การไหลเวียนของน้ำในมหาสมุทร

             ศาสตราจารย์ ดร.วอลเลส โบรกเกอร์ (Wallace S. Broecker; 1931-) จากคณะวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมโลก มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย (Columbia University) ได้อธิบายกลไกทางธรรมชาติที่ควบคุมอุณหภูมิของประเทศเมืองหนาวไม่ให้แตกต่างจากประเทศแถบร้อนมากจนเกินไป นั้นคือการไหลเวียนของกระแสน้ำในมหาสมุทรอันเกิดจากแรงดันของเกลือ หรือ Thermohaline Circulation โดยมีรากศัพท์มาจากคำว่า Thermo ที่แปลว่าความร้อนและ Haline ที่แปลว่าเกลือ

ภาพแสดงการไหลเวียนของกระแสน้ำเย็นและกระแสน้ำอุ่น

                 จุดเริ่มต้นของ Thermohaline Circulation เกิดขึ้นที่บริเวณทะเลทางตอนเหนือของมหาสมุทรแอตแลนติก สภาพภูมิอากาศที่หนาวเย็นได้ทำให้น้ำทะเลแข็งตัวและก่อให้เกิดแผ่นน้ำแข็งปก คลุมพื้นที่ผิวชั้นบนของมหาสมุทรแอตแลนติกเหนือ

ขณะที่ผิวของน้ำทะเลกำลังก่อตัวเป็นน้ำแข็ง เกลือที่ละลายอยู่ในน้ำทะเลชั้นบนจะถูกดันลงไปอยู่ในน้ำทะเลชั้นล่างถัดลงมา ทำให้มวลของน้ำทะเลชั้นล่างหนักขึ้น เราสามารถทำการทดลองนี้ได้โดยการละลายเกลือลงในแก้วน้ำแล้วนำไปแช่แข็งในตู้ เย็น ส่วนที่เป็นน้ำแข็งจะมีรสจืดและแข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำกว่า  -2.0 องศาเซลเซียส ในขณะที่ส่วนที่เป็นน้ำจะมีรสเค็มมากขึ้นเนื่องจากเกลือที่ควรจะอยู่ในชั้น น้ำแข็งถูกดันให้ลงมาอยู่ในส่วนที่เป็นน้ำ

                  นี้คือปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่ทำให้มวลของผิวน้ำมหาสมุทรแอตแลนติกตอนเหนือ จมลงเนื่องจากมวลน้ำมีน้ำหนักมากขึ้นเพราะความหนาแน่นของเกลือเพิ่มสูงขึ้น หลังจากนั้นมวลของน้ำเย็นจะเคลื่อนตัวใต้น้ำไปตามฝั่งตะวันตกของทวีปแอฟริกาจนถึงแหลมกู๊ดโฮป์ (Good Hope Cape) มวลน้ำส่วนหนึ่งจะไหลแยกเข้าสู่มหาสมุทรอินเดีย ในขณะที่มวลน้ำอีกส่วนหนึ่งจะไหลเข้าสู่ขั้วโลกใต้และค่อยๆ เคลื่อนตัวไปทางทิศเหนือผ่านทวีปออสเตรเลีย ประเทศฟิลิปปินส์ และไหลเข้าสู่ตอนเหนือของมหาสมุทรแปซิฟิก

                  ท้ายที่สุดกระแสน้ำเย็นนี้จะลอยตัวขึ้นสู่ระดับผิวน้ำที่ชายฝั่งตะวันตกของอ ลาสกา (Alaska) และไหลย้อนกลับลงมาทางทิศใต้เลียบชายฝั่งตะวันตกของทวีปอเมริกา เพื่อวกกลับมาทางทิศตะวันตก ณ บริเวณเส้นศูนย์สูตรและไหลเข้าสู่ทะเลจีนใต้ผ่านช่องแคบมะละกาเพื่อมาบรรจบ กับกระแสน้ำเย็นที่ยกตัวขึ้นสู่ผิวน้ำที่มหาสมุทรอินเดีย จนกลายเป็นกระแสน้ำอุ่นไหลย้อนกลับไปยังมหาสมุทรแอตแลนติกตอนเหนืออีกครั้ง

