โครงสร้างโลก

โครงสร้างโลก

สุทัศน์ ยกส้าน

ในนวนิยายเรื่อง Journey to the Centre of the Earth ที่ Jules Verne ได้ประพันธ์ไว้ในปี ๒๔๐๗ ศาสตราจารย์ Hardwigg และหลานชายชื่อ Harry ได้เดินทางด้วยจรวด เข้าไปในโลกทางปากปล่องภูเขาไฟ คนทั้งสองได้พบเหตุการณ์ที่พิลึก และพิสดารมากมาย แต่จินตวิธีที่ Verne คิด กับวิธีการที่นักวิทยาศาสตร์ ใช้ในการศึกษาโครงสร้างของโลกนั้นแตกต่างกัน

โครงสร้างโลก

จริงอยู่ที่ระยะทางจากกรุงเทพฯ ถึงจุดศูนย์กลางของโลก ใกล้กว่าระยะทางจากกรุงเทพฯ ถึงลอสแองเจลิส แต่การที่มนุษย์จะเดินทางจากกรุงเทพฯ ถึงจุดศูนย์กลางของโลกนั้น ยากลำบากยิ่งกว่าการเดินทางไปลอสแองเจลิส เป็นล้านล้านล้านเท่า ซึ่งความยากลำบากนี้อาจจะเปรียบได้กับความพยายามของมนุษย์ ที่จะเดินทางสู่กาแล็กซีอื่นทีเดียว ทั้งนี้เพราะสถิติการขุดเจาะโลกปัจจุบันได้ลึกเพียง ๑๒ กิโลเมตรเท่านั้นเอง ในขณะที่รัศมีของโลกยาวถึง ๖,๓๖๗ กิโลเมตร ถึงแม้มนุษย์ยังไม่ประสบความสำเร็จสูงในการขุดโลกก็ตาม แต่นั่นก็ไม่ได้หมายความว่า มนุษย์จะไม่มีทางล่วงรู้โครงสร้างภายในโลกได้
เมื่อปี ๒๒๐๘ Athanasia Kircher ได้เคยมีจินตนาการว่า ที่ศูนย์กลางของโลก มีลูกไฟขนาดใหญ่และเวลาเปลวไฟจากลูกไฟลอยผ่านชั้นหิน และดินจากใต้แผ่นดินขึ้นมา ภูเขาไฟก็จะระเบิด แต่ Edmond Halley กลับคัดว่า โลกประกอบด้วยลูกทรงกลมหนาที่เรียงซ้อนกันเป็นชั้น ๆ และเวลาก๊าซที่แฝงอยู่ระหว่างชั้นเหล่านี้เล็ดลอดสู่ขั้วโลก เราก็จะเห็นแสงเหนือ (aurora borealis) นอกจากนี้ ฮัลเลย์ก็ยังคิดอีกว่า ความหนาแน่นของหินและดินในโลกมีค่าสม่ำเสมอเท่ากันโดยตลอดทั่วทั้งโลก แต่เมื่อ ไอแซก นิวตัน (Isaac Newton) พบกฎแรงดึงดูดแบบโน้มถ่วง และนักวิทยาศาสตร์ได้ใช้กฎนี้คำนวณหาความหนาแน่นของโลก เขาก็ได้พบว่า ณ ที่ยิ่งลึก ความหนาแน่นของหินและดินก็ยิ่งสูง ดังนั้นโครงสร้างโลกในมุมมองของฮัลเลย์จึงผิด ลอร์ด เคลวิน (Lord Kelvin) เป็นนักวิทยาศาสตร์อีกคนหนึ่งที่สนใจเรื่องโครงสร้างโลก เมื่อ Kelvin รู้ว่าโลกกำลังเย็นตัวลงตลอดเวลา เขาจึงใช้ข้อมูลเรื่องอัตราการเย็นตัว คำนวณพบว่าโลกมีอายุระหว่าง ๒๐-๑๐๐ ล้านปี ซึ่งตัวเลขนี้ ชาร์ลส์ ดาร์วิน (charles Darwin) คิดว่าเป็นตัวเลขที่น้อยผิดปรกติ เพราะดาร์วิน เชื่อในทฤษฎีวิวัฒนาการของเขา ที่ทำนายว่าสิ่งมีชีวิตได้ถือกำเนิดบนโลกมานานกว่านั้น สำหรับแนวคิดของเคลวินที่ว่า โลกมีโครงสร้างเป็นทรงกลมตันนั้น Alfred Wegener ก็ไม่เห็นด้วย เพราะเขาคิดว่าพื้นแผ่นดินที่เป็นทวีป สามารถเลื่อนไหลไปบนผิวโลกได้ ถึงแม้ว่าจะเคลื่อนไปในอัตราช้าประมาณ ๒ เซนติเมตรต่อปีก็ตาม และเมื่อประมาณ ๔๐ ปีมานี้เอง ทฤษฎี plate tictonics ของ Wegener ก็ได้รับการพิสูจน์ยืนยันแล้วว่า ถูกต้องและเป็นจริง

