วิวัฒนาการบรรยากาศของโลก

ย้อนไป เมื่อ 4,600 ล้านปีที่แล้ว กลุ่มแก๊สและฝุ่นซึ่งมีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นแก๊สไฮโดรเจนและแก๊สฮีเลียม ได้รวมตัวกันเกิดเป็นดวงอาทิตย์  เศษที่เหลือได้รวมตัวกันเป็น ดาวเคราะห์ซึ่งรวมถึงโลกและวัตถุท้องฟ้าอื่นๆ แก๊สไฮโดรเจนและแก๊สฮีเลียมที่เหลือซึ่งไม่ได้ทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นและสาร ระเหยง่ายเช่น แอมโมเนีย มีเทน และน้ำ ได้ถูกดาวเคราะห์ดวงใหญ่ดึงเอาไว้ ดาวเคราะห์ขนาดเล็ก เช่นโลก ดึงแก๊สไฮโดรเจน และฮีเลียมไว้ได้เพียงเล็กน้อย  ด้วยเหตุนี้บรรยากาศของโลกเราในช่วงนั้นจึงประกอบไปด้วย แก๊สไฮโดรเจน และแก๊สฮีเลียมปริมาณเบาบางเป็นองค์ประกอบหลัก และมีแก๊สอื่นๆที่เป็นสารประกอบของไฮโดรเจน เช่น มีเทน และแอมโมเนีย อย่างไรก็ตามเป็นที่ทราบกันดีว่า ในปัจจุบันบรรยากาศของโลกเรานั้น มีองค์ประกอบหลักเป็นแก๊สไนโตรเจนถึง 78% และออกซิเจนถึง 21% โดยประมาณ ส่วนแก๊สไฮโดรเจนและฮีเลียมนั้นพบน้อยมาก เพราะเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น ในช่วงเวลา 4,600 ล้านปีที่ผ่านมาเกิดเหตุการณ์อะไรขึ้น บรรยากาศของโลกมีวิวัฒนาการอย่างไร จึงทำให้สัดส่วนของแก๊สในบรรยากาศของโลกมีการเปลี่ยนแปลงเป็นดังเช่นในปัจจุบัน การเปลี่ยนแปลงสัดส่วนของแก๊สในบรรยากาศจากอดีตเมื่อเริ่มเกิดโลก วิวัฒนาการยาวนานมาจนถึงปัจจุบัน เกิดเนื่องมาจากกระบวนการต่างๆ ที่เกิดขึ้นบนโลก และส่งผลต่อสภาพแวดล้อมของโลกในอดีต ต่อเนื่องมาจนปัจจุบันหากโลกของเราปกคลุมไปด้วยแก๊สไฮโดรเจนและฮีเลียม สิ่งมีชีวิตต่างๆย่อมไม่สามารถเกิดขึ้นมาได้ เพราะสิ่งมีชีวิตจำเป็นต้องใช้แก๊สออกซิเจนในการดำรงชีวิต รวมไปถึงสภาพแวดล้อมต่างๆบนโลกย่อมไม่เอื้อต่อการดำรงชีวิตอย่างเช่น ดาวเคราะห์อื่นๆ ในระบบสุริยะของเรา

หากย้อนไปในช่วงที่โลกเริ่มเกิด ขึ้นมาใหม่ๆ บรรยากาศของโลก ประกอบไปด้วยแก๊สไฮโดรเจน ฮีเลียม และมีเทน แอมโมเนีย ซึ่งถือเป็นองค์ประกอบของบรรยากาศโลกในช่วงแรก  เวลานั้นภายในโลกยังไม่มีการแบ่งเป็นชั้นๆเหมือนในเวลานี้ นั่นหมายความว่าไม่มีเปลือกโลกชั้นใน ชั้นนอก และแก่นโลก รวมถึงยังไม่มีสนามแม่เหล็กโลกที่ช่วงป้องกันรังสีต่างๆ จากดวงอาทิตย์ แก๊สไฮโดรเจน และฮีเลียม สามารถหลุดลอยออกไปจากโลกได้โดยง่าย เนื่องจากโลกไม่มีแรงดึงดูดมากพอที่จะดึงดูดแก็สที่มีมวลโมเลกุลต่ำเหล่านี้ ไว้ได้ และรังสีจากดวงอาทิตย์เป็นตัวการส่งพลังงานมากมายมายังโลก ทำให้แก๊สอื่นๆ ที่เหลือหลุดลอยไปในอวกาศ และหากสภาพของโลกในยุคดังกล่าวทำให้แก๊สต่างๆ หลุดลอยไปแล้วแก๊สที่มีอยู่ในบรรยากาศปัจจุบันมาจากที่ไหนกัน  เมื่อสิ่งมีชีวิตมีวิวัฒนาการ บรรยากาศของโลกก็เช่นเดียวกัน ย่อมมีวิวัฒนาการและผ่านการเปลี่ยนแปลงมาหลายขั้นตอนก่อนที่จะมีองค์ประกอบ เช่นยุคปัจจุบัน  โดยการ
เปลี่ยนแปลงดังกล่าวย่อมมีความสัมพันธ์และควบคู่มากับกระบวนการ เปลี่ยนแปลงต่างๆภายในโลก