                    จากการคำนวณโดยใช้ค่าของคาร์บอน 14 (Carbon 14) ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสีและมีระยะเวลาครึ่งชีวิตอยู่ที่ 5,730 ปี 2 คาดว่าระยะเวลาทั้งหมดที่ใช้ในการไหลเวียนของกระแสน้ำ Thermohaline Circulation หนึ่งรอบอยู่ที่ 1,600 ปี

                   ศาสตราจารย์ ดร.วอลเลส โบรกเกอร์ ได้เปรียบเทียบการไหลเวียนของกระแสน้ำโลกเสมือนสายพานลำเลียงความร้อน จากบริเวณเส้นศูนย์สูตรไปยังประเทศแถบตอนเหนือผ่านการไหลเวียนของกระแสน้ำ อุ่น ด้วยอิทธิพลของกระแสน้ำอุ่นเม็กซิโก (Mexico Gulf Stream) ทำให้ ลอนดอน (London) เมืองหลวงของประเทศอังกฤษมีสภาพอากาศที่อบอุ่นกว่า ซัปโปโร (Sapporo) เมืองท่องเที่ยวที่ตั้งอยู่ทางตอนเหนือของประเทศญี่ปุ่น ทั้งที่ลอนดอนตั้งอยู่ทางตอนเหนือมากกว่าซัปโปโร

                      อะไรจะเกิดขึ้นหากภาวะโลกร้อนรุนแรงขึ้นเรื่อยๆ จนธารน้ำแข็งรวมทั้งน้ำแข็งที่ปกคลุมอยู่บนผิวทะเลเริ่มละลายตัว?

                  สิ่งแรกที่จะเกิดขึ้นคือความเค็มของน้ำทะเลจะเริ่มเจือจางลงเรื่อยๆ จนกระทั่งความหนาแน่นของมวลน้ำชั้นบนมีค่าน้อยกว่ามวลน้ำชั้นล่างทำให้การจม ตัวลงของมวลน้ำหยุดชะงัก และส่งผลให้ Thermohaline Circulation อันเป็นที่มาของกระแสน้ำอุ่นหยุดไหล ประเทศที่อยู่ทางตอนเหนือเช่นหมู่เกาะอังกฤษและกลุ่มประเทศยุโรปตะวันตก รวมทั้งมลรัฐทางตอนเหนือของประเทศอเมริกาจะต้องเผชิญกับสภาพอากาศที่หนาว เย็นลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ หลังจากนั้นกลไกย้อนกลับในเชิงลบ หรือ Negative Feedback จะเริ่มต้นทำงาน กล่าวคืออุณหภูมิที่ลดลงของน้ำทะเลจะทำให้การดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เพิ่มมากขึ้น ปริมาณของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศจึงลดลงส่งผลให้อุณหภูมิเฉลี่ย ในชั้นบรรยากาศลดต่ำลง

           นอกจากนี้ การเพิ่มปริมาณของพื้นที่สีขาวอันเกิดจากการปกคลุมของหิมะในซีกโลกเหนือยัง ทำหน้าที่เสมือนกระจกสะท้อนพลังงานจากแสงอาทิตย์กลับไปสู่อวกาศ ทำให้อุณหภูมิเฉลี่ยของโลกยิ่งลดต่ำลงเรื่อยๆ

