ขณะที่มนุษย์กำลังดำเนินชีวิตไปตามปกติ ท่ามกลางความหนาแน่นของประชากร
เพิ่มขึ้นทวีคูณ โดยในเมืองใหญ่แทบจะแย่งอากาศหายใจ แต่มีสิ่งหนึ่งได้เกิดขึ้น
มานานตั้งแต่หลังจากโลกกำเนิดขึ้นใหม่ๆ ที่ทำให้อากาศของโลกหายไปอย่างช้าๆ
และอาจหายไปหมดสิ้นเช่นเหมือน ดาวศุกร์ สร้างความล่มสลายของระบบโลกได้

การสูญเสียก๊าซ โดยเฉพาะ Hydrogen จะทำให้มีการเปลี่ยนแปลงบนโลกซึ่งเป็น
เหตุของการเกิด Oxygen ในชั้นบรรยากาศ ต่อไปในอนาคต ถ้า Hydrogen หมด
สิ้นลง ทะเลและมหาสุมทรจะเหือดแห้ง วงจรสภาพภูมิอากาศอันสมบูรณ์ จะค่อยๆ
ยุติลงเหมือนดังเช่น ดาวอังคาร

หัวใจและปอดสำคัญฉันใด ชั้นบรรยากาศก็สำคัญฉันนั้น

ดาวเคราะห์มีพัฒนาการระบบชั้นบรรยากาศหลายทาง จากก๊าซที่ปกคลุมอยู่ เช่น
สามารถให้เกิดไอน้ำจากโครงสร้างภายใน (Interior) สามารถรับวัตถุดิบที่ระเหย
จากดาวหาง หรือดาวเคราะห์น้อย ซึ่งกระเด็นเข้ามาในชั้นบรรยากาศได้

หรือแรงโน้มถ่วงดึงฉุดก๊าซจาก Interplantary (บริเวณอวกาศที่มีความสัมพันธ์กับ
ดาวเคราะห์) เข้ามา ทั้งหมดเป็นเรื่องใหญ่ ต้องตอบสนองซึ่งกันและกันอย่างยาว
นานมาก จนเกิดเป็นอากาศที่สมบูรณ์เอื้อให้สิ่งมีชีวิตถือกำเนิดขึ้น

ดังนั้น ชั้นบรรยากาศจึงมีส่วนสำคัญต่อการพัฒนาการให้ดาวเคราะห์ มีโอกาสก้าว
สู่แหล่งดำรงชีพ อย่างเป็นลำดับขั้นในระบบสุริยะ

บรรยากาศดาวศุกร์ หนาทึบไปด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ ที่ไม่มีโมเลกุลของออกซิเจน

ความสมบูรณ์ในอดีตของ Valles Marineris บนดาวอังคาร

อาการโลกรั่ว เกิดขึ้นแต่ครั้นอดีต

การที่โลกมีความมั่นคง ยืนยงต่อระบบบรรยากาศได้ เพราะอดีตมีความเสียหาย
ต่อระบบน้อย ตัวเลขต่อการไหลออกของอากาศออกสู่อวกาศ ค่าเฉลี่ยราว 3 กก.
ของ Hydrogen และ 50 กรัมของ Helium (เท่ากับ 2 ลิตร) ต่อวินาที

แม้ว่าตัวเลขดูน้อย แต่ตลอดเวลาธรณีกาล (Geologic time) ก็นับว่าสูงเอาการ เปรียบเสมือนเรือลำใหญ่ในมหาสุมทร เมื่อมีรูรั่วจุดเล็กๆ หากไม่ทราบก็อาจ
ประสบปัญหา ใหญ่ได้เช่นกัน

ดาวเคราะห์ ดวงจันทร์ โลกอื่นๆ ก็รั่วเช่นกัน

สำหรับชั้นบรรยากาศดาว ประเภท Terrestrial planets (ดาวเคราะห์หิน) หรือ
Outer-planet satellites (ดาวเคราะห์บริวาร ชั้นนอก) พบว่ามีความหายนะแสดง
ให้เห็นมากมาย เพราะมีขนาดเล็ก ชั้นบรรยากาศน้อย ไม่แข็งแกร่ง ไม่มีศักยภาพ
ป้องกันและอ่อนแอ

