ปรากฏการณ์เรือนกระจก

กลไก

โลกรับพลังงานจากดวงอาทิตย์ในรูปของการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ พลังงานเกือบทั้งหมดมีขนาดความยาวช่วงคลื่นที่มองเห็นได้และในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรดที่เกือบมองเห็น (บางครั้งเรียกว่าช่วงคลื่นใกล้อินฟราเรด) โลกมีอัตราส่วนรังสีสะท้อน (albedo) ประมาณ 30% ของรังสีดวงอาทิตย์ที่แผ่ลงมา ที่เหลือร้อยละ 70 จะถูกดูดซับไว้ ทำความอบอุ่นให้แก่พื้นดิน บรรยากาศและมหาสมุทร
การที่อุณหภูมิของโลกอยู่ในภาวะเสถียรซึ่งไม่ร้อนขึ้นหรือเย็นลงอย่างรวดเร็วเกินไปได้นั้น การดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์สู่โลกจะต้องอยู่ในสภาวะสมดุลเป็นอย่างมากกับรังสีอินฟราเรดที่สะท้อนกลับออกสู่อวกาศ โดยที่ความเข้มของการแผ่กระจายรังสีอินฟราเรดเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มของอุณหภูมิ เราจึงคิดว่าอุณหภูมิของโลกขึ้นอยู่กับปริมาณของฟลักซ์หรือแรง (flux) ของอินฟราเรดที่จะต้องถ่วงดุลกับฟลักซ์ของรังสีดวงอาทิตย์  การแผ่ของรังสีดวงอาทิตย์เกือบทั้งหมดทำพื้นผิวของโลกร้อนขึ้น ไม่ใช่เป็นการทำให้บรรยากาศร้อนขึ้น บรรยากาศชั้นบนไม่ใช่ผิวโลกที่เป็นตัวช่วยให้การแผ่กระจายรังสีอินฟราเรดหนีออกสู่อวกาศ โฟตอนอินฟราเรดที่ส่งออกมาทางผิวโลกเกือบทั้งหมดจะถูกดูดซับไว้ในบรรยากาศโดยก๊าซเรือนกระจกและเมฆ ไม่ได้หนีออกโดยตรงสู่ห้วงอวกาศ
เหตุผลที่พื้นผิวโลกร้อนขึ้นนี้อาจทำให้เข้าใจได้ง่ายๆ ด้วยการเริ่มต้นจากการใช้แบบจำลองปรากฏการณ์เรือนกระจกอย่างง่ายที่คิดเฉพาะการแผ่กระจายรังสีโดยไม่นำไปรวมกับการถ่ายโอนพลังงานในบรรยากาศโดยการพาความร้อน ในกรณีการคิดการแผ่กระจายรังสีเพียงอย่างเดียวนี้  เราอาจคิดได้ว่าบรรยากาศแผ่กระจายรังสีอินฟราเรดทั้งจากด้านสู่ด้านบนลงมาและจากด้านล่างขึ้นไป ฟลักซ์ของรังสีอินฟราเรดที่ปล่อยออกจากผิวโลกจะต้องสมดุลไม่เพียงกับการดูดกลืนฟลักซ์ของรังสีดวงอาทิตย์เท่านั้น แต่จะต้องสมดุลกับฟลักซ์ของอินฟราเรดที่บรรยากาศปล่อยลงมาด้วย อุณหภูมิพื้นผิวโลกจะร้อนขึ้นจนถึงระดับการปลดปล่อยความร้อนในปริมาณเท่ากับผลรวมของรังสีดวงอาทิตย์และอินฟราเรดที่เข้ามา
