กลไกการปรับสมดุลโลก

กลไกการปรับสมดุลโลก

         ในปี พ.ศ.2515 เจมส์ เลิฟล็อค นักชีวเคมีชาวอังกฤษ ได้เสนอสมมติฐานที่ว่า โลกทั้งดวงคือ สิ่งมีชีวิตขนาดขนาดมหึมา สิ่งมีชีวิตทั้งหลายบนโลกนี้ ต่างเป็นเซลล์ชีวิตของโลก และมีอิทธพลในการรักษาสมดุลย์ของโลก เลิฟล็อคตั้งข้อสังเกตว่า ในสภาวะปกติ ร่างกายของมนุษย์รักษาอุณหภูมิ 37°C ไว้คงที่ ด้วยระบบต่างๆ อันได้แก่ ระบบหายใจ ระบบอาหาร ระบบประสาท เป็นต้น สำหรับโลกก็เช่นกัน อุณหภูมิของพื้นผิวโลกไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปมาก แม้ว่าโลกจะมีอายุหลายพันล้านปีแล้ว ทั้งนี้เป็นเพราะ โลกมีกลไกหลายระบบ อาทิเช่น บรรยากาศ น้ำ ธรณี และสิ่งมีชีวิต ทำงานร่วมกันเพื่อที่จะรักษาสมดุลไว้ เช่นเดียวกับร่างกายของมนุษย์ เลิฟล็อกตั้งชื่อสมมติฐานของเขาว่า “สมมติฐานไกอา” (Gaia hypothesis) คำว่า “ไกอา” เป็นภาษากรีกแปลว่า “เทพแห่งโลก”

อัลบีโด
          เป็นที่ทราบดีกันว่า พื้นผิวของวัตถุสีดำดูดกลืนรังสีได้ดีกว่าวัตถุสีขาว ถ้าเรายืนเท้าเปล่าบนพื้นสีดำเราจะร้อนกว่ายืนบนพื้นสีขาว ทั้งนี้เป็นเพราะพื้นผิวสีขาวสะท้อนแสงดีกว่าพื้น หรือกล่าวอีกอย่างหนึ่งว่า พื้นผิวสีดำดูดกลืนรังสีได้ดีกว่าพื้นผิวสีขาว เราเรียกความสามารถในการสะท้อนแสงของพื้นผิวว่า “อัลบีโด” (Albedo)

ภาพที่ 1  พื้นผิวสีเข้มดูดกลืนรังสีได้ดีกว่า

          อัลบีโด เป็นอัตราส่วนเปรียบเทียบค่าการสะท้อนแสงของพื้นผิว กับ ปริมาณรังสีทั้งหมดที่ตก
กระทบ มักแสดงด้วยตัวเลขทศนิยมระหว่าง 0 – 1 กล่าวคือ วัตถุที่มีการดูดกลืนรังสีอย่างสมบูรณ์ ไม่
มีการสะท้อนรังสีกลับคืนเลยจะมีอัลบีโด = 0 ส่วนวัตถุที่มีการสะท้อนแสง 100% และไม่มีการดูดกลืน
รังสีเลย จะมีอัลบีโด = 1 ดังนั้นพื้นผิวที่มีสีคล้ำ เช่น พื้นดิน จึงมีอัลบีโดต่ำประมาณ 0.10 ส่วนพื้นผิว
สีขาวเช่น หิมะ มีอัลบีโดสูงประมาณ 0.80

          ตารางที่ 1: อัลบีโด

ภาพที่ 2  โลกแห่งดอกเดซี่

โลกของดอกเดซี่ (Daisyworld)
          สมมติว่าในระบบสุริยะ มีดาวเคราะห์ดวงหนึ่งมีขนาดและวงโคจรเหมือนกับโลกของเรา พื้นผิวของดาวถูกปกคลุมไปด้วยดอกเดซี่หลายหลากสี มีทั้งสีเข้ม และสีอ่อน ดาวเคราะห์ดวงนี้ได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ เช่นเดียวกับโลกของเรา เมื่อระบบสุริยะยังมีอายุน้อย ดวงอาทิตย์ยังมีขนาดเล็กและแผ่พลังงานออกมาน้อย ต่อมาเมื่อดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่ขึ้น และแผ่รังสีออกมามาก อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิพื้นผิวของดาวเคราะห์ก็ยังคงที่ ด้วยกลไกการเจริญเติบโตของดอกเดซี่ ดังที่แสดงในกราฟในภาพที่ 3

ภาพที่ 3  กราฟแสดงความสัมพันธ์ของประชากรดอกเดซี่และอุณหภูมิ ขณะที่ดวงอาทิตย์มีความสว่างมากขึ้น

เมื่ออุณหภูมิบนดาวเคราะห์สูง
           ดอกเดซี่สีเข้มชอบอุณหภูมิต่ำ จะหยุดการเจริญเติบโต
ดอกเดซี่สีอ่อนชอบอุณหภูมิสูง เจริญงอกงาม ส่งผลกระทบให้อุณหภูมิของดาวเคราะห์ต่ำลง

เมื่ออุณหภูมิบนดาวเคราะห์ต่ำ
           ดอกเดซี่สีอ่อนชอบอุณหภูมิสูง จะหยุดการเจริญเติบโต
ดอกเดซี่สีเข้มชอบอุณหภูมิต่ำ เจริญงอกงาม ส่งผลกระทบให้อุณหภูมิของดาวเคราะห์สูงขึ้น

           จะเห็นได้ว่า การทำงานเช่นนี้คล้ายเทอร์โมสตัท (สวิทส์ควบคุมอุณหภูมิ) ของเครื่องปรับอากาศ จำนวนประชากรของดอกไม้ทั้งสองชนิด เป็นกลไกในการควบคุมอุณหภูมิของโลกแห่งดอกเดซี่ ในโลก
แห่งความเป็นจริง โลกของเรามีระบบที่สลับซับซ้อนในการควบคุมอุณหภูมิของพื้นผิว กลไกหลักได้แก่ อัลบีโด ภาวะเรือนกระจก การเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิต เป็นต้น นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าอุณหภูมิเฉลี่ย
ของพื้นผิวโลกคงที่มานานหลายพันล้านปีแล้ว ในยุคเริ่มแรกของระบบสุริยะ ดวงอาทิตย์มีขนาดเล็ก
และแผ่รังสีน้อยกว่าในปัจจุบัน โลกคงความอบอุ่นให้เอื้ออำนวยต่อสิ่งมีชีวิตได้ด้วยภาวะเรือนกระจก อันเกิดจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมากในบรรยากาศ ในเวลาต่อมาดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่
และแผ่รังสีมากขึ้น พืชและน้ำฝนตรึงคาร์บอนในบรรยากาศไว้บนพื้นและใต้ดิน  เพื่อลดภาวะเรือน
กระจก ทำให้อุณหภูมิของพื้นผิวคงที่เสมอมา
ในโลกปัจจุบันมีการตัดไม้ทำลายป่า การใช้ประโยชน์จากที่ดิน ตลอดจนการลดลงของปริมาณ
ภูเขาน้ำแข็ง อันเนื่องมาจากโลกร้อนขึ้น การเปลี่ยนแปลงอัลบีโดของโลกให้มีค่าต่ำลงอย่างรวดเร็ว
เช่นนี้ อาจส่งผลกระทบที่ติดตามมาคือ ภาวะเรือนกระจกชนิดกู่ไม่กลับ (Runaway greenhouse)

โลก และดาวเคราะห์เพื่อนบ้าน
           ดาวศุกร์ โลก และดาวอังคาร เป็นดาวเคราะห์ชั้นใน อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ไม่มาก พลังงานที่
ดาวเคราะห์แต่ละดวง ได้รับจากดวงอาทิตย์ จึงไม่แตกต่างกันมาก ในอดีตโครงสร้างบรรยากาศของ
ดาวเคราะห์ทั้งสาม คล้ายคลึงกันมากคือ มีองค์ประกอบหลักเป็น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และมีไอน้ำ
เจือปนอยู่