เมื่อ4,400 ล้านปีเกิดภูเขาไฟอยู่ทั่วไปบนเปลือกโลก เมื่อภูเขาไฟเหล่านั้นมีการพ่นลาวาออกมา จะมีไอน้ำ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ แก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ แก๊สแอมโมเนีย แก๊สมีเทน และแก๊สไนโตรเจน ออกมาด้วย ซึ่งถือเป็น องค์ประกอบของบรรยากาศโลกใน  ช่วงที่สองจากการคำนวณบรรยากาศของโลกในช่วงนี้ พบว่ามีปริมาณมากกว่าในปัจจุบันถึง 100 เท่าเลยทีเดียว และการที่บรรยากาศในช่วงนี้มีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และมีเทนมาก จึงเป็นสาเหตุให้โลกเกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก ซึ่งส่งผลให้อุณหภูมิของโลกไม่เย็นจนเกินไป

ต่อมาไอน้ำในบรรยากาศเกิดการควบแน่นกลายเป็นของเหลว ซึ่งช่วงนี้เองที่ทำให้เกิดการพัฒนากลายเป็นมหาสมุทร แก๊สต่างๆ ที่อยู่ในบรรยากาศที่ทำปฏิกิริยากับน้ำได้ง่ายจะถูกละลายมา สะสมอยู่ในมหาสมุทรในรูปแบบต่างๆ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ถูกสะสมในมหาสมุทรในรูปสารคาร์บอเนตเป็นหินปูนเป็นต้น  นอกจากนั้นพลังงานแสงจะทำให้โมเลกุลของแอมโมเนียปลดปล่อยแก๊สไฮโดรเจนและ แก๊สไนโตรเจนออกมาสู่บรรยากาศ  เนื่องจากแก๊สไฮโดรเจนมีมวลน้อยประกอบกับได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์จึงทำ ให้แก๊สไฮโดรเจนหลุดลอยจากแรงดึงดูดของโลก ส่วนแก๊สไนโตรเจนซึ่งเป็นแก๊สที่มีมวลโมเลกุลสูงกว่าและไม่ว่องไวในการทำปฏิกิริยากับสารอื่นจึงสะสมตัวอยู่ในบรรยากาศ และสะสมตัวมากขึ้นเรื่อยๆ จนเป็นองค์ประกอบหลักของบรรยากาศโลกดังเช่นในปัจจุบัน อย่างไรก็ตามการระเบิดของภูเขาไฟไม่มีการปลดปล่อยแก๊สออกซิเจนสู่บรรยากาศแล้ว ถ้าอย่างนั้นแก๊สออกซิเจนที่เป็นองค์ประกอบหลักอันดับที่สองของบรรยากาศในปัจจุบัน มาจากไหนกันนะ 

