Whatsoevermization: เพราะโลกกลม เราจึงมีภูมิอากาศ และเพราะแกนโลกเอียง เราจึงมีฤดูกาล

ในหว้ากอ เราก็มีการถามกันเรื่องฤดูกาลเกิดอย่างไรก็หลายครั้ง แต่ส่วนใหญ่การตอบมันก็มักจะเป็นแบบสั้นๆ ไม่ลึกไปถึงระดับที่มาของการคำนวณและการพิสูจน์ กระนั้นเลย เราสมควรมีบทความลึกๆสำหรับอ้างอิงเรื่องฤดูกาล และภูมิอากาศกันบ้างสักที

อนึ่ง บทความนี้เป็นการผสมการคำนวณด้วยหลักเรขาคณิตธรรมดาๆ กับ Black Body radiation อ้างอิงจึงเป็นข้อมูลดิบไม่ใช่อ้างอิงที่เกี่ยวกับฤดูกาลโดยตรง เป้าหมายหลักของผู้เขียนคือการทำบทความที่มีข้อมูลวิธีการทางวิทยาศาสตร์มากพอจะให้ผู้อ่านลองคำนวณตามได้ หวังเป็นอย่างยิ่งว่าบทความนี้น่าจะง่ายพอที่จะสร้างความสนใจทางฟิสิกส์ต่อนักเรียน ให้มีการลองเอาความรู้ที่เรียนมาลองเขี่ยๆคำนวณเล่นได้

อุณหภูมิของโลกที่แตกต่างในภูมิอากาศเขตร้อน เขตอบอุ่น และ เขตหนาว เกิดจากสัดส่วนพลังงานจากแสงอาทิตย์ต่อพื้นที่ๆไม่เท่ากัน สมมุติถ้าเราแบ่งซีกโลกเหนือเป็น 3 ส่วนเท่าๆกัน เราจะได้พื้นที่ผิวในแต่ละส่วน 85,000,000 ตารางกิโลเมตร โดยประมาณ ตาม รูปที่ 1

รูปที่ 1: โลก แบ่งส่วนตามเขตภูมิอากาศ

แสงอาทิตย์ที่ส่องมายังโลก มีความเข้มข้นพลังงาน 1,400 W/m<sup>2</sup> แต่ความเข้มแสงนั้นเป็นไปตามพื้นที่หน้าตัดขวาง พื้นที่หน้าตัดขวางที่รับแสงจากดวงอาทิตย์ในแต่ละส่วนนั้นก็ไม่เท่ากัน ซึ่งจะเป็นตัวที่ทำให้บริเวณต่างๆของโลกมีอุณหภูมิไม่เท่ากัน

รูปที่ 2-1: การประกอบรูปทรงเรขาคณิตเป็นพื้นที่รับแสง

รูปที่ 2-2: การประกอบรูปทรงเรขาคณิตเป็นพื้นที่รับแสงส่วนวงรี

รูปที่ 2-3: การประกอบรูปทรงเรขาคณิตเป็นพื้นที่รับแสง ส่วนของทรงกลม

ถ้าเราเอาความเข้มแสง คูณเข้ากับพื้นที่หน้าตัดแสง แล้วหารด้วยพื้นที่ผิวของแต่ละส่วนของโลก เราจะได้ความเข้มแสงตามตารางข้างล่าง

ตารางที่ 1: Flux รังสีจากดวงอาทิตย์เฉลี่ยตามเขตภูมิอากาศโลก

เพราะพื้นที่ตอนบน หน้าตัดรับแสงน้อยกว่าพื้นที่ตอนล่าง ความเข้มแสงเฉลี่ยต่อพื้นที่ผิวโลกจะมีอยู่น้อยกว่า อุณหภูมิพื้นผิวใดๆ ของวัตถุ สามารถคำนวณได้จากกฏของ Stefan Boltzmann ว่าด้วยการแผ่รังสี หลักการคือ รังสีเข้าจากดวงอาทิตย์ = รังสีความร้อนแผ่ออกจากโลก และ อัตราการแผ่รังสีขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ หรือพื้นผิวโลกจะร้อนขึ้นจนกว่าค่าการแผ่รังสีออกจากโลกจะเท่ากับค่าพลังงานเข้าจากดวงอาทิตย์

รูปที่ 3: Black Body Radiation

เมื่อแทนค่า heat flux จากดวงอาทิตย์ต่อพื้นที่ผิวโลกในแต่ละส่วนลงในสมการของ Stefan-Boltzmann เราก็จะพบว่า อุณหภูมิของโลก ณ ส่วนต่างๆ และฤดูกาลต่างๆจะได้ประมาณนี้

ตารางที่ 2: คำนวณอุณหภูมิโลกตาม Flux ความร้อนจากดวงอาทิตย์เฉลี่ยที่สัดส่วนพื้นที่หน้าตัดแสงต่อพื้นผิวโลกต่างกัน

การคำนวณโดยใช้แค่ Black Body Radiation จะไม่แม่นยำเท่าไรนัก เพราะโลกเรายังมีองค์ประกอบอื่นๆที่สำคัญคือก๊าซเรือนกระจก ซึ่งจะช่วยกักความร้อนเอาไว้ ทั้งนี้ ผมเคยเขียนกระทู้เกี่ยวกับการสร้างโมเดลภาวะโลกร้อนไว้ ซึ่งอุณหภูมิเฉลี่ยของโลกนั้นมีผลสูงขึ้นจากก๊าซเรือนกระจก เรื่องโมเดลก๊าซเรือนกระจก ศึกษาดูได้จากลิงค์หว้ากอ หรือสามารถหาอ่านได้ในบทความ Facobook ของผมเช่นกัน

เมื่อนำผลจากก๊าซเรือนกระจกเข้ามาร่วมคำนวณ อุณหภูมิโดยรวมก็จะสูงขึ้น ตามสัดส่วน อย่างเราที่อยู่เขตร้อน อุณหภูมิหน้าร้อนก็เฉลี่ย 38 C หน้าหนาวก็ 19 C แต่ทั้งนี้ โมเดลยังไม่ครอบคลุมถึงการเปลี่ยนแปลงของกลางวันและกลางคืน รวมไปถึงยังไม่ครอบคลุมถึงผลจากการเคลื่อนไหวของกระแสลมที่เป็นตัวพากระจายอุณหภูมิด้านล่างไปสู่ด้านบน ส่วนที่อาจแปลกใจที่สุดน่าจะเป็นพื้นที่โซนอบอุ่น และโซนหนาวที่ช่วงอุณหภูมิสูงและต่ำสุดต่างกันได้ขนาดนั้น พื้นที่โซนอบอุ่นและโซนหนาวได้รับอิทธิพลจากกระแสลม กระแสน้ำที่ทำให้อุณหภูมิไม่ขึ้นสูงขนาดที่ทำนาย รวมไปถึงการสะสมของความความเย็นในพื้นที่เองด้วย ไม่น่าแปลกใจเลย ถ้าในสภาพที่เกิด Wind Stagnant หรือภาวะที่ลมไม่เคลื่อนไหว ยุโรปจึงมีอุณหภูมิขึ้นสูงถึง 40 C ได้อย่างง่ายดาย

อ่านข่าวประกอบ

รูปที่ 4 คำนวณอุณหภูมิโลก โดยใช้ Green House Effect Model

ทั้งนี้จากรูปที่ 4 และตารางที่ 2 ที่แสดงข้างบน น่าจะมีข้อสังเกตกันได้บ้างว่า เวลาที่มีคนพูดถึงน้ำแข็งขั้วโลกละลาย อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 1-2 C ที่เขตร้อนกับอุณหภูมิที่จะเพิ่มที่เขตหนาวมันจะเป็นคนละเรื่องกัน แถมเพราะหน้าร้อนและหน้าหนาว อุณหภูมิสัมผัสของแสงอาทิตย์ต่างกันได้มาก มันจะต้องมีน้ำแข็งละลายตามฤดูกาลและน้ำแข็งเกิดใหม่ตามฤดูกาล การใช้แค่ภาพถ่ายน้ำแข็งละลาย มีสิทธิ์เป็นการบิดเบือนข้อเท็จจริงเอาง่ายๆ และถ้าพิจารณาอุณหภูมิเฉลี่ย ยิ่งสูงอุณหภูมิเฉลี่ยยิ่งต่ำ การเพิ่มของอุณหภูมิเฉลี่ยโลกแค่ 1-2 C ยังไม่พอจะทำให้อุณหภูมิเฉลี่ยของเขตหนาวบริเวณขั้วโลกสูงกว่า 0 C ตลอดรอบปี (การจำลองผลที่เฉลี่ย 2 องศานั้นเพราะแบ่งเฉลี่ยที่ประมาณเส้น 60 องศาเหนือ ถ้าสูงกว่านั้นมันก็จะมีส่วนที่อุณหภูมิเฉลี่ยติดลบตลอดปี เช่นที่ขั้วโลกอุณหภูมิเฉลี่ยจริงๆเกิอบ -40 <sup>o</sup>C ผลกระทบการละลายมีได้แต่จะไม่มีทางละลายจนหมด ถ้าน้ำแข็งจะละลายหมดโลก (หรือใกล้เคียง) อุณหภูมิเฉลี่ยน่าจะต้องสูงไปกว่า 11 C โดยประมาณ ซึ่งเป็นไปไม่ได้

แถมอีกนิด เรื่องเกี่ยวกับวงโคจรโลกรอบดวงอาทิตย์ เรามักพูดกันว่าเราโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี จนถึงกับมีบางคนเชื่อว่าฤดูกาลเกิดจากโลกเข้าใกล้และออกห่างจากดวงอาทิตย์ แต่วงโคจรที่ว่ารีมันก็ไม่ได้รีเสียขนาดนั้น ดูตามรูปที่ 5 ความแตกต่างของ Flux แสงอาทิตย์ช่วงใกล้กับช่วงไกลดวงอาทิตย์นั้น 1414 W/m2 เทียบกับ 1322 W/m2 มีส่วนต่างกันอยู่ 5.6% ถ้าคำนวณเป็นอุณหภูมิ Black body เทียบพื้นผิวโลกกับพื้นที่หน้าตัดแสงอาทิตย์ ก็จะเทียบเป็นค่าเฉลี่ยพลังงานที่ 353 W/m2 ณ ช่วงใกล้ และ 330 W/m2 ที่ช่วงไกลจากดวงอาทิตย์ ซึ่งมันก็จะต่างกันได้ 4.7 C ยิ่งถ้าเรื่องอธิบายไปว่า แกนโลกหันเข้าหันออกแล้ว เข้าใกล้ดวงอาทิตย์มันก็ร้อน ออกห่างมันก็หนาว ด้วยรัศมีของโลกแค่ 6,000 กิโลเมตรกว่าๆนี่อุณหภูมิส่วนต่างก็จะแค่ 0.000005 C เท่านั้น