ธารน้ำแข็งกับอุณหภูมิของโลกเมื่อหลายล้านปีก่อน

ธารน้ำแข็ง (glacier) เป็นมวลน้ำแข็งขนาดใหญ่ที่ปกคลุมพื้นดินแถบขั้วโลก หรือยอดเขาสูง ตามปกติเกิดจากหิมะที่ตกในปริมาณมาก และได้กดทับถมเป็นเวลานานหลายล้านปี จนเกล็ดหิมะถูกอัดแน่นเป็นก้อนน้ำแข็งขนาดใหญ่ แม้จะเป็นสิ่งไม่มีชีวิต แต่ก็สามารถเคลื่อนที่ได้ โดยอาศัยแรงโน้มถ่วงของโลกดึงดูดมวลน้ำแข็งให้เคลื่อนที่อย่างช้าๆ ลงตามไหล่เขา ผ่านหุบเหวและพื้นราบจนกระทั่งถึงทะเลหรือมหาสมุทร ครั้นเมื่อน้ำแข็งสัมผัสกับน้ำทะเลที่มีอุณหภูมิสูงกว่า ธารน้ำแข็งก็จะแตกตัว แยกออกเป็นก้อนน้ำแข็งที่มีขนาดใหญ่บ้าง และเล็กบ้าง ลอยละล่องไปในทะเลเป็นก้อนน้ำแข็งในทะเล (sea-ice) และภูเขาน้ำแข็ง (iceberg) ที่อาจเป็นอันตรายต่อเรือเดินทะเลที่พุ่งชน ดังในกรณีเรือเดินสมุทร Titanic ที่จมลงในปี 1912 พร้อมชีวิตผู้โดยสารร่วม 1,400 คน

ตามคำจำกัดความนี้ ธารน้ำแข็งขนาดใหญ่จึงมีพบที่บริเวณขั้วโลกทั้งสอง คือ ทวีป Arctic กับทวีป Antarctica, เทือกเขา Himalayas, เกาะ Greenland, บริเวณทางตอนเหนือของรัฐ Alaska, ใน Canada, ไซบีเรีย, บนเทือกเขา Alps, เทือกเขา Andes ในอเมริกาใต้ และที่ยอดเขา Kilimanjaro ในแอฟริกา รวมถึงบนยอดเขาสูงต่างๆ ของทวีปเอเชีย ในประเทศ Pakistan, Tajikistan, Uzbekistan, Kyrgyzstan และในแคว้น Xinjiang ของจีน เป็นต้น

ตามปกติ เมื่ออุณหภูมิของอากาศเพิ่มสูงขึ้น น้ำแข็งซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของธารน้ำแข็งจะละลาย โดยเฉพาะที่ผิวบนและล่างของธารน้ำแข็งจะกลายเป็นน้ำเหลวแล้ว ธารน้ำแข็งจะค่อยๆ กลายสภาพเป็นธารน้ำเหลว และเคลื่อนตัวอย่างช้าๆ ได้ระยะทางประมาณวันละเมตร (ดังนั้น ถ้าไม่เฝ้าติดตามสังเกต มันก็ดูเสมือนไม่เลื่อนตัวเลย)

เมื่อเดือนกุมภาพันธ์ปี 2019 คณะนักวิทยาศาสตร์ที่สนใจเรื่องธารน้ำแข็ง (glacier scientist หรือ glaciologist) ภายใต้การนำของ Erin Pettitt แห่งมหาวิทยาลัย Oregon State ที่เมือง Corvallis ในประเทศสหรัฐอเมริกา ได้สังเกตเห็นธารน้ำแข็งชื่อ Thwaites ซึ่งอยู่ที่ขอบทางทิศตะวันตกของทวีปแอนตาร์กติกา และอยู่ห่างจากขั้วโลกใต้ประมาณ 1,000 กิโลเมตร กำลังจะแตกแยกออกจากมวลน้ำแข็งใหญ่ที่ปกคลุมแอนตาร์กติกาทั้งทวีป

