องค์ประกอบของบรรยากาศ
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
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)