โลกของเราเกิดขึ้นพร้อมๆ กับดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ ในระบบสุริยะเมื่อประมาณ 4,600 ล้านปีมาแล้ว แก๊สและฝุ่นรวมตัวก่อกำเนิดเป็นดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ โลกในยุคแรกเป็นหินหนืดร้อนถูกกระหน่ำชนด้วยอุกกาบาตขนาดใหญ่ตลอดเวลา องค์ประกอบซึ่งเป็นธาตุหนัก เช่น โลหะ จมตัวลงสู่แก่นกลางของโลก องค์ประกอบซึ่งเป็นธาตุที่เบากว่า เช่น ซิลิกอน ลอยตัวขึ้นบนเปลือกโลก ส่วนแก๊สต่างๆ แทรกตัวขึ้นมารอยแตกของเปลือกโลกและปล่องภูเขาไฟเกิดเป็นบรรยากาศ โลกยุคแรกปกคลุมด้วยคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจน แต่เนื่องจากพื้นผิวโลกร้อนมากประกอบกับอิทธิพลของลมสุริยะจากดวงอาทิตย์ จึงทำให้ไฮโดรเจนแตกตัวเป็นประจุ (Ion) และหลุดหนีสู่อวกาศ ปริมาณไฮโดรเจนในบรรยากาศจึงลดลง ดังที่แสดงในภาพที่ 1
ภาพที่ 1 บรรยากาศของโลกในอดีต
ต่อมาเปลือกโลกเริ่มเย็นตัวลง ไอน้ำในบรรยากาศควบแน่นเป็นหยดน้ำ น้ำฝนได้ละลายคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศลงสู่พื้นผิวโลก ปริมาณของคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศจึงลดลง น้ำฝนที่ตกลงมาสะสมและรวมตัวกันกันในแอ่งที่ราบต่ำ กลายเป็นทะเลและมหาสมุทร ประจุต่างๆ ของแร่ธาตุที่สะสมตัวในก้นมหาสมุทรเกิดปฏิสัมพันธ์และวิวัฒนาการกลายเป็นสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตในยุคแรกอาศัยอยู่ใต้มหาสมุทร ดำรงชีวิตโดยใช้พลังงานเคมีและความร้อนจากภูเขาไฟใต้ทะเล จนกระทั่ง 2,000 ล้านปีต่อมา สิ่งมีชีวิตได้วิวัฒนาการให้มีการสังเคราะห์แสง เช่น แพลงตอน สาหร่าย และพืช ดึงคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศและน้ำทะเล มาสร้างน้ำตาลแล้วปล่อยแก๊สออกซิเจนออกมา องค์ประกอบของบรรยากาศโลกจึงเปลี่ยนแปลงไป ออกซิเจนกลายเป็นองค์ประกอบหลักแทนที่คาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งถูกตรึงอยู่ในหินปูนและซากสิ่งมีชีวิต บรรยากาศที่ห่อหุ้มโลกในยุคปัจจุบันประกอบด้วย ไนโตรเจน 78% ออกซิเจน 21% อาร์กอน 0.9% ที่เหลือเป็น ไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และแก๊สอื่นๆ จำนวนเล็กน้อย ดังกราฟในภาพที่ 2 ภาพที่ 2 กราฟแสดงองค์ประกอบของบรรยากาศ องค์ประกอบหลัก
- ไนโตรเจน (N2) เกิดขึ้นจากการสลายตัวของแร่ธาตุในเปลือกโลก เช่น โปแตสเซียมไนเตรท โซเดียมไนเตรท และเกลือแอมโมเนีย แก๊สไนโตรเจนมีสมบัติไม่ทำปฏิกิริยาเคมีกับสารอื่น แต่เมื่ออะตอมเดี่ยวของมันแยกออกมาจะรวมเข้าเป็นองค์ประกอบของสารอื่น เช่น สารไนเตรท มีบทบาทสำคัญต่อสิ่งมีชีวิต
- ออกซิเจน (O2) เป็นผลผลิตจากการสังเคราะห์แสงของพืช แพลงตอนพืช และสาหร่ายสีเขียว เป็นแก๊สที่ว่องไวในการทำปฏิกิริยากับสารอื่น และช่วยให้ไฟติด ถ้าปริมาณของออกซิเจนในอากาศมีมากกว่า 35% โลกทั้งดวงจะลุกไหม้ติดไฟ ดังนั้นธรรมชาติจึงวิวัฒนาการสัตว์กินพืชขึ้นมา เพื่อควบคุมปริมาณของแก๊สออกซิเจนในบรรยากาศ
- อาร์กอน (Ar) เป็นแก๊สเฉื่อยไม่ทำปฏิกิริยากับธาตุอื่น เกิดขึ้นจากการสลายตัว (ซากกัมมันตภาพรังสี) ของธาตุโปแตสเซียมภายในโลก
- คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นแก๊สที่มีอยู่ในบรรรยากาศแต่ดั้งเดิม น้ำฝนและพืชตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ลงมาบนพื้นดิน ทำให้ปัจจุบันมีปริมาณอยู่ในบรรยากาศเพียง 0.036% แต่ก็มีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิดเนื่องจาก เป็นแหล่งอาหารของพืชและห่วงลูกโซ่อาหาร และทำให้โลกอบอุ่น
