เรียนรู้

การแผ่รังสี ดวงอาทิตย์-โลก

ตามธรรมชาติ พลังงานความร้อนสามารถถ่ายเทจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ ทั้งแบบใช้และไม่ใช้ตัวกลางในการถ่ายเท ซึ่งนักวิทยาศาสตร์แบ่งกลไก การถ่ายเทความร้อน (heat transfer) ออกเป็น 3 ประเภท คือ

การถ่ายเทความร้อน
  • การนำความร้อน (conduction) เกิดกับวัสดุที่เป็นของแข็ง โดยถ่ายความร้อนจากโมเลกุลผ่านโมเลกุลข้างเคียง เช่น การจับด้ามกะทะที่กำลังทอด ความร้อนจากตัวกะทะจะค่อยๆ ถ่ายมาที่ด้ามกะทะ ทำให้มือรู้สึกร้อน
  • การพาความร้อน (convection) เกิดในวัสดุที่เป็นของเหลวหรือก๊าซ โดยของเหลวหรือก๊าซที่มีความร้อน จะขยายตัวและไหลไปสู่พื้นที่ที่เย็นกว่า ส่วนของเหลวหรือก๊าซที่มีความเย็นจะหดตัว และไหลไปแทนที่พื้นที่ที่ร้อนกว่า เกิดจากการหมุนเวียนและถ่ายเทความร้อน ผ่านการเคลื่อนที่ของเหลวหรือก๊าซ ซึ่งเป็นตัวนำพา ตัวอย่างเช่น การพาความร้อนในบรรยากาศ กระแสน้ำในมหาสมุทร รวมทั้งการพาความร้อนภายในเนื้อโลก
  • การแผ่รังสี (radiation) เกิดได้ทั้งในวัสดุที่เป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ เป็นการถ่ายเทความร้อนออกรอบตัวทุกทิศทุกทาง โดยไม่อาศัยตัวกลางในการถ่ายเท จึงสามารถถ่ายเทความร้อนผ่านอวกาศได้ โดย วัสดุที่มีอุณหภูมิสูงจะแผ่รังสีที่มีความยาวคลื่นสั้น ส่วนวัสดุอุณหภูมิต่ำจะแผ่รังสีที่มีความยาวคลื่นยาว
แบบจำลอง กระแสพาความร้อน (convection current) (ซ้าย) ตัวอย่างในหม้อต้มน้ำ (ขวา) ตัวอย่างที่คาดว่าเกิดขึ้นภายในโลก

เพิ่มเติม : แผ่นเปลือกโลก และกลไกการเคลื่อนที่

ในกรณีของ อากาศภาค (atmosphere) กลไกการถ่ายเทความร้อนในบรรยากาศจะอยู่ในรูปของ 1) การแผ่รังสี (radiation) และ 2) การพาความร้อน (convection) โดยดวงอาทิตย์ถ่ายเทพลังงานความร้อนมาสู่โลกด้วยวิธีการแผ่รังสี (คลื่นสั้น) พื้นผิวโลกและบรรยากาศดูดกลืนรังสีแต่ละชนิด แล้วแผ่รังสีที่มีความยาวคลื่นยาวกว่าออกมา เมื่อน้ำและอากาศได้รับพลังงานความร้อน จะเคลื่อนที่ด้วยการพาความร้อน ทำให้เกิดการหมุนเวียนของอากาศและน้ำของโลก ตัวอย่างการพาความร้อนที่เกิดขึ้นในธรรมชาติได้แก่ 1) การหมุนเวียนของเหล็กเหลวในแก่นโลกชั้นนอก 2) แถบสายพานยักษ์ (Great Conveyor Belt) ของกระแสน้ำลึกในมหาสมุทร ช่วยระเหยน้ำ ตั้งต้นให้เกิด 3) วัฏจักรน้ำบนพื้นผิวโลก 4) กระแสลมและความกดอากาศ เป็นต้น

การหมุนเวียนของกระแสน้ำในระดับลึก เรียกกว่า แถบสายพานยักษ์ (Great Conveyor Belt) (ที่มา : www.nasa.gov)

พลังงานความร้อนที่พื้นผิวโลก ส่วนใหญ่มาจาก 1) การแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ และบางส่วนเพียงเล็กน้อยมาจาก 2) พลังงานความร้อนภายในโลก

วัฏจักรอุทกวิทยา (hydrological cycle)

การแผ่รังสีดวงอาทิตย์ (solar radiation)