ภาพชัดเจนกว่าที่อาจนำมาคิดกับฟลักซ์การพาความร้อน และความร้อนแฝงนั้นออกจะซับซ้อนมากกว่า แต่แบบจำลองอย่างง่ายที่จะกล่าวถึงต่อไปนี้สามารถแสดงแก่นสารได้ชัดเจนกว่า โดยเริ่มจากการสังเกตที่เห็นได้ว่าภาวะทึบแสงของบรรยากาศที่มีต่อการแผ่รังสีอินฟราเรดว่าเป็นตัวกำหนดช่วงสูงของโฟตอนในบรรยากาศเกือบทั้งหมดที่ถูกปล่อยออกสู่ห้องอวกาศ หากบรรยากาศมีภาวะทึบแสงมากขึ้น โฟตอนทั่วไปที่จะหนีออกสู่ห้วงอวกาศจะถูกปลดปล่อยจากชั้นบรรยากาศที่สูงขึ้น เนื่องจากการแผ่กระจายของรังสีอินฟราเรดคือตัวทำให้เกิดความร้อน ดังนั้นอุณหภูมิของบรรยากาศในระดับการปลดปล่อยที่ทำให้เกิดผลจึงถูกกำหนดโดยความต้องการที่ฟลักซ์ของการปลดปล่อยสมดุลกับการดูดกลืนฟลักซ์ของรังสีดวงอาทิตย์
แต่อุณหภูมิของบรรยากาศโดยทั่วไปจะลดลงตามความสูงเหนือผิวพื้นในอัตราประมาณ 6.5 °C ต่อความสูง 1 กิโลเมตรโดยเฉลี่ยจนถึงบรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์ที่ความสูงประมาณ 10 – 15 กิโลเมตรจากผิวโลก (โฟตอนเกือบทั้งหมดที่ถูกปล่อยออกสู่ห้วงอวกาศโดยบรรยากาศชั้นโทรโปสเฟียร์ซึ่งเป็นอาณาบริเวณที่อยู่ระหว่างผิวโลกกับสตราโตสเฟียร์ ดังนั้นเราจึงไม่นับบรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์) แบบจำลองที่ง่ายที่สุดแต่เป็นแบบที่มีประโยชน์ที่สุดได้แก่แบบจำลองที่มีสมมุติฐานว่าโปรไฟล์ของอุณหภูมิมีความคงที่และฟลักซ์ของพลังงานเป็นแบบไม่มีการแผ่กระจายและกำหนดค่าอุณหภูมิไว้ ณ ระดับฟลักซ์ของการแผ่กระจายรังสีที่หนีออกสู่ห้วงอวกาศ ด้วยแบบจำลองนี้เราสามารถคำนวณอุณหภูมิผิวพื้นโดยการเพิ่มของอุณหภูมิในอัตรา 6.5 °C ต่อการต่ำลงทุก 1 กิโลเมตร จนถึงผิวโลก ยิ่งบรรยากาศมีภาะวะทึบแสงมากขึ้นและระดับของการปลดปล่อยรังสีอินฟราเรดที่เพิ่มสู่ห้วงอวกาศมีมากขึ้นเท่าใด  ผิวพื้นของโลกก็จะร้อนขึ้นเท่านั้น 
คำว่า “ปรากฏการณ์เรือนกระจก” นี้เองที่เป็นตัวทำให้เกิดความสับสนว่าเรือนกระจกของจริงไม่ได้ร้อนขึ้นโดยกลไกนี้ (ดูหัวขัอ เรือนกระจกจริงข้างล่าง) การโต้เถียงที่แพร่หลายมักอ้างผิดๆ ว่ามันเป็นเช่นนั้น ความคลาดเคลื่อนนี้บางครั้งยังมีปรากฏในเอกสารทางวิทยาศาสตร์หรือเอกสารของรัฐฯ (เช่น เอกสารของ อี.พี.เอ.เป็นต้น)

การป้อนกลับเชิงบวก, การกู่ไม่กลับของปรากฏการณ์เรือนกระจกและจุดพลิกผัน

