Planetary Science รู้จักกับ Radiative Forcing เมื่อโลกเสียสมดุลทางพลังงานจากการแผ่รังสี
รู้จักกับ Radiative Forcing เมื่อโลกเสียสมดุลทางพลังงานจากการแผ่รังสี

Chottiwatt Jittprasong in NASA

รู้จักกับ Radiative Forcing เมื่อโลกเสียสมดุลทางพลังงานจากการแผ่รังสี

April 22, 2021

โดยปกติแล้ว ชั้นบรรยากาศของโลกของเรามีกลไกในการรักษาสมดุลพลังงานให้อยู่ในระยะที่ปกติซึ่งเอื้ออำนวยต่อสิ่งมีชีวิตอยู่แล้ว เช่น การสะท้อนแสงและรังสีจากดวงอาทิตย์กลับสู่นอกอวกาศไปด้วยชั้นบรรยากาศ การแผ่พลังงานออกจากพื้นผิวของโลกอย่างพลังงานจากแสงในช่วงคลื่น Infrared การนำและพาความร้อนจากพื้นผิวสู่ชั้นบรรยากาศหรือแม้แต่การควบแน่นของน้ำก็เป็นหนึ่งในกลไกการรักษาสมดุลของโลก

แต่ก็มีพลังงานบางส่วนที่ถูกโลกดูดซับไว้เช่นกันหรือแม้แต่พลังงานที่โลกพยายามแผ่ออกไปนอกอวกาศก็อาจถูกชั้นบรรยากาศดูดซับไว้ส่วนหนึ่งก่อนที่มันจะออกไปนอกอวกาศด้วย การรักษาสมดุลเหล่านี้เราเรียกรวม ๆ กันว่า “Energy Budget” หรือสมดุลทางพลังงาน

แผนภาพแสดงการรักษาสมดุลทางพลังงานจากรังสีของโลกที่เรียกว่า “Energy Budget” – ที่มา NASA

อย่างไรก็ตาม จากงานวิจัย “Observational Evidence of Increasing Global Radiative Forcing” ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร AGU พบว่าโลกของเรากำลังเสียสมดุลทางพลังงานไป

แน่นอนว่าพลังงานจากการแผ่รังสีของโลกหรือ Radiative energy ส่วนใหญ่มาจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ซึ่งรังสีพวกนี้เมื่อมันกระทบกับชั้นบรรยากาศของโลก จะมีส่วนหนึ่งที่ถูกสะท้อนออกจากชั้นบรรยากาศ ที่เหลือก็จะถูกดูดซับไว้ อย่างรังสีจำพวก Ultraviolet (UV) ก็จะถูกชั้น Ozone ดูดซับไป พลังงานความร้อนรวมทั้งแสงที่มองเห็นได้ซึ่งสามารถทะลุชั้นบรรยากาศมาได้ก็จะกระทบเข้ากับพื้นผิวของโลกและถูกดูดซับไป หากเราลองไปแตะพื้นถนนกลางแดดก็จะรู้สึกได้ว่ามันร้อน นั้นก็เพราะพื้นดูดซับพลังงานความร้อนจากความร้อนที่แผ่มาจากดวงอาทิตย์นั่นเอง

ทุกการดูดซับไม่ว่าจะทั้งจากชั้นบรรยากาศหรือจากพื้นผิว จะทำให้อุณหภูมิของโลกสูงขึ้น แต่ทุกการแผ่รังสีออกจากโลกก็จะทำให้อุณหภูมิของโลกต่ำลง อย่างไรก็ตามทุกการแผ่รังสีออกจากโลกก็จะมีการดูดซับกลับด้วย เช่นเดียวกับการดูดซับพลังงานจากดวงอาทิตย์ตั้งแต่แรกก็จะมีการสะท้อนกับบางส่วนเช่นกัน ทั้งหมดนี้ทำให้เกิดสมดุลพลังงานในโลกขึ้น ทำให้อุณหภูมิของโลกคงที่

A simplified animation of Earth's planetary energy balance.
แอนิเมชันแสดงหลักรักษาสมดุลพลังงานจากรังสีของโลกโดยสีเหลืองคือรังสีที่รับมา ส่วนสีส้มคือรังสีที่แผ่ออกไป – ที่มา NASA’s Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab

อย่างไรก็ตาม กิจกรรมของมนุษย์ต่าง ๆ เช่น การปล่อยแก๊สเรือนกระจกจากโรงงานต่าง ๆ หรือการใช้สเปรย์ที่มีส่วนผสมของสาร Ozone Degrading Substance (ODS) ซึ่งทำลาย Ozone อย่าง CFC จะทำให้โลกสะท้อนรังสีเหล่านี้กลับได้น้อยลง แต่ดูดซับมากขึ้น เช่น แก๊สเรือนกระจกมีคุณสมบัติป้องกันไม่ให้รังสีสะท้อนกลับออกไปนอกอวกาศ หากมีพอดีมันก็จะสามารถทำให้โลกสามารถรักษาอุณหภูมิไม่ให้เย็นเกินไปได้ แต่หากมีเยอะไป รังสีที่โลกพยายามจะแผ่ออกไปอาจสะท้อนกลับมาทำให้พื้นผิวของโลกดูดซับมันเข้าไปอีกรอบ เราเรียกกระบวนการนี้ว่า “Radiative Forcing” ซึ่งนี่จะทำให้เราดูดซับมากกว่าแผ่ออกไป ในที่สุดเราก็จะค่อย ๆ เสียสมดุล

ข้อมูลจาก Clouds and the Earth’s Radiant Energy System หรือ CERES ของ NASA ซึ่งเป็นโครงการที่เก็บข้อมูลการดูดซับและการแผ่รังสีของโลกตั้งแต่ปี 1997 พบว่าโลกมีการดูดซับรังสีไว้มากกว่าที่มันสะท้อนออกไป

แผนภาพแสดงการดูดซับและการแผ่รังสีของโลกในปี 2018 จากข้อมูลของ CERES – ที่มา NASA’s Scientific Visualization Studio

อ้างอิงจากแผนภาพด้านบนนี้ เราจะสามารถตีความได้ว่าโลกของเราดูดซับแสงรังสีมากกว่าที่มันแผ่ออกไป เทียบง่าย ๆ ก็คือเหมือนรายจ่ายมากกว่ารายรับ ในที่สุดเราก็จะค่อย ๆ เสียสมดุลนั่นเอง แต่แผนภาพนี้ก็ยังไม่ได้บอกว่า “Why?” เพราะอะไรถึงเป็นอย่างนั้น

นักวิจัยจึงได้ใช้หลากหลายการคำนวณเพื่อหาสาเหตุและปัจจัยที่ทำให้เกิดความไม่สมดุลนี้จากค่าตัวแปรต่าง ๆ เช่น ความชื้น เมฆ อุณหภูมิ และค่า Albedo (ค่าการสะท้อนแสงของโลก) เช่น การใช้ดาวเทียม AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) บนดาวเทียม Aqua ของ NASA ในการคำนวณค่าการดูดซับพลังงานความร้อนจากไอน้ำในชั้นบรรยากาศซึ่งมีผลต่อการแผ่รังสีออกนอกโลก

ค่าเหล่านี้ล้วนแต่เป็นค่าจากธรรมชาติที่อยู่ใน Energy Budget อยู่แล้ว หมายความว่าหากเราหาค่าจากธรรมชาชาติได้หมดแล้วเราก็สามารถเอามันมาลบออกจาก Net Radiation ได้ ค่าที่เหลือก็จะเป็นค่าจาก Radiative Forcing นั่นเอง

แผนภาพแสดงโมเดลจำลองการแผ่กระจายของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จาก Supercomputer ของ NASA – ที่มา NASA’s Scientific Visualization Studio/NASA’s Global Modeling and Assimilation Office

จากการคำนวณพบว่าค่าจาก Radiative Forcing ทั้งหมดที่เกิดจากมนุษย์คิดเป็น 0.5 watts ต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตรตั้งแต่ปี 2003 จนถึงปี 2018 ซึ่งเกิดมาจากการปล่อยแก๊สเรือนกระจกจากการผลิตพลังงาน การคมนาคม การอุตสาหกรรม การใช้แก๊ส ODS ส่งผลให้เกิดความไม่สมดุลขึ้นใน Energy Budget

การที่นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณหาผลกระทบต่อการรักษาสมดุลพลังงานของโลกโดยตรงด้วยวิธีการคำนวณต่าง ๆ ทำให้เราสามารถวัดค่าที่เกิดจาก Radiative Forcing ได้แม่นยำยิ่งขึ้น ซึ่งจะทำให้เราสามารถจำลองการเกิด Radiative Forcing ได้ดียิ่งขึ้น เพื่อที่จะแสดงให้โลกเห็นว่าหากโลกยังเป็นอย่างนี้ต่อไป อนาคตของโลกจะเป็นอย่างไร

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

Direct Observations Confirm that Humans are Throwing Earth’s Energy Budget off Balance

Observational Evidence of Increasing Global Radiative Forcing

What is Earth’s Energy Budget? Five Questions with a Guy Who Knows





MORE