โทรโพสเฟียร์ (Troposphere) เป็นชั้นบรรยากาศที่อยู่ต่ำสุดของโลก ซึ่งสัมผัสกับพื้นผิวโดยตรง มีความสูงตั้งแต่พื้นดินไปจนถึงระดับความสูงที่แตกต่างกันไปตามพื้นที่ โดยปกติอยู่ในช่วง 8-15 กิโลเมตร ชั้นนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อสิ่งมีชีวิต เพราะเป็นที่อยู่ของอากาศแทบทั้งหมดและเป็นที่เกิดของปรากฏการณ์ทางอากาศและสภาพภูมิอากาศต่างๆ

ด้วยองค์ประกอบที่อุดมไปด้วยไนโตรเจน ออกซิเจน และ ก๊าซร่องรอย (Trace Gases) โทรโพสเฟียร์จึงเป็นพื้นฐานของกระบวนการทางชีวภาพและอุตุนิยมวิทยาที่สำคัญต่อโลก

เพิ่มเติม : บรรยากาศ (Atmosphere)

โครงสร้างและองค์ประกอบ

ขอบเขตและความสูง โทรโพสเฟียร์เริ่มต้นจากพื้นผิวโลกและสิ้นสุดที่ ทรอปโปพอส (Tropopause) ซึ่งเป็นชั้นแบ่งที่แยกโทรโพสเฟียร์ออกจากชั้น สตราโทสเฟียร์ (Stratosphere) โดยจุดสิ้นสุดนี้ มีการกลับทิศทางของอุณหภูมิ (Temperature Inversion) ซึ่งอุณหภูมิหยุดลดลงและเริ่มคงที่หรือเพิ่มขึ้นเล็กน้อย

ความหนาของชั้นโทรโพสเฟียร์ บริเวณเส้นศูนย์สูตร มีความหนาสูงสุดถึงประมาณ 15 กิโลเมตร เนื่องจากอุณหภูมิสูงและการลอยตัวของอากาศ บริเวณขั้วโลก บางกว่าที่ประมาณ 8 กิโลเมตร เนื่องจากอากาศหนาแน่นและเย็นกว่า

โปรไฟล์อุณหภูมิ อุณหภูมิในโทรโพสเฟียร์ลดลงตามระดับความสูงด้วยอัตราเฉลี่ยประมาณ 6.5°C ต่อกิโลเมตร ซึ่งเรียกว่า Lapse Rate

องค์ประกอบของก๊าซ โทรโพสเฟียร์ประกอบด้วยมวลบรรยากาศถึง 75% และเกือบทั้งหมดของไอน้ำในบรรยากาศ ส่วนประกอบสำคัญได้แก่ ไนโตรเจน (N₂) 78% เป็นองค์ประกอบหลักที่สิ่งมีชีวิตใช้ในระบบนิเวศ ออกซิเจน (O₂) 21% จำเป็นต่อการหายใจและการเผาไหม้ ก๊าซร่องรอย เช่น อาร์กอน (0.93%) คาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) มีเทน (CH₄) โอโซน (O₃) และก๊าซเรือนกระจกอื่นๆ

ละอองลอยและฝุ่นละออง ในโทรโพสเฟียร์ยังมีละอองลอย (Aerosols) ซึ่งเป็นอนุภาคขนาดเล็กที่แขวนลอยในอากาศ ละอองเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการก่อตัวของเมฆ รูปแบบอากาศ และคุณภาพอากาศ โดยมีแหล่งกำเนิดจากธรรมชาติ (ภูเขาไฟ ฝุ่นพายุ) และกิจกรรมมนุษย์ (การปล่อยมลพิษจากอุตสาหกรรมและยานพาหนะ)

บทบาทต่อสภาพอากาศ

ปรากฏการณ์ทางอากาศ เกือบทุกปรากฏการณ์ทางอากาศเกิดขึ้นในชั้นโทรโพสเฟียร์ เพราะเป็นชั้นเดียวที่มีไอน้ำอยู่ในปริมาณมาก

• การก่อตัวของเมฆ ไอน้ำในโทรโพสเฟียร์ควบแน่นกลายเป็นเมฆเมื่ออากาศเย็นขึ้นตามความสูง โดยเมฆชนิดต่างๆ เช่น คิวมูลัส สตราตัส ซีรัส เกิดขึ้นตามสภาวะอากาศ
• การเกิดฝนและหิมะ การตกของน้ำฝน หิมะ หรือลูกเห็บ ล้วนมีต้นกำเนิดจากระบบเมฆในโทรโพสเฟียร์
• พายุและลมแรง พายุหมุน พายุฝนฟ้าคะนอง และพายุทอร์นาโด พัฒนาขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความกดอากาศ

การควบคุมสภาพภูมิอากาศ โทรโพสเฟียร์เป็นเวทีสำหรับการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศโลก โดยปัจจัยสำคัญ ได้แก่

• การกระจายความร้อน โทรโพสเฟียร์ช่วยกระจายพลังงานแสงอาทิตย์ไปทั่วโลกผ่านกระแสการพาความร้อน (Convection Currents) และรูปแบบลม
• ปรากฏการณ์เรือนกระจก ก๊าซเรือนกระจกในโทรโพสเฟียร์ช่วยกักเก็บความร้อนเพื่อรักษาอุณหภูมิบนพื้นผิวโลก อย่างไรก็ตาม การสะสมมากเกินไปนำไปสู่ภาวะโลกร้อน

เพิ่มเติม : แผ่นเปลือกโลก และกลไกการเคลื่อนที่

กลไกการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลก

ในปี พ.ศ. 2472 อาร์เธอร์ โฮล์มส์ (Arthur Holmes) ได้นำเสนอแนวคิดที่เรียกว่า กระแสพาความร้อน (convection current) ซึ่งปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเป็นกลไกหลักของการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลก ซึ่งกระแสพาความร้อน เป็นกระบวนการที่โลกพยายามลดอุณหภูมิภายในโลก เนื่องจากโลกในช่วงแรกยังมีอุณหภูมิสูง แต่ภายนอกโลกสัมผัสกับอวกาศซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่ามากเมื่อเปรียบเทียบกับอุณหภูมิของโลก ทำให้ต่อมาส่วนนอกสุดของโลกจึงแข็งตัวกลายเป็นแผ่นเปลือกโลกปิดกั้นการระบายความร้อนที่เหลืออยู่ภายในโลก ดังนั้นหินหนืดภายในเนื้อโลกจึงใช้วิธีการถ่ายเทความร้อนภายในด้วยการหมุนเวียนหินหนืด

ซึ่งหินหนืดที่อยู่ด้านล่างของโลกมีอุณหภูมิสูงกว่าและความหนาแน่นน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับหินหนืดด้านบน มวลหินหนืดด้านล่างจึงลอยตัวขึ้นสู่ด้านบน ในขณะเดียวกันหินหนืดด้านบนเมื่อสัมผัสกับแผ่นเปลือกโลกทำให้อุณหภูมิลดลงและมีความหนาแน่นสูงจึงจมตัวลงสู่ด้านล่าง การหมุนเวียนของมวลหินหนืดนี้เกิดขึ้นไปอย่างต่อเนื่องเป็นกระแสขับเคลื่อนให้แผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่

พลวัตและการหมุนเวียน

การพาความร้อนและการเกิดความปั่นป่วน การพาความร้อนซึ่งเกิดจากพลังงานแสงอาทิตย์เป็นลักษณะเด่นของโทรโพสเฟียร์ อากาศอุ่นใกล้พื้นผิวลอยขึ้น เย็นลง และกลับลงมา ทำให้เกิดการผสมผสานอย่างต่อเนื่อง

รูปแบบลมทั่วโลก โทรโพสเฟียร์เป็นพื้นที่ของระบบลมดาวเคราะห์ ซึ่งได้รับอิทธิพลจากการหมุนของโลกและการกระจายความร้อน เช่น ลมค้า (Trade Winds) เกิดในเขตร้อนเนื่องจากผลกระทบของโคริโอลิส เจ็ตสตรีม (Jet Streams) กระแสลมความเร็วสูงในชั้นบนของโทรโพสเฟียร์ที่มีบทบาทสำคัญต่อการนำทางของพายุและเส้นทางการบิน