สิ่งสำคัญภาพรวมในระบบสุริยะ เช่น เกิดอะไรขึ้นกับดาวอังคารที่เคยมีมหาสมุทร
ในอดีตมากกว่าโลกเหลือบรรยากาศน้อยนิด หรือดวงจันทร์ Callisto บรรยากาศ
สูญหายไปเหลือแต่ Carbon dioxide และดวงจันทร์ Titan (มี Nitrogen 90%)
เกิดช่องว่างบรรยากาศ (เหมือนกลวงภายใน เดิมเคยมีความหนาแน่นมากกว่านี้)
แม้แต่ดาวศุกร์ เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว บรรยากาศกลายเป็น Nitrogen และ Carbon dioxide เพราะเกิดสูญเสียน้ำ สำหรับชะตากรรม โลกจะรอดพ้น
เหตุการณ์เหล่านี้ได้หรือไม่

ดวงจันทร์ Callisto ของดาวพฤหัส

ดวงจันทร์ Titan ของดาวเสาร์

กรรมวิธีการรั่วของอากาศโลก ต้นตอแห่งการล่มสลาย

ยานอวกาศต้องใช้ความเร็วสูง เพื่อให้หลุดพ้นแรงดึงดูดของโลก ซึ่งเช่นเดียวกับ อะตอมและโมเลกุล อย่างน้อยต้องเป็นแบบเดียวกัน การหลุดพ้นแบบ Thermal escape (มีความร้อน) ทำให้เกิดการครอบงำความร้อนของก๊าซขึ้น และการหลุด
พ้นแบบ Nonthermal escape (ไม่มีความร้อน) เป็นการเปลี่ยนแปลงอนุภาคใน
ปฎิกิริยาทางเคมี ของอะตอมและโมเลกุลที่แตกตัวออกมา

ด้วยวัตถุในระบบสุริยะทั้งหมดเกิดความร้อนจากแสง และถูกกำจัดให้หมดไปด้วย
2 ทางคือ โดยการเปล่งรังสี Infrared และ การซึมซ่านไปสู่มวล

วัตถุที่มีอายุยาวนาน เช่น โลก มีรูปแบบการเปลี่ยนแปลงหลายวิธี กรณีของโลก
มีขนาด วัตถุที่ในเกิดความร้อนขึ้นได้รวดเร็ว ถ้าการดูดกลืนรังสี (Absorption)
หากการแผ่ รังสี (Radiation) สมดุลกันของบรรยากาศ สามารถที่จะหยุดการเกิด
ของการหลุดพ้น การหลุดรั่วของอากาศได้

วัตถุต่างๆในระบบสุริยะจำนวนมาก อากาศรั่วออกด้วยการหลุดพ้นของความร้อน อย่างร้ายกาจ ทำให้ระบบสุริยะเมีความร้อนสะสมมากขึ้นเรื่อยๆ เกิดการแบ่งเขต
ขึ้นทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความแข็งแกร่งของแรงโน้มถ่วงแต่ละวัตถุ Thermal escape
เกิดขึ้นได้ 2 ทางคือ

กรณีที่ 1 เรียกว่า Jeans escape (ตั้งตามชื่อนักดาราศาสตร์ James Jeans ผู้ค้น
คว้าและอธิบายเรื่องนี้) โดยอากาศที่แท้จริง เป็นการระเหยของอะตอมโดยอะตอม
โมเลกุลโดยโมเลกุล ซึ่งจะหลุดพ้นไปเหนือบรรยากาศชั้นสูง

สำหรับบริเวณชั้นต่ำ ในบรรยากาศ การชนปะทะของอนุภาคมีขอบเขตประมาณ
500 กิโลเมตรเหนือผิวโลก แต่จะไม่อะไรหยุดอะตอมหรือโมเลกุลที่ทะยานออก
สู่อวกาศได้

อุณหภูมินอกพิภพโลก มีการแกว่งไปมาราว 1,000 kelvins โดยนัย อะตอมของ
ไฮโดรเจน จะมีความเร็วเฉลี่ย 5 กม./วินาที การหลุดพ้นในระดับความสูงต่อแรง
ดึงดูดโลกต้องมีความเร็ว 10.8 กม./วินาที แต่ความค่าเฉลี่ยความเร่ง มีขอบเขต
วงกว้าง ดังนั้นบางทีอะตอมของไฮโดรเจนถูกควบความเป็นอิสระ ในสนามแรง
โน้มถ่วงของโลก ทำให้สูญเสียการจ่ายพลังงานส่วนปลาย (Energetic tail) ของ
ความเร็ว จึงเป็นเหตุผลที่ทำให้โลกสูญเสียไฮโดรเจนไปราว10-40%

วันนี้ Jeans escape ใช้อธิบายการเกิดขึ้นของ Airless (อากาศรั่ว) บนดวงจันทร์
ที่ผ่านมาซึ่งระเหยออกสู่อวกาศจนหมดสิ้นไปแล้ว

กรณีที่ 2 มีความประหลาดจากเหตุที่เกิด Jeans escape เมื่อโมเลกุลก๊าซระเหย
กลายเป็นโมเลกุลไอ ความร้อนของอากาศไหลท่วมเป็นจำนวนมาก ระดับสูงของ
ชั้นบรรยากาศ สามารถดูดกลืนแสง Ultraviolet จนอุ่นและขยายตัว ผลักดันให้
อากาศยกตัวสูงขึ้น

การเกิดเป็นไปอย่างนุ่มนวลจนเร็วเท่ากับความเร็วเสียง ท้ายที่สุดเกิดการหลุดพ้น
ออกสู่อวกาศ เรียกว่า Hydrodynamic escape (การหลุดพ้นด้วยกำลังและอำนาจ
ของเหลว) หรือ More evocatively

กรณีนี้ทำให้เกิดเป็น Planetary wind (ลมพายุดาวเคราะห์) โดยนัยเปรียบเหมือน
กับพายุสุริยะ (Solar wind) พัดออกสู่อวกาศ แต่ Planetary wind ต้องเกิดขึ้นใน
ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์เท่านั้น

การระเหยของอะตอมโดยอะตอม โมเลกุลโดยโมเลกุล ซึ่งจะหลุดพ้นไปเหนือบรรยากาศชั้นสูง

Planetary wind (ลมพายุดาวเคราะห์)

ตัวอย่างแห่งผลดีผลเสีย การหลุดพ้นของอากาศ

ฝุ่นละอองของลม ชั้นบรรยากาศที่เต็มไปด้วยไฮโดรเจน ส่วนมากไม่มีความมั่นคง
จาก Hydrodynamic escape โดยจะไหลท่วมออกมา สามารถลากดึงโมเลกุลหนัก
และอะตอมออกมาด้วย เหมือนลมพัดหอบเม็ดทรายจากทะเลทรายข้ามมหาสมุทร
ตกทับถมจนเป็นเนินทับเนิน โดยทิ้งก้อนกรวด หรือหินก้อนใหญ่ไว้เบื้องหลัง

เช่นกับลมไฮโดรเจน มีอัตราหอบตามน้ำหนัก ทั้งนี้ความเป็นจริงการเกิดขึ้นของ Hydrodynamic escape นอกระบบสุริยะ สำรวจพบบนดาว HD 209458b (จัดอยู่
ในประเภท Jupiter-like planet) มีวงโคจรห่างจากดาวหลัก (Host star) 3 ล้าน
กิโลเมตร ซึ่งเกิดยาวนานนับล้านปี มีสภาพไหม้เกรียม โดยขั้วเหนือมีการลุกไหม้
จากออกซิเจนและไนโตรเจน

หลักฐานเด่นชัด การเกิดลมพายุดาวเคราะห์ จาก Hydrodynamic escape บน
ดาวศุกร์ โลกและดาวอังคาร จากอดีตทั้งสามเป็นร่องรอยความสำเร็จให้เกิดขึ้น
ของระบบดาวเคราะห์ ด้วย 3 ปัจจัยคือ

ปัจจัยที่ 1
หากไม่มีการหลุดพ้นออกสู่อวกาศ จะไม่เกิดความไวปฎิกิริยาทางเคมีของก๊าซ
เช่น Neon หรือ Argon เหลือทิ้งไว้ในบรรยากาศซึ่งมีความผิดแผดจากเดิมจนบัดนี้ เท่ากับมีการเกิดก๊าซชั้นสูงขึ้น

ปัจจัยที่ 2
ดาวรุ่นหนุ่มสาวเช่น ดวงอาทิตย์ มีความแข็งแกร่งของแหล่งแสง Ultraviolet ซึ่ง
เป็นสิ่งที่ไม่ผิดปกติ การสะท้อนรังสีถูกขับเคลื่อนให้เกิด Hydrodynamic escape

ปัจจัยที่ 3
ที่ผ่านมาดาวเคราะห์หิน หรือ Terrestrial Planet (ดาวเคราะห์ที่มีพื้นผิวชัดเจน)
อุดมไปด้วยไฮโดรเจนในบรรยากาศ และไฮโดรเจนมักเกิดขึ้นจาก ปฎิกิริยาทาง
เคมีของ น้ำและ Iron จาก Nebular gases (ก๊าซในอวกาศ) หรือการแตกตัว
โมเลกุลของน้ำ ส่วนหนึ่งจากรังสี Ultraviolet ของดวงอาทิตย์ในยุคแรกของโลก

