กลไกป้อนกลับของโลกร้อน

Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ

www.facebook.com/buncha2509

กลไกป้อนกลับของโลกร้อน

เป็นที่ทราบกันโดยทั่วไปว่าสาเหตุหลักของภาวะโลกร้อน คือ ปริมาณก๊าซเรือนกระจกที่เพิ่มขึ้นในบรรยากาศชั้นโทรโพสเฟียร์ อย่างไรก็ดี ระบบภูมิอากาศโลกมีกลไกป้อนกลับ (climate feedback) หลายรูปแบบที่อาจช่วยเร่งหรือหน่วงการเพิ่มอุณหภูมิเฉลี่ยของบรรยากาศชั้นดังกล่าว

กลไกป้อนกลับหลักๆ มีปัจจัยที่เกี่ยวข้อง 4 อย่าง ได้แก่ ไอน้ำ หิมะและน้ำแข็ง เมฆ และวัฏจักรคาร์บอน ลองมาดูกันทีละอย่างครับ

นิตยสาร Scientific American ฉบับเดือนพฤศจิกายน ค.ศ.2021

ไอน้ำ

ไอน้ำเป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีมากที่สุด คือ คิดเป็น 2 ใน 3 ของปริมาณก๊าซเรือนกระจกทั้งหมด อาจกล่าวแบบง่ายๆ ว่าเมื่อโลกร้อนขึ้น บรรยากาศก็จะมีปริมาณไอน้ำมากขึ้นด้วย จึงกลับไปซ้ำเติมให้โลกร้อนยิ่งขึ้นไปอีก ลักษณะเช่นนี้เรียกว่า กลไกการป้อนกลับแบบบวก (positive feedback)

น่ารู้ด้วยว่าไม่เพียงแค่ไอน้ำที่อยู่ในบรรยากาศชั้นโทรโพสเฟียร์ซึ่งอยู่ติดผิวโลกเท่านั้นที่มีผลต่อภาวะโลกร้อน แต่ไอน้ำในบรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์ซึ่งอยู่สูงขึ้นไปก็สามารถส่งผลกระทบได้ด้วยเช่นกัน!

ในปี ค.ศ.2010 ทีมวิจัยนำโดยซูซาน โซโลมอน (Susan Solomon) นักวิทยาศาสตร์อาวุโสของ NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) พบว่าหลังปี ค.ศ.2000 บรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์มีปริมาณไอน้ำลดลง ซึ่งอาจใช้อธิบายได้ว่าเหตุใดโลกจึงร้อนขึ้นด้วยอัตราที่ช้ากว่าในช่วงทศวรรษที่ 1980 และ 1990 (ซึ่งชั้นสตราโตสเฟียร์มีปริมาณไอน้ำมากกว่า)

นิตยสาร Scientific American ฉบับเดือนพฤศจิกายน ค.ศ.2021 เน้นย้ำความสำคัญของไอน้ำในบรรยากาศ โดยนำขึ้นปกและตั้งชื่อว่า Vapor Storms หากสนใจสามารถอ่านได้ที่

https://www.scientificamerican.com/article/vapor-storms-are-threatening-people-and-property/

หรืออาจฟัง Thai PBS Podcast ที่ผมสรุปและเล่าไว้ได้ที่

https://www.thaipbspodcast.com/podcast/tracks/18041/EP.+489%3A+Vapor+storm+เมื่อ+”ไอน้ำ”+คืออีกหนึ่งตัวการสำคัญที่ทำให้สภาพภูมิอากาศโลกแปรปรวน หรือค้นเว็บด้วยคำว่า ‘vapor storms podcast’

แผนภาพเปรียบเทียบการสะท้อนรังสีของพื้นผิวเป็นหิมะ น้ำแข็งและน้ำทะเล
ที่มา : https://www.us-satellite.net/sprintt/phase2/ipy07_int_albedo/ipy07_int_albedo.html

หิมะและน้ำแข็ง

ทั้งหิมะและน้ำแข็งสามารถสะท้อนรังสีจากดวงอาทิตย์ได้ดี เช่น หากรังสีจากดวงอาทิตย์ 100% ตกกระทบหิมะ ก็จะสะท้อนกลับถึง 90% หากตกกระทบน้ำแข็ง ก็จะสะท้อนกลับราว 50%

แต่หากแสงอาทิตย์ตกกระทบผิวน้ำทะเล ก็จะสะท้อนกลับเพียง 6% ส่วนอีก 94% จะถูกน้ำทะเลดูดกลืนเอาไว้

สัดส่วนพลังงานรังสีที่สะท้อนกลับต่อรังสีตกกระทบ เรียกว่า แอลบีโด (albedo) และอาจใช้สัญลักษณ์ ดังแสดงในแผนภาพ

เมื่อโลกร้อนขึ้น หิมะและน้ำแข็งละลายมากขึ้น ผลก็คือรังสีสะท้อนกลับสู่อวกาศน้อยลง หรือถูกบรรยากาศขงโลกดูดกลืนเอาไว้มากขึ้น เกิดกลไกป้อนกลับแบบบวกซ้ำให้โลกร้อนยิ่งขึ้นไปอีก

น่ารู้ด้วยว่าหิมะสดใหม่มีค่าแอลบีโดสูงมาก จึงสามารถสะท้อนรังสีจากดวงอาทิตย์ได้ดี คือ 90% หรือมากกว่า แต่หิมะเก่า สกปรก หรือเปียกชื้น จะมีค่าแอลบีโดลดลง ส่วนค่าแอลบีโดของน้ำแข็งก็ขึ้นอยู่กับสภาพของน้ำแข็ง เช่น น้ำแข็งที่สะอาดและเรียบจะสะท้อนแสงได้ดีกว่าน้ำแข็งที่สกปรกและขรุขระ

แผนภาพแสดงผลกระทบของเมฆระดับต่ำและเมฆระดับสูงต่อการสะท้อนและเก็บกักพลังงานของรังสี
https://earth.esa.int/eogateway/news/earthcare-s-on-the-move-what-now/clouds-and-the-climate-system

เมฆ

หากมองจากที่สูงลงมา เมฆจะช่วยสะท้อนรังสีกลับสู่อวกาศ แต่ในขณะเดียวกัน หากเรามองจากพื้น รังสีต่างๆ ที่ปลดปล่อยออกไปจากพื้น (โดยเฉพาะรังสีอินฟราเรด) จะถูกเมฆกีดขวางและเก็บกักเอาไว้ในบรรยากาศด้วย นั่นคือ เมฆทำหน้าที่คล้ายก๊าซเรือนกระจก

จากการศึกษาพบว่า เมฆแต่ละสกุลจะส่งผลต่อโลกร้อนต่างกัน เช่น เมฆสเตรโตคิวมูลัส (Stratocumulus) ซึ่งเป็นเมฆก้อนที่แผ่ตัวออกไปในแนวระดับและอยู่ระดับต่ำ จะสะท้อนรังสีได้ดีมาก แต่ไม่ค่อยมีผลกระทบต่อภาวะเรือนกระจก ผลก็คือเมฆสเตรโตคิวมูลัสมีแนวโน้มทำให้โลกเย็นลง

เมฆซีร์รัส (Cirrus) ซึ่งเป็นเมฆน้ำแข็งอยู่ระดับสูง จะสะท้อนรังสีไม่ดีนัก (เพราะมักจะมีลักษณะบาง) แต่ผลกระทบด้านเรือนกระจกมีมาก คือ เก็บกักรังสีความร้อนได้ดี ดังนั้น เมฆสกุลนี้จึงมีแนวโน้มทำให้โลกอุ่นขึ้น

ส่วนเมฆแอลโตคิวมูลัส (Altocumulus) ซึ่งเป็นเมฆก้อนที่อยู่ในระดับปานกลางส่งผลกระทบที่ค่อนข้างซับซ้อนและสรุปแบบชัดๆ ได้ยากว่าทำให้โลกเย็นลงหรืออุ่นขึ้น เนื่องจากแอลโตคิวมูลัสสามารถสะท้อนรังสีจากดวงอาทิตย์ได้ (คือมีแนวโน้มทำให้โลกเย็นลง) แต่ในขณะเดียวกันก็ดูดกลืนรังสีอินฟราเรดจากพื้นผิวโลก แล้วปล่อยกลับลงไป (คือมีแนวโน้มทำให้โลกอุ่นขึ้น)

แผนภาพแสดงวัฏจักรคาร์บอน
ที่มา : https://ugc.berkeley.edu/background-content/carbon-cycle/

เมฆสกุลแอลโตคิวมูลัสยังมีรูปแบบหลากหลายมาก กล่าวแบบแม่นยำคือมีหลายชนิด (species) และหลายพันธุ์ (variety) แถมยังอยู่สูงในระดับที่แตกต่างกันค่อนข้างมาก คือ ฐานเมฆอยู่สูงจากระดับน้ำทะเลในช่วง 2-8 กิโลเมตร สำหรับแถบเขตร้อน

หากเปรียบเทียบเมฆก้อน 2 ก้อน ซึ่งมีปริมาณน้ำของเหลว (liquid water content, LWC) เท่ากัน แต่เมฆก้อนหนึ่งมีขนาดหยดน้ำเล็กกว่าเมฆอีกก้อนหนึ่ง ผลก็คือ เมฆก้อนที่มีหยดน้ำขนาดเล็กกว่าจะสะท้อนรังสีได้ดีกว่า คือดูขาวกว่า เรียกว่า ปรากฏการณ์ทูมีย์ (Twomey effect)

แล้วอะไรล่ะที่ทำให้หยดน้ำในเมฆมีขนาดเล็ก หรือใหญ่?

