วิศวกรรมดาวเคราะห์ ตอนที่ 1 การคำนวณอุณหภูมิของโลกและข้อดีของแก๊สเรือนกระจก

          ภาวะโลกร้อน (Global Warming) เป็นประเด็นทางสิ่งแวดล้อมที่ผู้คนทั่วโลกกำลังให้ความสนใจ เพราะการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิโลกเนื่องจากแก๊สเรือนกระจกนำมาซึ่งการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ (Climate Change) ที่กำลังคุกคามสรรพชีวิตบนโลก ด้วยเหตุนี้ภาวะโลกร้อนจึงถูกมองว่าเป็น “ผู้ร้าย” ที่ไม่มีใครปรารถนาอยากพบเจอ แต่ผู้อ่านเคยตั้งคำถามไหมว่าถ้าโลกของเราไม่มีแก๊สเรือนกระจกเลย ผลจะเป็นอย่างไร?


          การที่โลกมีสิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นและสามารถวิวัฒนาการจนมีความซับซ้อนแสดงให้เห็นว่าโลกมีเงื่อนไขบางประการที่เอื้ออำนวยต่อชีวิต เงื่อนไขนั้นคืออุณหภูมิที่ไม่สูงและไม่ต่ำจนเกินไป ความอบอุ่นของโลกเกิดจากสมดุลของการรับและคายพลังงานที่ได้รับจากดวงอาทิตย์ (ในกรณีนี้เราจะไม่คิดผลกระทบจากอากาศและน้ำ) หากสมมติให้พื้นผิวโลกที่รับพลังงานจากแสงอาทิตย์มีลักษณะเป็นแผ่นกลม \((\pi R)\)² เราจะสามารถคำนวณพลังงานที่ตกกระทบพื้นผิวโลก (E) ได้จากสมการ           เมื่อK คือค่าคงที่สุริยะ (Solar Constant) ซึ่งมีค่าประมาณ 1,361 วัตต์ต่อตารางเมตร และ R คือรัศมีของโลกซึ่งมีค่าประมาณ 6,371 กิโลเมตร เมื่อแทนค่าลงในสมการจะพบว่าพลังงานที่ตกกระทบพื้นผิวโลกมีมากถึง 173.5x10¹⁵ วัตต์!

            อย่างไรก็ตาม พื้นผิวโลกไม่สามารถดูดกลืนพลังงานของแสงอาทิตย์ได้ทั้งหมดเนื่องไม่ใช่วัตถุดำ (Blackbody) ดังนั้นสมบัติในการแผ่รังสีจึงขึ้นกับวัตถุปกคลุมพื้นผิวโลก (Cover Material) ทำให้โลกมีค่าการสะท้อนรังสี (Albedo) ประมาณ 0.34 ถึง 0.42 ดังนั้นพลังงานที่โลกดูดกลืนเอาไว้ (Eab) จึงสามารถคำนวณได้จากการนำเลข 1 มาลบออกจากค่าการสะท้อนรังสี ดังนี้
            หลังจากโลกดูดกลืนพลังงานเอาไว้ กระบวนที่เกิดขึ้นต่อมาคือการคายพลังงานกลับสู่อวกาศ ซึ่งค่าฟลักซ์พลังงานจากการคายรังสี (j) จะแปรผันตรงกับอุณหภูมิ (T) ยกกำลังสี่ ตามสมการ

            เมื่อ σ คือค่าคงที่ของ Stefan-Boltzmann ซึ่งเท่ากับ 5.67x10^-8 (W/m²K⁴) โดยสมการดังกล่าวแสดงการปลดปล่อยพลังงานต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตร แต่โลกดูดกลืนพลังงานเอาไว้เกือบทั้งดวงจึงต้องนำค่าฟลักซ์พลังงานมาคูณกับพื้นที่ผิวของโลก \((4\pi R\)²) และจากกฎอนุรักษ์พลังงาน พลังงานที่โลกดูดกลืนจะเท่ากับพลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกไป จึงเขียนเป็นสมการได้ว่า
 
            แต่เนื่องจากเราต้องการหาอุณหภูมิของโลก จึงต้องจัดรูปสมการใหม่ ดังนี้           เมื่อได้สมการมาแล้ว ขั้นตอนสุดท้ายคือการแทนค่าเพื่อหาคำตอบ ซึ่งเราจะได้ค่าอุณหภูมิประมาณ 253.7 เคลวิน หรือ -19.5 องศาเซลเซียส ผลลัพธ์นี้คงทำให้หลายท่านรู้สึกแปลกใจว่าทำไมค่าที่คำนวณได้จากทฤษฎีถึงห่างไกลจากความเป็นจริงขนาดนี้ เพราะถ้าเชื่อตัวเลขดังกล่าวแปลว่าโลกของเราต้องเย็นสุดขั้วจนมีสภาพเป็นดาวเคราะห์น้ำแข็ง แต่ความจริงแล้วผลการคำนวณนี้ไม่ผิดครับ เพียงแต่สมการที่ใช้ยังขาดตัวแปรสำคัญนั่นคืออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากแก๊สเรือนกระจกที่มีอยู่ตามธรรมชาติ ดังนั้นสมการที่ถูกต้องจึงกลายเป็น