แกนกลางของโลกหมุน

ทุกวันนี้ ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ได้ช่วยให้เรารู้ว่า โลกมีโครงสร้างที่ค่อนข้างซับซ้อน และส่วนต่าง ๆ ของโลกมีการเคลื่อนไหว เช่น ชนกัน แยกจากกัน เคลื่อนที่ซ้อนกัน หรือไหลวนตลอดเวลา ข้อมูลนี้ทำให้นักธรณีวิทยาสามารถแบ่งโครงสร้างภายในของโลกเป็นชั้น ๆ ได้ดังนี้ คือ ชั้นนอกสุดเป็นเปลือกโลก (crust) ซึ่งพื้นดินที่เป็นทวีปและพื้นน้ำที่เป็นมหาสมุทรจะอยู่ในบริเวณเปลือกโลก ที่มีความหนาตั้งแต่ ๑๕-๑๒๐ กิโลเมตรส่วนนี้ ใต้เปลือกโลกลงไปเป็นชั้นกลาง เรียก mantle โลกส่วนนี้มีความหนาประมาณ ๒,๘๐๐ กิโลเมตร และมีความหนาแน่นสูง เพราะประกอบด้วยซิลิเกต เหล็ก และแมกนีเซียม เป็นส่วนใหญ่ ส่วนชั้นในสุดที่เรียก แกนกลาง (core) นั้น นักวิทยาศาสตร์ในสมัย Verne ได้คิดว่า เป็นของเหลวประเภทลาวาภูเขาไฟ แต่ Verne คิดว่าเป็นของแข็ง ซึ่งจินตนาการของ Verne ได้รับคำยืนยันโดยนักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันว่าถูก เพราะแกนกลางมีสองส่วน คือ แกนส่วนนอก (outer core) ที่เป็นเหล็กเหลว ซึ่งมีความหนาประมาณ ๒,๑๐๐ กิโลเมตร และแกนส่วนใน (inner core) ที่เป็นเหล็กแข็ง ซึ่งมีรัศมียาวประมาณ ๑,๒๐๐ กิโลเมตร นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อมูลโครงสร้างโลกเหล่านี้ จากกระบวนการที่เรียกว่า seismic tomography ซึ่งเป็นวิธีการเดียวกับที่แพทย์ใข้ในการตรวจร่างกายคนไข้ เพื่อค้นหาเนื้องอก โดยการรวบรวมข้อมูลการสั่นสะเทือนของแผ่นดิน ซึ่งเกิดขึ้นไม่ต่ำกว่า ๑ ล้านครั้งในแต่ละปี จากสถานีสำรวจจำนวนกว่า ๓,๐๐๐ สถานีทั่วโลกมาประมวล แล้วใช้คอมพิวเตอร์ที่มีสมรรถภาพสูง สังเคราะห์ข้อมูลเหล่านั้น จนทำให้ได้ภาพสามมิติของโลกในที่สุด
ภาพที่ได้แสดงให้เห็นว่า แกนส่วนในของโลก ประกอบด้วยเหล็กเป็นส่วนใหญ่ แต่เมื่อแกนส่วนนี้มีอุณหภูมิสูงถึง ๖,๐๐๐ องศาเซลเซียส และอยู่ภายใต้ความดันที่สูงถึง ๓๐๐ ล้านบรรยากาศ ธรรมชาติที่แท้จริงของแกนส่วนใน ซึ่งตกอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ไม่ธรรมดา จึงเป็นปริศนาที่ยังไม่มีคำตอบ นอกจากคำถามประเด็นนี้แล้ว ปริศนาอื่น ๆ เช่น เหตุใดขั้วเหนือ-ใต้ของแม่เหล็กโลก จึงกลับขั้วได้ ชั้นต่าง ๆ ของโลกเคลื่อนที่สัมพัทธ์กันอย่างไร และเราจะรู้อุณหภูมิที่จุดศูนย์กลางของโลกได้อย่างไร เหล่านี้คือปัญหาที่นักธรณีวิทยาปัจจุบันกำลังมุ่งหาคำตอบอยู่ นอกจากคำถามประเด็นนี้แล้ว ปริศนาอื่นๆ เช่น เหตุใดขั้วเหนือ-ใต้ของแม่เหล็กโลกจึงกลับขั้วได้ ชั้นต่างๆ ของโลกเคลื่อนที่สัมพันธ์กันอย่างไร เหล่านี้คือปัญหาที่นักธรณีวิทยาปัจจุบันกำลังศึกษาอยู่

คลื่นแผ่นดินไหวเดินทางผ่านโลก ถึงเครื่องรับสัญญาณ โดยใช้เวลาต่างกัน จากข้อมูลเวลาและข้อมูลอื่น ๆ นักวิทยาศาสตร์ สามารถบอกตำแหน่ง ของชั้นหินใน mantle ได้

เมื่อ ๔,๖๐๐ ล้านปีก่อนนี้ ในขณะที่โลกกำลังถือกำเนิด จากการจับตัวกันของฝุ่นละอองในก๊าซร้อน ที่อยู่รอบดวงอาทิตย์ แรงดึงดูดแบบโน้มถ่วงได้ทำให้เม็ดฝุ่นเกาะตัวรวมกันมีขนาดใหญ่ขึ้น ๆ และเมื่อเม็ดฝุ่นที่มีขนาดใหญ่ชนกัน ความร้อนที่เกิดจากการปะทะกันอย่างรุนแรง ได้ทำให้มันหลอมรวมกัน จนมีขนาดใหญ่ขึ้น ๆ ตามลำดับ องค์ประกอบของมันส่วนที่เป็นเหล็กซึ่งมีความหนาแน่นสูง ก็จะจมตัวลงไปรวมกันที่แกน การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีในโลก และความดันที่มากมหาศาลได้ทำให้แกนมีอุณหภูมิสูง จนแกนส่วนนอกมีสภาพเป็นของเหลว และแกนส่วนในมีสภาพเป็นของแข็ง และเมื่อโลกหมุนรอบตัวเองตลอดเวลา การหมุนของโลกได้ทำให้เหล็กเหลวในบริเวณแกนส่วนนอกไหลวนไปมาด้วย และการไหลวนของเหล็กเหลวนี้เอง ที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนคิดว่า คือสาเหตุที่ทำให้โลกมีสนามแม่เหล็กในตัว ถึงแม้ส่วนที่เป็นแกนกลางของโลก จะอยู่ไกลจากมนุษย์ถึง ๒,๘๐๐ กิโลเมตรก็ตาม แต่มันก็มีอิทธิพลต่อมนุษยชาติมาก เพราะการไหลของเหล็กเหลว ที่อยู่ในบริเวณแกนส่วนนอกทำให้โลกมีสนามแม่เหล็ก ที่สามารถปกป้องมิให้อนุภาคคอสมิกจากอวกาศ หรือลมสุริยะจากดวงอาทิตย์ พุ่งมาทำร้ายชีวิตทุกชนิดบนโลกได้ นอกจากนี้ลักษณะการไหลของของเหลวส่วนนี้ ก็ยังมีอิทธิพลต่อการเคลื่อนที่ของทวีปที่ผิวโลก การระเบิดของภูเขาไฟ และความรุนแรงของเหตุการณ์แผ่นดินไหวด้วย ซึ่งปรากฏการณ์เหล่านี้จะร้ายแรงมากหรือน้อยเพียงใด ก็ขึ้นกับว่า แกนกลางของโลกเรานั้นร้อนเพียงใด และนี่ก็คือปัญหาที่นักธรณีฟิสิกส์ปัจจุบันกำลังสนใจ
ในวารสาร Nature ฉบับที่ ๔๐๑ ประจำวันที่ ๓๐ กันยายน ปีกลายนี้ D. Alfe และคณะได้รายงานว่า เขามีวิธีวัดอุณหภูมิของแก่นกลางโลก โดยอาศัยความรู้ที่ว่า เวลาเราลงไปในบ่อเหมือง เราจะรู้สึกว่าอุณหภูมิที่ก้นบ่อสูงกว่าอุณหภูมิที่ปากบ่อ สาเหตุที่เป็นเช่นนี้ เพราะโลกกำลังกำจัดความร้อนออกจากตัวในอัตรา ๔.๒ x ๑๐ ๑๓ จูล/วินาที (๑ จูล คือพลังงานที่มวล ๒ กิโลกรัมมีขณะที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว ๑ เมตร/วินาที) ดังนี้สถานที่ใดที่อยู่ใกล้จุดศูนย์กลางของโลก ก็ย่อมร้อนยิ่งกว่าสถานที่ที่อยู่ไกลจากจุดศูนย์กลางของโลกเป็นธรรมดา แต่ถ้า Alfe ใช้ข้อมูลอุณหภูมิที่แตกต่างกันตั้งแต่ ๒๐-๓๐ องศา ของบ่อเหมืองที่ลึก ๑ กิโลเมตร เขาก็จะพบว่า ภายในระยะทางที่ลึกเพียง ๒๐๐ กิโลเมตร อุณหภูมิจะสูงมากจนหินทั้งหลายละลายกลายเป็นไอหมด แต่ความจริงก็มีว่า ในชั้นที่เป็น mantle นั้น โลกใช้กระบวนการกำจัดความร้อนภายในโลก โดยวิธีการพาความร้อน (convection) ทำให้อุณหภูมิของหินชั้นต่าง ๆ ในโลกไม่สูงมากอย่างที่คิด