คำตอบหนึ่งคือ ละอองลอย (aerosol) ซึ่งทำหน้าที่เป็นแกนกลั่นตัวของเมฆ (cloud condensation nuclei, CCN) หากมีปริมาณละอองลอยมาก ก็จะทำให้หยดน้ำในเมฆมีขนาดเล็ก ตัวอย่างละอองลอย เช่น ฝุ่น เกลือทะเล คาร์บอนอินทรีย์ในธรรมชาติ ละอองลอยจากไดเมทิลซัลไฟด์ และละอองลอยจากสารประกอบไอโอดีน เป็นต้น

ในกรณีมุ่งเน้นประเด็นที่ว่า การที่ปริมาณละอองลอยมีเพิ่มขึ้นทำให้มีจำนวนแกนกลั่นตัวมีมากขึ้น ส่งผลให้หยดน้ำในก้อนเมฆมีขนาดเล็กลงและเติบโตช้า เมฆจึงมีแนวโน้มคงตัวอยู่นานขึ้นเนื่องจากไม่ค่อยทำให้เกิดฝน จะเรียกสภาพการณ์นี้ว่า ปรากฏการณ์อัลเบร็ชต์ (Albretch effect)

วัฏจักรคาร์บอน

เมื่อปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศเพิ่มขึ้น และอุณหภูมิเฉลี่ยของชั้นบรรยากาศสูงขึ้น ก็จะส่งผลกระทบต่อวัฏจักรคาร์บอน (carbon cycle)

ผลกระทบของวัฏจักรซับซ้อนเพราะมีปัจจัยเกี่ยวข้องหลายอย่างครับ

ลองดูมหาสมุทรก่อน ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลและชีวมวลจะละลายในน้ำประมาณครึ่งหนึ่ง กลไกนี้ช่วยชะลอโลกร้อนไปได้บ้างเพราะช่วยลดอัตราการเพิ่มปริมาณของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ แต่แนวโน้มนี้จะไม่คงอยู่ตลอดไป เพราะว่าเมื่ออุณหภูมิเฉลี่ยของน้ำในมหาสมุทรเพิ่มขึ้น ก็จะทำให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ละลายได้น้อยลง

ส่วนบนพื้นดิน การเปลี่ยนแปลงวัฏจักรคาร์บอนยิ่งซับซ้อนกว่า ยกตัวอย่างเช่น

ในแถบทุนดราอาร์กติก (Arctic tundra) มีชั้นดินเยือกแข็งคงตัวที่เรียกว่า เพอร์มาฟรอสต์ (permafrost) ซึ่งสะสมสารอินทรีย์ไว้จำนวนมาก เมื่อโลกร้อนขึ้น เพอร์มาฟรอสต์จะละลาย ทำให้สารอินทรีย์ดังกล่าวถูกย่อยสลายโดยจุลินทรีย์ กระบวนการย่อยสลายสารอินทรีย์จะปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และก๊าซมีเทนออกสู่ชั้นบรรยากาศ ส่งผลให้โลกร้อนขึ้นอีก คือเป็นกลไกป้อนกลับแบบบวก

เมื่อโลกร้อนขึ้น ไฟป่ามีแนวโน้มที่จะเกิดบ่อยขึ้น ส่งผลให้คาร์บอนที่เก็บกักอยู่ในต้นไม้ก็จะถูกปลดปล่อยสู่บรรยากาศในรูปของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

ในทางกลับกัน ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้นอาจกระตุ้นให้พืชในระบบนิเวศบางแบบเติบโตได้ดีขึ้น ส่งผลให้พืชเหล่านี้ดูดซับคาร์บอนจากบรรยากาศได้มากขึ้น อย่างไรก็ดี ปรากฏการณ์นี้ก็อาจส่งผลน้อยลง หากปริมาณน้ำและก๊าซไนโตรเจนมีจำกัด รวมทั้งอุณหภูมิที่ไม่เหมาะสม นอกจากนี้ พืชยังสามารถรับปริมาณคาร์บอนได้ออกไซด์ได้สูงสุดค่าหนึ่งเพื่อใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสง

จะเห็นว่า กลไกป้อนกลับในเรื่องโลกร้อนมีปัจจัยต่างๆ ซับซ้อน จำเป็นต้องศึกษาในเชิงลึกเพื่อให้เข้าใจแง่มุมต่างๆ อย่างถ่องแท้ จึงจะช่วยให้เราสามารถรับมือและปรับตัวให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงได้อย่างเหมาะสม

สะดวก ฉับไว คุ้มค่า สมัครสมาชิกนิตยสารมติชนสุดสัปดาห์ได้ที่นี่https://t.co/KYFMEpsHWj

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022