                    จนท้ายที่สุดโลกก็จะกลับเข้าสู่ยุคน้ำแข็งอีกครั้ง

      ในห้วงมหาสมุทรของโลกนั้นมีสายพานการไหลเวียนของกระแสน้ำอุ่นและน้ำเย็นหมุนเวียนไปทั่วโลกอยู่ตลอดเวลา ซึ่งเราเรียกว่าสายพานลำเลียงขนาดยักษ์แห่งมหาสมุทร (The Great Ocean Conveyor Belt) สายพานที่ว่านี้จะทำหน้าที่นำความร้อนจากดวงอาทิตย์และปริมาณเกลือในน้ำทะเลส่งผ่านไปยังส่วนต่างๆของมหาสมุทรทั่วโลก หรืออาจกล่าวได้อีกนัยหนึ่งก็คือ ความร้อนและความเข้มข้นของน้ำทะเลที่แตกต่างกันในแต่ละส่วนของมหาสมุทรนี่แหละที่เป็นส่วนสำคัญในการขับเคลื่อนให้สายพานที่ว่านี้ทำงาน ดังนั้นสายพานที่ว่านี้จึงอาจถูกเรียกในอีกชื่อหนึ่งก็คือ การไหลเวียนของเทอร์โมฮาไลน์ (Thermohaline circulation) โดย Thermo นั้นจะหมายถึงความร้อนหรืออุณหภูมิของน้ำทะเล และ Haline นั้นหมายถึงเกลือหรือความเค็มของน้ำทะเลนั่นเอง แต่นอกจากอุณหภูมิและความเค็มที่แตกต่างในส่วนต่างๆของมหาสมุทรแล้ว ระดับน้ำขึ้นน้ำลง (Tides) และแรงลมที่พัดเหนือพื้นผิวมหาสมุทรก็มีส่วนเกี่ยวข้องในการขับเคลื่อนวงจรของสายพานนี้เช่นกัน บางคนจึงอาจเรียกสายพานการไหลเวียนกระแสน้ำนี้ว่า Meridional Overturning Circulation หรือ MOC ซึ่งอธิบายถึงกลไกการไหลเวียนของกระแสน้ำทั้งโลก

      กระบวนการสายพานลำเลียงพลังงานนี้เริ่มต้นจากการที่พื้นผิวน้ำทะเลบริเวณเส้นศูนย์สูตรถูกทำให้อุ่นขึ้นเนื่องจากความร้อนจากดวงอาทิตย์และน้ำทะเลอุ่นนั้นได้เริ่มต้นไหลไปสู่ขั้วโลก นำพาเอาความร้อนจากเส้นศูนย์สูตรขึ้นไปยังละติจูดที่สูงขึ้นและปลดปล่อยมันออกสู่บรรยากาศ กระแสน้ำอุ่นซึ่งไหลขึ้นไปถึงทางด้านฝั่งตะวันตกของสกอตแลนด์นั้นจะช่วยทำให้ฤดูหนาวของเกาะอังกฤษนั้นไม่หนาวจัดจนเกินไปเมื่อเทียบกับเมืองที่อยู่ในระดับละติจูดเดียวกันอย่างเมืองนิวฟาวด์แลนด์  ประเทศแคนาดา

           หลังจากกระแสน้ำอุ่นที่ว่านี้ได้ขึ้นไปสู่บริเวณละติจูดสูงใกล้ขั้วโลกแล้ว มันจะปลดปล่อยความร้อนเข้าสู่บรรยากาศ และเมื่ออุณหภูมิน้ำทะเลลดลงความหนาแน่นน้ำทะเลก็จะเพิ่มมากขึ้น กระแสน้ำอุ่นก็จะค่อยๆจมตัวลงสู่พื้นท้องทะเล ที่ยิ่งไปกว่านั้น ในบริเวณละติจูดสูงๆใกล้ขั้วโลก อากาศจะเย็นลงจนน้ำทะเลกลายเป็นน้ำแข็ง ซึ่งน้ำแข็งนั้นจะประกอบด้วยน้ำจืดมาจับตัวกันและคืนเกลือในตัวให้กับน้ำทะเลที่อยู่บริเวณรอบๆ ส่งผลให้น้ำทะเลบริเวณนั้นมีความเข้มข้นของเกลือเพิ่มมากขึ้น ความหนาแน่นจึงมากขึ้นตามไปด้วย น้ำทะเลบริเวณนี้จึงจมตัวลงด้านล่างของมหาสมุทร