เมื่อ Alfe ได้ใช้ข้อมูลทางธรณีฟิสิกส์และธรณีเคมี เขาก็ได้พบว่า บริเวณร่อยต่อระหว่าง mantle กับแกนกลาง มีอุณหภูมิสูงประมาณ ๒,๕๐๐-๓,๐๐๐ องศาเคลวิน (๒,๒๒๗-๒,๗๒๗ องศาเซลเซียส) และเมื่อเขารู้ว่า แกนกลางส่วนใหญ่ของโลกประกอบด้วยเหล็ก ๙๐ เปอร์เซ็นต์ และธาตุเบา เช่น กำมะหยี่ ออกซิเจน และไฮโดรเจนอีก ๑๐ เปอร์เซ็นต์ การมีธาตุอื่นผสมอยู่ด้วยเช่นนี้ ได้ทำให้จุดหลอมเหลวของเหล็กลดต่ำลง ผลการคำนวณที่ได้จากการพิจารณาของผสม ที่มีทั่วเหล็กเหลว และเหล็กแข็งนี้ ทำให้เขารู้ว่า อุณหภูมิที่บริเวณรอยต่อระหว่างแกนส่วนใน กับแกนส่วนนอก เท่ากับ ๖,๖๗๐ +- ๖๐๐ องศาเคลวิน (๖,๓๙๙ +- ๓๒๗ องศาเซลเซียส) อุณหภูมิที่บริเวณรอยต่อระหว่างแกนส่วนนอกกับ mantle สูงประมาณ ๔,๐๐๐ องศาเซลเซียส และอุณหภูมิที่บริเวณรอยต่อระหว่าง mantle กับเปลือกโลกมีค่าประมาณ ๑,๕๐๐ องศาเซลเซียส
นอกจากประเด็นอุณหภูมิที่นักวิทยาศาสตร์สนใจแล้ว ลักษณะการเคลื่อนไหวของแกนส่วนในของโลก ก็เป็นปริศนาที่นักวิทยาศาสตร์กำลังทุ่มเทความพยายามศึกษาเช่นกัน เพราะขัอมูลที่ได้จากการศึกษาคลื่นแผ่นดินไหว ได้ชี้บอกให้นักธรณีฟิสิกส์รู้ว่า แกนส่วนในที่เป็นแหล็กแข็งนั้น กำลังเพิ่มขนาดของมันตลอดเวลา ในอัตรา ๒-๓ ลูกบาศก์เมตร/วินาที ซึ่งกระบวนการเพิ่มขนาดของแกนกลางนี้ ได้เริ่มต้นเมื่อประมาณ ๒,๐๐๐ ล้านปีมาแล้ว นอกจากนี้ในปี ๒๕๓๙ X. Song และ P.G. Richards แห่ง Lamont-Doherty Earth Observatory ที่ Palisades ในรัฐนิวยอร์กก็ได้ ทำให้โลกตะลึง เมื่อเขาทั้งสองรายงานว่า แกนกลางที่เป็นเหล็กแข็ง สามารถหมุนรอบตัวเองได้อย่างอิสระ โดยเฉพาะบริเวณศูนย์สูตรของโลก สามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าเปลือกโลกถึง ๑ แสนเท่า และด้วยความเร็วเช่นนี้ มันจะสามารถหมุนได้ครบหนึ่งรอบภายในเวลาประมาณ ๔๐๐ ปี โดยนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองได้ข้อสรุปนี้ จากการเปรียบเทียบความเร็วของคลื่นแผ่นดินไหว ที่เกิดในบริเวณ South Sandwich Islands หลังเคลื่อนที่ทะลุผ่านแกนกลางของโลก สู่เครื่องรับสัญญาณที่อะแลสกา ในระหว่างปี ๒๕๑๐-๒๕๓๘ และ Xong กับ Richard ก็ได้พบว่า ในบรรดาคลื่นแผ่นดินไหวที่เขาตรวจพบนั้น คลื่นในปี ๒๕๓๘ ใช้เวลาเดินทางน้อยกว่าคลื่นปี ๒๕๑๐ ถึง ๐.๓ วินาที .....และความแตกต่างนี้ เป็นผลที่เกิดจากการที่แกนเหล็กของโลก ได้หมุนไปทำให้ความเร็วของคลื่นที่ผ่านแกนเหล็กเปลี่ยนแปลงไปด้วย และอัตราการหมุนนี้เท่ากับ ๐.๒ องศา/ปี

   ล่าสุด ในวารสาร Nature ฉบับที่ ๔๐๕ หน้า ๔๔๕ ประจำวันที่ ๒๕ พฤษภาคม ปีกลายนี้ J.E. Vidale ได้รายงานการใช้คลื่นแผ่นดินไหว ที่เกิดจากการทดสอบระเบิดปรมาณู ของรัสเซียในไซบีเรียเหนือ ระหว่างปี ๒๕๑๔ กับปี ๒๕๑๗ และใช้สถานีรับสัญญาณคลื่นดังกล่าว ที่มอนทานาในสหรัฐอเมริกา การวิเคราะห์คลื่นแผ่นดินไหว ที่เดินทางจากสถานีทดลองปรมาณู ลงสู่แกนกลางที่เป็นเหล็กแข็ง แล้วสะท้อนกลับสู่สถานีรับสัญญาณ ทำให้เขารู้ว่า แกนกลางโลกหมุนด้วยความเร็วเพียง ๐.๑๕ องศา/ปีเท่านั้นเอง
    โลกมิใช่เป็นดาวเคราะห์ดวงเดียวเท่านั้นที่มีแกนกลางเป็นเหล็กกลวง ดาวอังคาร ดาวศุกร์ ดาวพุธ ก็มีแกนกลางที่เป็นเหล็กเช่นกัน แต่ก็มีเฉพาะโลกกับดาวพุธเท่านั้น ที่มีสนามแม่เหล็กในตัว ทั้งนี้เพราะโลกกับดาวพุธนี้ แกนส่วนนอกที่เป็นเหล็กเหลว ซึ่งการไหลหมุนวนของเหล็กเหลวนี้เอง ที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก แต่ลักษณะการไหลของเหล็กเหลว เป็นรูปแบบใดจึงสามารถทำให้ขั้วแม่เหล็กโลกกลับทิศได้ ในทุก ๒,๐๐๐-๓,๐๐๐ ปีนั้นเรายังไม่มีคำตอบ
    ปริศนาใต้บาดาลประเด็นนี้ จึงยังคงเป็นปริศนาฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่ปริศนาหนึ่ง ที่ควรค่าแก่การสนใจ เพราะเมื่อ ๖๕ ล้านปีมาแล้ว อุกกาบาตได้พุ่งชนโลก และภูเขาไฟทั่วโลกได้ระเบิดอย่างรุนแรง ฝุ่นละออง และเถ้าถ่านได้ถูกพ่นออกมาบดบังแสงอาทิตย์ นานเป็นปี จนทำให้อุณหภูมิของโลกเย็นลง จนในที่สุดไดโนเสาร์ต้องสูญพันธุ์ ทั้งหลายทั้งปวงนี้เป็นผลที่เกิดจากการเคลื่อนไหวของหินเหลวใต้โลกครับ