เมื่อช่วง ปี 1980 นักดาราศาสตร์ได้ศึกษาดาวฤกษ์ที่เกิดใหม่ พบว่าดาวที่เกิดใหม่เหล่านั้นได้ปลดปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลตออกมามากกว่าที่ ดวงอาทิตย์ปลดปล่อยมากมายหลายเท่านัก ซึ่งเมื่อย้อนไปในครั้งที่ดวงอาทิตย์เกิดใหม่นั้น ถ้าดวงอาทิตย์มีการปลดปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลตในระดับสูงเช่นดาวเกิดใหม่ เหล่านั้นจะสามารถทำให้โมเลกุลของ น้ำแตกตัวเป็นออกซิเจน และแก๊สไอโดรเจนได้ ซึ่งแก๊สไอโดรเจนที่มีมวลโมเลกุลเบากว่าจะกระจายตัวออกไปในอวกาศหลงเหลือไว้ แต่เพียงแก็สออกซิเจน  โดยออกซิเจนที่เกิดขึ้นนี้รวมตัวกันเกิดเป็น แก๊สออกซิเจน และ โอโซนขึ้น โดยจะทำให้เกิดโมเลกุลของออกซิเจน ประมาณ 1-2 % ของระดับปัจจุบัน และโอโซนที่เกิดขึ้นจะเป็นปริมาณที่มากพอที่จะป้องกันรังสี อัลตราไวโอเล็ต ไม่ให้ผ่านเข้ามาสู่ผิวโลก  และด้วยปัจจัยต่างๆเหล่านี้ทำให้โลกอยู่ในสภาวะที่เหมาะสมทำให้เกิดสิ่งมีชีวิตยุคเริ่มแรกขึ้น จากซากดึกดำบรรพ์ที่ปรากฏบนหินทำให้เราทราบว่า สิ่งมีชีวิตยุคเริ่มแรกซึ่งได้แก่ ไซยาโนแบคทีเรียนั้นเกิดขึ้นมาเมื่อประมาณ 3,300 ล้านปีก่อน ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตแรกๆที่สามารถสร้างออกซิเจนได้จากกระบวนการสังเคราะห์ ด้วยแสง  และเป็นสิ่งมีชีวิตพวกหลักที่ทำให้บรรยากาศของโลกมีปริมาณออกซิเจนเพิ่มขึ้น ในช่วง 2,700-2,200 ล้านปีก่อน และด้วยกระบวนการต่างๆ เหล่านี้จึงทำให้บรรยากาศของโลกเข้าสู่ยุคของแก๊สไนโตรเจน และแก๊สออกซิเจน ซึ่งถือเป็นองค์ประกอบของบรรยากาศโลกในช่วงที่สามดังเช่นในปัจจุบันจากการ จากการ ศึกษาที่ผ่านมาพบว่ากระบวนการต่างๆ ทั้งจากบนโลกในโลกและนอกโลก ล้วนส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบบรรยากาศของโลก นอกจากนั้นบรรยากาศของโลกยังส่งผลต่อการเกิดกระบวนการต่างๆ บนโลกด้วยเช่นกัน กล่าวได้ว่าสิ่งต่างๆ ล้วนมีความสัมพันธ์กันทั้งชีวภาค บรรยากาศ ธรณีภาค และอุทกภาค ไม่ว่าทางตรงหรือทางอ้อม รวมทั้งกิจกรรมต่างๆ ที่มนุษย์ได้ก่อขึ้นนอกจากจะส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงของ โลกแล้ว การเปลี่ยนแปลงนั้นยังสามารถย้อนส่งผลมาถึงมนุษย์ด้วยเช่นกัน  ซึ่งจากการศึกษาสามารถสรุปได้เป็น 2 แนวทางคือ กรณีที่ 1 บรรยากาศในระยะแรกของโลก ประกอบด้วยก๊าซไนโตรเจน ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และละอองไอน้ำ ซึ่งจากหลักการทางวิทยาศาสตร์ เมื่อโมเลกุลของน้ำสลายตัวในบรรยากาศอันเนื่องมาจากการกระทำของรังสีอัลตราไวโอเลต จะเกิดอนุภาคของ ก๊าซไฮโดรเจน และอนุภาคของออกซิเจน เนื่องจากไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่เบากว่าออกซิเจน จึงสามารถลอยสูงขึ้นและหลุดหายไปจากบรรยากาศได้ ต่างจากก๊าซออกซิเจนซึ่งมีมวลมากกว่าจึงยังคงตัวอยู่ในบรรยากาศต่อไป อย่างไรก็ตามการเกิดออกซิเจนจากกระบวนการดังกล่าวนี้จะมีปริมาณน้อยมาก กรณีที่2 ก๊าซออกซิเจนบนผิวโลกเกิดจากกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช โดยมีสมมุติฐานว่า สิ่งมีชีวิตระยะแรกของโลกเป็นจำพวกแบคทีเรีย พืช และสัตว์เซลล์เดียว ซึ่งสามารถดำรงชีพอยู่ได้โดยไม่ต้องอาศัยออกซิเจน ปัจจุบันยังคงพบพืชชั้นต่ำสีเขียวอยู่ สิ่งมีชีวิตดังกล่าวมีพัฒนาการในการสังเคราะห์แสงโดยอาศัยแสงจากดวงอาทิตย์ทำให้มีวิวัฒนาการเป็นพืชชั้นสูงในเวลาต่อมา  การแบ่งชั้นบรรยากาศของโลก การแบ่งชั้นบรรยากาศของโลกพิจารณาโดยการใช้อุณหภูมิเป็นเกณฑ์ในการจำแนก ศึกษาโดยการส่งบอลลูน การตรวจสอบโดยการใช้คลื่นวิทยุ หรือการศึกษาจากดาวเทียม บรรยากาศที่ห่อหุ้มโลกส่วนใหญ่ประมาณร้อยละ 97 อยู่สูงจากผิวโลกขึ้นไปประมาณไม่เกิน 29 กิโลเมตร และอีกประมาณร้อยละ 3 เป็นลักษณะของบรรยากาศที่มีการฟุ้งกระจาย ณ ความสูงที่มากขึ้นบรรยากาศจะเบาบางลงมาก ดังนั้นการกำหนดขอบเขตของบรรยากาศโลกจึงเป็นเรื่องที่ค่อนข้างยาก อย่างไรก็ตามเมื่อพิจารณาจากเกณฑ์ดังกล่าวข้างต้น เราแบ่งชั้นบรรยากาศออกได้เป็น ดังนี้ บรรยากาศชั้นโฮโมสเฟียร์ (Homosphere) เป็นชั้นบรรยากาศที่อยู่สูงจากพื้นโลกขึ้นไปไม่เกิน 90 กิโลเมตร เมื่อพิจารณาจากความ แตกต่างด้านอุณหภูมิสามารถแบ่งย่อยเป็น 3 ชั้นย่อย ได้แก่  1.บรรยากาศชั้นโทรโพสเฟียร์ (Troposphere) เป็นชั้นที่อยู่ติดกับพื้นโลก มีความหนาไม่เท่ากัน บรรยากาศชั้นนี้อยู่ใกล้ ชิดกับมนุษย์มากที่สุด มีระดับความสูงไม่เกิน 14 กิโลเมตร จากผิวดิน ความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงเป็นไปในลักษณะ "ยิ่งสูงยิ่งหนาว" โดยที่อุณหภูมิจะลดลงทุก 0.6 องศาเซลเซียส ต่อความสูงที่เพิ่มขึ้นทุก 100 เมตร บรรยากาศชั้นนี้เป็นชั้นที่มีการเปลี่ยนแปลงของลมฟ้าอากาศ และปรากฏการณ์ทางลมฟ้าอากาศ เช่น ฝน เมฆ ลม พายุ เป็นต้น บรรยากาศชั้นนี้มีแนวสูงสุดของชั้นบรรยากาศเรียกว่า โทรโพพอส (Tropopause)    2.บรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์ (Stratosphere) เป็นชั้นบรรยากาศที่อยู่เหนือชั้นโทรโพพอสขึ้นไป เป็นชั้นบรรยากาศที่มี ความสูงตั้งแต่ 14 - 50 กิโลเมตร โดยถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนคือ ส่วนที่อยู่ชิดกับบรรยากาศชั้นโทรโพสเฟียร์ เป็นส่วนล่าง มีโอโซนอยู่อย่างหนาแน่น ซึ่งเป็นรอยต่อของชั้น โทรโพพอส แนวโอโซนดังกล่าวทำหน้าที่ในการป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ และส่วนที่สองอยู่ถัดจากแนวโอโซนขึ้นไปจนถึง 50 กิโลเมตร ช่วงนี้อากาศจะเบาบางมาก มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิคือ"ยิ่งสูงอากาศยิ่งร้อน " บรรยากาศชั้นนี้มีแนวสูงสุดเรียกว่า สตราโตพอส (Stratopause) เป็นชั้นที่มีอุณหภูมิคงที่ 3.บรรยากาศชั้นมีโซเฟียร์ (Mesosphere) เป็นชั้นบรรยากาศที่มีระดับความสูงจากพื้นดิน 50 – 90 กิโลเมตร มี อากาศเบาบางมาก การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิคือ " ยิ่งสูงอุณหภูมิยิ่งลดต่ำลง " ชั้นบรรยากาศนี้สามารถสะท้อนคลื่นวิทยุได้ดี และขณะเดียวกันด้วยคุณสมบัติทางด้านอุณหภูมิจึงเป็นเสมือนเกราะป้องกันหรือลดความรุนแรงของอุกาบาตที่จะตกมากระทบพื้นโลก โดยจะช่วยทำลายอุกาบาตให้ลุกไหม้ก่อนที่จะตกลงมาสู่พื้นโลก บรรยากาศชั้นนี้มีแนวสูงสุดเรียกว่า มีโซพอส (Mesopause)

