ปรากฏการณ์เรือนกระจก
แก๊สเรือนกระจก

บทความหลัก: แก๊สเรือนกระจก
กลศาสตร์ควอนตัม เป็นวิชาที่ให้พื้นฐานสำหรับใช้คำนวณปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลและการแผ่กระจายรังสี ปฏิสัมพันธ์เกือบทั้งหมดนี้เกิดขึ้นเมื่อความถี่ของการแผ่กระจายรังสีที่เทียบได้กับเส้นสเปกตรัม (spectral lines) ของโมเลกุลซึ่งกำหนดโดยโหมดของการสั่นสะเทือนและการหมุนควงของโมเลกุล (การกระตุ้นทางอีเลกทรอนิกส์โดยทั่วไปใช้ไม่ได้กับการแผ่กระจายรังสีอินฟราเรดเนื่องจากความต้องการพลังงานในปริมาณที่มากกว่าที่จะใช้กับโฟตอนอินฟราเรด)
ความกว้างของเส้นสเปกตรัมเป็นองค์ประกอบสำคัญที่จะช่วยให้เกิดความเข้าใจถึงความสำคัญของการดูดกลืนการแผ่รังสี ความกว้างของสเปกตรัมในบรรยากาศโดยทั่วไปกำหนดด้วย “การแผ่กว้างของแรงดัน” ซึ่งก็คือการบิดเบี้ยวของสเปกตรัมเนื่องจากการปะทะกับโมเลกุลอื่น การดูดกลืนรังสีอินฟราเรดเกือบทั้งหมดในบรรยากาศอาจนึกเปรียบเทียบได้ว่าป็นการชนกันระหว่างสองโมเลกุล การดูดกลืนที่เกิดจากโฟตอนทำปฏิกิริยากับโมเลกุลโดดมีขนาดเล็กมาก ๆ ปัญหาที่เกิดจากการณ์ลักษณะทั้งสามนี้คือ โฟตอน 1 ตัวและโมเลกุล 2 ตัวดังกล่าวสร้างความท้าทายโดยตรงที่ให้น่าสนใจมากขึ้นในเชิงของการคำนวณทางกลศาสตร์ควอนตัม การวัดสเปกตรัม (spectroscopic measurements) อย่างระมัดระวังในห้องทดลองให้ผลการคำนวณการถ่ายโอนการแผ่รังสีในการศึกษาบรรยากาศได้น่าเชื่อถือมากกว่าการใช้การคำนวณเชิงกลศาสตร์ควอนตัมแบบเก่า
โมเลกุล/อะตอมที่เป็นองค์ประกอบใหญ่ของบรรยากาศ ซึ่งได้แก่ออกซิเจน (O2) , ไนโตรเจน (N2) และ อาร์กอน (Ar) ไม่ทำปฏิกิริยากับรังสีอินฟราเรดมากนักขณะที่โมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจนสามารถสั่นตัวได้เนื่องจากความสมดุลในตัว การสั่นตัวจึงไม่เกิดการแยกตัวเชิงภาวะชั่วครู่ของประจุไฟฟ้า (transient charge separation) การขาดความเป็น “ขั้วคู่” ของภาวะชั่วครู่ดังกล่าวจึงไม่มีทั้งการดูดกลืนเข้าและการปล่อยรังสีอินฟราเรดออก ในบรรยากาศของโลกก๊าซที่ทำหน้าที่หลักในการดูดกลืนอินฟราเรดมากที่สุดคือไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์และโอโซน (O3) นอกจากนี้ โมเลกุลอย่างเดียวกันก็ยังเป็นกลุ่มโมเลกุลหลักในการปล่อยอินฟราเรด CO2 และ O3 มีลักษณะการสั่นของโมเลกุลแบบยวบยาบซึ่งเมื่ออยู่ในภาวะที่เป็นหน่วยเล็กสุด (quantum state) มันจะถูกกระตุ้นจากการชนของพลังงานที่เข้าปะทะกับบรรยากาศของโลก ตัวอย่างเช่น คาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นโมเลกุลเป็นแบบเกาะกันตามยาวแต่มีรูปแบบการสั่นที่สำคัญคือการแอ่นตัวของโมเลกุลที่คาร์บอนไดออกไซด์ที่อยู่ตรงกลางเอนไปข้างหนึ่งและออกซิเจนแอ่นไปอีกข้างหนึ่งทำให้เกิดประจุไฟฟ้าแยกตัวออกมาเป็น “ขั้วคู่” (dipole moment) ชั่วขณะหนึ่งซึ่งทำให้โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ดูดกลืนรังสีอินฟราเรดไว้ได้ การปะทะทำให้เกิดการถ่ายโอนพลังงานไปทำให้ก๊าซที่อยู่รอบ ๆ ร้อนขึ้น หรืออีกนัยหนึ่งก็คือโมเลกุลของ CO2 ถูกสั่นโดยการปะทะนั่นเอง ประมาณร้อยละ 5 ของโมเลกุล CO2 ถูกสั่นโดยที่อุณหภูมิของห้องและปริมาณร้อยละ 5 นี้เองที่เปล่งรังสีออกมา การเกิดที่สำคัญของปรากฏการณ์เรือนกระจกจึงเนื่องมาจากการปรากฏอยู่ของคาร์บอนไดออกไซด์ที่สั่นไหวง่ายเมื่อถูกกระตุ้นโดยอินฟราเรด CO2
