สมดุลความร้อนของโลกและบรรยากาศ

จากการศึกษาภูมิอากาศของโลก และ จากการศึกษาประวัติของธรณีวิทยาเป็นล้าน ๆ ปี เราจะพบว่าภูมิอากาศของโลกได้เคยเย็นลงจนเกิดเป็นยุคน้ำแข็ง (ice age) และ อุ่นขึ้นเป็นครั้งคราวการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของโลกในระยะยาว ๆ เช่นนั้น อาจเป็นเพราะการเปลี่ยนแปลงของความร้อนที่มาจากดวงอาทิตย์หรือเพราะรังสีที่แผ่ออกไปจากโลกซึ่งก็ยังไม่มีทฤษฎีที่จะอธิบายให้แน่นอนลงไปได้อย่างไรก็ดีถ้าเราพิจารณาถึงอุณหภูมิของโลกในระยะเพียง ๑๐๐ ถึง ๑,๐๐๐ ปี จะเห็นว่าอุณหภูมิของโลกค่อนข้างจะคงที่ทั้งนี้แสดงว่ารังสีที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์ และ รังสีที่โลกส่งออกไปยังนอกโลก (อวกาศ) นั้นสมดุลกัน คือ โลกรับรังสีไว้เท่าใดก็ส่งคลื่นกับออกไปอวกาศเท่านั้นเพราะเหตุนี้โลกจึงไม่ร้อนขึ้นหรือเย็นลงเพราะถ้าหากว่าโลกรับรังสีไว้มากกว่าส่งออกไปนาน ๆ เข้าโลกจะต้องร้อนขึ้นแน่นอน 

โทรโพสเฟียร์

บรรยากาศของโลกถูกแบ่งออกเป็นหลายชั้นแต่ละชั้นก็มีคุณสมบัติพิเศษแตกต่างกันชั้นของบรรยากาศที่ติดอยู่กับพื้นโลกเรียกว่า "ชั้นโทรโพสเฟียร์" (troposphere) ในชั้นนี้เป็นชั้นซึ่งมีปรากฏการณ์ของกาลอากาศเกิดขึ้น เช่น ฝน เมฆ พายุต่าง ๆ อุณหภูมิของบรรยากาศในชั้นนี้ลดลงตามความสูงที่เพิ่มขึ้นโดยเฉลี่ยอุณหภูมิในชั้นโทรโพสเฟียร์จะลดลงประมาณ ๖.๕ องศาเซลเซียสต่อ ๑ กิโลเมตร การลดลงของอุณหภูมิกับความสูงนี้ เรียกว่า "อัตราการเปลี่ยนของอุณหภูมิตามความสูง" (temeperature lapse rate) เขตของโทรโฟสเฟียร์ที่บริเวณเส้นศูนย์สูตรสูงประมาณ ๑๖ ถึง ๑๗ กิโลเมตร และ ที่บริเวณขั้วโลกประมาณ ๘ ถึง ๑๐ กิโลเมตร สุดเขตของโทรโฟสเฟียร์ เรียกว่า "โทรโพพอส"(tropopause) ในบริเวณเส้นศูนย์สูตรอุณหภูมิที่โทรโพพอสเย็นราว ๆ -๘๐ องศาเซลเซียล และในบริเวณขั้วโลกอุณหภูมิที่โทรโพพอสเย็นราว ๆ -๕๕ องศาเซลเซียล 

สตราโทรเฟียร์

บริเวณที่สูงจากโทรโพพอสขึ้นไปมีชื่อว่า ชั้นสตราโทสเฟียร์ (stratosphere) เป็นชั้นบรรยากาศที่อุณหภูมิไม่ลดลงตามความสูงในชั้นสตราโทสเฟียร์บรรยากาศค่อนข้างเรียบ และ ไม่ค่อยมีความปั่นป่วนมากสุดเขตของสตราโทสเฟียร์เรียกว่า "สตราโทพอส" (stratopause) สูงราว ๆ ๕๕ กิโลเมตรจากพื้นดิน และ เป็นระดับซึ่งเริ่มมีก๊าซโอโซนในบรรยากาศ ก๊าซโอโซนสามารถดูดรังสีอัลตราไวโอเลตไว้ได้มาก จึงทำให้รังสีของดวงอาทิตย์ที่ผ่านมายังพื้นโลกไม่เป็นอันตรายต่อพืช และ มนุษย์ ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว 

