เลือกหัวข้อที่น่าสนใจ   

โครงสร้างบรรยากาศ

          เมื่อมองดูจากอวกาศ จะเห็นว่าโลกของเรามีบรรยากาศชั้นบางๆ ห่อหุ้มอยู่ บรรยากาศส่วนใหญ่มีลักษณะโปร่งแสง มองเห็นเป็นฝ้าบางๆ ที่ขอบของโลก นอกจากนั้นยังมีกลุ่มเมฆสีขาวซึ่งเกิดจากน้ำในบรรยากาศ เมื่อเปรียบเทียบความหนาของบรรยากาศเพียงไม่กี่ร้อยกิโลเมตร กับรัศมีของโลกซึ่งยาวถึง 6,400 กิโลเมตร จะเห็นว่าบรรยากาศของโลกนั้นบางมาก
          ดังนั้นบรรยากาศของจึงอ่อนไหวต่อการเปลี่ยนแปลงมาก ยกตัวอย่าง เช่น เมื่อเกิดภูเขาไฟระเบิดขึ้น ณ ที่แห่งหนึ่ง กระแสลมก็สามารถหอบหิ้วเถ้าภูเขาไฟ ไปยังอีกซีกหนึ่งของโลก ซึ่งยังผลให้ภูมิอากาศของโลกเปลี่ยนแปลงไปด้วย



ภาพที่ 1 บรรยากาศของโลกเมื่อมองดูจากอวกาศ

กลไกคุ้มครองสิ่งมีชีวิต
          โลกรับพลังงานส่วนใหญ่มาจากดวงอาทิตย์ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งมีทั้งรังสีที่มีคุณประโยชน์และเป็นโทษแก่สิ่งมีชีวิต บรรยากาศของโลกแม้จะมีความเบาบางมาก แต่ก็มีความหนาแน่นพอที่จะปกป้องรังสีคลื่นสั้น เช่น รังสีเอ็กซ์ และรังสีอุลตราไวโอเล็ต ไม่ให้ลงมาทำอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตบนพื้นโลกได้


ภาพที่ 2 การกรองรังสีของบรรยากาศ

           ที่ระดับความสูงประมาณ 80-400 กิโลเมตร โมเลกุลของก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศชั้นบนสุด ดูดกลืนรังสีแกมมา และรังสีเอ็กซ์ จนทำให้อะตอมของก๊าซมีอุณหภูมิสูงจนแตกตัวเป็นประจุ (Ion) และสูญเสียอิเล็กตรอน บางครั้งเราเรียกชั้นบรรยากาศที่เต็มไปด้วยประจุนี้ว่า “ไอโอโนสเฟียร์” (Ionosphere) มีประโยชน์ในการสะท้อนคลื่นวิทยุสำหรับการสื่อสารโทรคมนาคม
           รังสีอุลตราไวโอเล็ตสามารถส่องผ่านบรรยากาศชั้นบนสุดลงมาได้ แต่ถูกดูดกลืนโดยก๊าซโอโซนใน
ชั้นสตราโตสเฟียร์ ที่ระยะสูงประมาณ 48 กิโลเมตร
           แสงที่ตามองเห็น หรือ แสงแดด สามารถส่องลงมาถึงพื้นโลกได้
           รังสีอินฟราเรดถูกดูดกลืนโดยก๊าซเรือนกระจก เช่น ไอน้ำ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซมีเทน
ในชั้นโทรโพสเฟียร์ ทำให้อุณหภูมิพื้นผิวมีความอบอุ่น
           คลื่นไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุในบางความถี่ สามารถส่องทะลุบรรยากาศได้


กำเนิดของบรรยากาศ
          โลกของเราเกิดขึ้นพร้อมๆ กับดวงอาทิตย์ และดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ ในระบบสุริยะเมื่อประมาณ 4,600 ล้านปีมาแล้ว ก๊าซและฝุ่นรวมตัวก่อกำเนิดเป็นดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ โลกในยุคแรกเป็นของเหลวหนืดร้อน ถูกกระหน่ำชนด้วยอุกกาบาตขนาดใหญ่ตลอดเวลา องค์ประกอบซึ่งเป็นธาตุหนัก เช่น โลหะ จมตัวลงสู่แก่นกลางของโลก องค์ประกอบซึ่งเป็นธาตุเบา เช่น ซิลิกอน และก๊าซต่างๆ ลอยตัวขึ้นสู่พื้นผิว โลกถูกปกคลุมก๊าซไฮโดรเจน ไนโตรเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ เนื่องจากพื้นผิวโลกร้อนมาก ประกอบกับอิทธิพลของลมสุริยะจากลมสุริยะ จึงทำให้ก๊าซไฮโดรเจนแตกตัวเป็นประจุ (Ion) และหลุดหนีสู่อวกาศ ปริมาณก๊าซไฮโดรเจนในบรรยากาศจึงลดลง