เพิ่มเติม : ลมของโลก และการหมุนเวียน

โลกมีการหมุนเวียนของกระแสลมตลอดเวลา ซึ่งแนวคิดตั้งต้นที่ จอร์จ แฮดลีย์ (Hadley G) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ใช้อธิบายระบบการหมุนเวียนลมโลก คือ หากสมมติให้ดวงอาทิตย์อยู่เหนือเส้นศูนย์สูตร พื้นผิวโลกจะได้รับพลังงานความร้อนจากดวงอาทิตย์แตกต่างกันในแต่ละพื้นที่ โดยขั้วโลกจะได้รับพลังงานแสงอาทิตย์น้อยกว่า พื้นที่ละติจูดต่ำหรือแถบศูนย์สูตร (รูปซ้าย) ส่งผลให้ลมโลกมีการไหลเวียน โดยมวลอากาศแถบศูนย์สูตรมีความร้อนมากกว่า จึง 1) ขยายตัว 2) ลอยขึ้นด้านบนสู่ชั้น โทรโพพอส (tropopause) ของชั้นบรรยากาศ และ 3) ไหลไปทางขั้วโลกเหนือ-ใต้ ซึ่งมีอากาศเย็นกว่า จากนั้นมวลอากาศเย็นที่ขั้วโลกจึงไหลเลียดตามพื้นผิวโลก จากขั้วโลกทั้งสอง ลงสู่แถบศูนย์สูตร เกิดการหมุนเวียนของกระแสลมเป็นวัฎจักร เรียกแบบจำลองการหมุนเวียนดังกล่าวว่า แบบจำลองการหมุนเวียนอากาศแบบเซลล์เดี่ยว (single-cell model) หรือ แฮดเลย์เซลล์ (Hadley cell)

โทรโพพอส (tropopause) คือ ขอบในชั้นบรรยากาศของโลกที่กั้นระหว่างชั้น โทรโพสเฟียร์ (troposphere) และ สตราโทสเฟียร์ (stratosphere) มีความสูงจากพื้นโลกประมาณ 5 – 15 กิโลเมตรเพิ่มเติม : บรรยากาศ

ผลกระทบต่อระบบนิเวศ

ปฏิสัมพันธ์กับชีวมณฑล โทรโพสเฟียร์รองรับชีวิตโดยตรงด้วยการจัดหาออกซิเจนสำหรับการหายใจ ไนโตรเจนสำหรับการเจริญเติบโตของพืช และภูมิอากาศที่เหมาะสมสำหรับความหลากหลายทางชีวภาพ

ผลกระทบจากมนุษย์ กิจกรรมของมนุษย์มีผลกระทบต่อโทรโพสเฟียร์อย่างมีนัยสำคัญ มลพิษทางอากาศ การปล่อยก๊าซจากยานพาหนะ โรงงาน และการเกษตร ทำให้เกิดสารอันตราย เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์และซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ปรากฏการณ์เกาะความร้อนเมือง เมืองใหญ่สร้างความเปลี่ยนแปลงในสภาพอากาศท้องถิ่น ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การปล่อยก๊าซเรือนกระจกมากเกินไปทำให้เกิดผลกระทบต่อรูปแบบสภาพอากาศ

อนาคตของโทรโพสเฟียร์

ปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม เช่น โอโซนในโทรโพสเฟียร์ โอโซนในชั้นนี้แตกต่างจากโอโซนในสตราโทสเฟียร์ โดยมีลักษณะเป็นมลพิษที่เป็นอันตรายต่อสุขภาพและพืช อนุภาคฝุ่นละออง ฝุ่นในโทรโพสเฟียร์ส่งผลเสียต่อสุขภาพทางเดินหายใจและลดทัศนวิสัย สภาพอากาศสุดขั้ว การเปลี่ยนแปลงรูปแบบลมอาจเพิ่มความรุนแรงของคลื่นความร้อน พายุ และภัยแล้ง

นวัตกรรมทางเทคโนโลยี ความก้าวหน้าด้านการสำรวจระยะไกล การสร้างแบบจำลอง และการวิเคราะห์ข้อมูลช่วยเพิ่มความเข้าใจในกระบวนการของโทรโพสเฟียร์ เทคโนโลยีใหม่ๆ ยังช่วยปรับปรุงมาตรการป้องกันมลพิษและความเสี่ยงจากสภาพภูมิอากาศ

โทรโพสเฟียร์ (Troposphere) เป็นส่วนสำคัญของระบบบรรยากาศโลกที่เชื่อมโยงกับชีวิต สภาพอากาศ และสภาพภูมิอากาศ โดยเป็นชั้นที่มีพลวัตและอุดมไปด้วยปรากฏการณ์ที่ส่งผลต่อประสบการณ์ในชีวิตประจำวันและสภาวะสิ่งแวดล้อมในระยะยาว การทำความเข้าใจและปกป้องชั้นบรรยากาศนี้จึงเป็นสิ่งสำคัญต่อการรักษาสมดุลของโลกและการเผชิญหน้ากับปัญหาท้าทายระดับโลก เช่น มลพิษทางอากาศและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

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