การแผ่รังสีดวงอาทิตย์ (solar radiation) เป็นการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งอธิบายได้ด้วยเรื่อความยาวและความถี่ของคลื่น โดยโลกรับรังสีจากดวงอาทิตย์ในสัดส่วนที่แตกต่างกันในแต่ละช่วงคลื่น ประมาณ 99% ของรังสีดวงอาทิตย์ที่ส่งมายังโลกอยู่ในช่วงความยาวคลื่น 0.15-4.0 ไมครอน บางครั้งเลยเรียกว่า การแผ่รังสีคลื่นสั้น (short-wave) เช่น 1) ความยาวคลื่นที่ตามองเห็น 45% 2) ความยาวคลื่นใกล้อินฟาเรด 46% 3) รังสีอุลตร้าไวโอเลต 9% เป็นต้น โดยเมื่อโลกแผ่รังสีมายังพื้นผิวโลก จะเกิดปรากฏกาณ์ 3 แบบ คือ

อินฟาเรด (infared) และ แสงที่ตามองเห็น (visible light) มีมากกว่า 90% ของการแผ่รังสีแสงอาทิตย์ที่พื้นผิวของโลก

1) การดูดซับ (absorption) โดยภาพรวม จะมีเพียง 43% ของการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์เท่านั้น ที่ถูกดูดซับไว้ด้วยโลก ที่เหลือสะท้อนออกไป โดย รังสีอุลตราไวโอเล็ต (UV) ถูกดูดซับโดยโอโซนในนั้นชั้น สตราโทสเฟียร์ (stratosphere) ไอน้ำเป็นก๊าซเพียงชนิดเดียวที่สามารถดูดซับ รังสีในช่วงความยาวคลื่นที่ตามองเห็นได้ เมฆและฝุ่นดูดซับในปริมาณที่แตกต่างกันแล้วแต่สภาพที่เป็นอยู่

สรุปกระบวนการ ดูดซับ กระเจิง และสะท้อน ของรังสีที่มาจากดวงอาทิตย์สู่โลก

2) การกระเจิง (scattering) รังสีดวงอาทิตย์สามารถกระเจิงออกในทุกทิศทางได้ ด้วยก๊าซและอนุภาคในบรรยากาศ บางส่วนของรังสีที่กระเจิงออกนี้ สูญหายไปในอวกาศภายนอก แต่บางส่วนก็ลงมาถึงผิวโลก

รังสีทั้งหมดที่มาถึงผิวโลก (global solar radiation) ประกอบด้วย 1) รังสีโดยตรง และ 2) รังสีท้องฟ้า (sky radiation) ซึ่งหมายถึง รังสีดวงอาทิตย์ที่มาถึงผิวโลกทางอ้อม

3) การสะท้อน (reflection) ในสภาพมีเมฆ ส่วนใหญ่ของรังสีจากดวงอาทิตย์ จะถูกสะท้อนจากยอดเมฆ ออกไปสู่อวกาศภายนอก แต่บางส่วนของรังสีที่มาถึงผิวโลกก็สามารถสะท้อนออกไปได้ด้วยเช่นกัน เรียกว่า แอลบีโด (Albedo) ซึ่งหมายถึง อัตราส่วนของปริมาณรังสีจากดวงอาทิตย์ ที่ถูก สะท้อน (reflect) โดยไม่มี การดูดซับ (absorb) หรือ การส่งผ่าน (emission) ร่วมด้วย ซึ่งวัสดุใดๆ ที่มีค่า แอลบีโด (Albedo) สูง-ต่ำ หมายความว่า มีความสามารถในการสะท้อน ดี-แย่ โดยในแต่ละวัสดุของโลก มีแอลบีโดแตกต่างกัน ได้แก่ กระจกสองหน้า มีแอลบีโด 100% เมฆ มีแอลบีโด 50-55% ธารน้ำแข็ง มีแอลบีโด 80-90% หิมะตกใหม่สะอาด มีแอลบีโด 80% หิมะเก่าสกปรก มีแอลบีโด 50% พื้นดินทั่วไป เช่น ป่าไม้ ทุ่งหญ้า ทุ่งนาที่ไถแล้ว ทะเล หิน มี แอลบีโด ประมาณ 10-20% หรือทางเดินหรือตึก มีแอลบีโด 10-15%

อัตราแอลบีโดของวัสดุในผิวโลก หรือประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน ในการสะท้อนรังสีจากดวงอาทิตย์

**** เพราะมหาสมุทร มีแอลบีโดเพียง 5% จึงเป็นแหล่งดูดซับพลังงานความร้อนจากดวงอาทิตย์ได้ดี ก่อให้เกิดการหมุนเวียนของกระแสน้ำในมหาสมุทร รวมทั้งการระเหยเป็นไอ สร้างวัฏจักรของน้ำบนโลก

อุณหภูมิของน้ำในมหาสมุทร (OC) โดยอุณหภูมิของน้ำทะเลจะแตกต่างกันในแต่ละพื้นที่ ขึ้นอยู่กับปริมาณรังสีที่ดูดกลืนได้จาก การแผ่รังสีดวงอาทิตย์ (solar radiation) พื้นที่ใกล้เส้นศูนย์สูตรมีอุณหภูมิโดยเฉลี่ยประมาณ 27 องศาเซลเซียส และลดลงที่ละติจูดห่างจากจุดศูนย์สูตร

การแผ่รังสีของโลก (terrestrial radiation)

รังสีคลื่นสั้นที่แผ่มาจากดวงอาทิตย์ ทำให้ผิวโลกมีอุณหภูมิเฉลี่ย 15 องศาเซลเซียส ทำให้โลกสามารถแผ่รังสีกลับเป็น รังสีคลื่นยาว 4.0-80 ไมครอน เรียกว่า การแผ่รังสีจากโลก (terrestrial หรือ long-wave radiation) โดยโลกแผ่รังสีมากที่สุดที่ความยาวคลื่น 10 ไมครอน (อินฟาเรด) ส่วนการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ประมาณ 0.5 ไมครอน (ช่วงแสงที่ตามองเห็น) ดังนั้นวัสดุที่ดูดซับการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ ได้น้อย แต่อาจดูดซับ การแผ่รังสีจากโลก ได้ดี

การแผ่รังสีของโลก (terrestrial radiation)

ก๊าซแต่ละชนิดในบรรยากาศ สามารถดูดซับการแผ่รังสีจากโลก (terrestrial radiation) ในช่วงคลื่นแตกต่างกัน และปล่อยให้บางช่วงคลื่นผ่านไปได้ เช่น ก๊าซโอโซน (ozone) สามารถดูดรังสีอินฟาเรดได้ปานกลางในช่วงความยาวคลื่น 9.6-15 ไมครอน ส่วนไอน้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เป็นตัวดูดซับการแผ่รังสีจากโลกที่สำคัญ โดยสามารถดูดซับรังสีจากโลกได้เกือบทุกความยาวคลื่น ยกเว้นช่วงคลื่นประมาณ 8-13 ไมครอน ที่สามารถผ่านทั้งไอน้ำ และ คาร์บอนไดออกไซด์ไปได้ และนักวิทยาศาสตร์เรียกช่วงว่างตรงนี้ว่า หน้าต่างบรรยากาศ (atmospheric window)

ดังนั้นในช่วงเวลาที่มีเมฆมาก เมฆสามารถสะท้อนรังสีจากโลกได้น้อย แต่จะสะท้อนการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ได้ดี ซึ่งผลจากการดูดซับรังสีจากโลก ทำให้ไอน้ำ ก๊าซคาร์บอนไซค์และเมฆอุ่นขึ้น เป็นผลให้สามารถเปล่งรังสีคลื่นยาวได้ด้วยตัวของมันเอง บางส่วนของพลังงานนี้กลับไปยังผิวโลก ซึ่งได้รับทั้งรังสีคลื่นสั้นจากดวงอาทิตย์และรังสีคลื่นยาวจากบรรยากาศ

หน้าต่างบรรยากาศ (atmospheric window) (ที่มา : www.weather.gov)

จากการรวบรวมข้อมูลหลักฐานและเฝ้าติดตามของนักวิทยาศาสตร์ พบว่าในช่วง 2-3 ศตวรรษ ที่ผ่านมา อุณหภูมิเฉลี่ยของโลกอยู่ที่ประมาณ 15 องศาเซลเซียส บ่งชี้ว่าโลกยังมีความสมดุลย์ในเรื่องของการรับเข้า และแผ่กระจายออกของรังสีหรือความร้อน โดยรังสีดวงอาทิตย์ที่โลกรับเข้ามา จะถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อน ทำให้อุณหภูมิของผิวโลกกับบรรยากาศสูงขึ้น เป็นพลังงานสำหรับการหมุนเวียนของบรรยากาศและมหาสมุทร และเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปแบบต่างๆ บนโลก

ซึ่งจากความจริงที่ว่า ความร้อนหรือรังสีที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์ จะถูกถ่ายเทจากพื้นที่ละติจูดต่ำไปหาละติจูดสูง ดังนั้น ทั้งบรรยากาศและมหาสมุทรจึงมีส่วนสำคัญในการขนส่ง ถ่ายเทพลังงานเหล่านี้ ในที่สุด พลังงานดวงอาทิตย์ที่ถูกดูดโดยระบบบรรยากาศโลก ก็จะแผ่รังสีกลับไปยังอวกาศโดยแผ่ออกในปริมาณเดียวกันที่ได้รับ

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth

Share: