การเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ

        บรรยากาศของโลกเป็นสิ่งที่เคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา  ภูมิอากาศของโลกจึงมีการเปลี่ยนแปลงเป็นช่วงเวลาสั้นบ้างยาวบ้าง ขึ้นอยู่กับปัจจัยสาเหตุนานาประการ ตัวอย่างเช่น การระเบิดของภูเขาไฟทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเพียงช่วงเดือนหรือปี การพุ่งชนของอุกกาบาตทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงหลายสิบปี การเพิ่มขึ้นของมลภาวะทางอากาศก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนับศตวรรษ การเปลี่ยนแปลงของกระแสน้ำในมหาสมุทรและขนาดของแผ่นน้ำแข็ง ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงของวงโคจรโลก ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นคาบนับล้านปีการเคลื่อนที่ของทวีปและการเปลี่ยนพลังงานจากดวงอาทิตย์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนับพันล้านปี ดังกราฟในภาพที่ 1

ภาพที่ 1 ปัจจัยและคาบการเปลี่ยนแปลงของภูมิอากาศโลก

ปัจจัยที่ทำให้ภูมิอากาศเปลี่ยนแปลง

        ปัจจัยที่ทำให้ ภูมิอากาศโลกเปลี่ยนแปลง (Climate change) มีทั้งปัจจัยภายนอกและปัจจัยภายใน ปัจจัยภายนอกได้แก่ พลังงานจากดวงอาทิตย์ และวงโคจรของโลก ปัจจัยภายในได้แก่ การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของแก๊สในบรรยากาศ การเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวโลก ซึ่งสรุปรวมได้ดังนี้

• • พลังงานจากดวงอาทิตย์

  • วงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์

  • องค์ประกอบของบรรยากาศ

  • กระแสน้ำในมหาสมุทร

  • อัลบีโด หรือความสามารถในการสะท้อนแสงของบรรยากาศและพื้นผิวโลก

  • แผ่นน้ำแข็งขั้วโลก

  • การเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลก 

        ทุกปัจจัยที่กล่าวมาล้วนมีผลกระทบต่อบรรยากาศโลกโดยตรง และมีผลกระทบต่อกันและกันเหมือนห่วงลูกโซ่ ซึ่งยังผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในภาพรวม ดังที่แสดงในภาพที่ 2

ภาพที่ 2 ปัจจัยที่ทำให้ภูมิอากาศโลกเปลี่ยนแปลง

        พลังงานจากดวงอาทิตย์เปลี่ยนแปลงเนื่องจากดวงอาทิตย์มีขนาดไม่คงที่ ในยุคเริ่มแรกของระบบสุริยะดวงอาทิตย์มีขนาดเล็กและมีแสงสว่างน้อยกว่าปัจจุบัน ดวงอาทิตย์ขยายตัวใหญ่ขึ้นเนื่องจากการฟิวชันไฮโดรเจนให้เป็นฮีเลียม ทำให้พื้นที่ผิวของดวงอาทิตย์เพิ่มขึ้น ความสว่างก็ยิ่งมากขึ้นตามด้วย อีกประมาณ 5 พันล้านปี ดวงอาทิตย์จะมีขนาดใหญ่เท่าวงโคจรของดาวอังคารนอกจากนี้ปริมาณและพื้นที่ของจุดบนดวงอาทิตย์ (Sunspots) ในแต่ละวันยังไม่เท่ากัน ดวงอาทิตย์จะมีจุดมากเป็นวงรอบทุกๆ 11 ปี ส่งผลกระทบต่อพลังงานที่โลกได้รับด้วย

วัฏจักรมิลานโควิทช์

        ในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ชาวเซอร์เบียชื่อ มิลูติน มิลานโควิทช์ (Milutin Milankovitch) ได้อธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศโลกเป็นคาบเวลาระยะยาว เกิดขึ้นจากปัจจัย 3 ประการคือ

• • 1. วงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ เปลี่ยนแปลงขนาดความรี (รีมาก - รีน้อย) เป็นวัฏจักร 96,000 ปี เมื่อโลกเข้าใกล้ดวงอาทิตย์อุณหภูมิก็จะสูงขึ้น เมื่อโลกอยู่ไกลอุณหภูมิก็จะต่ำลง

    2. แกนหมุนของโลกส่าย (เป็นวงคล้ายลูกข่าง) รอบละ 21,000 ปี ทำให้แต่ละพื้นที่ของโลกได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ไม่เท่ากัน ในช่วงเวลาเดียวกันของแต่ละปี