เมโซสเฟียร์

เมื่อเราขึ้นไปสูงกว่าสตราโทรพอสอุณหภูมิของบรรยากาศจะลดลงตามความสูง และ บริเวณนี้มีชื่อเรียกว่า "เมโซสเฟียร์" ยอดของบริเวณนี้ เรียกว่า "เมโซพอส" (mesopause) ซึ่งอยู่สูงจากพื้นดินประมาณ ๗๐ ถึง ๘๐ กิโลเมตร อุณหภูมิที่เมโซพอสเย็นราว ๆ -๑๔๐ องศาเซลเซียล 

เทอร์มอสเฟียร์

สูงขึ้นไปจากระดับเมโซพอสอุณหภูมิของบรรยากาศจะร้อนขึ้นรวดเร็วตามความสูงบรรยากาศในบริเวณนี้มีชื่อว่า "เทอร์มอสเฟียร์" (thermosphere) ความร้อนในบริเวณนี้เกิดจากปรมาณูออกซิเจนซึ่งดูดรับรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ก๊าซในบรรยากาศนี้เริ่มมีการแตกแยกเป็นอิเล็กตรอน และ ไอออน (ion) ขึ้น ไอออนคือ อนุภาคอิสระซึ่งมีประจุไฟฟ้าบวกหรือลบฉะนั้นบางทีเราเรียกบริเวณเทอร์มอสเฟียร์ว่า "ไอโอโนสเฟียร์" (ionoshere) 

ชั้นไอโอโนสเฟียร์ ยังแบ่งออกไปอีกคือ 

• ชั้นดี (D-layer) สูง ๔๐ ถึง ๑๐๐ กิโลเมตร 
• ชั้นอี (E-leyer) สูง ๑๐๐ ถึง ๑๕๐ กิโลเมตร 
• ชั้นเอฟ (F-layer) สูง ๑๕๐ ถึง ๒๔๐ กิโลเมตร 

ชั้นไอโอโนสเฟียร์เป็นชั้นที่มีความสำคัญในการสื่อสารในระยะไกล ๆ เพราะบรรยากาศชั้นนี้สามารถสะท้อนคลื่นวิทยุได้ทำให้สามารถส่งสัญญาณคลื่นวิทยุได้ระยะทางไกล ๆ เป็นพัน ๆ กิโลเมตร ไปยังสถานีรับอีกแห่งหนึ่งได้ 

จากระดับสูงกว่า ๘๐๐ กิโลเมตรขึ้นไปเราเรียกว่าชั้นเอกโซเฟียร์ (exophere) ซึ่ง "แนวรังสีแวนแอลเลน" (Van Allen radiation belts) ก็รวมอยู่ในชั้นนี้ด้วยบรรยากาศในชั้นนี้มีปรมาณูหรืออณูของก๊าซอยู่แยกกัน และ ไม่ค่อยจะมีการปะทะกัน 

เราควรทราบด้วยว่าความกดของอากาศ และ ความแน่นของอากาศนั้นลดลงตามระดับความสูงภายใต้ระดับ ๕๐ กิโลเมตร น้ำหนักของบรรยากาศมีปริมาณร้อยละ ๙๙.๙ ของบรรยากาศทั้งหมดของโลกฉะนั้นระยะที่สูงจากระดับ ๕๐ กิโลเมตรขึ้นไป จะมีน้ำหนักของบรรยากาศเหลือเพียงร้อยละ ๐.๑ เท่านั้น

น้ำหนักของบรรยากาศทั้งโลกมีประมาณ ๕.๗ x ๑๐๑๕ ตัน และ ความแน่นของบรรยากาศที่ผิวพื้นโลกมีประมาณ ๐.๐๐๑๒ กรัม ต่อ ๑ ลูกบาศก์เซนติเมตร หรือประมาณ ๑/๑,๐๐๐ ของความหนาแน่นของน้ำ