จุดกู่ไม่กลับ (Tipping point) ของภาวะโลกร้อนคือจุดของการเปลี่ยนที่กระทำโดยกิจกรรมของมนุษย์ที่เสริมให้กระบวนการที่เคยเป็นไปตามปกติของธรรมชาติถึง จุดที่ไม่สามารถดึงกลับได้ อีก นักวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศบางคนเชื่อว่าปรากฏการณ์ดังกล่าวนี้จะเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2560 หรืออีก 52 ปีข้างหน้า ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์คนอื่น เช่นเจมส์ แฮนเสน (James Hansen) นักวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศคนสำคัญของนาซาเชื่อว่าช่วงเวลากู่ไม่กลับดังกล่าวได้มาถึงแล้วในขณะนี้ 
เมื่อมีวงวนของปรากฏการณ์ เช่นความเข้มข้นของก๊าซเรือนกระจกชนิดหนึ่งเกิดขึ้นกลายเป็นตัวเพิ่มอุณหภูมิ การป้อนกลับย่อมเกิดขึ้นเป็นวงวนดังดล่าว ถ้าปรากฏการณ์อุณหภูมิเกิดขึ้นไปในทิศทางเดียวกันการป้อนกลับก็จะเป็นเชิงบวก และถ้าเป็นไปในทิศทางตรงกันข้ามก็จะเป็นการป้อนกลับเชิงลบ ในบางครั้งผลป้อนกลับอาจเกิดขึ้นได้ด้วยเหตุเดียวกันกับแรง แต่ก็อาจเกิดโดยผ่านก๊าซเรือนกระจกตัวอื่นหรือปรากฏการณ์อื่นก็ได้ เช่นการเปลี่ยนแปลงของน้ำแข็งที่ปกคลุมผิวโลกซึ่งมีผลต่ออัตราส่วนรังสีสะท้อนของโลก
ผลป้อนกลับเชิงบวกไม่จำเป็นต้องทำให้เกิดปรากฏการณ์หนีห่าง (runaway effect) เสมอไป ด้วยการแผ่รังสีจากผิวโลกที่เพิ่มอุณหภูมิขึ้นเป็นสัดส่วนยกกำลังสี่ ผลป้อนกลับย่อมจะต้องมีระดับความรุนแรงพอที่จะสร้างปรากฏการณ์หนีห่างออกไปได้ การเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซเรือนกระจกนี้จะทำให้เกิดไอน้ำเพิ่ม เป็นเหตุให้ร้อนเพิ่มขึ้นอีกนี้คือผลป้อนกลับเชิงบวก ปรากฏการณ์ดังกล่าวไม่อาจทำให้ปรากฏการณ์หนีห่างเกิดขึ้นได้ มิฉะนั้นปรากฏการณ์หนีห่างดังกล่าวคงเกิดขึ้นมานานแล้ว ปรากฏการณ์ผลป้อนกลับเชิงบวกมีการเกิดได้ทั่วไปและคงมีตัวตนอยู่เสมอ ในขณะปรากฏการณ์หนีห่างเกิดขึ้นได้ยากกว่าและเมื่อเกิดก็ไม่อาจคงอยู่ได้ตลอดเวลา
ถ้าปรากฏการณ์จากการวนซ้ำครั้งที่สองเกิดขึ้นและมีขนาดมากกว่าการวนซ้ำครั้งแรก เหตุการณ์นี้จะทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เป็นกัลปาวสาน และถ้าเกิดขึ้นและให้ผลป้อนกลับที่หยุด ณ ขณะเมื่อเกิดอุณหภูมิสูงมากเรียกว่า “ปรากฏการณ์เรือนกระจกแบบหนีห่าง” ผลป้อนกลับแบบหนีห่างอาจเกิดขึ้นได้ในทิศทางตรงกันข้ามที่นำไปสู่ยุคน้ำแข็งได้ ปรากฏการณ์หนีห่างจะหยุดลงถ้าความเป็นอนันต์ของอุณหภูมิไม่เกิดขึ้น มันจะหยุดเนื่องจากเหตุต่างๆ เช่นการลดปริมาณของก๊าซเรือนกระจกหรือการเปลี่ยนของก๊าซหรือการเปลี่ยนแปลงของน้ำแข็งที่คลุมผิวโลกที่ลดลงจนไม่เหลือ หรือเพิ่มพื้นที่ปกคลุมใหญ่ขึ้นจนใหญ่ต่อไปอีกไม่ได้