• 1. แกนของโลกเอียงทำมุมระหว่าง 21.5° - 24.5° กับระนาบของวงโคจรโลกรอบดวงอาทิตย์ กลับไปมาเป็นวัฏจักร 41,000 ปี แกนของโลกเอียงเป็นสาเหตุทำให้เกิดฤดูกาล ปัจจุบันแกนของโลกเอียง 23.5°  หากแกนของโลกเอียงมากขึ้น ก็จะทำให้ขั้วโลกได้รับแสงอาทิตย์มากขึ้นในฤดูร้อนและน้อยลงในฤดูหนาว ซึ่งมีผลทำให้ฤดูร้อนและฤดูหนาวมีอุณหภูมิแตกต่างกันมากขึ้น 

        กราฟในภาพที่ 3 แสดงให้เห็นอิทธิพลของปัจจัยทั้งสามทำให้ภูมิอากาศโลกมีอุณหภูมิสูงและต่ำสลับกันไปเป็นวัฏจักร โดยที่แต่ละคาบนั้นมีระยะเวลาและความรุนแรงไม่เท่ากัน

ภาพที่ 3 ปัจจัยของวัฏจักรมิลานโควิทช์

องค์ประกอบของบรรยากาศ

        สัดส่วนของแก๊สในบรรยากาศไม่ใช่ค่าคงที่ แต่ก่อนบรรยากาศของโลกเต็มไปด้วยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ แก๊สออกซิเจนเพิ่งจะเกิดขึ้นจากการสังเคราะห์อาหารด้วยแสงของคลอโรฟิลล์ในสิ่งมีชีวิตเมื่อประมาณ 2 พันปีที่แล้วมานี้ (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมใน "อิทธิพลของสิ่งมีชีวิตที่มีต่อบรรยากาศ")  แก๊สบางชนิดมีผลกระทบต่ออุณหภูมิของบรรยากาศโดยตรง เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ ไอน้ำ และมีเทน เนื่องจากเป็นแก๊สเรือนกระจก  อย่างไรก็ตามแก๊สบางชนิดไม่มีผลกระทบต่ออุณหภูมิของบรรยากาศโดยตรง แต่จะมีผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและองค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ เช่น ออกซิเจนและโอโซน

ภาพที่ 4 การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ

กระแสน้ำในมหาสมุทร

        น้ำในมหาสมุทรมีหน้าที่ควบคุมภูมิอากาศโดยตรง ความชื้นในอากาศมาจากน้ำในมหาสมุทร ความเค็มของน้ำทะเลมีผลต่อความจุความร้อนของน้ำ การไหลเวียนของน้ำในมหาสมุทรจึงมีผลกระทบต่อภูมิอากาศบนพื้นทวีปโดยตรง   ระบบการไหลเวียนของกระแสน้ำใต้มหาสมุทรที่เรียกว่า “แถบสายพานยักษ์” (Great conveyor belt)  สร้างผลกระทบต่อภูมิอากาศโลก เป็นวงรอบ 500 – 2,000 ปี  (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมใน "กระแสน้ำในมหาสมุทร")

ภาพที่ 5 แถบสายพานยักษ์

อัลบีโด

        อุณหภูมิของพื้นผิวและบรรยากาศของโลกจะสูงหรือต่ำ ขึ้นอยู่กับ อัลบีโด หรือความสามารถในการดูดกลืนและสะท้อนพลังงานจากดวงอาทิตย์ แผ่นน้ำแข็ง ก้อนเมฆ สะท้อนรังสีคืนสู่อวกาศ และฝุ่นละอองที่แขวนลอยในอากาศ ทำให้พื้นผิวโลกมีอุณหภูมิต่ำ ขณะที่ป่าไม้และน้ำดูดกลืนพลังงาน ทำให้พื้นผิวมีอุณหภูมิสูง เพราะฉะนั้นการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิว ย่อมทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิด้วย 

