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
แอนิเมชันแสดงความรักษาสมดุลพลังงานจากรังสีของโลกโดยสีเหลืองคือรังสีที่รับมา ส่วนสีส้มคือรังสีที่แผ่ออกไป – ที่มา NASA’s Goddard Space Fligt 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
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL091585
What is Earth’s Energy Budget? Five Questions with a Guy Who Knows