ตามสมมุติฐาน “ปืนคลาเทรต” (clathrate gun hypothesis) การหนีห่างของปรากฏการณ์เรือนกระจกอาจเกิดขึ้นได้โดยการปลดปล่อยก๊าซมีเทนจากสถานะของแข็งที่เป็นผลของภาวะโลกร้อนถ้าปริมาณของมีเทนแข็งมีมากพอและมีสภาพไม่เสถียร มีการคาดคะเนว่าเหตุการณ์สูญพันธุ์ครั้งใหญ่ในยุคเพอร์เมียน-ไทรแอสสิกเกิดจากปรากฏการณ์หนีห่างดังกล่าว และยังคิดกันว่าปริมาณมีเทนที่สูงขึ้นมากครั้งนั้นอาจเกิดจากที่ราบทรุนดาของไซบีเรียที่เริ่มละลาย ก๊าซมีเทนซึ่งมีความแรงในการเป็นก๊าซเรือนกระจกมากกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ถึง 21 เท่า
ปรากฏการณ์หนีห่างของเรือนกระจกมีความเกี่ยวข้องกับ CO₂ และไอน้ำดังที่เกิดบนดาวพระศุกร บนดาวพระศุกรในปัจจุบันมีไอน้ำในบรรยากาศน้อยมาก ถ้าไอน้ำมีส่วนทำให้ดาวศุกรร้อนขึ้นในครั้งหนึ่งมาก่อน เชื่อกันว่าไอน้ำได้หนีออกสู่ห้วงอวกาศ ดาวพระศุกรถูกแสงอาทิตย์ทำให้ร้อนได้มากพอที่จะทำให้ไอน้ำเกิดในปริมาณมากจนแตกตัวเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน โดยแสงอุลตราไวโอเลต และไฮโดรเจนได้หนีหายไปในอวกาศและออกซิเจนรวมตัวกันใหม่ คาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นก๊าซส่วนใหญ่ในบรรยากาศดาวพระศุกรในปัจจุบันเกิดจากการรวมตัวขนาดใหญ่ที่มีภาวะวัฏจักรของคาร์บอนไดออกไซด์ไม่เพียงพอเมื่อเทียบกับวัฏจักรดังกล่าวบนโลก ซึ่งคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมาเป็นจำนวนมากจากภูเขาไฟถูกเก็บไว้โดยแผ่นทวีปของโลกตามกาลเวลาทางธรณีวิทยาที่ผ่านมา

ปรากฏการณ์เรือนกระจกโดยกิจกรรมของมนุษย์

การผลิต CO₂ จากกิจกรรมทางอุตสาหกรรม (ที่เผาผลาญเชื้อเพลิงฟอสซิล) เพิ่มขึ้นรวมทั้งกิจกรรมของมนุษย์ในการผลิตซิเมนต์และการทำลายป่า  ได้ทำให้ CO₂ มีปริมาณความเข้มเพิ่มขึ้น การวัด คาร์บอนไดออกไซด์ที่หอดูดาวโมนาลัวแสดงให้เห็นว่า CO₂ ได้เพิ่มจาก 313 ppm (ส่วนต่อล้านส่วน) ใน พ.ศ. 2503 มาเป็น 375 ppm ใน พ.