เพราะธารน้ำแข็ง Thwaites มีพื้นที่ผิวทั้งหมดเท่าเกาะอังกฤษ ดังนั้น ความกังวลจึงเกิดขึ้นเมื่อคณะวิจัยตระหนักว่า ถ้าธารน้ำแข็ง Thwaites ละลายหมด ระดับน้ำทะเลทั่วโลกจะเพิ่มสูงขึ้นถึง 65 เซนติเมตร

ในที่ประชุมของสมาคม American Geophysical Union ที่เมือง San Diego ในรัฐ California ประเทศสหรัฐอเมริกา เมื่อต้นเดือนกุมภาพันธ์ที่ผ่านมา ทีมวิจัยภายใต้การนำของ Pettitt ได้รายงานการศึกษาธรรมชาติของธารน้ำแข็ง Thwaites ซึ่งนับเป็นส่วนหนึ่งของโครงการใหญ่ International Thwaites Glacier Collaboration โดยได้ศึกษาธรรมชาติของน้ำทะเลใต้ธารน้ำแข็ง ซึ่งโผล่ยื่นออกไปในทะเลเป็นระยะทางประมาณ 100 กิโลเมตรทำให้พบว่า มีกระแสน้ำอุ่นพุ่งปะทะธารน้ำแข็งตลอดเวลา และอิทธิพลของกระแสน้ำนี้เมื่อผนวกเข้ากับอิทธิพลของโลกร้อนจะทำให้ธารน้ำแข็งละลายเร็วยิ่งขึ้นไปอีก

โครงการวิจัยสำรวจธารน้ำแข็งยังได้ส่งหุ่นยนต์ ชื่อ Rán (ตามชื่อของเทพธิดาแห่งมหาสมุทรในเทพนิยายของชาว Viking) ลงไปใต้ธารน้ำแข็ง Thwaites เพื่อเก็บข้อมูลใต้น้ำและที่ท้องทะเลด้วย และได้พบว่า ธารน้ำแข็ง Thwaites ประกอบด้วย แผ่นน้ำแข็ง 2 ส่วน คือ ส่วนตะวันออกที่เคลื่อนที่ได้ระยะทาง 600 เมตร/ปี กับส่วนตะวันตกที่เคลื่อนที่ได้ระยะทาง 2,000 เมตร/ปี การมีกระแสน้ำอุ่นไหลผ่านใต้ธารน้ำแข็ง จะทำให้ธารน้ำแข็งส่วนตะวันออกแตกแยกออกมาก่อน

ด้านนักธรณีวิทยาในโครงการวิจัยก็มุ่งศึกษาเหตุการณ์แผ่นดินไหวที่ส่งคลื่นกระทำต่อธารน้ำแข็ง จึงได้เจาะรูลงไปในน้ำแข็งเป็นระยะทางประมาณ 300 เมตร แล้วติดตั้งอุปกรณ์ตรวจรับคลื่นแผ่นดินไหวที่จะเกิดขึ้นในอนาคต เพราะถ้าเกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหวที่รุนแรง ธารน้ำแข็งก็จะแตกเร็วกว่าปกติ

ทีมวิจัยยังใช้เรดาร์ศึกษาโครงสร้างและลักษณะการเคลื่อนที่ของธารน้ำแข็ง โดยใช้ระบบ GPS (Global Positioning System) ศึกษาธรรมชาติของธารน้ำแข็ง ณ เวลาต่างๆ เพื่อวิเคราะห์ความเร็วของธารน้ำแข็ง และปริมาตรของธารน้ำแข็ง เพราะทันทีที่รู้ความหนาแน่นและปริมาตรของน้ำแข็ง การคำนวณหามวลของธารน้ำแข็งก็ไม่มีปัญหา ดังนั้น การรู้มวลของธารน้ำแข็ง ณ เวลาต่างๆ จะให้ข้อมูลเกี่ยวกับอัตราการละลายของน้ำแข็งว่า ในอนาคต ธารน้ำแข็ง Thwaites จะมีสภาพเช่นไร น้ำแข็งละลายหมดเมื่อไร และภัยน้ำทะเลที่จะท่วมเมืองที่ตั้งอยู่ตามชายฝั่งจะเกิดขึ้นหรือไม่ และจะรุนแรงเพียงใด