            เห็นไหมครับว่าแก๊สเรือนกระจกไม่ได้มีแต่ข้อเสียเสมอไป หากขาดแก๊สเรือนกระจก สัตว์ที่เป็นบรรพบุรุษของเราอาจไม่ได้กำเนิดขึ้นมาก็ได้ แต่สถานการณ์ในปัจจุบันนั้นแตกต่างออกไป เพราะก่อนการปฏิวัติอุตสาหกรรม แก๊สเรือนกระจกในชั้นบรรยากาศยังมีไม่มากเท่าปัจจุบัน เมื่อแสงอาทิตย์เดินทางมาถึงโลก รังสีบางส่วนจะสะท้อนกลับ รังสีบางส่วนจะถูกดูดกลืนในชั้นบรรยากาศ และส่วนที่เหลือจะเดินทางมาถึงผิวโลกแล้วถูกดูดกลืนเอาไว้ ก่อนจะเกิดการแผ่รังสีออกสู่ชั้นบรรยากาศอีกครั้ง กระบวนการดังกล่าวคือกลไกที่คอยรักษาอุณหภูมิของโลกให้มีค่าค่อนข้างคงที่ (Thermal Equilibrium) ตลอดเวลาหลายพันปีที่ผ่านมา


          แต่ในปัจจุบันแก๊สเรือนกระจกที่เคยถูกกักเก็บเอาไว้บนโลกในรูปแบบต่างๆ ถูกปลดปล่อยออกมาจนล้นเกินสมดุลของธรรมชาติเนื่องจากกิจกรรมของมนุษย์ สิ่งที่เกิดขึ้นคือแก๊สเรือนกระจกจะดูดกลืนรังสีเอาไว้แล้วถูกกระตุ้นให้มีพลังงานเพิ่มขึ้น แต่แก๊สที่มีพลังงานสูงจะคงอยู่ได้ไม่นานก่อนจะคายพลังงานกลับออกมา ซึ่งนี่คือสาเหตุของภาวะโลกร้อนที่ Joseph Fourier, John Tyndall, Svante Arrhenius และนักวิทยาศาสตร์อีกหลายท่านเคยให้ความเห็นเอาไว้ตั้งแต่เกือบ 200 ปีก่อน           อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเมื่อชั้นบรรยากาศของโลกมีแก๊สเรือนกระจกมากจนถึงจุดหนึ่ง โลกจะมีกลไกตอบสนองแบบป้อนกลับ (Feedback Mechanism) ซึ่งอาจมีความเป็นไปได้ 2 ลักษณะ อย่างแรกคือน้ำแข็งกับหิมะละลายมากขึ้นจนทำให้ผิวดินสะท้อนแสงได้น้อยลง ผลคืออุณหภูมิของโลกจะเพิ่มสูงขึ้นเรื่อยๆ เรียกว่าการป้อนกลับแบบบวก (Positive Feedback) ส่วนอย่างที่สองคือน้ำระเหยมากขึ้น เมฆจึงก่อตัวเพิ่มขึ้นจนสะท้อนแสงอาทิตย์กลับไปมากขึ้น ผลคืออุณหภูมิของโลกลดลง เรียกกลไกแบบนี้ว่าการป้อนกลับแบบลบ (Negative Feedback) แต่ปัญหามีอยู่ว่าระบบพลวัตของโลกมีความซับซ้อนสูงจนทำให้การคาดการณ์นั้นทำได้ยากยิ่ง


          จากสถานการณ์ในปัจจุบัน แต่ละประเทศจำเป็นต้องมีนโยบายที่สอดคล้องกันเพื่อบรรเทาปัญหาภาวะโลกร้อน เพราะหากแต่ละประเทศยังบริหารจัดการแก๊สเรือนกระจกได้ไม่ดีพอ ความหวังในการรักษาสภาพแวดล้อมก็ยิ่งริบหรี่จนมนุษย์ไม่อาจรับมือได้ เหมือนข้อความของ Isaac Asimov ที่เคยเขียนเอาไว้ในหนังสือชื่อ I, Asimov: A Memoir ว่า “ไม่มีหรอกชาติต่างๆ มีเพียงมนุษยชาติ และหากเรายังไม่รีบทำความเข้าใจให้ถูกต้องโดยเร็ว โลกจะไม่เหลือชาติ เพราะโลกสูญสิ้นมนุษยชาติ”


          ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ในหลายประเทศกำลังให้ความสนใจแนวทางการรับมือกับการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศที่เรียกว่า “วิศวกรรมดาวเคราะห์” ซึ่งผู้อ่านสามารถติดตามต่อได้ในตอนที่ 2 ครับ

 

อ้างอิง

• https://history.aip.org/climate/timeline.htm?fbclid=IwAR2jVySQISl6zKmAObtHXZttM-1JoABo04LOWe5dlXvsZiOzk_hK7DMqxWw
• https://scied.ucar.edu/planetary-energy-balance-temperature-calculate?fbclid=IwAR3cD7OKuG8b35QmbcIuswnVgAt6nIFscR2UQRWdemvYF8k-LKU6iRibjzc
• https://climate.nasa.gov/evidence/
• หนังสือ อุตุนิยมวิทยา โครงการตำราวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์มูลนิธิ สอวน.