แม้ว่าไนโตรเจน ออกซิเจน จะเป็นองค์ประกอบหลักและมีอยู่ในบรรยากาศเป็นจำนวนมาก แต่ก็มิได้มีอิทธิพลต่ออุณหภูมิของโลก ในทางตรงกันข้ามแก๊สโมเลกุลใหญ่ เช่น ไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และมีเทน แม้จะมีอยู่ในบรรยากาศเพียงเล็กน้อย แต่มีสมบัติในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด ทำให้อุณหภูมิของโลกอบอุ่น เราเรียกเหล่านี้ว่า “แก๊สเรือนกระจก” (Greenhouse gas)
ตารางที่ 1 แก๊สเรือนกระจกในบรรยากาศ
| แก๊สเรือนกระจก | ปริมาณในบรรยากาศ (ต่อล้านส่วน) | | ไอน้ำ | 40,000 | | คาร์บอนไดออกไซด์ | 360 | | มีเทน | 1.7 | | ไนตรัสออกไซด์ | 0.3 | | โอโซน | 0.01 |
องค์ประกอบผันแปร
นอกจากแก๊สต่างๆ ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักมีปริมาณคงที่แล้ว ยังมีองค์ประกอบอื่นๆ ซึ่งมีปริมาณผันแปร ขึ้นอยู่กับสถานที่และเวลา องค์ประกอบผันแปรนี้แม้ว่าจะมีจำนวนอยู่เพียงเล็กน้อย แต่ก็ส่งผลกระทบต่อสภาพอากาศและภูมิอากาศเป็นอันมาก
- ไอน้ำ (H2O) มีปริมาณ 0 – 4% ในบรรยากาศขึ้นอยู่กับช่วงเวลาและสถานที่ ไอน้ำคือน้ำในสถานะแก๊ส เมื่อน้ำเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่ง เช่น ของแข็ง ของเหลว แก๊ส จะเกิดการดูดกลืนและคายความร้อนแฝง (Latent heat) ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่ทำให้เกิดพายุ ไอน้ำเป็นแก๊สเรือนกระจกเช่นเดียวกับคาร์บอนไดออกไซด์ จึงมีสมบัติในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่แผ่ออกจากโลก นอกจากนั้นเมื่อไอน้ำกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ หรือ เมฆ จะมีความสามารถในการสะท้อนแสงอาทิตย์และแผ่รังสีอินฟราเรด ทำให้พื้นผิวโลกไม่ร้อนหรือหนาวจนเกินไป
- โอโซน (O3) เกิดจากการที่แก๊สออกซิเจน (O2) ดูดกลืนรังสีอัลตราไวโอเล็ตในบรรยากาศชั้นสตราโตรสเฟียร์จนแตกตัวเป็นอะตอมเดี่ยว (O) ซึ่งมีสภาวะไม่เสถียร จึงรวมตัวกับโมเลกุลของออกซิเจนอะตอมคู่ที่เหลืออยู่ กลายเป็นแก๊สซึ่งมีโมเลกุลของออกซิเจน 3 อะตอม เรียกว่า “โอโซน” (Ozone) สะสมตัวเป็นชั้นบางๆ ที่ระยะสูงประมาณ 50 กิโลเมตร โอโซนมีประโยชน์ในการกรองรังสีอัลตราไวโอเล็ต มิให้ลงมาทำอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต แต่เนื่องจากโอโซนเป็นพิษต่อร่างกาย หากมีโอโซนเกิดขึ้นในชั้นโทรโพสเฟียร์ (มักเกิดขึ้นจากเครื่องยนต์ และโรงงาน) ก็จะทำให้เกิดมลภาวะ
- ละอองอากาศ (Aerosols) คืออนุภาคขนาดเล็กที่ลอยค้างอยู่ในอากาศ ซึ่งอาจเกิดขึ้นโดยธรรมชาติหรือฝีมือมนุษย์ก็ได้ เช่น เกสรดอกไม้ ละอองเกลือ ขี้เถ้าภูเขาไฟ ฝุ่นผง หรือ เขม่าจากการเผาไหม้ ละอองอากาศทำหน้าที่เป็นแกนให้ละอองน้ำจับตัวกัน (ในอากาศบริสุทธิ์ ไอน้ำไม่สามารถควบแน่นเป็นหยดน้ำได้ เนื่องจากไม่มีแกนนิวเคลียส) ละอองอากาศสามารถดูดกลืนและสะท้อนแสงอาทิตย์ จึงมีอิทธิพลในการควบคุมอุณหภูมิของพื้นผิวโลก เรามองเห็นดวงอาทิตย์ขึ้นและตกที่ขอบฟ้าเป็นแสงสีแดง ก็เพราะละอองอากาศกรองรังสีคลื่นสั้น เหลือแต่รังสีคลื่นยาวซึ่งเป็นแสงสีส้มและสีแดงทะลุผ่านมาได้เรียกว่า การกระเจิงของแสง (Light scattering)
| 