ดาวหาง ดาวเคราะห์น้อย ตกสู่ผิวโลก เป็นตัวแปรอย่างมากมาย สร้างหลุมบ่อขึ้น
รับน้ำบรรจุให้เต็ม จนเป็นมหาสมุทร การระเหยเป็นไอภายในบรรยากาศเป็นวงจร
ขึ้นจนเกิดฝนตกต่อเนื่องอย่างยาวนาน

แต่กรณีดาวศุกร์ ได้ มีการหยุดหายไปเพราะไม่มีความเพียงพอจากการระเหยของ
ไอน้ำจากการแผ่รังสีของของดวงอาทิตย์ ภายใต้เงื่อนไข Hydrodynamic escape
แสดงผลบนดาวศุกร์ จึงสามารถหอบอากาศหลุดพ้น หมดภายใน 10 ล้านปี

การระบายทิ้งของไฮโดรเจนอย่างยาวนานนั้น ย่อมมีออกซิเจนหลุดออกไปด้วย
คงทิ้งไว้แต่ คาร์บอนไดออกไซด์ไว้เท่านั้น เมื่อไม่มีน้ำเป็นสื่อกลาง ปฎิกิริยาทาง
เคมีทำให้คาร์บอนไดออกไซด์ ลุกลามเต็มชั้นบรรยากาศอยู่เบื้องหลัง

HD 209458b

การหลุดพ้นของอากาศ จากดาวหางหรือดาวเคราะห์น้อย

การหลุดพ้นของอากาศในแบบอื่นๆ ช่วยเร่งการล่มสลาย

บนดาวเคราะห์บางดาว รวมถึงโลกยุคใหม่ การหลุดพ้นแบบ Nonthermal escape
(ไม่มีความร้อน) เป็นเรื่องสามัญที่อะตอมหรือโมเลกุล บรรลุถึงความเร็วสูงต่อการ
หลุดพ้น อาจเป็นกรณีเดียวที่ไม่ถูกกระแทกขัดขวางหรือถูกทำลาย เพราะปฎิกิริยา
ทางเคมี หรือระหว่างอนุภาคและอนุภาคมีการชน ปะทะของอะตอมอย่างรวดเร็ว
ซึ่งเป็นกลไกปกติ ทั้งนี้มีหลายรูปแบบ

การหลุดพ้นของอากาศในแบบต่างๆที่ผ่านมาดูจะไม่มากมายนัก ถ้านำไปเปรียบ
เทียบกับ ดาวหางหรือ ดาวเคราะห์น้อย พุ่งเข้าสู่โลก (ดวงจันทร์หรือดาวเคราะห์) เพราะเปรียบเสมือนสิ่งที่ถูกขว้าง เข้าใส่โลก ทั้งมีขนาดใหญ่และมีความเร็ว

ทำให้มวลพื้นผิวกลายเป็นไอเป็นผลให้เกิดก๊าซร้อน ขับเคลื่อนหลุดพ้นของอากาศ
ไปอย่างรวดเร็ว ดังเช่นเมื่อ 65 ล้านปีก่อน สามารถสังหารไดโนเสาร์ไปหมดทั้งโลก

การชนปะทะครั้งใหญ่บนดาวอังคาร เชื่อว่าครั้งนั้นช่วยให้โลกปลอดภัย

คำพยากรณ์โลกล่มสลาย ในหลักเกณฑ์ทางวิทยาศาสตร์

ข้อมูลหลายประการ บนโลกมีลักษณะเริ่มสะสม ออกซิเจนมาราว 2.4 ล้านปีจาก
ต้นแบบของ สัตว์และพืช แต่ในยุค ค.ศ. 2000 กลับต้องชวนให้คิดถึงบทบาทของ
ไฮโดรเจน จุลชีพถูกทำลายโดยโมเลกุลของน้ำ ที่แตกออกเป็นชิ้นๆจากขบวนการ
สังเคราะห์แสง ดังเช่นมวลของสาหร่ายบางชนิดจากก๊าซมีเทน และท้ายที่สุดยังไป
ทำลายไฮโดรเจนจดจรดขอบอวกาศ ด้วยการหลุดพ้นออกไปหากคิดเป็นจำนวน
เปอร์เซนต์แล้ว มากเกินจุดที่ควรจะเป็น

ดาวอังคารในวันนี้คงเป็นตัวอย่างแสดงให้เห็นว่า บรรยากาศเหลือน้อยเต็มทีด้วย
ผลกระทบปัญหาทั้งหมดจากปฎิกิริยาน้ำต่อการสังเคราะห์แสงที่ยาวนาน จนทำให้
คาร์บอนไดออกไซด์ และหินดัดแปลงแร่ธาตุ เป็นสารประกอบของแร่ถ่านกลับสู่
บรรยากาศอย่างหนาแน่น

