะตอม แต่แก๊สชนิดอื่นๆ มี 3 อะตอมหรือมากกว่า โมเลกุลของก๊าซเหล่านี้เองที่จับพลังงานเพื่อให้ตัวมันเองสมดุล ก๊าซเหล่านี้ คือ ก๊าซเรือนกระจก ซึ่งทำให้โลกเป็นที่อยู่ของสรรพชีวิต ขณะเดียวกันก็ทำให้โลกร้อนขึ้น

ก๊าซเรือนกระจกส่วนใหญ่จะผสมกลมกลืนทั่วชั้นบรรยากาศโทรโปสเฟียร์ ซึ่งเป็นชั้นบรรยากาศของโลกชั้นล่างสุด (10-15 กิโลเมตรจากพื้นผิวโลก) ยกเว้นไอน้ำ ซึ่งส่วนใหญ่จะกระจุกตัวอยู่ใกล้ผิวโลกมากกว่า สูงขึ้นไปในชั้นบรรยากาศโทรโปสเฟียร์ อากาศจะยิ่งเย็นลง ดังนั้น ก๊าซเรือนกระจกจะเย็นกว่าผิวโลก มันจึงปล่อยรังสีความร้อนได้น้อยกว่าที่ผิวโลกปล่อยออกไป ซึ่งทำให้ความร้อนสะสมอยู่ในชั้นบรรยากาศและทำให้โลกน่าอยู่อาศัย

แต่เมื่อเราเพิ่มปริมาณก๊าซเรือนกระจกเข้าไปมากขึ้น โลกของเราก็จะร้อนขึ้น  การที่คาร์บอนไดออกไซด์และก๊าซเรือนกระจกอื่นๆ สะสมอยู่ในชั้นบรรยากาศ มันจะลดความสามารถของก๊าซชนิดอื่นในการแผ่รังสีความร้อนออกไปสู่อวกาศ ทำให้ชั้นบรรยากาศร้อนขึ้นไปอีก

ทันทีที่ก๊าซเรือนกระจกเพิ่มขึ้น การปรับสมดุลของบรรยากาศก็จะตามมา นี่คือสิ่งที่เรียกว่า ‘การป้อนกลับเชิงบวก (positive feedback)’ ซึ่งเป็นตัวขยายให้เกิดความร้อนเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น การที่มีไอน้ำระเหยจากมหาสมุทรและทะเลสาบมากขึ้น จะเพิ่มผลกระทบของคาร์บอนไดออกไซด์เป็น 2 เท่าโดยประมาณ การละลายของพืดน้ำแข็งในทะเลจะลดปริมาณรังสีดวงอาทิตย์ที่สะท้อนกลับสู่อวกาศ กระบวนการป้อนกลับบางอย่างนั้นยังไม่ค่อยมีความแน่นอน เรายังไม่รู้ว่าแบบแผนของเมฆจะเป็นปัจจัยที่ขยายเพิ่มหรือทำให้การเกิดความร้อนหมดไป โลกโดยรวมกำลังปรับเปลี่ยนให้เข้ากับก๊าซเรือนกระจกที่เราเพิ่มเข้าไป

ชั้นบรรยากาศโลกในปัจจุบันมีคาร์บอนไดออกไซด์อยู่ 3,000 กิกะตัน รวมถึง 800 กิกะตันของคาร์บอน (กิกะตัน = พันล้านเมตริกตัน) ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกที่เกิดขึ้นจากมนุษย์อันมีสัดส่วนมากที่สุด ชั้นบรรยากาศยังมีคาร์บอนอีก 4 กิกะตันในรูปของมีเทน ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีพลังมากกว่าแต่มีช่วงชีวิตสั้นกว่ามาก