โครงสร้างของโลก

นวนิยายเรื่อง Journey to the Centre of the Earth ที่ Jules Verne ประพันธ์ไว้ในปี 2107 ได้กล่าวถึงศาสตราจารย์ Hardwigg และหลานชายชื่อ Harry ว่าได้เดินทางด้วยจรวดเข้าไปในโลกโดยลงทางปากปล่องภูเขาไฟ คนทั้งสองได้พบเห็นเหตุการณ์ที่พิลึกและพิสดารมากมาย แต่จินตนาการที่ Verne คิด กับวิธีที่นักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันใช้ในการศึกษาโครงสร้างของโลกนั้นแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง

จริงอยู่ที่ระยะทางจากกรุงเทพฯ ถึงจุดศูนย์กลางของโลก ใกล้กว่าระยะทางจากกรุงเทพฯ ถึงลอสแองเจลิส แต่การเดินทางจากกรุงเทพฯ ถึงจุดศูนย์กลางของโลกทำได้ยากลำบากกว่าการเดินทางด้วยเครื่องบินไปลอสเองเจลิสเป็นล้านล้านล้านเท่า ความยากลำบากนี้อาจจะเปรียบได้กับความพยายามที่จะเดินทางสู่กาแล็กซีอื่น ทั้งนี้เพราะปัจจุบันมนุษย์สามารถขุดเจาะโลกได้ลึกเพียง 12 กิโลเมตรเท่านั้นเอง ในขณะที่รัศมีโลกมีความยาวถึง 6,367 กิโลเมตร ถึงมนุษย์ยังไม่ประสบความสำเร็จในการขุดโลกได้ลึกมากก็ตาม แต่นั่นก็ไม่ได้หมายความว่ามนุษย์จะไม่มีทางล่วงรู้โครงสร้างภายในโลก

ในปี 2208 Athanasia Kircher ได้เคยมีจินตนาการว่า ที่ศูนย์กลางของโลกมีภูเขาไฟขนาดใหญ่ และเปลวไฟจากลูกไฟจะลอยผ่านชั้นหิน และดินจากใต้โลกขึ้นมาทำให้ภูเขาไฟระเบิด แต่ Edmond Halley คิดว่าโลกประกอบด้วยทรงกลมหนาที่เรียงซ้อนกันเป็นชั้นๆ และเวลาก๊าซที่แฝงอยู่ในโลกเล็ดลอดออกสู่ขั้วโลกเหนือ เราก็จะเห็นแสงเหนือ (aurora borealis) นอกจากนี้ Halley ก็ยังคิดว่าความหนาแน่นของหินและดินในโลกมีค่าสม่ำเสมอตลอดทั้งโลก แต่เมื่อ Isaac Newton พบกฎแรงดึงดูดโน้มถ่วง และนักวิทยาศาสตร์ได้ใช้กฎนี้คำนวณความหนาแน่นของโลก เขาได้พบว่ายิ่งลึก ความหนาแน่นของหินก็ยิ่งสูง ดังนั้นโครงสร้างโลกในมุมมองของ Halley จึงผิด Lord Kelvin เป็นนักวิทยาศาสตร์อีกคนหนึ่งที่สนใจเรื่องโครงสร้างของโลก เมื่อ Kelvin รู้ว่าอุณหภูมิของโลกกำลังลดลงๆ ตลอดเวลา เขาจึงใช้ข้อมูลและทฤษฎีเรื่องอัตราการเย็นตัวของของแข็ง คำนวณพบว่าโลกมีอายุระหว่าง 20-100 ล้านปี ซึ่งตัวเลขนี้ Charles Darwin คิดว่าเป็นตัวเลขที่น้อยผิดปรกติ เพราะทฤษฎีวิวัฒนาการของ Darwin ทำนายว่าสิ่งมีชีวิตได้ถือกำเนิดบนโลกมานานกว่านั้นมาก และสำหรับแนวคิดของ Kelvin ที่ว่า โลกมีโครงสร้างเป็นทรงกลมตันนั้น Alfred Wegener ก็ไม่เห็นด้วย เพราะเขาคิดว่าผิวโลกที่เป็นเปลือกทวีป สามารถเลื่อนไหลไปมาได้ ถึงแม้จะเคลื่อนไปในอัตราช้าประมาณ 2 เซนติเมตร/ปี ก็ตาม จนถึงเมื่อประมาณ 40 ปีมานี้เอง ทฤษฎี plate tectonics ของ Wegener ก็ได้รับการพิสูจน์ยืนยันแล้วว่าถูกต้องและเป็นจริง

ทุกวันนี้ ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ได้ช่วยให้เรารู้ว่า โลกมีโครงสร้างภายในที่ค่อนข้างซับซ้อน และบริเวณส่วนต่างๆ ของโลกมีการเคลื่อนไหวตลอดเวลา เช่น ชนกัน แยกจากกันเคลื่อนที่ทับกัน

ข้อมูลสำรวจได้ช่วยให้นักธรณีวิทยาแบ่งโครงสร้างภายในของโลกเป็นชั้นๆ ได้ดังนี้ คือ ชั้นนอกสุด คือเปลือกโลก (crust) ซึ่งเป็นแผ่นดินของทวีป และแผ่นน้ำที่เป็นมหาสมุทร เปลือกโลกทมีความหนาตั้งแต่ 15-120 กิโลเมตร ใต้เปลือกโลกลงไปเป็นชั้นกลางเรียก mantle โลกส่วนนี้หนาประมาณ 2,800 กิโลเมตร และมีความหนาแน่นมาก เพราะประกอบด้วยแร่ซิลิเกต เหล็ก และแมกนีเซียมเป็นส่วนใหญ่ ส่วนชั้นในสุดเรียก แก่นกลาง (core) ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ในสมัย Verne เคยคิดว่าเป็นของเหลวประเภทลาวาภูเขาไฟ แต่ Verne คิดว่าเป็นของแข็ง ซึ่งจินตนาการของ Verne ได้รับคำยืนยันโดยนักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันว่าถูก เพราะแก่นกลางของโลกมีสองส่วน คือ แก่นส่วนนอก (outer core) ที่เป็นเหล็กเหลว ชั้นนี้หนาประมาณ 2,100 กิโลเมตร และแก่นส่วนใน (inner core) ซึ่งเป็นเหล็กแข็ง มีรัศมียาวประมาณ 1,200 กิโลเมตร นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อมูลเหล่านี้จากการใช้เทคนิค seismic tomography อันเป็นวิธีเดียวกับแพทย์ใช้ในการตรวจอวัยวะภายในของร่างกายคนไข้เพื่อตรวจหาเนื้องอก การรวบรวมข้อมูลการสั่นสะเทือนของแผ่นดินที่เกิดขึ้นบนโลกไม่ต่ำกว่า 1 ล้านครั้งต่อปี จากสถานีสำรวจกว่า 3,000 สถานีทั่วโลกแล้วนำมาประมวล โดยใช้คอมพิวเตอร์สมรรถภาพสูงสังเคราะห์ข้อมูลเหล่านั้น จะทำให้ได้แบบจำลองสามมิติของโลกในที่สุด

ภาพที่ได้แสดงให้เห็นว่าแก่นในของโลกประกอบด้วยเหล็กเป็นส่วนใหญ่ และเมื่อแก่นนี้มีอุณหภูมิสูงถึง 6,000 องศาเซลเซียส และอยู่ภายใต้ความดันที่สูงถึง 300 ล้านบรรยากาศ ธรรมชาติที่แท้จริงของแก่นส่วนในจึงอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ไม่ธรรมดาแต่จะเป็นเช่นไร เป็นปริศนาที่นักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันกำลังแสวงหาคำตอบอยู่ นอกจากคำถามประเด็นนี้แล้ว ปริศนาอื่นๆ เช่น เหตุใดขั้วโลกเหนือและใต้ของแม่เหล็กโลกจึงกลับขั้วกันได้ ชั้นต่างๆ ของโลกเคลื่อนที่สัมพัทธ์กันอย่างไร และเราจะรู้อุณหภูมิที่จุดศูนย์กลางของโลกอย่างไร เหล่านี้คือปัญหาที่นักธรณีวิทยาปัจจุบันกำลังศึกษาอยู่

เมื่อ 4,600 ล้านปีก่อน ขณะโลกถือกำเนิดจากการจับตัวของฝุ่นละอองในก๊าซร้อนที่อยู่รอบดวงอาทิตย์ แรงดึงดูดโน้มถ่วงได้ทำให้เม็ดฝุ่นเกาะตัวรวมกันจนมีขนาดใหญ่ขึ้นๆ และเมื่อเม็ดฝุ่นขนาดใหญ่ชนกัน ความร้อนที่เกิดจากการปะทะกันอย่างรุนแรงได้ทำให้มันหลอมรวมกันจนมีขนาดใหญ่ขึ้นๆ ตามลำดับ องค์ประกอบที่เป็นเหล็กซึ่งมีความหนาแน่นสูง จะจมตัวลงไปรวมกันที่แก่นกลาง การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีในโลกและความดันที่มากมหาศาลได้ทำให้แก่นมีอุณหภูมิสูง จนแก่นส่วนนอกมีสภาพเป็นของเหลว และแก่นส่วนในมีสภาพเป็นของแข็ง เมื่อโลกหมุนรอบตัวเองตลอดเวลา การหมุนของโลกทำให้เหล็กเหลวในบริเวณแก่นส่วนนอกไหลวนไปมา การไหลวนของเหล็กเหลวนี้เองที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนคิดว่า คือสาเหตุที่ทำให้โลกมีสนามแม่เหล็ก และแม้ส่วนที่เป็นแก่นกลางของโลกจะอยู่ไกลจากมนุษย์ถึง 2,800 กิโลเมตรก็ตาม แต่มันก็มีอิทธิพลต่อมนุษย์มาก เพราะการไหลของเหล็กเหลวที่อยู่ในบริเวณแก่นส่วนนอกทำให้โลกมีสนามแม่เหล็กที่สามารถปกป้องมิให้อนุภาคคอสมิกจากอวกาศหรือพายุสุริยะจากดวงอาทิตย์ พุ่งมาทำร้ายชีวิตบนโลกได้ นอกจากนี้ลักษณะการไหลของของเหลวในส่วนนี้ก็ยังมีอิทธิพลต่อการเคลื่อนที่ของทวีปที่ผิวโลก การระเบิดของภูเขาไฟ และความรุนแรงของเหตุการณ์แผ่นดินไหวด้วย ซึ่งปรากฏการณ์เหล่านี้จะรุนแรงมากหรือน้อยก็ขึ้นกับว่า แก่นกลางของโลกร้อนเพียงใด และปัญหานี้ก็คือปัญหาที่นักธรณีฟิสิกส์ปัจจุบันกำลังสนใจ

ในวารสาร Nature ฉบับที่ 401 ประจำวันที่ 30 กันยายน 2549 D. Alfè และคณะได้รายงานวิธีวัดอุณหภูมิของแกนกลางโลก โดยอาศัยความรู้ที่ว่าเวลาเราลงไปในบ่อเหมือง เราจะรู้สึกว่าอุณหภูมิที่ก้นบ่อสูงกว่าอุณหภูมิที่ปากบ่อ สาเหตุที่เป็นเช่นนี้เพราะโลกกำลังกำจัดความร้อนออกจากตัวในอัตรา 4.2 x 1013 จูล/วินาที (1 จูล คือ พลังงานที่มวล 2 กิโลกรัมมีขณะที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 1 เมตร/วินาที) ดังนั้นสถานที่ใดที่อยู่ใกล้จุดศูนย์กลางของโลก ก็ย่อมร้อนยิ่งกว่าที่ที่อยู่ไกลจากจุดศูนย์กลางของโลก แต่ถ้า Alfè ใช้ข้อมูลอุณหภูมิที่แตกต่างกันตั้งแต่ 20-30 องศา ของบ่อเหมืองที่ลึก 1 กิโลเมตร เขาก็จะพบว่า ภายในระยะทางที่ลึกเพียง 200 กิโลเมตร อุณหภูมิจะสูงมากจนหินทั้งหลายละลายกลายเป็นไอหมด แต่ความจริงก็มีว่า ในชั้นที่เป็น mantle นั้น โลกใช้กระบวนการกำจัดความร้อนภายในโลก โดยวิธีการพาความร้อน (convection) อุณหภูมิของหินชั้นต่างๆ ในโลกจึงไม่สูงมากอย่างที่คิด

เมื่อ Alfè สังเคราะห์ข้อมูลทางธรณีฟิสิกส์และธรณีเคมี เขาก็ได้พบว่า บริเวณรอยต่อระหว่าง mantle กับแก่นกลางมีอุณหภูมิสูงประมาณ 2,500-3,000 เคลวิน และเมื่อเขารู้ว่าแก่นกลางส่วนในของโลกประกอบด้วยเหล็ก 90% และธาตุเบา เช่น กำมะถัน ออกซิเจน และไฮโดรเจนอีก 10% การมีธาตุอื่นผสมอยู่ทำให้จุดหลอมเหลวของเหล็กลดลง ผลการคำนวณที่ได้จากการพิจารณาของผสมที่มีทั้งเหล็กเหลวและเหล็กแข็ง ทำให้เขารู้ว่าอุณหภูมิที่บริเวณรอยต่อระหว่างแก่นส่วนในกับแก่นส่วนนอก เท่ากับ 6,670 ± 600 เคลวิน อุณหภูมิที่บริเวณรอยต่อระหว่างแก่นส่วนนอกกับ mantle สูงประมาณ 4,000 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิที่บริเวณรอยต่อระหว่าง mantle กับ เปลือกโลกมีค่าประมาณ 1,500 องศาเซลเซียส

นอกจากประเด็นอุณหภูมิที่นักวิทยาศาสตร์สนใจแล้วลักษณะการเคลื่อนไหวของแก่นส่วนในของโลกก็เป็นปริศนาที่นักวิทยาศาสตร์กำลังทุ่มเทความพยายามศึกษาอยู่ เพราะข้อมูลที่ได้จากการศึกษาคลื่นแผ่นดินไหว ได้ชี้ให้นักธรณีวิทยารู้ว่า แก่นส่วนในที่เป็นเหล็กแข็งกำลังเพิ่มขนาดตลอดเวลา ในอัตรา 2-3 ลูกบาศก์เมตร/วินาที ซึ่งกระบวนการเพิ่มขนาดของแก่นกลางนี้ ได้เริ่มเมื่อประมาณ 2,000 ล้านปีมาแล้ว นอกจากนี้ในปี 2534 X. Song และ P.G. Richards แห่ง Lamont Doherty Erath Observatory ที่ Palisades ในรัฐนิวยอร์ก ได้ทำให้โลกตะลึง เมื่อทั้งสองรายงานว่า แก่นกลางที่เป็นเหล็กแข็งสามารถหมุนรอบตัวเองได้อย่างอิสระ โดยเฉพาะบริเวณศูนย์สูตรสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าเปลือกโลกถึง 1 แสนเท่า และด้วยความเร็วเช่นนี้ มันจะสามารถหมุนได้ครบหนึ่งรอบภายในเวลาประมาณ 400 ปี โดยนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองได้ข้อสรุปนี้จากการเปรียบเทียบความเร็วของคลื่นแผ่นดินไหวที่เกิดในบริเวณ South Sandwich Islands แล้วทะลุผ่านแก่นกลางของโลกสู่เครื่องรับสัญญาณที่ Alaska ในระหว่างปี 2510-2538 และ Song กับ Richards ได้พบว่า ในบรรดาคลื่นแผ่นดินไหวทั้ง 38 คลื่นที่เขาตรวจสอบนั้น คลื่นในปี 2538 ได้ใช้เวลาเดินทางน้อยกว่าคลื่นปี 2510 ถึง 0.3 วินาที ซึ่งตัวเลขที่แตกต่างกันนี้ Song อธิบายว่า เกิดจากการที่แกนเหล็กของโลกได้หมุนไป ทำให้ความเร็วของคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านแก่นเหล็กเปลี่ยนไปด้วย และอัตราการหมุนรอบตัวเองของแก่นเหล็กเท่ากับ 0.2 องศา/ปี

ในวารสาร Nature ฉบับที่ 405 หน้า 445 ประจำวันที่ 25 พฤษภาคม ปี 2540 J.E. Vidale ได้รายงานการใช้คลื่นแผ่นดินไหวที่เกิดจากการทดสอบระเบิดปรมาณูของรัสเซียในไซบีเรียเหนือ ในระหว่างปี 2514 กับปี 2517 และใช้สถานีรับสัญญาณคลื่นดังกล่าวที่ Montana ในสหรัฐอเมริกา การวิเคราะห์คลื่นแผ่นดินไหวที่เดินทางจากสถานที่ทดลองปรมาณูสู่แก่นกลางที่เป็นเหล็กแข็ง แล้วสะท้อนกลับสู่สถานีรับสัญญาณ ทำให้เขารู้ว่า แก่นกลางโลกหมุนด้วยความเร็วเพียง 0.15 องศา/ปีเท่านั้นเอง

โลกมิใช่เป็นดาวเคราะห์ดวงเดียวเท่านั้นที่มีแก่นกลางเป็นเหล็กกลม ดาวอังคาร ดาวศุกร์ ดาวพุธ ก็มีแก่นกลางที่เป็นเหล็กเช่นกัน แต่มีเฉพาะโลกกับดาวพุธเท่านั้นที่มีสนามแม่เหล็กในตัว ทั้งนี้เพราะโลกกับดาวพุธมีแก่นส่วนนอกที่เป็นเหล็กเหลว ซึ่งการไหลหมุนวนของเหล็กเหลวนี้เองที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก แต่ลักษณะการไหลของเหล็กเหลวจะเป็นรูปแบบใดจึงสามารถทำให้ขั้วแม่เหล็กโลกกลับทิศได้ในทุก 2,000-3,000 ปีนั้น นักวิทยาศาสตร์ยังไม่มีคำตอบ

ปริศนาใต้บาดาลประเด็นนี้จึงยังคงเป็นปริศนาที่ยิ่งใหญ่ปริศนาหนึ่งที่ควรค่าแก่การสนใจ เพราะเมื่อ 65 ล้านปีมาแล้ว อุกกาบาตได้พุ่งชนโลกและภูเขาไฟทั่วโลกได้ระเบิดอย่างรุนแรง ฝุ่นละอองและเถ้าถ่านถูกพ่นออกมาบดบังแสงอาทิตย์นานเป็นปี ทำให้อุณหภูมิของโลกเย็นลงจนในที่สุดไดโนเสาร์ต้องสูญพันธุ์ ทั้งหลายทั้งปวงนี้เป็นผลที่เกิดจากการระเบิดของภูเขาไฟที่เกิดจากการเคลื่อนไหวของหินเหลวใต้โลกครับ

สุทัศน์ ยกส้าน เมธีวิจัยอาวุโส สกว.