ปรากฏการณ์เรือนกระจกและการดูดซับในชั้นบรรยากาศ

การที่ไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซอื่นๆ ดูดซับและปล่อยรังสีความร้อนซ้ำ ทำให้พื้นผิวโลกร้อนขึ้นเหนืออุณหภูมิสมดุลของการแผ่รังสี

Definition

ปรากฏการณ์เรือนกระจกคือการที่พื้นผิวของดาวเคราะห์อุ่นขึ้น ซึ่งเกิดจากก๊าซในชั้นบรรยากาศที่โปร่งใสต่อแสงอาทิตย์ที่เข้ามา แต่ดูดซับและปล่อยรังสีความร้อนที่แผ่ออกไปซ้ำ ทำให้พื้นผิวมีอุณหภูมิสูงกว่าค่าที่กำหนดโดยความร้อนจากแสงอาทิตย์เพียงอย่างเดียว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมพื้นฐานทางกายภาพของปรากฏการณ์เรือนกระจก: การดูดซับและการปล่อยรังสีคลื่นยาวโดยโมเลกุลของก๊าซ แถบสเปกตรัมที่ก๊าซเหล่านี้ทำงาน และวิธีการที่ระดับการแผ่รังสีที่มีประสิทธิภาพของชั้นบรรยากาศควบคุมอุณหภูมิพื้นผิว โดยจะกล่าวถึงบทบาทของไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน ไนตรัสออกไซด์ และโอโซน แนวคิดของการบังคับทางรังสีจากการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของก๊าซเหล่านี้ รวมถึงผลกระทบของการอิ่มตัวและการทับซ้อนของแถบสเปกตรัมที่ควบคุมว่าการบังคับทางรังสีจะแปรผันตามความเข้มข้นอย่างไร

Core questions

• เหตุใดก๊าซบางชนิดจึงดูดซับรังสีความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ก๊าซชนิดอื่นไม่เป็นเช่นนั้น?
• ปรากฏการณ์เรือนกระจกทำให้อุณหภูมิพื้นผิวสูงขึ้นเหนือสมดุลการแผ่รังสีได้อย่างไร?
• การบังคับทางรังสีเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อความเข้มข้นของก๊าซเรือนกระจกเพิ่มขึ้น?
• ไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์มีส่วนร่วมสัมพันธ์กันอย่างไร?

Key theories

ระดับการปล่อยรังสีที่มีประสิทธิภาพ

ก๊าซเรือนกระจกจะเพิ่มระดับความสูงที่ดาวเคราะห์แผ่รังสีออกสู่อวกาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ และเนื่องจากระดับนั้นเย็นกว่าพื้นผิว พื้นผิวจึงต้องอุ่นขึ้นเพื่อปล่อยพลังงานให้เพียงพอเพื่อรักษาสมดุลกับแสงอาทิตย์ที่เข้ามา

การบังคับทางรังสีแบบลอการิทึมของคาร์บอนไดออกไซด์

เนื่องจากแถบการดูดซับกลางของคาร์บอนไดออกไซด์เกือบจะอิ่มตัวแล้ว การบังคับทางรังสีของมันจึงเพิ่มขึ้นโดยประมาณตามลอการิทึมของความเข้มข้น ดังนั้นการเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าแต่ละครั้งจะเพิ่มปริมาณการบังคับทางรังสีที่คล้ายกัน