ศ. 2548 การสังเกตปริมาณของ CO₂ ในปัจจุบัน พบว่ามีปริมาณเกินจากตัวเลขที่ได้บันทึก CO₂ สูงสุด (~300 ppm) ที่ได้จากข้อมูลแกนน้ำแข็ง เนื่องจากมันเป็นก๊าซเรือนกระจก การเพิ่มระดับของ CO₂ ย่อมจะต้องเพิ่มอุณหภูมิเฉลี่ยของโลก โดยอาศัยการศึกษาจากเอกสารทางวิทยาศาสตร์จำนวนมากที่มีอยู่ องค์คณะระหว่างรัฐบาลว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ ได้สรุปว่า “การเพิ่มอุณหภูมิเฉลี่ยของโลกที่เห็นได้ชัดนับแต่ช่วงประมาณกลางคริสต์ศตวรรษที่ 20 (ประมาณ พ.ศ. 1950) ว่าเกิดจากการเพิ่มก๊าซเรือนกระจกโดยกิจกรรมของมนุษย์”
นานกว่าเมื่อ 800,000 ปีที่ผ่านมา ข้อมูลแกนน้ำแข็ง ได้แสดงให้เห็นโดยไม่คลุมเครือได้ว่าคาร์บอนไดออกไซด์ได้ผันแปรจากค่าที่ต่ำถึง 180 ppm มาที่ 270 ppm ในยุคก่อนอุตสาหกรรม นักภูมิอากาศดึกดำบรรพ์  ( paleoclimatologists) บางคนให้ความเห็นว่าการแปรผันของคาร์บอนไดออกไซด์เป็นปัจจัยหลักในการควบคุมการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศในช่วงเวลาที่ผ่านมา

เรือนกระจกจริง

คำว่า “ปรากฏการณ์เรือนกระจก” มีต้นตอมาจากเรือนกระจกที่ใช้ปลูกต้นไม้หรือทำสวนในเขตหนาว แต่ก็เป็นชื่อที่ผิดเพราะการทำงานของเรือนกระจกมีความแตกต่างกับปรากฏการณ์เรือนกระจก เรือนกระจกทำด้วยกระจก การร้อนขึ้นเกิดจากการอุ่นขึ้นของพื้นภายในเรือนซึ่งเป็นตัวทำให้อากาศในเรือนอุ่นขึ้น อากาศค่อยๆ ร้อนขึ้นเพราะมันถูกกักไว้ในเรือนกระจก ต่างกับสภาพนอกเรือนกระจกที่อากาศอุ่นใกล้ผิวพื้นลอยตัวขึ้นไปผสมกับอากาศเย็นตอนบน ซึ่งทดลองได้โดยการลองเปิดช่องเล็กๆ ตอนบนสุดของเรือนกระจก อุณหภูมิอากาศภายในจะเย็นลงทันที ซึ่งเคยมีการทดลองมาแล้ว (Wood, 1909) โดยการสร้างเรือนกระจกด้วยเกลือหิน (ซึ่งโปร่งแสงอินฟราเรด) และทำให้อุ่นได้เหมือนกับที่สร้างด้วยกระจก ดังนั้นการอุ่นขึ้นของอากาศจึงเกิดจากการป้องกันไม่ให้เกิด “การพาความร้อน” แต่ปรากฏการณ์เรือนกระจกของบรรยากาศกลับลด “การสูญเสียการแผ่รังสี” ไม่ใช่การพาความร้อน ดังนั้นจึงอาจพบแหล่งข้อมูลเกี่ยวกับการอุปมาเรือนกระจกที่ผิดๆ ได้มาก  ถึงแม้ว่ากลไกขั้นต้นของการร้อนขึ้นของเรือนกระจกคือการป้องกันไม่ให้เกิดการผสมกับอากาศอิสระของบรรยากาศภายนอกก็ตาม คุณสมบัติการกระจายรังสีของกระจกก็ยังมีความสำคัญเกษตรกรผู้ปลูกต้นไม้เชิงพาณิชญ์อยู่  ด้วยการพัฒนาสมัยใหม่ของพลาสติกและกระจกที่ใช้กับเรือนกระจกทำให้ผู้ใช้สามารถเลือกชนิดการปลดปล่อยรังสีดวงอาทิตย์ได้ตามชนิดของพืชที่ต้องการแสงในสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกัน