อากาศมาจากไหน — ชั้นบรรยากาศโลกเกิดขึ้นได้อย่างไร และใครเป็นคนสร้าง

ถ้าย้อนเวลากลับไปยืนบนโลกเมื่อสามพันล้านปีก่อน แล้วถอดหน้ากากออกหายใจ คุณจะตายภายในไม่กี่นาที

ไม่ใช่เพราะอากาศเป็นพิษแบบที่เราเข้าใจกัน แต่เพราะตอนนั้นยังไม่มีออกซิเจนในอากาศเลย ออกซิเจนที่เราหายใจทุกวันนี้ไม่ได้มาพร้อมโลก มันเป็นของที่เกิดทีหลัง และเกิดจากสิ่งมีชีวิต

นี่คือข้อเท็จจริงที่เปลี่ยนวิธีมองอากาศไปทั้งหมด — เราไม่ได้โชคดีที่ได้เกิดบนดาวที่มีอากาศดี สิ่งมีชีวิตต่างหากที่สร้างอากาศนั้นขึ้นมา

ชั้นที่บางกว่าที่ใครคิด

ก่อนจะเล่าว่าอากาศเกิดขึ้นได้อย่างไร ต้องเข้าใจก่อนว่ามันบางแค่ไหน

ชั้นบรรยากาศทั้งหมดของโลกหนาประมาณ 100 กิโลเมตร ฟังดูเยอะ แต่โลกมีรัศมีราว 6,371 กิโลเมตร ถ้าย่อโลกให้เท่าลูกบาสเกตบอล ชั้นบรรยากาศจะบางกว่าแผ่นฟิล์มที่หุ้มอยู่

และอากาศที่เราหายใจได้จริง ๆ อัดแน่นอยู่แค่ช่วงล่างสุด ราวครึ่งหนึ่งของมวลอากาศทั้งโลกอยู่ต่ำกว่า 5.5 กิโลเมตร ซึ่งต่ำกว่ายอดเอเวอเรสต์เสียอีก

อากาศชุดแรกที่หายไป

โลกยุคแรกสุดเมื่อราว 4,500 ล้านปีก่อนมีอากาศอยู่ แต่เป็นคนละอย่างกับที่เรารู้จัก มันคือก๊าซเบา ๆ อย่างไฮโดรเจนและฮีเลียม ที่เหลือค้างจากกลุ่มเมฆฝุ่นก๊าซซึ่งก่อตัวเป็นระบบสุริยะ

อากาศชุดนั้นอยู่ได้ไม่นาน เพราะโมเลกุลเบามากและโลกยังร้อนจัด มันจึงหลุดออกสู่อวกาศไปเกือบหมด ประกอบกับลมสุริยะที่พัดมาจากดวงอาทิตย์วัยหนุ่มช่วยกวาดออกไปอีกแรง

อากาศชุดที่สอง — จากภายในโลกเอง

อากาศชุดที่สองไม่ได้มาจากอวกาศ แต่พ่นออกมาจากตัวโลกเอง

ภูเขาไฟในยุคนั้นปะทุรุนแรงและถี่กว่าปัจจุบันมาก สิ่งที่พ่นออกมาพร้อมลาวาคือไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจน และก๊าซกำมะถัน กระบวนการนี้เรียกว่าการปลดปล่อยก๊าซจากภายใน และยังมีอุกกาบาตกับดาวหางที่นำน้ำและสารระเหยมาเติมอีกส่วนหนึ่ง

เมื่อโลกเย็นลงพอ ไอน้ำกลั่นตัวเป็นฝนตกลงมาต่อเนื่องยาวนานจนเกิดเป็นมหาสมุทร และคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมหาศาลก็ละลายลงไปในน้ำทะเลแล้วตกตะกอนกลายเป็นหินปูน

จุดสำคัญคือ อากาศชุดนี้ยังไม่มีออกซิเจนอิสระเลย ถ้าวัดตอนนั้นจะพบไนโตรเจนกับคาร์บอนไดออกไซด์เป็นหลัก ซึ่งหายใจไม่ได้

สิ่งมีชีวิตที่เปลี่ยนอากาศทั้งดวง

ราว 2,400 ล้านปีก่อน เกิดเหตุการณ์ที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า เหตุการณ์ออกซิเจนครั้งใหญ่

ตัวการคือไซยาโนแบคทีเรีย แบคทีเรียสีเขียวแกมน้ำเงินที่ค้นพบวิธีใช้แสงแดดแยกน้ำเพื่อสร้างอาหาร กระบวนการนี้คือการสังเคราะห์ด้วยแสง และมันมีของเหลือทิ้งอย่างหนึ่งคือออกซิเจน

ช่วงแรกออกซิเจนที่ปล่อยออกมายังไม่สะสมในอากาศ เพราะถูกเหล็กที่ละลายอยู่ในทะเลดูดซับไปทำปฏิกิริยาจนหมด ตะกอนเหล็กที่เกิดขึ้นในยุคนั้นทับถมเป็นชั้นหินลายริ้วซึ่งยังขุดเจอได้ทั่วโลกทุกวันนี้ และกลายเป็นแหล่งแร่เหล็กสำคัญของอุตสาหกรรมสมัยใหม่

เมื่อเหล็กในทะเลถูกใช้จนอิ่มตัว ออกซิเจนส่วนเกินจึงเริ่มสะสมในอากาศเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์โลก

ออกซิเจนคือยาพิษ — และเป็นการสูญพันธุ์ครั้งใหญ่ที่สุดที่คนไม่ค่อยพูดถึง

ส่วนนี้คือสิ่งที่คนมักแปลกใจที่สุด

สิ่งมีชีวิตเกือบทั้งหมดบนโลกตอนนั้นวิวัฒนาการมาในสภาพไร้ออกซิเจน และออกซิเจนเป็นสารที่ทำปฏิกิริยารุนแรงมาก มันทำลายโมเลกุลภายในเซลล์ที่ไม่ได้ออกแบบมารับมือ

ผลคือการสะสมของออกซิเจนทำให้สิ่งมีชีวิตจำนวนมหาศาลตายไป เหลือรอดเฉพาะพวกที่หลบไปอยู่ในที่ไร้ออกซิเจน หรือพวกที่วิวัฒนาการกลไกป้องกันขึ้นมาได้ทัน

พูดให้ตรงคือ มลพิษทางอากาศครั้งแรกของโลกเกิดจากสิ่งมีชีวิต และสิ่งที่มันปล่อยออกมาคือสิ่งที่เราหายใจอยู่ตอนนี้

แต่เรื่องไม่จบแค่นั้น เพราะกลุ่มที่ปรับตัวได้ค้นพบว่าออกซิเจนให้พลังงานสูงกว่าวิธีเดิมหลายเท่า การหายใจแบบใช้ออกซิเจนจึงเปิดทางให้เกิดสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนและใหญ่ขึ้น ซึ่งนำไปสู่สัตว์ทุกชนิดรวมถึงเรา

ชั้นโอโซน — เงื่อนไขที่ทำให้ขึ้นบกได้

ออกซิเจนที่สะสมในอากาศยังทำอีกอย่างที่สำคัญไม่แพ้กัน

เมื่อโมเลกุลออกซิเจนลอยขึ้นไปชั้นบนและโดนรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ มันแตกตัวแล้วจับกันใหม่เป็นโอโซน ซึ่งสะสมเป็นชั้นบาง ๆ อยู่ในบรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์

ชั้นโอโซนทำหน้าที่ดูดซับรังสียูวีที่ทำลายดีเอ็นเอ ก่อนหน้านั้นสิ่งมีชีวิตต้องหลบอยู่ใต้น้ำซึ่งกรองรังสีให้ เมื่อมีชั้นโอโซนแล้วพื้นดินจึงกลายเป็นที่ที่อยู่อาศัยได้เป็นครั้งแรก พืชขึ้นบก แล้วสัตว์จึงตามขึ้นมา

เก็บเรื่องชั้นโอโซนไว้ในใจก่อน เพราะมันจะกลับมาเป็นตัวละครสำคัญอีกครั้งในตอนที่ 3 และตอนที่ 5 ของซีรีส์นี้

อากาศวันนี้ประกอบด้วยอะไร

หลังผ่านเหตุการณ์ทั้งหมดมาหลายพันล้านปี อากาศแห้งที่ระดับน้ำทะเลทุกวันนี้มีส่วนประกอบดังนี้

นอกจากนี้ยังมีไอน้ำซึ่งไม่คงที่ ขึ้นกับพื้นที่และฤดูกาล ตั้งแต่เกือบศูนย์ในทะเลทรายหนาว ไปจนถึงราว 4% ในเขตร้อนชื้นแบบบ้านเรา

ตัวเลขที่ควรสังเกตที่สุดในตารางคือ คาร์บอนไดออกไซด์ที่ดูน้อยนิดเพียง 0.043% ทั้งที่น้อยขนาดนี้ มันกลับเป็นตัวแปรที่กำหนดอุณหภูมิของทั้งดาว และเป็นตัวเลขที่เปลี่ยนเร็วที่สุดในรอบสองร้อยปี เรื่องนี้จะเล่าเต็ม ๆ ในตอนที่ 3

ทำไมเรื่องนี้สำคัญกับวันนี้

บทเรียนที่ชัดที่สุดจากประวัติศาสตร์อากาศมีสามข้อ

• องค์ประกอบของอากาศเปลี่ยนได้จริง และเคยเปลี่ยนมาแล้วอย่างรุนแรง มันไม่ใช่ค่าคงที่ของธรรมชาติ
• สิ่งมีชีวิตเปลี่ยนอากาศได้ ไซยาโนแบคทีเรียทำมาแล้ว และตอนนี้มีสิ่งมีชีวิตอีกชนิดที่กำลังทำแบบเดียวกันด้วยความเร็วที่สูงกว่ามาก
• การเปลี่ยนแปลงครั้งก่อนใช้เวลาหลายร้อยล้านปี ซึ่งนานพอให้สิ่งมีชีวิตวิวัฒนาการตามทัน ส่วนการเปลี่ยนแปลงรอบนี้ใช้เวลาไม่ถึงสามร้อยปี

สรุป

อากาศที่เราหายใจไม่ได้มากับโลกตั้งแต่ต้น อากาศชุดแรกเป็นไฮโดรเจนกับฮีเลียมที่หลุดสู่อวกาศไปหมด ชุดที่สองพ่นมาจากภูเขาไฟและยังไม่มีออกซิเจน จนกระทั่งไซยาโนแบคทีเรียเริ่มสังเคราะห์ด้วยแสงเมื่อราว 2,400 ล้านปีก่อน ออกซิเจนจึงสะสมขึ้นมา ฆ่าสิ่งมีชีวิตยุคเก่าไปมหาศาล แล้วเปิดทางให้เกิดชีวิตที่ซับซ้อนและชั้นโอโซนที่ทำให้ขึ้นบกได้

ประโยคที่ควรจำจากตอนนี้คือ อากาศดี ๆ ไม่ใช่ของแถมที่มากับดาวเคราะห์ แต่เป็นผลงานที่สิ่งมีชีวิตใช้เวลาสร้างมาสองพันกว่าล้านปี

ตอนหน้าจะเล่าว่า — แล้วมนุษย์เอาอะไรไปใช้จากอากาศบ้าง และคำตอบไปไกลกว่าแค่ "หายใจ" มาก