ภาพที่ 3 บรรยากาศของโลกในอดีต

          ในเวลาต่อมาเปลือกโลกเริ่มเย็นตัวลงเป็นของแข็ง องค์ประกอบที่เบากว่าซึ่งถูกกักขังไว้ภายใน พยายามแทรกตัวออกตามรอยแตกของพื้นผิว เช่น ภูเขาไฟระเบิด องค์ประกอบหลักของบรรยากาศโลกเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และไนโตรเจน ต่อมาเมื่อโลกเย็นตัวลงจนไอน้ำในอากาศสามารถควบแน่นทำให้เกิดฝน น้ำฝนได้ละลายคาร์บอนไดออกไซด์ลงมาบนพื้นผิวโลก ทำให้ปริมาณของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ลดลง น้ำฝนจำนวนมากสะสมและรวมตัวกันกันในบริเวณแอ่งที่ต่ำ กลายเป็นทะเลและมหาสมุทร ในช่วงเวลานั้นเริ่มเกิดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตกำเนิดขึ้น โดยสิ่งมีชีวิตในยุคแรกอาศัยอยู่ตามใต้มหาสมุทร ดำรงชีวิตโดยใช้พลังงานเคมีและความร้อนจากภูเขาไฟใต้ทะเล
          จนกระทั่ง 2,000 ล้านปีต่อมา สิ่งมีชีวิตได้วิวัฒนาการให้มีการสังเคราะห์แสง เช่น แพลงตอน สาหร่าย และพืช ดึงคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศและน้ำทะเล มาสร้างน้ำตาล และให้ผลผลิตเป็นก๊าซออกซิเจนออกมา องค์ประกอบของบรรยากาศโลกจึงเปลี่ยนแปลงไป ก๊าซออกซิเจนกลายเป็นองค์ประกอบหลักแทนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

องค์ประกอบของบรรยากาศ
          บรรยากาศที่ห่อหุ้มโลกส่วนใหญ่ประกอบด้วย ก๊าซไนโตรเจน 78% ก๊าซออกซิเจน 21% ก๊าซอาร์กอน 0.9% ที่เหลือเป็น ไอน้ำ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซอื่น ๆ จำนวนเล็กน้อย

ภาพที่ 4  กราฟแสดงองค์ประกอบของบรรยากาศ

องค์ประกอบหลัก
           ก๊าซไนโตรเจน (N2) มีคุณสมบัติไม่ทำปฏิกิริยาเคมีกับสารอื่น แต่เมื่ออะตอมเดี่ยวของมันแยกออกมา รวมเข้าเป็นองค์ประกอบของสารอื่น เช่น สารไนเตรท จะมีบทบาทสำคัญต่อสิ่งมีชีวิต
ท ก๊าซออกซิเจน (O2) เป็นผลผลิตจากการสังเคราะห์แสงของพืช สาหร่าย แพลงตอน และสิ่งมีชีวิต มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยากับสารอื่น และช่วยให้ไฟติด ถ้าปริมาณของออกซิเจนในอากาศมีมากกว่า 35% โลกทั้งดวงจะลุกไหม้ติดไฟ ดังนั้นสิ่งมีชีวิตบนโลกจึงวิวัฒนาการให้มีสัตว์ ซึ่งใช้ออกซิเจนในการเผาผลาญธาตุอาหาร และคายก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา
           ก๊าซอาร์กอน (Ar) เป็นก๊าซเฉื่อยไม่ทำปฏิกิริยากับธาตุอื่น เกิดขึ้นจากการสลายตัว (ซากกัมมันตภาพรังสี) ของธาตุโปแตสเซียมภายในโลก
           ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นก๊าซเรือนกระจก (Greenhouse gas) แม้มีอยู่ในบรรยากาศเพียง 0.036% แต่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิต เนื่องจากก๊าซเรือนกระจกมีคุณสมบัติในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดซึ่งแผ่ออกจากโลก ทำให้โลกอบอุ่น อุณหภูมิของกลางวันและกลางคืนไม่แตกต่างจนเกินไป นอกจากนั้นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ยังเป็นแหล่งอาหารของพืช
           อย่างไรก็ตามแม้ว่าไนโตรเจน ออกซิเจน จะเป็นองค์ประกอบหลัก แต่ก็มิได้มีอิทธิพลต่ออุณหภูมิของโลก ในทางตรงกันข้ามก๊าซโมเลกุลใหญ่ เช่น ไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และมีเทน แม้จะมีอยู่ในบรรยากาศเพียงเล็กน้อย แต่มีความสามารถในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด ทำให้อุณหภูมิของโลกอบอุ่น เราเรียกก๊าซพวกนี้ว่า “ก๊าซเรือนกระจก” (Greenhouse gas)

ตารางที่ 1: ก๊าซเรือนกระจก
ก๊าซเรือนกระจก
ปริมาณก๊าซในบรรยากาศ
(ต่อล้านส่วน)
ไอน้ำ
40,000
คาร์บอนไดออกไซด์
360
มีเทน
1.7
ไนตรัสออกไซด์
0.3
โอโซน
0.01

 

องค์ประกอบผันแปร
          นอกจากก๊าซต่างๆ ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลัก มีปริมาณคงที่แล้ว ยังมีองค์ประกอบอื่นๆ ซึ่งมีปริมาณผันแปร ขึ้นอยู่กับสถานที่และเวลา องค์ประกอบผันแปรนี้แม้ว่าจะมีจำนวนอยู่เพียงเล็กน้อย แต่ก็ส่งผลกระทบต่อสภาพอากาศและภูมิอากาศเป็นอันมาก
           ไอน้ำ (H2O) มีปริมาณ 0 – 4% ในบรรยากาศ ขึ้นอยู่กับช่วงเวลาและสถานที่ เมื่อเรากล่าวถึง “ไอน้ำ”
เราหมายถึง น้ำในสถานะก๊าซ เมื่อน้ำเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่ง เช่น ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ จะมีการดูดกลืนและคายความร้อนแฝง (Latent heat) ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่ทำให้เกิดพายุ ไอน้ำเป็นก๊าซเรือนกระจกเช่นเดียวกับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ จึงมีคุณสมบัติในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่แผ่ออกจากโลก นอกจากนั้นเมื่อไอน้ำกลั่นตัวเป็นละอองน้ำ หรือ “เมฆ” มีความสามารถในการสะท้อนแสงอาทิตย์ และแผ่รังสีอินฟราเรด ทำให้พื้นผิวโลกไม่ร้อน หรือหนาวจนเกินไป
           โอโซน (O3) เกิดจากการที่ก๊าซออกซิเจนแตกตัวเป็นอะตอมเดี่ยว (O) เนื่องจากการดูดกลืนรังสีอุลตรา
ไวโอเล็ตในบรรยากาศชั้นสตราโตรสเฟียร์ (Stratrosphere) แล้วรวมตัวกับก๊าซออกซิเจนอีกทีหนึ่ง กลายเป็นก๊าซซึ่งมีโมเลกุลของออกซิเจน 3 อะตอม เรียกว่า “โอโซน” (Ozone) สะสมตัวเป็นชั้นบางๆ ที่ระยะสูงประมาณ 50 กิโลเมตร โอโซนมีประโยชน์ในการกรองรังสีอุลตราไวโอเล็ต มิให้ลงมาทำอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต แต่เนื่องจากก๊าซโอโซนเองเป็นพิษต่อร่างกาย หากมีก๊าซโอโซนเกิดขึ้นที่ระดับต่ำในชั้นโทรโพสเฟียรส์ (มักเกิดขึ้นจากเครื่องยนต์ และโรงงาน) ก็จะทำให้เกิดมลภาวะ
           ละอองอากาศ (Aerosols) หมายถึง อนุภาคขนาดเล็กที่ลอยค้างอยู่ในอากาศ ซึ่งอาจเกิดขึ้นโดยธรรมชาติหรือฝีมือมนุษย์ก็ได้ เช่น เกสรดอกไม้ ละอองเกลือ ขี้เถ้าภูเขาไฟ ฝุ่นผง หรือ เขม่าจากการเผาไหม้ ละอองอากาศทำหน้าที่เป็นแกนให้ละอองน้ำจับตัวกัน (ในอากาศบริสุทธิ์ ละอองน้ำไม่สามารถจับตัวได้ เนื่องจากไม่มีแกนนิวเคลียส) ละอองอากาศสามารถดูดกลืนและสะท้อนแสงอาทิตย์ จึงมีอิทธิพลในการควบคุมอุณหภูมิของพื้นผิวโลก เรามองเห็นดวงอาทิตย์ขึ้นและตกที่ขอบฟ้าเป็นแสงสีแดง ก็เพราะละอองอากาศกรองรังสีคลื่นสั้น เหลือแต่รังสีคลื่นยาวซึ่งเป็นแสงสีส้มและสีแดงทะลุผ่านมาได้เรียกว่า “การกระเจิงของแสง” (Light gathering)