             อันที่จริงแล้วบริเวณเขตร้อนใกล้เส้นศูนย์สูตรก็มีการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของเกลือในน้ำทะเลเช่นกัน แม้ว่าจะมีฝนตกหนัก แต่ความร้อนอันเนื่องมาจากดวงอาทิตย์นั้นก็ทำให้อัตราการระเหยของน้ำทะเลบริเวณนี้สูงไปด้วย เมื่อน้ำระเหยไปเป็นจำนวนมาก สิ่งที่เหลืออยู่ในท้องทะเลคือน้ำเกลือที่เข้มขึ้นและจมลงสู่พื้นทะเลด้านล่างด้วยเช่นกัน

            ผลของกระบวนการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและความเข้มข้นของน้ำทะเลดังกล่าวมาแล้วข้างต้นนี่เอง ที่ส่งผลให้เกิดการขับเคลื่อนของสายพานขนาดมหึมานี้ไปรอบโลกโดยประมาณกันว่าแต่ละรอบของสายพานที่จะมาบรรจบครบรอบเดิมนั้นกินเวลาถึง 1,000 ปีเลยทีเดียว ถึงแม้ว่าจะช้า แต่ปริมาณของน้ำที่สายพานนี้ขับเคลื่อนไปนั้นมีมากพอๆกับแม่น้ำอเมซอนจำนวน 100 สายมารวมกัน มันจึงมีอิทธิพลอย่างมหาศาลต่อสภาพภูมิอากาศของโลก

              มหาสมุทรนั้นยังมีความเกี่ยวข้องอย่างลึกซึ้งกับปริมาณของคาร์บอนไดออกไซค์ในชั้นบรรยากาศ ในมหาสมุทรมีสิ่งมีชีวิตสีเขียวเล็กๆชนิดหนึ่งซึ่งเรียกว่าไฟโตแพลงค์ตอน(phytoplankton) อาศัยอยู่ สิ่งมีชีวิตชนิดนี้มีความสำคัญต่อวงจรชีวิตในมหาสมุทรเป็นอย่างมาก มันเป็นแหล่งอาหารของปลาจำนวนมาก รวมไปถึงสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมบางชนิดที่อาศัยอยู่ในทะเลด้วย บทบาทที่สำคัญมากอีกอย่างหนึ่งของเจ้าไฟโตแพลงค์ตอนนี้ก็คือมันสามารถจับเอาก๊าซคาร์บอนไดออกไซค์ที่มนุษย์ สัตว์และกระบวนการอุตสาหกรรมต่างๆปล่อยออกมา เปลี่ยนกลับไปเป็นออกซิเจนสำหรับให้สิ่งมีชีวิตใช้หายใจได้ โดยปริมาณคาร์บอนไดออกไซค์ที่มันเปลี่ยนให้กลายเป็นออกซิเจนนั้น เทียบได้กับปริมาณที่ได้จากกระบวนการเดียวกันของต้นไม้ทั้งโลกเลยทีเดียว  หรือกล่าวได้ว่าปริมาณออกซิเจนในชั้นบรรยากาศของโลกเรานั้นมีครึ่งหนึ่งมาจากไฟโตแพลงค์ตอนนั่นเอง นอกจากนี้ไฟโตแพลงค์ตอนยังมีส่วนสำคัญในการรักษาปริมาณของคาร์บอนไดออกไซค์ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกตัวสำคัญ ให้คงปริมาณอยู่ในระดับที่เหมาะสมอีกด้วย

            อุณหภูมิของน้ำทะเลก็มีความสำคัญต่อปริมาณของคาร์บอนไดออกไซค์ในอากาศ โดย คาร์บอนไดออกไซค์นั้นจะสามารถละลายได้ดีในน้ำทะเลที่เย็นมากกว่าในน้ำทะเลที่อุ่น โดยน้ำทะเลที่เย็นจะจับคาร์บอนไดออกไซค์เอาไว้และพาลงไปสู่ทะเลลึก ในทางตรงกันข้ามเมื่อน้ำทะเลมีอุณหภูมิสูงขึ้น มันก็จะปลดปล่อยคาร์บอนได้ออกไซค์คืนกลับมาสู่ชั้นบรรยากาศ

          ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับเรื่องโลกร้อนได้ให้ความสนใจกับ สายพานขนาดยักษ์อันนี้นี้อย่างใกล้ชิด เพราะผลจากการตรวจวัดพบว่าเมื่อโลกร้อนขึ้น แผ่นน้ำแข็งที่บริเวณขั้วโลกก็มีอัตราการละลายตัวที่เร็วขึ้นกว่าเดิม ซึ่งมีผลทำให้น้ำจืดปริมาณมหาศาลถูกปลดปล่อยออกมาสู่ทะเล ส่งผลให้ความเข้มข้นของน้ำทะเลบริเวณมหาสมุทรแอตแลนติกตอนเหนือเจือจางลง สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์พากันวิตกกังวลก็คือ การเจือจางนี้จะส่งผลให้ความหนาแน่นของน้ำทะเลบริเวณนั้นลดลงจนไม่สามารถจมตัวลงสู่พื้นมหาสมุทรด้านล่างได้ตามปกติ และอาจส่งผลร้ายแรงถึงขั้นสายพานซึ่งนำพาพลังงานความร้อนหมุนเวียนไปทั่วมหาสมุทรนี้หยุดตัวลง

               สิ่งซึ่งดูเหมือนจะขัดแย้งกันอยู่ในที-แต่ทว่ามันคือความจริงก็คือ เมื่อโลกร้อนขึ้นนั้นมันอาจส่งผลกระทบให้ทวีปยุโรปทั้งทวีปปกคลุมด้วยน้ำแข็งได้ มีหลักฐานทางโบราณคดีว่า สายพานนี้ได้เคยหยุดตัวลงมาแล้วในอดีต ครั้งล่าสุดที่สายพานนี้หยุดไหลเวียนก็คือเมื่อ  14,500 ปีก่อน ซึ่งส่งผลให้พื้นที่แถบกรีนแลนด์ มีอุณหภูมิลดลงต่ำกว่าปกติถึง 15 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ต่ำเกือบจะเท่าอุณหภูมิในช่วงยุคน้ำแข็งเลยทีเดียว (ช่วงเวลานี้เราเรียกว่าช่วง ยังเกอร์ ดรายอัส (The Younger Dryas) – ผู้สนใจสามารถไปค้นหารายละเอียดเพิ่มเติมได้ในhttp://en.wikipedia.org/wiki/Younger_Dryas) เหตุการณ์นี้กินเวลาอยู่ประมาณ 1,300 กว่าปี จากนั้นยุคนี้ก็สิ้นสุดอย่างรวดเร็วในช่วง 11,500 ปีก่อน โดยอุณหภูมิที่แถบกรีนแลนด์ได้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วถึง 10 องศาเซลเซียสในช่วงเวลาแค่สิบปี เชื่อกันว่าน่าจะมีสาเหตุมาจากสายพานที่ทำหน้าที่ส่งพลังงานความร้อนไปทั่วโลกนี้ได้กลับมาทำงานใหม่อีกหน ปัจจุบันได้มีนักวิทยาศาสตร์บางคนคาดการณ์เอาไว้ว่ามีโอกาสอยู่ราวๆ 70% ที่สายพานลำเลียงพลังงานแห่งมหาสมุทรนี้จะหยุดไหลเวียนอีกครั้งภายในระยะเวลา 200 ปี ถ้าเราไม่พยายามลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซค์ที่ปลดปล่อยขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศให้น้อยลงกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน