พลังงานจากดวงอาทิตย์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีทั้งรังสีคลื่นสั้นและคลื่นยาว บรรยากาศของโลกทำหน้าที่ปกป้องรังสีคลื่นสั้น ไม่ให้ลงมาทำอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตบนพื้นโลกได้ โมเลกุลของก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศชั้นบนสุด ดูดกลืนรังสีแกมมาและรังสีเอ็กซ์ จนทำให้อะตอมของก๊าซในบรรยากาศชั้นบนมีอุณหภูมิสูง และแตกตัวเป็นประจุ (บางครั้งเราเรียกชั้นบรรยากาศที่เต็มไปด้วยประจุนี้ว่า ไอโอโนสเฟียร์ มีประโยชน์ในการสะท้อนคลื่นวิทยุสำหรับการสื่อสาร) รังสีอุลตราไวโอเล็ตสามารถส่องผ่านบรรยากาศชั้นบนลงมา แต่ถูกดูดกลืนโดยก๊าซโอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์ที่ระยะสูงประมาณ 19 - 48 กิโลเมตร แสงแดดหรือแสงที่ตามองเห็นสามารถส่องลงมาถึงพื้นโลก รังสีอินฟราเรดถูกดูดกลืนโดยก๊าซเรือนกระจก เช่น
ไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นโทรโปสเฟียร์ ส่วนคลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุในบางความถี่สามารถส่องทะลุชั้นบรรยากาศได้
ภาพที่ 1 การกรองรังสีของบรรยากาศ
พลังงานที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์
ร้อยละ 95 ของรังสีที่แผ่จากดวงอาทิตย์มีความยาวคลื่น 0.1 2.5 ไมโครเมตร (100 นาโนเมตร 2,500 นาโนเมตร)
ในจำนวนนี้เป็นรังสีอุลตราไวโอเล็ต 7% แสงที่ตามองเห็น 43% รังสีอินฟราเรดใกล้ (Near Infrared) 49% โดยมีรังสีแกมมา
รังสีเอ็กซ์ และคลื่นวิทยุ เพียง 1% ทั้งนี้โดยมีความยาวคลื่นที่ให้พลังงานมากที่สุด (lmax) อยู่ที่ 500 นาโนเมตร ทำให้เรามองเห็นดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์สีเหลือง
ภาพที่ 2 การแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ และการแผ่รังสีของโลก
พลังงานที่โลกแผ่ออกมา
เมื่อโลกได้รับรังสีจากดวงอาทิตย์ ก็จะดูดกลืนพลังงานและแผ่รังสีออกมาในรูปของรังสีอินฟราเรด ซึ่งมีความยาวคลื่น 2.5 30 ไมโครเมตร โดยมีความยาวคลื่นที่ให้พลังงานมากที่สุด (max) อยู่ที่ 10 ไมโครเมตร (0.01 มิลลิเมตร)
เรามักเรียกรังสีช่วงนี้ว่า รังสีคลื่นสั้น (Shortwave) เพราะว่ามี max อยู่ในย่านที่ตามองเห็น และเรียกรังสีที่โลกแผ่ออกมาว่า รังสีคลื่นยาว (Longwave) เพราะว่ามี max อยู่ในย่านอินฟราเรด ดังภาพที่ 2
หมายเหตุ: 1 เมตร (m) = 1,000,000 ไมโครเมตร (mm) = 1,000,000,000 นาโนเมตร (nm)
ตัวอย่างที่ 1: โลกแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่น 10 ไมโครเมตร (0.00001008 m) สู่อวกาศ แสดงว่าโลกมีอุณหภูมิเฉลี่ยเท่าไร
T = 0.00289 / max
= 0.00289 / 0.00001008
= 288 K
สมดุลพลังงานของโลก
โลกของเราได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ 100% แต่จะสะท้อนพลังงานจำนวน 30% กลับคืนสู่อวกาศ พลังงานที่โลกดูดกลืนไว้ จะแผ่รังสีออกมาในรูปของคลื่นอินฟราเรด จากบรรยากาศเป็นจำนวน 58% และจากพื้นผิวเป็นจำนวน 12% ตามบัญชีที่แสดงต่อไปนี้
บัญชีพลังงานของโลก
(Planetary Energy Budget)
พลังงานขาเข้า
พลังงานขาออก
พลังงานที่ได้รับจากดวงอาทิตย์ 100 สะท้อนกลับคืนอวกาศ 30
บรรยากาศแผ่รังสีสู่อวกาศ 58
พื้นโลกแผ่รังสีสู่อวกาศ 12
รวม 100
รวม 100
พลังงานที่แผ่จากโลก = พลังงานที่โลกดูดกลืนไว้
ให้ อุณหภูมิของโลก = T
รัศมีของโลก = R
พื้นผิวของโลก = 4R^2
พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่โลกได้รับต่อพื้นที่ (energy flux) = F = 1,370 วัตต์/ตารางเมตร
กฎของสเตฟาน-โบลท์มานน์ F = T4
โดยที่ = 5.67 x 10-8 วัตต์/ตารางเมตร K^4
อัตราส่วนการสะท้อนแสงของโลก = A = 0.3
พลังงานที่แผ่จากโลก = F x พื้นที่ผิวของโลก
= T4 x 4R2 (กฎของสเตฟาน-โบลท์มานน์ S = T4)
พลังงานที่โลกดูดกลืน = พลังงานที่โลกได้รับ พลังงานที่สะท้อนออก (ภาพที่ 3)
= R^2 x F - R^2 x F x A
= R^2 x F (1-A)
พลังงานที่แผ่จากโลก = พลังงานที่โลกดูดกลืนไว้
T^4 x R^2 = R^2 x F (1-A)
T4 = F/4 (1-A)T
= 4 F/4s (1-A)
= 4 (1,370 / 4 x 5.67 x 10^-8) x (1-0.3) K^2
= 255 K
อุณหภูมิของโลก (T) ที่คำนวณได้จากตารางข้างบนมีค่า 255 K หรือ -18°C นั้น เป็นอุณหภูมิซึ่งเกิดจากพลังงานที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์เพียงอย่างเดียว ทว่าความจริงบนพื้นผิวโลกมีอุณหภูมิเฉลี่ย 288 K หรือ 15°C (จากตัวอย่างที่ 1) ซึ่งสูงกว่าที่คำนวณได้ถึง 15 - (-18)°C = 33°C นั่นหมายความว่า โลกมีแหล่งความร้อนในบรรยากาศ
ภาวะเรือนกระจก
บรรยากาศของโลกประกอบด้วย ก๊าซไนโตรเจน 78% ก๊าซออกซิเจน 21% ก๊าซอากอน 0.9% นอกนั้นเป็น ไอน้ำ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนเล็กน้อย แม้ว่าไนโตรเจน ออกซิเจน และอากอน จะเป็นองค์ประกอบหลักของบรรยากาศ แต่ก็มิได้มีส่งอิทธิพลต่ออุณหภูมิของโลก ในทางตรงกันข้ามก๊าซโมเลกุลใหญ่ เช่น ไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และมีเทน แม้จะมีอยู่ในบรรยากาศเพียงเล็กน้อย กลับมีความสามารถในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด และมีอิทธิพลทำให้อุณหภูมิของโลกสูงขึ้น เราเรียกก๊าซพวกนี้ว่า ก๊าซเรือนกระจก (Greenhouse gas)
ตารางที่ 1: ก๊าซเรือนกระจก
ก๊าซเรือนกระจก
ปริมาณก๊าซในบรรยากาศ (ต่อล้านส่วน)
ไอน้ำ
40,000
คาร์บอนไดออกไซด์
360
มีเทน
1.7
ไนตรัสออกไซด์
0.3
โอโซน
0.01
รือนกระจก หมายถึง โรงเพาะปลูกต้นไม้ ซึ่งมีผนังที่ห่อหุ้มด้วยวัสดุโปร่งใส เช่น แก้ว หรือพลาสติก เพื่อป้องกันมิให้สูญเสียความร้อนออกไป ทำให้อากาศภายในมีอุณหภูมิสูง ช่วยให้ต้นไม้เจริญเติบโต โลกของเราก็มีสภาวะนี้เรียกว่า ภาวะเรือนกระจก (Greenhouse effect) โมเลกุลของก๊าซเรือนกระจกในบรรยากาศ จะทำหน้าที่ดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่โลกแผ่ออกมา ไม่ให้พลังงานสูญหายไปในอวกาศจนหมด ซึ่งช่วยให้โลกมีอุณหภูมิอบอุ่นขึ้น
ภาพที่ 4 ภาวะเรือนกระจก
หากพิจารณาเปรียบเทียบโลกและดวงจันทร์ ซึ่งอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์พอๆ กัน โลกมีอุณหภูมิเฉลี่ย 15°C อุณหภูมิเวลากลางวันและกลางคืนบนโลกแตกต่างกันประมาณ 10 - 20°C แต่ด้านที่รับแสงอาทิตย์ของดวงจันทร์มีอุณหภูมิสูงถึง 130°C และด้านเงามืดมีอุณหภูมิต่ำถึง -180°C ดังนั้นกลางวันและกลางคืนบนดวงจันทร์จึงมีอุณหภูมิแตกต่างกันถึง 310°C การที่กลางวันและกลางคืนบนโลกไม่แตกต่างกันมากเป็นเพราะ โลกมีการถ่ายเทพลังงานในชั้นบรรยากาศ ในเวลากลางวันเมฆและบรรยากาศจะช่วยสะท้อนแสงอาทิตย์ส่วนหนึ่งออกไป ทำให้อุณหภูมิไม่สูงมาก และรังสีอินฟราเรดที่แผ่ออกมาจากไอน้ำและก๊าซเรือนกระจก ช่วยรักษาอุณหภูมิไว้ไม่ให้ต่ำมากเวลากลางคืน ส่วนบนดวงจันทร์ไม่มีบรรยากาศ ในหมุนเวียนพลังงาน และพาความร้อน กลางวันและกลางคืนจึงมีอุณหภูมิแตกต่างกันมาก
ภาพที่ 4 บทบาทของเมฆในการรักษาอุณหภูมิ
จะเห็นได้ว่า ภาวะเรือนกระจกมีคุณประโยชน์ เพราะช่วยให้โลกมีความอบอุ่น และทำให้น้ำบนพื้นโลกมีครบทั้งสาม สถานะ จึงเป็นปัจจัยที่สำคัญที่เอื้ออำนวยต่อการดำรงชีวิต ดังนั้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์ต้องการจะหาดาวเคราะห์ที่มีความเป็นไปได้ที่จะมีสิ่งมีชีวิต เขาจะมองหาดาวที่มีสเปคตรัมของก๊าซเรือนกระจก
ขอบคุณที่มา
http://203.114.105.84/virtual/lesa/energy/planet_budget/budget/budget.htm ![]()