และคงจะต้องเป็นอย่างนั้นต่อไปกาลนาน เพราะดาวอังคารล่มสลายจากการหยุด
ของระบบภูเขาไฟ และเย็นตัวโดยสิ้นเชิงไปแล้ว ไม่สามารถจะเปลี่ยนโครงสร้าง
แร่เป็นชนิดอื่นๆเช่นบนโลกได้อีก

อย่างไรก็ตามทางทฤษฎี ดาวอังคารมีก๊าซไนโตรเจนน้อย ยิ่งเป็นคำตอบชัดแจ้ง
จะไม่เกิดอะไรในอากาศ ของบรรยากาศได้ นอกจากอากาศหลุดพ้นออกไปเรื่อยๆ

เท่าที่ทราบปัญหาเล็กๆเพียงการชนปะทะ สามารถจะกัดกร่อนทำให้ชั้นบรรยากาศ
ใหญ่โตหายไปได้หรือ คำตอบที่อธิบายได้อย่างง่ายๆ คือ การชนปะทะโดยธรรม
ชาติที่มีขนาดใหญ่นั้นมีโอกาสน้อย

แต่การชนปะทะอย่างต่อเนื่องตลอด 3.8 พันล้านปี บนดาวอังคารมีความถี่ และ
ขนาดวงกว้างไปเรื่อย จนกระทั่งเกิดการปะทะครั้งใหญ่ขึ้น อาจจากดาวหางหรือ
ดาวเคราะห์น้อยจึงทำให้สัมฤทธิ์ผลเสียหายครั้งใหญ่จนสามารถทำให้อากาศหลุด
พ้นออกไปเกือบสิ้น

เมื่อกลับมามองโลก การเทียบเคียงมีระดับอันตรายต่อการรั่วหลุดพ้นของอากาศ
ถ้าไม่มีอะไรมาเปลี่ยนแปลง ในวันนี้ไฮโดรเจน หลุดพ้นรั่วไหลจำกัดอย่างที่ละน้อย
เหตุเพราะด้วยหลักการ และท่าทางของก๊าซ ไอน้ำ ที่เกาะตัวกันเป็นของเหลวใน
ชั้นต่ำของชั้นบรรยากาศโลกเป็นฝน กลับคืนสู่พื้นดิน

แต่อนาคต แสงดวงอาทิตย์จะค่อยๆสว่างจ้าขึ้น 10% ในทุกๆ 1 ล้านปี ซึ่งมนุษย์
อาจไม่รู้สึก เพราะค่อยเป็นค่อยไป เมื่อดวงอาทิตย์สว่างจ้าขึ้นต่อเนื่องการสะสม
ชั้นบรรยากาศทำให้โลกอุ่นขึ้นตามลำดับ จำนวนไฮโดรเจนก็จะไหลหลุดพ้นออก
สู่อวกาศอย่างมากมายเป็นเงาตามตัว

การเปลี่ยนแปลงมีความคาดหมาย จะเกิดขึ้นได้เมื่อดวงอาทิตย์สว่างขึ้น 10%
จากนี้ โดยใช้เวลาราว 1 ล้านปี และหลังจากนั้นราวล้านปีถัดไปมหาสมุทรของโลก
จะแห้งหาย โลกจะสู่ยุคแห้งแล้งมีแต่ทะเลทราย ขั้วน้ำแข็งจะหดขนาดลง เหลือ
ร่องรอยของเหลวที่น้อยนิด

หลังจากนั้นอีก 2 ล้านปี ดวงอาทิตย์จะรุกเร้าเพิ่มความโหดร้ายต่อโลกอย่างไม่เว้น
จนน้ำหายไปหมดสิ้น เกิดสภาวะเรือนกระจกแผ่กว้างอย่างแข็งแกร่ง ความร้อน
ส่งผลจนหินบนพื้นหลอมละลายและโลก ก็จะเป็นเช่นดาวศุกร์แห้งแล้งอย่างถาวร
ปราศจากสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ได้ และผลกระทบจากการขยายตัวของดวงอาทิตย์ ตำแหน่งโลกก็จะเปลี่ยนแปลง ดาวพุธ ดาวศุกร์ หายไปในเวลา 6.5-6.7 พันล้านปี

References :

Cambridge University
Astronomical Society of the Pacific Conference
NASA and Jet Propulsion Laboratory
University of Colorado at Boulder