Mechanisms

โมเลกุลที่มีการเปลี่ยนสถานะการสั่นและการหมุนที่เหมาะสมจะดูดซับรังสีอินฟราเรดที่แผ่ออกไปและปล่อยรังสีนั้นซ้ำในทุกทิศทาง รวมถึงย้อนกลับมายังพื้นผิว สิ่งนี้จะเพิ่มระดับความสูงที่รังสีจะหลุดออกสู่อวกาศในที่สุด และเนื่องจากอุณหภูมิลดลงตามความสูงในชั้นโทรโพสเฟียร์ พื้นผิวจึงอุ่นขึ้นจนกว่าระดับการปล่อยรังสีที่เย็นกว่าจะแผ่รังสีออกมาเพียงพอที่จะรักษาสมดุลกับแสงอาทิตย์ที่ดูดซับไว้ การเพิ่มก๊าซมากขึ้นจะทำให้ชั้นการดูดซับหนาขึ้นและเลื่อนระดับการปล่อยรังสีให้สูงขึ้นและเย็นลง ซึ่งจะเพิ่มการบังคับทางรังสี

Clinical relevance

การบังคับทางรังสีที่เกิดจากการเพิ่มขึ้นของคาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และก๊าซเรือนกระจกอื่นๆ เป็นตัวขับเคลื่อนทางกายภาพโดยตรงของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่เกิดจากมนุษย์ ทำให้กลไกนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจและการคาดการณ์ภาวะโลกร้อน

Evidence & guidelines

รายงานการประเมินครั้งที่หกของ IPCC ได้ระบุปริมาณการบังคับทางรังสีที่มีประสิทธิภาพของก๊าซเรือนกระจกหลักแต่ละชนิด และระบุว่าก๊าซเหล่านี้เป็นสาเหตุหลักของการอุ่นขึ้นที่สังเกตได้นับตั้งแต่ยุคก่อนอุตสาหกรรม

History

ทินดอลล์ได้แสดงให้เห็นในศตวรรษที่สิบเก้าว่าไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ดูดซับรังสีความร้อน และอาร์เรเนียสได้ทำการประมาณค่าเชิงปริมาณครั้งแรกของการอุ่นขึ้นจากการเพิ่มคาร์บอนไดออกไซด์เป็นสองเท่า; การศึกษาทางสเปกโทรสโกปีและการสร้างแบบจำลองการแผ่รังสี-การพาความร้อนในศตวรรษที่ยี่สิบได้ปรับปรุงแนวคิดเหล่านี้ให้กลายเป็นทฤษฎีเชิงปริมาณสมัยใหม่ของการบังคับทางรังสี

Debates

ข้ออ้างในอดีตเกี่ยวกับการอิ่มตัวของแถบสเปกตรัม

ข้อโต้แย้งในยุคแรกๆ ที่ว่าการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์อิ่มตัวแล้วได้รับการแก้ไขโดยการตระหนักว่าการเพิ่มก๊าซจะยกระดับการปล่อยรังสีที่เย็นขึ้น ดังนั้นการบังคับทางรังสีจึงยังคงเพิ่มขึ้นแทนที่จะคงที่

Key figures

• Svante Arrhenius
• John Tyndall
• Raymond Pierrehumbert
• Syukuro Manabe

Seminal works

• arrhenius1896
• pierrehumbert2010

Frequently asked questions

ก๊าซชนิดใดมีส่วนร่วมในปรากฏการณ์เรือนกระจกมากที่สุด?

ไอน้ำเป็นตัวการสำคัญที่สุดโดยรวม แต่ทำหน้าที่เป็นกลไกป้อนกลับที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิ ในขณะที่คาร์บอนไดออกไซด์เป็นก๊าซที่มีอายุยืนยาวหลักที่มนุษย์กำลังเพิ่มขึ้น

เหตุใดคาร์บอนไดออกไซด์จึงยังคงมีความสำคัญแม้ว่าแถบสเปกตรัมของมันเกือบจะอิ่มตัวแล้ว?

การเพิ่มคาร์บอนไดออกไซด์จะยกระดับความสูงที่ดาวเคราะห์แผ่รังสีออกสู่อวกาศไปยังระดับที่เย็นกว่า ดังนั้นผลกระทบของการอุ่นขึ้นจึงยังคงเพิ่มขึ้นกับการเพิ่มความเข้มข้นเป็นสองเท่าแต่ละครั้ง