โครงสร้างในแนวดิ่ง
          ไม่มีขอบเขตของรอยต่อระหว่างบรรยากาศและอวกาศที่แน่ชัด ยิ่งสูงขึ้นไปอากาศยิ่งบาง แม้ว่าชั้นบรรยากาศที่เราศึกษาจะมีความสูงไม่เกิน 100 กิโลเมตร แต่ทว่าที่ระยะสูง 400 กิโลเมตร ก็ยังมีอนุภาคของอากาศอยู่มากพอที่จะสร้างแรงเสียดทานให้ดาวเทียมและยานอวกาศเคลื่อนที่ช้าลง โมเลกุลของอากาศถูกแรงโน้มถ่วงของโลกดึงดูดไว้ให้กองทับถมกัน ดังนั้นยิ่งใกล้พื้นผิวโลก ก็ยิ่งมีการกดทับของอากาศมาก เราเรียกน้ำหนักของอากาศที่กดทับลงมานี้ว่า “ความกดอากาศ” (Air pressure) ความกดอากาศมีค่าแปรผันตรงกับ “ความหนาแน่นของอากาศ” (Air density) ยิ่งความดันอากาศสูง ความหนาแน่นของอากาศก็ยิ่งมาก


ภาพที่ 5 กราฟความกดอากาศ (ซ้าย) และความหนาแน่นของอากาศ (คอลัมน์ขวา)

           ที่ระดับน้ำทะเลปานกลางมีความกดอากาศ 1013 กรัม/ตารางเซนติเมตร หรือ 1013 มิลลิบาร์
           ที่ระยะสูง 5.6 กิโลเมตร ความกดอากาศจะลดลง 50%
           ที่ระยะสูง 16 กิโลเมตร ความกดอากาศจะลดลงเหลือ 10%
           ที่ระยะสูง 100 กิโลเมตร ความกดอากาศจะลดลงเหลือเพียง 0.00003% แต่สัดส่วนองค์ประกอบของก๊าซแต่ละชนิดก็ยังคงเดิม ณ ความสูงระดับนี้แม้ว่าจะมีอากาศอยู่ แต่ก็มีความหนาแน่นน้อยกว่าสภาวะ
สูญญากาศที่มนุษย์สร้างขึ้น

หมายเหตุ: อุปกรณ์วัดความกดอากาศเรียกว่า “บารอมิเตอร์” (Barometer) มีหน่วยวัดเป็น ”มิลลิบาร ์“
              มิลลิบาร์
เป็นหน่วยมาตรฐานในการวัดความกดอากาศ
               1 มิลลิบาร์ = แรงกด 100 นิวตัน/พื้นที่ 1 ตารางเมตร
              นิวตัน เป็นหน่วยวัดของแรง
               1 นิวตัน = แรงที่ใช้ในการเคลื่อนมวล 1 กิโลกรัม ให้เกิดความเร่ง 1 เมตร/วินาทีู^2

ชั้นบรรยากาศ
          นักวิทยาศาสตร์แบ่งโครงสร้างของบรรยากาศของเป็นชั้นๆ โดยใช้เกณฑ์ต่างๆ กัน อาทิ แบ่งตามสัดส่วนของก๊าซ แบ่งตามคุณสมบัติทางไฟฟ้า แต่ในการศึกษาด้านอุตุนิยมวิทยาแล้ว เราแบ่งชั้นบรรยากาศตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ดังนี้

ภาพที่ 6 การแบ่งชั้นบรรยากาศ ตามการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