         บรรยากาศชั้นเฮเทอโรสเฟียร์ (Heterosphere) เป็นชั้นบรรยากาศที่อยู่สูงระหว่าง 90 กิโลเมตร ถึง 10,000 กิโลเมตร เป็นเขตบรรยากาศ สุดท้ายที่มีอากาศเบาบาง ว่างเปล่า จนเข้าสู่ลักษณะสุญญากาศ แบ่งออกเป็น 2 ชั้นย่อย คือ 

1.บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ (Ionosphere) อยู่สูงจากระดับพื้นดินไม่เกิน 90 - 350 กิโลเมตร มีแนวสูงสุด เรียกว่า ไอโอโนพอส (Ionospuase) เนื่องจากสภาพของบรรยากาศเบาบางมาก อนุภาคโปรตอนและอิเลคตรอนจึงหลุดออกสู่อวกาศได้อย่างง่ายดาย นอกจากนั้นบรรยากาศชั้นนี้เป็นสื่อไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี เนื่องจากความไม่สมดุลของประจุไฟฟ้าต่างๆ ที่เป็นองค์ประกอบ และอะตอมของก๊าซต่างๆ มีประจุไฟฟ้าลบน้อยเกินไป ลักษณะอุณหภูมิในชั้นบรรยากาศนี้เป็นแบบ " ยิ่งสูงยิ่งร้อน " บรรยากาศชั้นนี้แยกย่อยได้ดังนี้ บรรยากาศชั้น D (D Layer) เกิดจากรังสีอัลตราไวโอเลต (Ultra Violet) ของดวงอาทิตย์ ทำให้ก๊าซไนตริกออกไซด์กลายเป็นประจุไฟฟ้า มีระดับความสูง 97 กิโลเมตร จากพื้นดิน ช่วยในการสะท้อนระบบคลื่นวิทยุคลื่นยาวกลับมายังพื้นโลก ตอนล่างของบรรยากาศชั้นนี้จะอยู่ในชั้นบรรยากาศ มีโซเฟียร์ บรรยากาศชั้น E (E Layer) เกิดจากการกระทำของรังสีเอกซ์ (X - Ray) จากดวงอาทิตย์ ทำให้ก๊าซไนโตรเจนในบรรยากาศกลายเป็นประจุไฟฟ้า มีระดับความสูงจากพื้นดินระหว่าง 110 - 150 กิโลเมตร ช่วยสะท้อนระบบคลื่นวิทยุคลื่นปานกลางกลับมายังพื้นโลก บรรยากาศชั้น F (F Layer) เป็นชั้นบรรยากาศที่เกิดจากรังสีอัลตราไวโอเลต (Ultra Violet) ของดวงอาทิตย์ ทำให้ก๊าซไนโตรเจนในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ กลายเป็นประจุไฟฟ้า มีระดับความสูงจากพื้นดินระหว่าง 150 - 300 กิโลเมตร ช่วยสะท้อนระบบคลื่นวิทยุคลื่นสั้นกลับมายังพื้นโลก

 2.บรรยากาศชั้นเอกโซเฟียร์ (Exosphere) คำว่า " เอกโซ " มาจากภาษากรีก แปลว่า " ชั้นนอก " เป็นบรรยากาศ ที่ห่อหุ้มโลกภายนอกสุด และจะกลืนเข้ากับห้วงอวกาศในที่สุด ไม่สามารถกำหนดได้ว่ามีขอบเขตเท่าใด ชั้นบรรยากาศมีอุณหภูมิสูงเนื่องจากความร้อนจากแสงอาทิตย์ ส่วนใหญ่คือก๊าซฮีเลียมและไฮโดรเจนที่ซ้อนกันอยู่

         ชั้นบรรยากาศแมกนิโตสเฟียร์ (Magnetosphere) เป็นปรากฏการณ์ของสนามแม่เหล็กโลก เราเรียกว่าสนามแม่เหล็กภายนอก โดยอยู่สูงจาก ระดับพื้นดินไปประมาณ 13,000 กิโลเมตร ซึ่งนับว่าอยู่สูงจากชั้นบรรยากาศ เราจึงเรียกสนามแม่เหล็กภายนอกนี้ว่า แมกนิโตสเฟียร์ มีแนวสูงสุดเรียกว่า แมกนิโตพอส (Magnetopause) ลักษณะของสนามแม่เหล็กคล้ายกับวงแหวนล้อมรอบโลกเอาไว้ รูปร่างของแมกนิโตสเฟียร์จะเปลี่ยนไปตามอำนาจของพายุแม่เหล็กที่เราเรียกว่า ลมสุริยะ (Solar wind) และประจุไฟฟ้าโปรตอน อิเล็กตรอน จากดวงอาทิตย์