ยังมีรูปแบบอื่นอีก 2 รูปแบบ ได้แก่การแอ่นตัวที่สมดุลไม่เปล่งรังสีกับการแอ่นตัวที่ไม่สมดุลที่ทำให้เกิดความถี่ในการสั่นสูงเกินที่จะถูกกระตุ้นได้ด้วยการปะทะจากความร้อนของบรรยากาศได้แม้มันจะยังทำหน้าที่ดูดกลืนอินฟราเรดได้บ้างก็ตาม รูปแบบการสั่นตัวของโมเลกุลของน้ำอยู่อัตราที่สูงเกินที่จะแผ่รังสีออกมาได้อย่างมีผล แต่มันยังสามารถดูดกลืนรังสอินฟราเรดที่มีความถี่สูงได้ ไอน้ำมีรูปโมเลกุลแอ่น มีขั้วคู่ที่ถาวร (ปลายของอะตอมออกซิเจนมีอีเลกตรอนมากและอะตอมของไฮโดรเจนมีน้อย) ซึ่งหมายความว่าแสงอินฟราเรดสามารถเปล่งออกและดูดกลืนได้ในระหว่างช่วงต่อของการหมุนตัวและการหมุนตัวก็เกิดได้จากการชนระหว่างการถ่ายโอนพลังงาน เมฆก็นับเป็นตัวดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่สำคัญ ดังนั้น น้ำจึงมีปรากฏการณ์เชิงอเนกต่อการแผ่รังสีอินฟราเรดผ่านช่วงการเป็นไอและช่วงการกลั่นตัว ตัวดูดกลืนที่สำคัญอื่น ๆ รวมถึงก๊าซมีเทน ไนตรัสออกไซด์และคลอโรฟลูโอโรคาร์บอน
การโต้เถียงเกี่ยวกับความสำคัญในความสัมพันธ์ของตัวดูดกลืนรังสีอินฟราเรดชนิดต่าง ๆ ยังมีความสับสนที่เนื่องมาจากการทับซ้อนกันระหว่างเส้นสเปกตรัมที่เกิดจากก๊าซต่างชนิดที่ถ่างออกเนื่องจากแรงกดดันที่กว้างขึ้น ซึ่งมีผลทำให้การดูดกลืนของก๊าซชนิดหนึ่งไม่อาจเป็นอิสระจากแก๊สอื่นที่มีร่วมอยู่ในขณะนั้นได้ ช่องทางที่อาจทำได้วิธีหนึ่งคือการแยกเอาก๊าซดูดกลืนที่ต้องการวัดออก ปล่อยก๊าซดูดกลืนอื่น ๆ ไว้และคงอุณหภูมิไว้ตามเดิมแล้วจึงวัดรังสีอินฟราเรดที่หนีออกสู่ห้วงอวกาศ ค่าที่ลดลงของการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่วัดได้จึงกลายเป็นตัวสำคัญขององค์ประกอบ และเพื่อให้แม่นยำขึ้น การบ่งชี้ปรากฏการณ์เรือนกระจกให้ชัดเจนว่ามีความแตกต่างกันระหว่างการแผ่รังสอินฟราเรดจากผิวโลกสู่ห้วงอวกาศที่ปราศจากบรรยากาศ กับการแผ่รังสีอินฟราเรดที่หนีออกสู่ห้วงอวกาศตามที่เกิดขึ้นจริง จากนั้นจึงคำนวณอัตราร้อยละของการลดลงของปรากฏการณ์เรือนกระจกเมื่อส่วนประกอบ (constituent) ถูกแยกออกไป ตารางข้างล่างนี้คือผลการคำนวณโดยใช้วิธีนี้ ซึ่งได้ใช้แบบจำลองมิติเดี่ยวของบรรยากาศ การใช้แบบจำลอง 3 มิติที่นำมาใช้คำนวณเมื่อเร็ว ๆ นี้ได้ผลออกมาใกล้เคียงกัน
| ก๊าซที่ถูกดึงออก | การลดปรากฏการณ์เรือนกระจก |
| --- | --- |
H2O: 36%
CO2: 9%
O3: 3%
(ที่มา: GISS-GCM ModelE simulation)
ด้วยการคำนวณวิธีนี้ ทำให้เราคิดได้ว่าไอน้ำเป็นตัวที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจกประมาณร้อยละ 30 คาร์บอนไดออกไซด์ร้อยละ 9 แต่ผลจากการดึงตัวประกอบทั้งสองเมื่อนำมารวมกันจะได้มากกว่าผลรวมที่ได้จากการลดผลกระทบของตัวประกอบทั้ง 2 ตัวซึ่งในกรณีนี้มากกว่าร้อยละ 45 ข้อกำหนดที่เป็นเงื่อนไขคือตัวเลขเหล่านี้คำนวณได้โดยมีข้อแม้ว่าการกระจายของเมฆต้องตายตัว แต่การแยกเอาไอน้ำออกจากบรรยากาศทั้ง ๆ ที่มีเมฆมากดูจะไม่สมเหตุผลทางกายภาพเท่าใดนัก นอกจากนี้ปรากฏการณ์ของก๊าซที่กำหนดให้มักเป็นประเภทที่ในแง่ของปริมาณไม่เป็นไปตามยาว ทั้งนี้เนื่องจากการดูดกลืนโดยก๊าซ ณ ระดับหนึ่งในบรรยากาศทำให้โฟตอนแยกออกไปโดยไม่มีผลกระทบใด ๆ กับก๊าซที่อยูในระดับความสูงอื่น ประเภทของการประมาณการที่ปรากฏในตารางข้างต้นมักประสบปัญหาที่เป็นที่ถกเถียงกันได้มากเกี่ยวกับปรากฏการณ์โลกร้อน  การประมาณการที่แตกต่างไปที่พบในแหล่งข้อมูลอื่น ๆ มักได้มาจากการนิยามที่แตกต่างกันไม่ไม่ได้สะท้อนให้เห็นถึงความไม่แน่นอนในการถ่ายโอนพลังงานที่กล่าวถึง