           โทรโพสเฟียร์ (Troposphere)
          เป็นบรรยากาศชั้นล่างสุดที่เราอาศัย มีความหนาประมาณ 10 - 15 กิโลเมตร ร้อยละ 80 ของมวลอากาศทั้งหมดอยู่ในบรรยากาศชั้นนี้ แหล่งกำเนิดความร้อนของโทรโพสเฟียร์คือ พื้นผิวโลกซึ่งดูดกลืนรังสีคลื่นสั้นจากดวงอาทิตย์ และแผ่รังสีอินฟราเรดออกมา ดังนั้นยิ่งสูงขึ้นไปอุณหภูมิจะลดต่ำลงในอัตรา 6.5°C ต่อ 1 กิโลเมตร จนกระทั่งระยะสูงประมาณ 12 กิโลเมตร อุณหภูมิจะคงที่ประมาณ -60°C ที่รอยต่อชั้นบนซึ่งเรียกว่า โทรโพพอส (Tropopause)
          โทรโพสเฟียร์มีไอน้ำอยู่จำนวนมาก จึงทำให้เกิดปรากฏการณ์น้ำฟ้าต่างๆ เช่น เมฆ พายุ ฝน เป็นต้น บรรยากาศชั้นนี้มักปรากฏสภาพอากาศรุนแรง เนื่องจากมีมวลอากาศอยู่หนาแน่น และการดูดคายความร้อนแฝง อันเนื่องมาจากการเปลี่ยนสถานะของน้ำในอากาศ รวมทั้งอิทธิพลทางภูมิศาสตร์ของพื้นผิวโลก
           สตราโตสเฟียร์ (Stratosphere)
          มวลอากาศในชั้นนี้มีร้อยละ 19.9 ของมวลอากาศทั้งหมด เหนือระดับโทรโพพอสขึ้นไป อุณหภูมิยิ่งสูงขึ้นในอัตรา 2°C ต่อ 1 กิโลเมตร เนื่องจากโอโซนที่ระยะสูง 48 กิโลเมตร ดูดกลืนรังสีอุลตราไวโอเล็ตจากดวงอาทิตย์เอาไว้ บรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์มีความสงบมากกว่าชั้นโทรโพสเฟียรส์ เครื่องบินไอพ่นจึงนิยมบินในตอนล่างของบรรยากาศชั้นนี้ เพื่อหลีกเลี่ยงสภาพอากาศที่รุนแรงในชั้นโทรโพสเฟียร์
           เมโซสเฟียร์ (Mesosphere)
          เหนือสตราโตรสเฟียรส์ขึ้นไป อุณหภูมิลดต่ำลงอีกครั้ง จนถึง -90°C ที่ระยะสูง 80 กิโลเมตร ทั้งนี้เนื่องจากห่างจากแหล่งความร้อนในชั้นโอโซนออกไป มวลอากาศในชั้นนี้มีไม่ถึงร้อยละ 0.1 ของมวลอากาศทั้งหมด
           เทอร์โมสเฟียร์ (Thermosphere)
          มวลอากาศในชั้นเทอร์โมสเฟียร์มิได้อยู่ในสถานะของก๊าซ หากแต่อยู่ในสถานะของประจุไฟฟ้า เนื่องจากอะตอมของก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศชั้นบน ได้รับรังสีคลื่นสั้นจากดวงอาทิตย์ เช่น รังสีเอ็กซ์ และแตกตัวเป็นประจุ อย่างไรก็ตามแม้ว่าบรรยากาศชั้นนี้จะมีอุณหภูมิสูงมาก แต่ก็มิได้มีความร้อนมาก เนื่องจากมีอะตอมของก๊าซอยู่เบาบางมาก (อุณหภูมิเป็นเพียงค่าเฉลี่ยของพลังงานในแต่ละอะตอม ปริมาณความร้อนขึ้นอยู่กับมวลทั้งหมดของสสาร)
          เหนือชั้นเทอร์โมสเฟียร์ขึ้นไป ที่ระยะสูงประมาณ 500 กิโลเมตร โมเลกุลของอากาศอยู่ห่างไกลกันมาก จนอาจมิสามารถวิ่งชนกับโมเลกุลอื่นได้ ในบางครั้งโมเลกุลซึ่งเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงเหล่านี้ อาจหลุดพ้นอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงโลก เราเรียกบรรยากาศในชั้นที่อะตอมหรือโมเลกุลของอากาศมีแนวโน้มจะหลุดหนีไปสู่อวกาศนี้ว่า “เอ็กโซสเฟียร์” (Exosphere)

         หมายเหตุ: บางครั้งเราเรียกบรรยากาศที่ระดับความสูง 80-400 กิโลเมตร ว่า “ไอโอโนสเฟียร์” (Ionosphere) เนื่องจากก๊าซในบรรยากาศชั้นนี้มีสถานะเป็นประจุไฟฟ้า ซึ่ง มีประโยชน์ในการสะท้อนคลื่นวิทยุสำหรับการสื่อสารโทรคมนาคม


Copyright © 2003The LESA Project
Kirdkao Observatory. All rights reserved.