<script language="JavaScript" src="http://www.vcharkarn.com/javafeed/article/222" type="text/javascript"></script>

บรรยากาศโลก (ตอนที่ ๓) ประวัติการประดิษฐ์อุปกรณ์ศึกษาบรรยากาศโลก ลักษณะทางกายภาพของบรรยากาศ โครงสร้างแนวดิ่งของบรรยากาศโลก ผู้เขียน: พวงร้อย ชมแล้ว: 50,686 ครั้ง post ครั้งแรก: Sun 21 January 2007, 10:33 am ปรับปรุงล่าสุด: Sun 21 January 2007, 10:33 am อยู่ในส่วน: vservice, ดาราศาสตร์, ปัญหาเชาวน์, ภูมิศาสตร์, คณิตศาสตร์

เราได้เห็นแล้วว่า ความกดดัน และ ความหนาแน่นของบรรยากาศ ลดลงไปเรื่อยๆ เมื่อเราขึ้นไปที่สูงๆ ในยุคแรกๆ เราก็มีทั้งเครื่องมือที่ใช้วัด แรงกดดัน และความร้อน หรืออุณหภูมิของบรรยากาศ ก็เป็นธรรมดาที่จะคาดกันว่า หากขึ้นไปสูงๆ อุณหภูมิก็จะลดลงไปเรื่อย เช่นเดียวกับความกดอากาศ แต่ทุกคนกลับต้องแปลกใจกับความสลับซับซ้อน ของโครงสร้างทางอุณหภูมิในแนวดิ่งของบรรยากาศ ในระยะแรกที่มีการวัดได้ข้อมูลอุณหภูมิเหนือพื้นขึ้นไปไม่ไกลนัก เราก็พอจะบอกได้ว่า อุณหภูมิจะลดลงเรื่อยๆเหนือพื้นโลกขึ้นไปจนสุดที่เราจะวัดได้ในสมัยนั้น นักวิทยาศาสตร์ในยุคแรก จึงเชื่อว่า อุณหภูมิของบรรยากาศ จะลดลงเรื่อยๆจนลดไม่ได้อีกแล้ว คือเดาว่า ในที่สุดอุณหภูมิเหนือพื้นโลกสูงกๆ จะลดลงถึงค่าศูนย์สัมบูรณ์ คือที่ -๒๗๓ องศาเซลเซียส แต่ทว่า ในปี ค.ศ. ๑๙๐๒ นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Leon Philippe Teiserenc De Bort ได้ปล่อยบัลลูนกว่า ๒๐๐ ครั้งไปวัดอุณหภูมิของบรรยากาศ กลับพบว่า อุณภูมิจะลดลงไปเรื่อยๆ จนถึงระดับ ๘ กม.เหนือพื้นโลก แต่แล้ว ก็จะหยุดอยู่คงที่ ไม่ลดลงอีก ขึ้นไปถึง ๑๒ กม เหนือพื้นโลก ในตอนแรก ก็ไม่มีใครเชื่อเขา เพราะคาดไม่ถึงว่า จะเป็นไปได้อย่างไร แต่เมื่อ Teiserenc de Bort ส่งบัลลูนขึ้นไปอีกกี่ครั้ง ก็ได้ตัวเลขกลับลงมาอย่างเดิมทุกครั้งไป แต่ก็ไม่มีใครอธิบายได้ และเมื่อเราส่ง radiosonde รวมทั้ง เครื่องบินและจรวดขึ้นไปวัดอุณหภูมิสูงขึ้นไปเรื่อยๆ จึงได้ตระหนักถึงความซับซ้อนของชั้นบรรยากาศที่จำแนกไปตามอุณหภูมิ

ปัจจุบัน เราแบ่งชั้นบรรยากาศตามอุณหภูมิเป็น ๔ ชั้น ชั้นล่างสุด เรียกว่า โทรโปสเฟียร์ (Troposphere) ซึ่ง Teiserenc de Bort เป็นผู้ตั้งให้ จากรากศัพท์ภาษากรีกว่า Tropein ซึ่งแปลว่า หมุนวนปนเปลี่ยนกัน จากลักษณะจำเพาะของชั้นนี้ ที่มวลคือ โมเลกุลของ น้ำ และ อากาศ มีการหมุนวนตามแนวดิ่งมาผสมเผสปนเปกัน ซึ่งไม่ปรากฏในชั้นอื่นๆ สาเหตุที่ทำให้เกิดการผสมกันตามแนวดิ่งนี้ ก็มีตัวอย่างคือ เมฆพายุฝน ที่พาเอามวลจากผิวพื้นพวยพุ่งขึ้นบรรยากาศชั้นบนๆ ทำให้บรรยากาศชั้นนี้ มีภาวะไม่เสถียร

บรรยากาศชั้นนี้ เป็นที่เกิดของปรากฏการณ์ต่างๆทางอุตุนิยมวิทยา เช่นเมฆ cumulonimbus ซึ่งถ่ายโดยยาน Space Shuttle อุณหภูมิที่ลดลงจากพื้นผิวไปจนถึงระดับประมาณ ๑๑ กม เหนือพื้น ก็ลดลงอย่างคงที่ ประมาณ ๖.๕ องศาเซลเซียส ต่อความสูงขึ้นไป ๑ กิโลเมตร อัตราลดลงของอุณหภูมิในชั้น โทรโปสเฟียร์ นี้ เรียกว่า Lapse rate จนในที่สุดก็ไปถึงชั้นที่ อุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลงขึ้นลง เรียกว่า tropopause คือ lapse rate มีค่าเป็นศูนย์ ความสูงของชั้น Troposphere จะไม่คงที่ เปลี่ยนไปตามพลังงานความร้อนที่แตกต่างกันไปบนพื้นโลก ค่าโดยเฉลี่ย ประมาณ ๑๒ กม. แต่ก็อาจจะขึ้นสูงได้ถึง ๑๖ กม. เหนือพื้นโลกแถบศูนย์สูตรซึ่งได้รับพลังงานความร้อนมาก ก๊าซเหนือพื้นจึงขยายตัวพองขึ้นมากกว่า ก๊าซเหนือแถบขั้วโลกที่หนาวเกือบตลอดปี ทำให้ บรรยากาศชั้นโทรโปสเฟียร์เหนือแถบขั้วโลก มีระดับสูงได้แค่ ๙ กม. เท่านั้น ชั้นต่อไปคือ Stratosphere ซึ่งแตกต่างจากชั้นล่างเป็นอย่างมาก ที่ปราศจากความวุ่นวายของภาวะการเคลื่อนตัวในบรรยากาศ ไร้ซึ่งความปรวนแปรอันเกิดจากการหมุนขึ้นผสมกันในแนวดิ่ง ชั้นบรรยากาศไม่มีการปนเปกัน หากแบ่งแยกกันอย่างแน่นอน อันกำหนดโดย ค่าของความกดดันอากาศ เมื่อนักวิทยาศาสตร์อ้างถึงปรากฏการณ์ในบรรยากาศ จะใช้หน่วยความกดดันมาแสดงตำแหน่ง หาได้ใช้ความสูงไม่ ดังเช่นจะบอกว่า วัดก๊าซโอโซนที่ ระดับ ๔๖ มิลลิบาร์ ในแถบขั้วโลก แทนที่จะบอกเป็นความสูงในหน่วยกิโลเมตร หรือไมล์ดังที่เรามักจะใช้กัน เพราะระดับความสูงที่ไม่แน่นอน แต่ระดับความกดดันอากาศจะแบ่งแยกเขตแดนของชั้นบรรยากาศได้เที่ยงตรงกว่า หลังจากอุณหภูมิเปลี่ยนไปในทางลบในชั้น โทรโปสเฟียร์ และคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงในเขตคั่นชั้นนี้คือ โทรโปผอส(tropopause) แล้ว อุณหภูมิก็เริ่มเพิ่มขึ้น ซึ่งในตอนแรกจะเพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอ จนถึงระดับประมาณ ๒๐ กม. แล้วก็จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว จนถึงระดับประมาณ ๕๐ กม. อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในชั้น สตราโตสเฟียร์ นี้ เกิดจาก ก๊าซ โอโซน (O3) ซึ่งมีอยู่ในชั้นนี้ เนื่องจาก โมเลกุลของโอโซน ดูดซับพลังงานอุลตร้าไวโอเล็ตจากแสงอาทิตย์ มาแยกโมเลกุลเป็น O3 + UV ---> O2 + O-

ในระดับสูงขึ้นไป ที่ไม่มีก๊าซโอโซนอยู่อีกแล้ว ก็เป็นที่คาดหมายได้ว่า อุณหภูมิในบรรยากาศจะลดลงอีก หลังจากผ่านระดับคงที่ทางอุณหภูมิ ซึ่งเรียกว่า Stratopause เพราะพลังงานลดถอยจากโอโซนที่เบาบางลง เริ่มถูกหักล้างไป เหนือขึ้นไปจากนี้ เป็นชั้น Mesosphere (ชั้นกลาง) ซึ่งมวลเบาบางลงเป็นอย่างมาก ความกดดันของบรรยากาศในชั้น เมโสสเฟียร์ นี้ เฉลี่ยประมาณ ๑ มิลลิบาร์ เท่านั้น หมายความว่า จากระดับนี้ขึ้นไปจนสุดที่จะเรียกได้ว่าเป็นบรรยากาศแล้ว ก็มีมวลเพียง ๐.๐๑ เปอร์เซ็นต์ ของบรรยากาศเท่านั้น อุณหภูมิของบรรยากาศในชั้นนี้ จึงลดลงไปตามระดับที่สูงขึ้นไปเรื่อยๆ เพราะไม่มีก๊าซโอโซนช่วยดูดซับพลังงาน และโมเลกุลของก๊าซในชั้นนี้ สูญพลังงานไปมากกว่าที่จะดูดซับมาได้ อุณหภูมิเฉลี่ยในชั้นเมโสสเฟียร์ อยู่ที่ประมาณ -๙๐ องศาเซลเซียส เท่านั้น ชั้นที่ "ร้อน" เหนือ เมโสสเฟียร์ คือ เทอร์โมสเฟียร์(Thermosphere) ซึ่งคั่นด้วย mesopause ในชั้นนี้ ก๊าซอ๊อกซิเจน (O2) ดูดซับพลังงานสูงๆจากรังสีที่มีพลังงานมากๆจากดวงอาทิตย์ แม้พลังงานที่ถูกดูดซับโดยรวม จะมีค่าน้อย เพราะจำนวนโมเลกุลอ๊อกซิเจนเบาบางมาก แต่อัตราต่อโมเลกุลแล้ว จะมีพลังงาน "ความร้อน" สูงมาก ทำให้ค่าเฉลี่ยของพลังงาน หรือ อุณหภูมิ ดูสูงตามไปด้วย "อุณหภูมิ" ของชั้นเทอร์โมสเฟียร์ ไม่แน่นอน ขึ้นอยู่กับระดับความแตกต่างของพายุสุริยะ ซึ่งส่งอาณุภาคกำลังสูงมาเข้าบรรยากาศชั้นบนๆของโลก จากกราฟ จะเห็นได้ว่า อุณหภูมิในชั้นเทอร์โมสเฟียร์ แตกต่างกันได้มากเป็นหลายๆร้อยองศาทีเดียว

Ionosphere บรรยากาศชั้น ไอโอโนสเฟียร์ ไม่ได้อยู่ในพวกเดียวกับการจัดลำดับชั้นของบรรยากาศ ๔ ชั้นดังกล่าวข้างต้น แต่เป็นชั้นที่ มีอาณุภาคที่มีประจุไฟฟ้า จากการที่ ก๊าซไนโตรเจน และ อ๊อกซิเจน ดูดซับพลังงานคลื่นสั้น หรือพลังงานกำลังสูงมากๆจากแสงอาทิตย์ จนอีเล็คตรอนของโมเลกุลเหล่านี้ มีพลังงานมากจนหลุดหนีออกจากวงโคจรรอบนิวเคลียส มาเคลื่อนไหวเป็นประจุอิสระ หรือพลาสม่า ระดับของชั้น ไอโอโนสเฟียร์ จะมีหนาแน่นที่สุด ประมาณ ๘๐-๔๐๐ กิโลเมตร แต่ก็สุดแต่กำลังจาก พายุสุริยะ ในช่วงที่ดวงอาทิตย์สาดมวลสารพลังงานสูงออกมามากๆ ในปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Corona Mass Ejection แล้ว โมเลกุลในชั้นต่ำกว่านั้น ก็ได้รับพลังงานไปด้วย ทำให้ชั้นล่างของ ไอโอโนสเฟียร์ ต่ำลงมาได้ถึง ๕๐ กม. เหนือพื้นโลกได้ ชั้น ไอโอโนสเฟียร์นี้ จึงเป็นที่กำเนิดของ ปรากฏการณ์ แสงเหนือ และ แสงใต้ ด้วย

อ้างอิง



1. Ahrens, C. Donald, "Meteorology Today: An Introduction to Weather, Climate, and the Environment", 5th Edition, West Pub. Co.



2. Lutgens, Frederick K., Tarbuck, Edward J., "THe Atmosphere", 5th edition, Prentice Hall



3. Linacre, Edward, Greerts, Bart, "Climate & Weather Explained", Routledge



4. Stull, Roland B., "Meteorology for Scientists and Engineers", 2nd edition, Brooks/Cole

อ่านต่อ



1. The Earth's Atmosphere



2. The Earth's Atmosphere (Windos to the Universe)



3. Ozone Depletion



4. VisionLearning: Earth's Atmosphere



5. Meteorology Today - An Introduction to Weather, Climate, and the Environmen...



6. Origin of Earth's Atmosphere

---

Hot Links

คลังข้อสอบ | ข่าววิชาการ
เล่นกล/เกม | อ่านนิยาย
ข่าวทุนการศึกษา | ลิงค์

ขอบคุณผู้สนับสนุน