ความกว้างของเส้นสเปกตรัมเป็นองค์ประกอบสำคัญที่จะช่วยให้เกิดความเข้าใจถึงความสำคัญของการดูดกลืนการแผ่รังสี ความกว้างของสเปกตรัมในบรรยากาศโดยทั่วไปกำหนดด้วย “การแผ่กว้างของแรงดัน” ซึ่งก็คือการบิดเบี้ยวของสเปกตรัมเนื่องจากการประทะกับโมเลกุลอื่น การดูดกลืนรังสีอินฟราเรดเกือบทั้งหมดในบรรยากาศอาจนึกเปรียบเทียบได้ว่าป็นการชนกันระหว่างสองโมเลกุล การดูดกลืนที่เกิดจากโฟตอนทำปฏิกิริยากับโมเลกุลโดดมีขนาดเล็กมากๆ ปัญหาที่เกิดจากการณ์ลักษณะทั้งสามนี้คือ โฟตอน 1 ตัวและโมเลกุล 2 ตัวดังกล่าวสร้างความท้าทายโดยตรงที่ให้น่าสนใจมากขึ้นในเชิงของการคำนวณทางกลศาสตร์ควอนตัม การวัดสเปกตรัม (spectroscopic measurements) อย่างระมัดระวังในห้องทดลองให้ผลการคำนวณการถ่ายโอนการแผ่รังสีในการศึกษาบรรยากาศได้น่าเชื่อถือมากกว่าการใช้การคำนวณเชิงกลศาสตร์ควอนตัมแบบเก่า
โมเลกุล/อะตอมที่เป็นองค์ประกอบใหญ่ของบรรยากาศ ซึ่งได้แก่ออกซิเจน (O2) , ไนโตรเจน (N2) และ อาร์กอน (Ar) ไม่ทำปฏิกิริยากับรังสีอินฟราเรดมากนักขณะที่โมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจนสามารถสั่นตัวได้เนื่องจากความสมดุลในตัว การสั่นตัวจึงไม่เกิดการแยกตัวเชิงภาวะชั่วครู่ของประจุไฟฟ้า (transient charge separation) การขาดความเป็น “ขั้วคู่” ของภาวะชั่วครู่ดังกล่าวจึงไม่มีทั้งการดูดกลืนเข้าและการปล่อยรังสีอินฟราเรดออก ในบรรยากาศของโลกก๊าซที่ทำหน้าที่หลักในการดูดกลืนอินฟราเรดมากที่สุดคือไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์และโอโซน (O3) นอกจากนี้ โมเลกุลอย่างเดียวกันก็ยังเป็นกลุ่มโมเลกุลหลักในการปล่อยอินฟราเรด CO2 และ O3 มีลักษณะการสั่นของโมเลกุลแบบยวบยาบซึ่งเมื่ออยู่ในภาวะที่เป็นหน่วยเล็กสุด (quantum state) มันจะถูกกระตุ้นจากการชนของพลังงานที่เข้าปะทะกับบรรยากาศของโลก ตัวอย่างเช่น คาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นโมเลกุลเป็นแบบเกาะกันตามยาวแต่มีรูปแบบการสั่นที่สำคัญคือการแอ่นตัวของโมเลกุลที่คาร์บอนไดออกไซด์ที่อยู่ตรงกลางเอนไปข้างหนึ่งและออกซิเจนแอ่นไปอีกข้างหนึ่งทำให้เกิดประจุไฟฟ้าแยกตัวออกมาเป็น “ขั้วคู่” (dipole moment) ชั่วขณะหนึ่งซึ่งทำให้โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ดูดกลืนรังสีอินฟราเรดไว้ได้ การปะทะทำให้เกิดการถ่ายโอนพลังงานไปทำให้ก๊าซที่อยู่รอบๆ ร้อนขึ้น หรืออีกนัยหนึ่งก็คือโมเลกุลของ CO2 ถูกสั่นโดยการปะทะนั่นเอง ประมาณร้อยละ 5 ของโมเลกุล CO2 ถูกสั่นโดยที่อุณหภูมิของห้องและปริมาณร้อยละ 5 นี้เองที่เปล่งรังสีออกมา การเกิดที่สำคัญของปรากฏการณ์เรือนกระจกจึงเนื่องมาจากการปรากฏอยู่ของคาร์บอนไดออกไซด์ที่สั่นไหวง่ายเมื่อถูกกระตุ้นโดยอินฟราเรด CO2