แผ่นน้ำแข็งขั้วโลก

        ร้อยละ 75 ของน้ำจืดบนโลก สะสมอยู่ที่เกาะกรีนแลนด์ในมหาสมุทรอาร์คติกและบนทวีปแอนตาร์คติก ในรูปของแผ่นน้ำแข็งขั้วโลก หากแผ่นน้ำแข็งขั้วโลกทั้งสองละลายหมดจะทำให้ระดับน้ำทะเลสูงขึ้น 66 เมตร พื้นที่เกาะและบริเวณชายฝั่งจะถูกน้ำท่วม อัลบีโดของพื้นผิวและปริมาณความร้อนที่สะสมอยู่ในน้ำทะเลจะเปลี่ยนแปลงไปและส่งผลกระทบต่อภูมิอากาศ 

การเคลื่อนตัวของเปลือกโลก

        เปลือกโลกมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาเป็นวัฏจักรต่อเนื่อง  กระบวนการธรณีแปรสันฐาน หรือ เพลตเทคโทนิคส์ (Plate Tectonics) เป็นสาเหตุที่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของทุกสิ่งทุกอย่างบนผิวโลก อันเป็นปัจจัยนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ เช่น แก๊สจากภูเขาไฟ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของบรรยากาศ ฝุ่นละอองภูเขาไฟกรองรังสีจากดวงอาทิตย์ การเปลี่ยนแปลงของผิวโลก ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอัลบีโด และวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต

การศึกษาบรรยากาศของโลกในอดีต

        ในการพยากรณ์อากาศนั้น นักอุตุนิยมวิทยาได้ข้อมูลอากาศมาจากสถานีตรวจอากาศภาคพื้นประกอบกับข้อมูลจากบอลลูน เครื่องบิน และดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา  อย่างไรก็ตามในการสืบค้นข้อมูลสภาพอากาศในอดีตนับหมื่นหรือแสนปีนั้น นักวิทยาศาสตร์ทำการศึกษาจากฟองแก๊สซึ่งถูกกักขังไว้ในแผ่นน้ำแข็งขั้วโลก เมื่อหิมะตกลงมาทับถมบนพื้นผิว มันจะมีช่องว่างสำหรับอากาศ กาลเวลาต่อมาหิมะที่ถูกทับถมตกผลึกเป็นน้ำแข็งกักขังฟองแก๊สไว้ข้างใน (ดังที่แสดงในภาพที่ 6) เพราะฉะนั้นแผ่นน้ำแข็งแต่ละชั้นย่อมเก็บตัวอย่างของบรรยากาศไว้ในยุคสมัยที่แตกต่างกัน ยิ่งเจาะน้ำแข็งลงไปลึกเท่าไหร่ ก็ยิ่งได้ฟองอากาศเก่าแก่โบราณมากขึ้นเท่านั้น วิธีการตรวจวัดเช่นนี้สามารถได้ฟองอากาศซึ่งมีอายุถึง 110,000 ปี สถานีขุดเจาะแผ่นน้ำแข็งเพื่อการวิจัยบรรยากาศที่สำคัญมี 2 แห่งคือ ที่เกาะกรีนแลนด์ ในมหาสมุทรอาร์คติกใกล้ขั้วโลกเหนือ และที่สถานีวิจัยวอสตอคในทวีปแอนตาร์คติกใกล้ขั้วโลกใต้

ภาพที่ 6 การกักขังฟองแก๊สของแผ่นน้ำแข็ง

        นักวิทยาศาสตร์ทำการตรวจวัดอายุของฟองแก๊ส โดยการศึกษาองค์ประกอบทางเคมีของแก๊สและฝุ่นละอองเปรียบเทียบกับเหตุการณ์ทางธรณีในยุคนั้น  หรือไม่ก็ใช้การตรวจวัดกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอนในฟองแก๊ส  ภาพที่ 7 แสดงให้เห็นถึงปริมาณของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศของแต่ละยุคสมัย ซึ่งมีผลทำให้อุณหภูมิของพื้นผิวโลกแปรผันตามไปด้วย  ทั้งนี้เนื่องจากคาร์บอนไดออกไซด์เป็นแก๊สเรือนกระจกซึ่งดูดกลืนรังสีอินฟราเรดทำให้โลกอบอุ่น  ในบางยุคสมัยพืื้นผิวโลกมีอุณหภุมิต่ำมากจนกลายเป็นยุคน้ำแข็ง แต่บางช่วงเวลาก็เกิดปรากฎการณ์โลกร้อนสลับกันไป ด้วยสาเหตุของวัฎจักรมิลานโควิทช์และปัจจัยทั้งหลายที่กล่าวมาแล้วข้างต้น

ภาพที่ 7 กราฟแสดงอุณหภูมิและปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในอดีต