การเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศโลก

บรรยากาศของโลกเป็นสิ่งที่เคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา (Dynamic) ภูมิอากาศของโลกจึงมีการเปลี่ยนแปลงเป็นช่วงเวลาสั้นบ้างยาวบ้าง ขึ้นอยู่กับปัจจัยสาเหตุนานาประการ ตัวอย่างเช่น การระเบิดของภูเขาไฟทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเพียงช่วงเดือนหรือปี การพุ่งชนของอุกาบาตทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงหลายสิบปี การเพิ่มขึ้นของมลภาวะทางอากาศก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนับศตวรรษ การเปลี่ยนแปลงของกระแสน้ำในมหาสมุทรและขนาดของแผ่นน้ำแข็ง ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงของวงโคจรโลก ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นคาบนับล้านปี การเคลื่อนที่ของทวีปและการเปลี่ยนพลังงานจากดวงอาทิตย์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนับพันล้านปี

ปัจจัยที่ทำให้ภูมิอากาศเปลี่ยนแปลง
ปัจจัยที่ทำให้ภูมิอากาศโลกเปลี่ยนแปลง มีทั้งปัจจัยภายนอกและปัจจัยภายใน ปัจจัยภายนอกได้แก่ พลังงานจากดวงอาทิตย์ และวงโคจรของโลก ปัจจัยภายในได้แก่ การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของก๊าซในบรรยากาศ การเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวโลก ซึ่งพอสรุปรวมได้ดังนี้
 พลังงานจากดวงอาทิตย์
 วงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์
 องค์ประกอบของบรรยากาศ
 อัลบีโด หรือความสามารถในการสะท้อนแสงของบรรยากาศ และพื้นผิวโลก
 น้ำในมหาสมุทร
 แผ่นน้ำแข็งขั้วโลก
 การเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลก
ทุกปัจจัยที่กล่าวมามีผลกระทบต่อบรรยากาศโลกโดยตรง และมีผลกระทบต่อกันและกัน ซึ่งยังผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในภาพรวม

ความแปรปรวนของแสงดวงอาทิตย์
พลังงานจากดวงอาทิตย์ ดวงอาทิตย์มีขนาดไม่คงที่ ในยุคเริ่มแรกของระบบสุริยะดวงอาทิตย์มีขนาดเล็กและมีแสงสว่างน้อยกว่าปัจจุบัน ดวงอาทิตย์ขยายตัวใหญ่ขึ้นเนื่องจากการเผาไหม้ก๊าซไฮโดรเจนที่อยู่ภายใน เมื่อพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น ความสว่างก็ยิ่งมากขึ้นด้วย อีกประมาณ 5 พันล้านปี ดวงอาทิตย์จะมีขนาดใหญ่เท่าวงโคจรของดาวอังคาร
นอกจากนี้ปริมาณและพื้นที่ของจุดบนดวงอาทิตย์ (Sunspots) ในแต่ละวันยังไม่เท่ากัน ดวงอาทิตย์จะมีจุดมากเป็นวงรอบทุกๆ 11 ปี สิ่งนี้มีผลกระทบต่อพลังงานที่โลกได้รับด้วย

วัฏจักรมิลานโควิทช์
ในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ชาวเซอร์ เบียชื่อ มิลูติน มิลานโควิทช์ (Milutin Milankovitch) ได้อธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศโลกเป็นคาบเวลาระยะยาว เกิดขึ้นจากปัจจัย 3 ประการคือ
1. วงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ เปลี่ยนแปลงขนาดความรี (รีมาก – รีน้อย) เป็นวงรอบ 96,000 ปี เมื่อโลกเข้าใกล้ดวงอาทิตย์อุณหภูมิก็จะสูงขึ้น เมื่อโลกอยู่ไกลอุณหภูมิก็จะต่ำลง
2. แกนหมุนของโลกส่าย (เป็นวงคล้ายลูกข่าง) รอบละ 21,000 ปี ทำให้แต่ละพื้นที่ของโลกได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ไม่เท่ากัน ในช่วงเวลาเดียวกันของแต่ละปี
3. แกนของโลกเอียงทำมุมระหว่าง 21.5 – 24.5 องศา กับระนาบของวงโคจรโลกรอบดวงอาทิตย์ กลับไปมาในคาบเวลา 41,000 ปี แกนของโลกเอียงเป็นสาเหตุทำให้เกิดฤดูกาล ปัจจุบันแกนของโลกเอียง 23.5 องศา หากแกนของโลกเอียงมากขึ้น ก็จะทำให้ขั้วโลกได้รับแสงอาทิตย์มากขึ้นในฤดูร้อนและน้อยลงในฤดูหนาว ซึ่งมีผลทำให้ฤดูร้อนและฤดูหนาวมีอุณหภูมิแตกต่างกันมากขึ้น
กราฟในภาพที่ 3 แสดงให้เห็นอิทธิพลของปัจจัยทั้งสามทำให้ภูมิอากาศโลกมีอุณหภูมิสูงและต่ำสลับกันไปเป็น วัฏจักร โดยที่แต่ละคาบนั้นมีระยะเวลาและความรุนแรงไม่เท่ากัน

องค์ประกอบของบรรยากาศ 
สัดส่วนของก๊าซในบรรยากาศ ไม่ใช่สิ่งคงตัว แต่ก่อนโลกของเราเต็มไปด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซออกซิเจนเพิ่งจะเกิดขึ้นจากการสังเคราะห์อาหารด้วยแสงของคลอโรฟิลล์ในสิ่งมีชีวิตเมื่อประมาณ 2 พันปีที่แล้วมานี้ (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมในบทสิ่งมีชีวิต) ก๊าซบางชนิดมีผลกระทบต่ออุณหภูมิของบรรยากาศโดยตรง เช่น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซมีเทน เนื่องจากเป็นก๊าซเรือนกระจก ก๊าซบางชนิดไม่มีผลกระทบต่ออุณหภูมิของบรรยากาศโดยตรง แต่จะมีผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและองค์ประ กอบทางเคมีของบรรยากาศ เช่น ก๊าซออกซิเจน ก๊าซโอโซน

น้ำในมหาสมุทร
น้ำในมหาสมุทรมีหน้าที่ควบคุมภูมิอากาศโดยตรง ความชื้นในอากาศมาจากน้ำในมหาสมุทร ความเค็มของน้ำทะเลมีผลต่อความจุความร้อนของน้ำ การไหลเวียนของน้ำในมหาสมุทรจึงมีผลกระทบต่อภูมิอากาศบนพื้นทวีปโดยตรง ระบบการไหลเวียนของน้ำใต้มหาสมุทรที่เรียกว่า แถบสายพานยักษ์ (Great conveyor belt) สร้างผลกระทบต่อภูมิอากาศโลก เป็นวงรอบ 500 2,000 ปี

อัลบีโด
อุณหภูมิของพื้นผิวและบรรยากาศของโลกจะสูงหรือต่ำ ขึ้นอยู่กับความสามารถในการดูดกลืนและสะท้อนพลังงานจากดวงอาทิตย์ แผ่นน้ำแข็ง ก้อนเมฆ สะท้อนรังสีคืนสู่อวกาศ และฝุ่นละอองที่แขวนลอยในอากาศ ทำให้พื้นผิวโลกมีอุณหภูมิต่ำ ขณะที่ป่าไม้และน้ำดูดกลืนพลังงาน ทำให้พื้นผิวมีอุณหภูมิสูง เพราะฉะนั้นการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิว ย่อมทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิด้วย (รายละเอียดเพิ่มเติมในเรื่อง สมดุลของพลังงาน)

แผ่นน้ำแข็งขั้วโลก
ร้อยละ 75 ของน้ำจืดบนโลก สะสมอยู่ที่เกาะกรีนแลนด์ ในมหาสมุทรอาร์คติก และบนทวีปแอนตาร์คติก ในรูปของแผ่นน้ำแข็งขั้วโลก หากแผ่นน้ำแข็งขั้วโลกทั้งสองละลายหมดจะทำให้ระดับน้ำทะเลสูงขึ้น 66 เมตร พื้นที่เกาะและบริเวณชายฝั่งจะถูกน้ำท่วม อัลบีโดของพื้นผิวและปริมาณความร้อนที่สะสมอยู่ในน้ำทะเลจะเปลี่ยนแปลงไป และส่งผลกระทบต่อภูมิอากาศ

การเคลื่อนตัวของเปลือกโลก
เปลือกโลกมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาเป็นวัฏจักรต่อเนื่อง (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมในเรื่อง วัฏจักรวิลสัน ในบทธรณี) กระบวนการธรณีแปรสันฐาน หรือ เพลตเทคโทนิคส์ (Plate Tectonics) เป็นสาเหตุที่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของทุกสิ่งทุกอย่างบนผิวโลก อันเป็นปัจจัยนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ เช่น ก๊าซจากภูเขาไฟ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของบรรยากาศ ฝุ่นละอองภูเขาไฟกรองรังสีจากดวงอาทิตย์ การเปลี่ยนแปลงของผิวโลก ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอัลบีโด และวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต

การศึกษาบรรยากาศของโลกในอดีต
ในการพยากรณ์อากาศนั้น นักอุตุนิยมวิทยาได้ข้อมูลอากาศมาจากสถานีตรวจอากาศภาคพื้น ประกอบกับข้อมูลจากบอลลูน เครื่องบิน และดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา แต่ทว่าในการสืบค้นข้อมูลสภาพอากาศในอดีตนับหมื่นหรือแสนปีนั้น นักวิทยาศาสตร์ทำการศึกษาจากฟองก๊าซซึ่งถูกกักขังไว้ในแผ่นน้ำแข็งขั้วโลก เมื่อหิมะตกลงมาทับถมบนพื้นผิว มันจะมีช่องว่างสำหรับอากาศ กาลเวลาต่อมาหิมะที่ถูกทับถมตกผลึกกลายเป็นน้ำแข็งกักขังฟองก๊าซไว้ข้างใน (ดังที่แสดงในภาพที่ 6) เพราะฉะนั้นแผ่นน้ำแข็งแต่ละชั้นย่อมเก็บตัวอย่างของบรรยากาศไว้ในยุคสมัยที่แตกต่างกัน ยิ่งเจาะน้ำแข็งลงไปลึกเท่าไหร่ ก็ยิ่งได้ฟองอากาศเก่าแก่โบราณมากขึ้นเท่านั้น วิธีการตรวจวัดเช่นนี้สามารถได้ฟองอากาศซึ่งมีอายุถึง 110,000 ปี สถานีขุดเจาะแผ่นน้ำแข็งเพื่อการวิจัยบรรยากาศที่สำคัญมี 2 แห่งคือ ที่เกาะกรีนแลนด์ ในมหาสมุทรอาร์คติกใกล้ขั้วโลกเหนือ และที่สถานีวิจัยวอสตอค ในทวีปแอนตาร์คติกใกล้ขั้วโลกใต้