ชั้นบรรยากาศ ความสมดุลของ ชั้นบรรยากาศ

ความสมดุลของ ชั้นบรรยากาศ

     ในภาพยนตร์นวนิยายแนววิทยาศาสตร์ เราจะเห็นว่าตัวละครนักเดินทางในอวกาศและนักค้นคว้าจะพบดาวที่มี ชั้นบรรยากาศ ที่สามารถหายใจได้โดยง่ายและมีอยู่ทุกที่ อย่างไรก็ตาม ถ้าเราสามารถออกสำรวจจักรวาลที่แท้จริงได้ เราจะพบว่านี่มิใช่เรื่องจริงเลย เป็นไปไม่ได้ที่ดาวดวงอื่นจะมี ชั้นบรรยากาศ ที่มนุษย์สามารถหายใจได้ นั่นก็เพราะว่า ชั้นบรรยากาศ ของโลกได้มีลักษณะเฉพาะเพื่อให้ชีวิตดำรงอยู่ได้ในหลายทางด้วยกัน

     ชั้นบรรยากาศ ของโลกประกอบด้วยไนโตรเจน 77% ออกซิเจน 21% และคาร์บอนไดออกไซด์ 1%

     เริ่มด้วยก๊าซในชั้นบรรยากาศที่สำคัญที่สุดก่อน คือ ออกซิเจน ออกซิเจนเป็นสิ่งที่มีความสำคัญต่อชีวิตมากที่สุดเพราะมันเข้าไปทำปฏิกิริยาทางเคมีส่วนใหญ่ที่ให้พลังงานที่ชีวิตต้องการ

     เมื่อคาร์บอนทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ผลที่ตามมาก็คือ ทำให้มีน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และพลังงาน พลังงานหน่วยเล็กๆ ที่ถูกเรียกว่า AIP (แอตเลโนซีน ไตรฟอสเฟต) และได้ถูกใช้ในเซลที่มีชีวิต ชีวิตเกิดขึ้นโดยปฏิกริยานี้ นี่คือเหตุผลที่ว่าทำไมเราจึงต้องการออกซิเจนสำหรับชีวิตและทำไมเราต้องหายใจเพื่อตอบสนองความต้องการของชีวิต สิ่งที่น่าสนใจของเรื่องนี้ก็คือว่าเปอร์เซนต์ของออกซิเจนในอากาศที่เราหายใจเข้าไปนั้นได้ถูกกำหนดไว้อย่างถูกต้องพอเหมาะพอดี

     ไมเคิล เดนตัน (Michael Denton) ได้กล่าวถึงเรื่องนี้ไว้ว่า : “ชั้นบรรยากาศ สามารถบรรจุออกซิเจนได้มากกว่านี้และยังทำให้ชีวิตมีอยู่ได้หรือไม่? ไม่เลย ออกซิเจนเป็นสารที่ทำปฏิกิริยามาก แม้แต่เปอร์เซนต์ของออกซิเจนในชั้นบรรยากาศ 21% ที่เป็นอยู่ในขณะนี้ก็ใกล้กับขอบเขตสูงสุดของความปลอดภัยสำหรับชีวิตที่อุณหภูมิรอบตัว ความเป็นไปได้ของการเกิดไฟไหม้ป่าจะเพิ่มขึ้นเป็น 70% ทุกๆ 1% ที่มีออกซิเจนเพิ่มขึ้นในชั้นบรรยากาศ”

     เจมส์ เลิฟล็อค (James Lovelock) นักเคมีชีววิทยาชาวอังกฤษได้กล่าวว่า : “กว่า 25% พืชพันธุ์ในปัจจุบันของเรา น้อยมากที่จะรอดจากไฟป่าที่จะทำลายป่าฝนและทุ่งหญ้าขั้วโลกเหนือ ระดับออกซิเจนในปัจจุบันอยู่ในจุดที่ความเสี่ยงและผลประโยชน์มีความสมดุลอย่างพอดี”

     การที่อัตราส่วนของออกซิเจนในชั้นบรรยากาศยังคงอยู่ในปริมาณที่พอดีเช่นนี้นั้นเป็นผลมาจากระบบการหมุนเวียนอันมหัศจรรย์นั่นเอง

สัตว์หายใจเอาออกซิเจนเข้าไปและสร้างคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาสู่ชั้นบรรยากาศ ซึ่งเป็นสิ่งที่มันไม่หายใจ แต่พืชกลับทำตรงข้าม กล่าวคือพืชจะหายใจเอาคาร์บอนไดออกไซด์ที่จำเป็นต่อชีวิตของมันเข้าไปและปล่อยออกซิเจนออกมาสู่ชั้นบรรยากาศแทน เนื่องจากระบบนี้เอง ชีวิตจึงดำเนินต่อไป พืชปล่อยออกซิเจนออกมาสู่ชั้นบรรยากาศนับเป็นจำนวนล้านๆ ตันทุกวัน

     ภายในชั้นบรรยากาศ เราหายใจอยู่ตลอดเวลาในขณะที่เรามีชีวิต ระบบร่างกายของเราถูกออกแบบมาอย่างสมบูรณ์จนเราไม่จำเป็นต้องคิดถึงเรื่องเกี่ยวกับการหายใจ เหมือนสัตว์บางชนิด

     ร่างกายของเราจะประมาณการว่า ต้องการออกซิเจนมากน้อยแค่ไหนและจะจัดการหาออกซิเจนจากชั้นบรรยากาศมาให้ได้ตามปริมาณที่ต้องการนั้น ไม่ว่าเราจะกำลังเดิน วิ่ง อ่านหนังสือหรือกำลังหลับ เหตุผลที่การหายใจมีความสำคัญต่อเราก็คือการทำปฏิกริยาจำนวนนับล้านที่จะต้องเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในร่างกายเพื่อให้เรามีชีวิตอยู่ได้นั้นล้วนต้องการออกซิเจนทั้งสิ้น

     เราอ่านหนังสือได้ ได้ก็เนื่องมาจากเซลล์นับล้านที่จอรับภาพในดวงตาได้รับพลังงานที่มาจากออกซิเจนตลอดเวลา ในทำนองเดียวกัน เนื้อเยื่อในร่างกายของเราและเซลล์ที่สร้างมันขึ้นมาก็ได้รับพลังงานจาก “การเผาไหม้” ขององค์ประกอบคาร์บอนในออกซิเจน ผลผลิตของการเผาไหม้ นั่นคือ คาร์บอนไดออกไซด์ จะต้องถูกปล่อยออกมาจากร่างกาย ถ้าระดับของออกซิเจนในกระแสเลือดของท่านลดลง ผลก็คือการหมดสติและถ้าหากการขาดออกซิเจนเกินกว่าสี่นาที ผลก็คือสมองตาย และเสียชีวิตได้

     นั่นคือเหตุผลที่ว่าทำไมเราจึงต้องหายใจ เมื่อเราหายใจ ออกซิเจนก็จะเข้าไปในห้องเล็กๆ ประมาณ 300 ล้านห้องในปอดของเรา ห้องเหล่านี้มีรูเล็กๆ เชื่อมโยงกับมัน ได้ถูกออกแบบให้มีขนาดเล็กมากเพื่อที่จะเพิ่มอัตราการแลกเปลี่ยนออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ แต่การออกแบบอันสมบูรณ์นั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยอื่นๆ ด้วยเช่นกัน นั่นคือความหนาแน่น ความเหนียวและความกดอากาศจะต้องถูกต้องตรงกันทั้งหมดสำหรับอากาศที่จะเคลื่อนเข้าไปข้างในและไหลออกมาจากปอดของเรา

     เมื่อเราหายใจเข้าไป ปอดของเราก็จะใช้พลังงานเพื่อเอาชนะพลังที่ถูกเรียกว่า“แรงต้านเส้นทางอากาศ” พลังนี้เป็นผลมาจากแรงต้านของอากาศต่อการเคลื่อนไหว อย่างไรก็ตาม เนื่องจากคุณสมบัติทางด้านกายภาพของชั้นบรรยกาศ แรงต้านนี้จะอ่อนพอที่ปอดของเราสามารถสูดอากาศเข้าไปและปล่อยมันออกมาสู่ ชั้นบรรยากาศ ด้วยการใช้พลังงานเพียงน้อยนิด ถ้าแรงต้านอากาศสูงกว่านี้ ปอดของเราก็จะต้องทำงานหนักกว่านี้เพื่อที่จะทำให้เราหายใจได้ ตัวอย่างที่เห็นได้ของเรื่องนี้ก็คือการดูดน้ำเข้าไปในเข็มฉีดยาเป็นเรื่องง่ายแต่ถ้าจะดูดน้ำผึ้งเข้าไปในเข็มฉีดยาก็จะยากกว่า เหตุผลก็เพราะน้ำผึ้งมีความหนาแน่นและมีความเหนียวมากกว่าน้ำ

     ปริมาณทางด้านจำนวนของ ชั้นบรรยากาศ ไม่เพียงแต่จะจำเป็นสำหรับเราเพื่อการหายใจเข้าไปเท่านั้น แต่ยังจำเป็นสำหรับโลกของเราด้วย ถ้าหากความกดอากาศที่ระดับน้ำทะเลต่ำกว่าปริมาณที่เป็นอยู่ของมัน อัตราการระเหยของน้ำก็จะสูงมาก น้ำที่เพิ่มขึ้นในชั้นบรรยากาศก็จะมี “ปรากฏการณ์เรือนกระจก” (greenhouse effect) ที่ดักความร้อนมากขึ้นและเพิ่มอุณหภูมิเฉลี่ยของโลก ในทางตรงข้ามถ้าหากความกดสูงมากกว่านี้ อัตราการระเหยของน้ำในชั้นบรรยากาศก็จะน้อยลงและส่งผลให้ส่วนใหญ่ของโลกกลายเป็นทะเลทราย

     ทั้งหมดนี้คือความสมดุลของ ชั้นบรรยากาศ ที่เหมาะสมอย่างที่สุดเเพื่อให้ชีวิตบนโลกนี้สามารถดำรงอยู่ได้