ยังมีรูปแบบอื่นอีก 2 รูปแบบ ได้แก่การแอ่นตัวที่สมดุลไม่เปล่งรังสีกับการแอ่นตัวที่ไม่สมดุลที่ทำให้เกิดความถี่ในการสั่นสูงเกินที่จะถูกกระตุ้นได้ด้วยการปะทะจากความร้อนของบรรยากาศได้แม้มันจะยังทำหน้าที่ดูดกลืนอินฟราเรดได้บ้างก็ตาม รูปแบบการสั่นตัวของโมเลกุลของน้ำอยู่อัตราที่สูงเกินที่จะแผ่รังสีออกมาได้อย่างมีผล แต่มันยังสามารถดูดกลืนรังสอินฟราเรดที่มีความถี่สูงได้ ไอน้ำมีรูปโมเลกุลแอ่น มีขั้วคู่ที่ถาวร (ปลายของอะตอมออกซิเจนมีอีเลกตรอนมากและอะตอมของไฮโดรเจนมีน้อย) ซึ่งหมายความว่าแสงอินฟราเรดสามารถเปล่งออกและดูดกลืนได้ในระหว่างช่วงต่อของการหมุนตัวและการหมุนตัวก็เกิดได้จากการชนระหว่างการถ่ายโอนพลังงาน เมฆก็นับเป็นตัวดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่สำคัญ ดังนั้น น้ำจึงมีปรากฏการณ์เชิงอเนกต่อการแผ่รังสีอินฟราเรดผ่านช่วงการเป็นไอและช่วงการกลั่นตัว ตัวดูดกลืนที่สำคัญอื่นๆ รวมถึงก๊าซมีเทน ไนตรัสออกไซด์และคลอโรฟลูโอโรคาร์บอน
การโต้เถียงเกี่ยวกับความสำคัญในความสัมพันธ์ของตัวดูดกลืนรังสีอินฟราเรดชนิดต่างๆ ยังมีความสับสนที่เนื่องมาจากการทับซ้อนกันระหว่างเส้นสเปกตรัมที่เกิดจากก๊าซต่างชนิดที่ถ่างออกเนื่องจากแรงกดดันที่กว้างขึ้น ซึ่งมีผลทำให้การดูดกลืนของก๊าซชนิดหนึ่งไม่อาจเป็นอิสระจากก๊าซอื่นที่มีร่วมอยู่ในขณะนั้นได้ ช่องทางที่อาจทำได้วิธีหนึ่งคือการแยกเอาก๊าซดูดกลืนที่ต้องการวัดออก ปล่อยก๊าซดูดกลืนอื่นๆ ไว้และคงอุณหภูมิไว้ตามเดิมแล้วจึงวัดรังสีอินฟราเรดที่หนีออกสู่ห้วงอวกาศ ค่าที่ลดลงของการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่วัดได้จึงกลายเป็นตัวสำคัญขององค์ประกอบ และเพื่อให้แม่นยำขึ้น การบ่งชี้ปรากฏการณ์เรือนกระจกให้ชัดเจนว่ามีความแตกต่างกันระหว่างการแผ่รังสอินฟราเรดจากผิวโลกสู่ห้วงอวกาศที่ปราศจากบรรยากาศ กับการแผ่รังสีอินฟราเรดที่หนีออกสู่ห้วงอวกาศตามที่เกิดขึ้นจริง จากนั้นจึงคำนวณอัตราร้อยละของการลดลงของปรากฏการณ์เรือนกระจกเมื่อส่วนประกอบ (constituent) ถูกแยกออกไป ตารางข้างล่างนี้คือผลการคำนวณโดยใช้วิธีนี้ ซึ่งได้ใช้แบบจำลองมิติเดี่ยวของบรรยากาศ การใช้แบบจำลอง 3 มิติที่นำมาใช้คำนวณเมื่อเร็วๆ นี้ได้ผลออกมาใกล้เคียงกัน
| ก๊าซที่ถูกดึงออก | การลดปรากฏการณ์เรือนกระจก |
|---|---|
| H2O | 36% |
| CO2 | 9% |
| O3 | 3% |
[แก้] การป้อนกลับเชิงบวก, การกู่ไม่กลับของปรากฏการณ์เรือนกระจกและจุดพลิกผัน
จุดกู่ไม่กลับ (Tipping point) ของภาวะโลกร้อนคือจุดของการเปลี่ยนที่กระทำโดยกิจกรรมของมนุษย์ที่เสริมให้กระบวนการที่เคยเป็นไปตามปกติของธรรมชาติถึง จุดที่ไม่สามารถดึงกลับได้ อีก นักวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศบางคนเชื่อว่าปรากฏการณ์ดังกล่าวนี้จะเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2560 หรืออีก 52 ปีข้างหน้า[5] ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์คนอื่น เช่นเจมส์ แฮนเสน (James Hansen) นักวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศคนสำคัญของนาซาเชื่อว่าช่วงเวลากู่ไม่กลับดังกล่าวได้มาถึงแล้วในขณะนี้ [6]เมื่อมีวงวนของปรากฏการณ์ เช่นความเข้มข้นของก๊าซเรือนกระจกชนิดหนึ่งเกิดขึ้นกลายเป็นตัวเพิ่มอุณหภูมิ การป้อนกลับย่อมเกิดขึ้นเป็นวงวนดังดล่าว ถ้าปรากฏการณ์อุณหภูมิเกิดขึ้นไปในทิศทางเดียวกันการป้อนกลับก็จะเป็นเชิงบวก และถ้าเป็นไปในทิศทางตรงกันข้ามก็จะเป็นการป้อนกลับเชิงลบ ในบางครั้งผลป้อนกลับอาจเกิดขึ้นได้ด้วยเหตุเดียวกันกับแรง แต่ก็อาจเกิดโดยผ่านก๊าซเรือนกระจกตัวอื่นหรือปรากฏการณ์อื่นก็ได้ เช่นการเปลี่ยนแปลงของน้ำแข็งที่ปกคลุมผิวโลกซึ่งมีผลต่ออัตราส่วนรังสีสะท้อนของโลก
ผลป้อนกลับเชิงบวกไม่จำเป็นต้องทำให้เกิดปรากฏการณ์หนีห่าง (runaway effect) เสมอไป ด้วยการแผ่รังสีจากผิวโลกที่เพิ่มอุณหภูมิขึ้นเป็นสัดส่วนยกกำลังสี่ ผลป้อนกลับย่อมจะต้องมีระดับความรุนแรงพอที่จะสร้างปรากฏการณ์หนีห่างออกไปได้ การเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซเรือนกระจกนี้จะทำให้เกิดไอน้ำเพิ่ม เป็นเหตุให้ร้อนเพิ่มขึ้นอีกนี้คือผลป้อนกลับเชิงบวก ปรากฏการณ์ดังกล่าวไม่อาจทำให้ปรากฏการณ์หนีห่างเกิดขึ้นได้ มิฉนั้นปรากฏการณ์หนีห่างดังกล่าวคงเกิดขึ้นมานานแล้ว ปรากฏการณ์ผลป้อนกลับเชิงบวกมีการเกิดได้ทั่วไปและคงมีตัวตนอยู่เสมอ ในขณะปรากฏการณ์หนีห่างเกิดขึ้นได้ยากกว่าและเมื่อเกิดก็ไม่อาจคงอยู่ได้ตลอดเวลา
ถ้าปรากฏการณ์จากการวนซ้ำครั้งที่สองเกิดขึ้นและมีขนาดมากกว่าการวนซ้ำครั้งแรก เหตุการณ์นี้จะทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เป็นกัลปาวสาน
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น