โครงสร้างของบรรยากาศ

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 ไม่ให้ลงมาทำอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต
บนพื้นโลกได้

ภาพที่ 2 การกรองรังสีของบรรยากาศ

ที่ระดับความสูงประมาณ 80 – 400 กิโลเมตร โมเลกุลของก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศชั้นบนสุด ดูดกลืนรังสีแกมมา และรังสีเอ็กซ์ จนทำให้อะตอมของก๊าซมีอุณหภูมิสูงจนแตกตัวเป็นประจุ (Ion) และสูญเสียอิเล็กตรอน บางครั้งเราเรียกชั้นบรรยากาศที่เต็มไปด้วยประจุนี้ว่า “ไอโอโนสเฟียร์” (Ionosphere) มีประโยชน์ในการสะท้อนคลื่นวิทยุสำหรับการสื่อสารโทรคมนาคม
รังสีอุลตราไวโอเล็ตสามารถส่องผ่านบรรยากาศชั้นบนสุดลงมาได้ แต่ถูกดูดกลืนโดยก๊าซ
โอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์ ที่ระยะสูงประมาณ 48 กิโลเมตร
แสงที่ตามองเห็น หรือ แสงแดด สามารถส่องลงมาถึงพื้นโลกได้
รังสีอินฟราเรดถูกดูดกลืนโดยก๊าซเรือนกระจก เช่น ไอน้ำ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซ
มีเทน 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 องค์ประกอบหลักของบรรยากาศโลก
เป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และไนโตรเจน ต่อมาเมื่อโลกเย็นตัวลงจนไอน้ำในอากาศสามารถควบแน่น
ทำให้เกิดฝน น้ำฝนได้ละลายคาร์บอนไดออกไซด์ลงมาบนพื้นผิวโลก ทำให้ปริมาณของก๊าซคาร์บอนได
ออกไซด์ลดลง 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 และก๊าซอื่นๆ จำนวนเล็กน้อย

ภาพที่ 4  กราฟแสดงองค์ประกอบของบรรยากาศ
องค์ประกอบหลัก
ก๊าซไนโตรเจน (N₂) มีคุณสมบัติไม่ทำปฏิกิริยาเคมีกับสารอื่น แต่เมื่ออะตอมเดี่ยวของมันแยกออกมา รวมเข้าเป็นองค์ประกอบของสารอื่น เช่น สารไนเตรท จะมีบทบาทสำคัญต่อสิ่งมีชีวิต
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 เนื่องจากก๊าซเรือนกระจกมีคุณสมบัติในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดซึ่งแผ่ออก จากโลก ทำให้โลกอบอุ่น อุณหภูมิของกลางวันและกลางคืนไม่แตกต่างจนเกินไป นอกจากนั้นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ยังเป็นแหล่งอาหารของพืช
อย่างไรก็ตามแม้ว่าไนโตรเจน ออกซิเจน จะเป็นองค์ประกอบหลัก แต่ก็มิได้มีอิทธิพลต่ออุณหภูมิของโลก ในทางตรงกันข้ามก๊าซโมเลกุลใหญ่ เช่น ไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และมีเทน แม้จะมีอยู่ในบรรยากาศเพียงเล็กน้อย แต่มีความสามารถในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด ทำให้อุณหภูมิของโลกอบอุ่น เราเรียกก๊าซพวกนี้ว่า “ก๊าซเรือนกระจก” (Greenhouse gas)
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) เนื่องจากการดูดกลืนรังสีอุลตราไวโอเล็ตในบรรยากาศชั้นสตราโตรสเฟียร์ (Stratrosphere) แล้วรวมตัวกับก๊าซออกซิเจนอีกทีหนึ่ง กลายเป็นก๊าซซึ่งมีโมเลกุลของออกซิเจน 3 อะตอม เรียกว่า “โอโซน” (Ozone) สะสมตัวเป็นชั้นบางๆ ที่ระยะสูงประมาณ 50 กิโลเมตร โอโซนมีประโยชน์ในการกรองรังสีอุลตราไวโอเล็ต มิให้ลงมาทำอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต แต่เนื่องจากก๊าซโอโซนเองเป็นพิษต่อร่างกาย หากมีก๊าซโอโซนเกิดขึ้นที่ระดับต่ำในชั้นโทรโพสเฟียร์ (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 scattering)
โครงสร้างในแนวดิ่ง
ไม่มีขอบเขตของรอยต่อระหว่างบรรยากาศและอวกาศที่แน่ชัด ยิ่งสูงขึ้นไปอากาศยิ่งบาง แม้ว่าชั้นบรรยากาศที่เราศึกษาจะมีความสูงไม่เกิน 100 กิโลเมตร แต่ทว่าที่ระยะสูง 400 กิโลเมตร ก็ยังมีอนุภาคของอากาศอยู่มากพอที่จะสร้างแรงเสียดทานให้ดาวเทียมและยาน อวกาศเคลื่อนที่ช้าลง โมเลกุลของอากาศถูกแรงโน้มถ่วงของโลกดึงดูดไว้ให้กองทับถมกัน ดังนั้นยิ่งใกล้พื้นผิวโลก ก็ยิ่งมีการกดทับของอากาศมาก เราเรียกน้ำหนักของอากาศที่กดทับลงมานี้ว่า “ความกดอากาศ” (Air pressure) ความกดอากาศมีค่าแปรผันตรงกับ “ความหนาแน่นของอากาศ” (Air density) ยิ่งความดันอากาศสูง ความหนาแน่นของอากาศก็ยิ่งมาก

หมายเหตุ: บางครั้งเราเรียกบรรยากาศที่ระดับความสูง 80 – 400 กิโลเมตร ว่า “ไอโอโนสเฟียร์” (Ionosphere) เนื่องจากก๊าซในบรรยากาศชั้นนี้มีสถานะเป็นประจุไฟฟ้า ซึ่งมีประโยชน์ในการสะท้อนคลื่นวิทยุสำหรับการสื่อสารโทรคมนาคม