ภาพที่ 4  ดาวศุกร์ โลก และดาวอังคาร

          ดาวศุกร์
          บรรยากาศของดาวศุกร์เต็มไปด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และมีภาวะเรือนกระจกชนิดไม่
กลับคืน (Runaway greenhouse) โดยมีอุณหภูมิเฉลี่ยสูงถึง 480°C และมีความกดอากาศสูงกว่าบน
พื้นผิวโลกถึง 90 เท่า อุณหภูมิและความกดดันที่สูงมากนี้ ทำให้น้ำบนดาวศุกร์มีสถานะเป็นก๊าซ และ
สูญเสียไฮโดรเจนให้กับอวกาศเนื่องจากความร้อน

          ดาวอังคาร
          มีลักษณะคล้ายเคียงกับโลกมากที่สุด แต่มีขนาดเล็กกว่าโลกเกือบครึ่งหนึ่ง บรรยากาศของดาว
อังคารเต็มไปด้วย ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ในปัจจุบันบรรยากาศมีความหนาแน่นต่ำมาก ส่งผลให้ภาวะ
เรือนกระจกไม่ทำงาน และมีอุณหภูมิต่ำถึง -59°C (ทั้งนี้เป็นเพราะดาวอังคารอยู่ห่างไกลจากดวงอาทิตย์
ด้วย) บนดาวอังคารมีก๊าซออกซิเจนอยู่เล็กน้อย ออกซิเจนส่วนใหญ่ทำปฏิกริยากับพื้นผิวของดาว จนเป็น
สีแดงของสนิมเหล็ก ครั้งหนึ่งบรรยากาศบนดาวอังคาร เคยมีความหนาแน่นกว่านี้ ก๊าซคาร์บอนได
ออกไซด์ทำให้เกิดภาวะเรือนกระจก และมีอุณหภูมิอบอุ่นจนน้ำสามารถดำรงอยู่ในสถานะของเหลวได้ ดังมีหลักฐานจำนวนมากเป็นท้องน้ำที่เหือดแห้ง มีร่องรอยของน้ำไหล และตะกอนรูปพัด อย่างไรก็ตาม
ยังมีน้ำแข็งจำนวนมาก สะสมอยู่ในบริเวณขั้วของดาว บางทีในอนาคตอีกหลายพันล้านปี เมื่อดวงอาทิตย์
มีขนาดใหญ่ขึ้น พื้นผิวของดาวอังคารกลับอบอุ่นอีกครั้ง น้ำแข็งขั้วดาวละลาย เติมเต็มแม่น้ำลำคลอง และมหาสมุทรที่เคยเหือดแห้ง

ภาพที่ 5  กลไกการปรับสมดุลของโลก

          โลก
          ในอดีตเต็มไปด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เช่นเดียวกับดาวเคราะห์เพื่อนบ้าน ในยุคแรกๆ พื้นผิวโลกสร้างความอบอุ่นด้วยภาวะเรือนกระจก วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตช่วยตรึงคาร์บอนในอากาศไว้ใต้พื้นผิว และสังเคราะห์แสงสร้างก๊าซออกซิเจนเข้าสู่บรรยากาศ ทำให้อุณหภูมิของโลกลดต่ำลง หากปราศจากสิ่งมีชีวิตบนโลกแล้ว โลกของเราก็คงจะไม่แตกต่างจากดาวเคราะห์เพื่อนบ้าน อย่างไรก็ตามหากอัตราการเพิ่มของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยฝีมือมนุษย์ ยังคงสูงดังเช่นปัจจุบัน อาจทำให้บรรยากาศของโลกหวนคืนสู่อดีต ภายในระยะเวลาไม่ช้า

ตารางที่ 2: องค์ประกอบของบรรยากาศของโลก และดาวเคราะห์เพื่อนบ้าน