นอกจากภัยธารน้ำแข็งละลายจะสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำทะเลทั่วโลกแล้ว คณะสำรวจในโครงการ Thwaites ยังได้รายงานการเห็นเกาะใหม่เกาะหนึ่งที่ไม่มีใครเคยเห็นมาก่อน โผล่ขึ้นเหนือผิวน้ำด้วย ซึ่งเห็นโดยกะลาสีของเรือ Nathaniel B. Palmer ขณะออกสำรวจทะเลนอกธารน้ำแข็ง Thwaites

เกาะใหม่นี้ปรากฏเป็นเนินเขาที่ไม่สูงมาก มียอดเขาที่ปกคลุมด้วยธารน้ำแข็งขนาดใหญ่พอให้ดาวเทียมถ่ายภาพได้ สาเหตุที่ไม่มีใครเคยเห็นเกาะนี้มาก่อน เพราะยังไม่มีเรือสำรวจใดๆ เคยเดินทางไปใกล้บริเวณนั้นเลย และสาเหตุที่ทำให้เกาะถือกำเนิด คือ เมื่อน้ำแข็งส่วนหนึ่งของธารน้ำแข็ง Thwaites ละลาย ความดันที่ธารน้ำแข็งกดลงบนแผ่นดินเบื้องล่างได้ลดลง เนื้อดินแถบนั้นจึงกระดอนกลับ ดันเนื้อดิน และหินขึ้นเหนือผิวน้ำ ทำให้เกิดเกาะใหม่

การเก็บหินตัวอย่างที่พบบนเกาะใหม่มาวิเคราะห์ได้บอกให้นักวิทยาศาสตร์รู้ว่า เปลือกโลกแถบนั้นลอยตัวขึ้นรวดเร็วหรือช้าเพียงใด ข้อมูลที่ได้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถพยากรณ์ลักษณะการเปลี่ยนแปลงของธารน้ำแข็ง Thwaites ได้ดีขึ้น เพราะถ้าดินคืนสภาพเร็ว แรงกระแทกจะทำให้มวลน้ำแข็งแตกตัวเร็ว และในเวลาเดียวกัน แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นก็จะทำให้ธารน้ำแข็งเคลื่อนที่ช้าลงด้วย

ดังนั้นจึงดูเสมือนว่า ความรู้ที่ได้จากเกาะเล็กๆ เกาะหนึ่งอาจตอบคำถามเกี่ยวกับอนาคตของธารน้ำแข็งขนาดใหญ่ได้ว่า Thwaites จะทำให้น้ำท่วมโลกหรือไม่

ความรู้อีกประเด็นหนึ่งที่เราจะได้จากการศึกษาธารน้ำแข็งทั่วไป คือ ข้อมูลประวัติบรรยากาศของโลกย้อนหลังไปนับล้านปี ดังที่ได้กล่าวแล้วว่า ธารน้ำแข็งแถบขั้วโลกเกิดจากการตกทับถมของหิมะเป็นเวลานับล้านปี น้ำหนักของหิมะที่กดทับทำให้มันอัดกันแน่น กระนั้นในบริเวณที่วางระหว่างเกล็ดหิมะจะมีฟองอากาศแทรกอยู่ด้วยเสมอ ยิ่งหิมะตกในอดีตนานเพียงใด ฟองอากาศก็ยิ่งอยู่ลึกจากผิวธารน้ำแข็งมากเพียงนั้น ดังนั้นการขุดเจาะธารน้ำแข็งลงไปที่ระดับลึกต่างๆ จะทำให้ได้ฟองอากาศที่มีอายุหลากหลาย การรู้องค์ประกอบของบรรยากาศ ณ เวลาต่างๆ จึงทำให้เรามีความรู้เกี่ยวกับสภาพทางภูมิศาสตร์และบรรยากาศโลก ณ เวลานั้นด้วย ข้อมูลที่ได้จากการวิเคราะห์องค์ประกอบของฟองอากาศ จึงแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของแก๊สเรือนกระจกกับอุณหภูมิของโลกตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน และโอกาสความเป็นไปได้ของอุณหภูมิโลกในอนาคต

รายงานการวิเคราะห์ฟองอากาศในน้ำแข็งอายุ 2.7 ล้านปีที่ขุดลงไปในบริเวณ Allan Hills ซึ่งอยู่ห่างจากสถานีสำรวจ McMurdo ไปทางทิศตะวันออกของทวีปแอนตาร์กประมาณ 200 กิโลเมตรแสดงให้เห็นว่า ณ เวลานั้นความเข้มข้นของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์มีไม่เกิน 300 ส่วนจากหนึ่งล้านส่วน จึงนับว่าต่ำกว่าความเข้มข้นของ CO₂ ในปัจจุบันมาก

ในส่วนของอุณหภูมิ โลกในอดีตนั้น ธารน้ำแข็งก็สามารถให้ข้อมูลได้เช่นกัน แม้จะมิใช่ข้อมูลตรงก็ตาม เพราะเป็นข้อมูลอ้อมที่ได้จากการวัดปริมาณไอโซโทปของธาตุบางชนิดที่มีในน้ำแข็ง

เราทุกคนรู้ว่าน้ำประกอบด้วยโมเลกุลที่มีอะตอม 2 ชนิด คือ ไฮโดรเจน (H) 2 อะตอมกับออกซิเจน (O) 1 อะตอม แต่ไอโซโทปที่สามารถให้ข้อมูล อุณหภูมิอากาศในอดีตได้ คือ ไอโซโทปของออกซิเจน อันได้แก่ ¹⁶O (ซึ่งนิวเคลียสมีโปรตอน 8 อนุภาคและนิวตรอน) กับ ¹⁸O (ซึ่งนิวเคลียสมีโปรตอน 8 อนุภาคและนิวตรอน 10 อนุภาค) และไอโซโทปของไฮโดรเจน ¹H (ซึ่งนิวเคลียสมีโปรตอน 1 อนุภาค และไม่มีนิวตรอนเลย) กับ ²H (ซึ่งนิวเคลียสมีโปรตอน 1 อนุภาค กับนิวตรอน 1 อนุภาค) และในบางโอกาส ²H มีชื่อเรียกว่า deuterium (D)

ครั้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์ใช้อุปกรณ์ชื่อ mass spectrometer วัดอัตราส่วนระหว่างไอโซโทปต่างๆ ที่มีในน้ำแข็ง วัยที่มีในน้ำทะเลโดยเฉลี่ย SMOW (จากคำเต็ม standard mean ocean water) ก็จะรู้อุณหภูมิ อากาศในช่วงเวลาที่เกิดน้ำแข็งได้

เพราะในช่วงที่อุณหภูมิลดต่ำมาก จนเกิดยุคน้ำแข็ง อัตราส่วนระหว่าง ¹⁸O และ ²H กับค่าเฉลี่ย SMOW จะมีค่าน้อย ซึ่งเป็นผลที่แสดงว่าการระเหยโมเลกุลของน้ำที่มี ¹⁸O กับ ²H ต้องใช้พลังงานมาก ดังนั้นเมื่ออากาศชื้นถูกพัฒนาไปทางขั้วโลกอุณหภูมิจะลดทำให้น้ำที่ประกอบด้วย ¹⁸O กับ ²H ไม่มีโอกาสเป็นหิมะตกที่ขั้วโลก

การรู้ค่าความแตกต่างของ ¹⁸O หรือ ²H ที่อยู่ในน้ำแข็งที่ระยะลึกต่างๆ จึงสามารถให้ข้อมูลการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิโลกได้ และทำให้เรารู้ว่า โลกได้ผ่านยุคน้ำแข็งมาหลายครั้ง โดยแต่ละครั้งกินเวลาประมาณ 1 แสนปี

และเมื่อเปรียบเทียบกับข้อมูลก็พบว่า เมื่อ 50 ล้านปีก่อนระดับ CO₂ ในบรรยากาศมีมากถึง 1,000 ส่วนในล้านส่วน และระดับน้ำทะเลในเวลานั้นสูงกว่าระดับปัจจุบันถึง 50 เมตร แต่หลังจากนั้นระดับ CO2 ก็เริ่มลดอย่างช้าๆ เพราะสิ่งมีชีวิตในทะเลเริ่มถือกำเนิด และได้ใช้ CO₂ ในการสังเคราะห์อาหารด้วยแสง ทำให้อุณหภูมิของโลกเริ่มลดลง ความหนาของธารน้ำแข็งบนทวีปแอนตาร์กติกาเริ่มเพิ่มขึ้น จนกระทั่งถึงเมื่อ 3-4 ล้านปีก่อน ระดับของ CO₂ ได้ลดลงเหลือ 290 ส่วนในล้านส่วน จากนั้น ชั้วโลกเหนือก็มีธารน้ำแข็งปกคลุมอย่างถาวร

ดังนั้นเราจึงเห็นได้ว่าถ้า ระดับ CO₂ ในอากาศและอุณหภูมิลดลงด้วยกัน ธารน้ำแข็งจะเพิ่มปริมาตร และระดับน้ำทะเลจะลด แต่เมื่อระดับ CO₂ และอุณหภูมิเพิ่มด้วยกัน อากาศจะอบอุ่น และระดับน้ำทะเลจะเพิ่ม

แต่โลกยังมีอีกปริศนาหนึ่งที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์งุนงง นั่นคือ ขั้วโลกทั้งสองขั้วของเรามีพฤติกรรมต่างกัน เพราะในเขตอาร์กติก ตั้งแต่ปี 1970 เป็นต้นมา กว่าครึ่งหนึ่งของก้อนน้ำแข็งในทะเลได้ละลายไปหมด เพราะโลกร้อนขึ้น แต่ในเขตแอนตาร์กติกา ปริมาณก้อนน้ำแข็งในทะเลกลับมีค่าคงตัว คือ ไม่เปลี่ยนแปลง แต่กลับเพิ่มมากเป็นระยะๆ คือ มากในปี 2012, 2013 และ 2014 ครั้นเมื่อถึงปี 2017 ปริมาณน้ำแข็งกลับลดมากที่สุด คือ น้อยกว่าค่าเฉลี่ยถึง 27%

การขยายตัวและหดตัวของปริมาณน้ำแข็งในทะเลตามอุณหภูมิที่ลดและเพิ่มเช่นนี้ได้มีอิทธิพลต่อวิวัฒนาการของมนุษย์มานานหลายล้านปีแล้ว เพราะอารยธรรมของมนุษย์ขึ้นกับสภาพดินฟ้าอากาศ สภาพแวดล้อม และความมั่นคงทางอาหาร และการเมือง ดังนั้นถ้าโลกร้อนขึ้นๆ และน้ำแข็งขั้วโลกกำลังละลายไปๆ ในที่สุดโลกนี้ก็จะไม่มีน้ำแข็งเหลืออยู่เลย แล้วอะไรจะเกิดขึ้น

รายงานของ United Nation Inter-governmental Panel on Climate Change (IPCC) เมื่อปี 2019 ในส่วนที่เกี่ยวกับสภาวะของมหาสมุทรและขั้วโลก ภายใต้อิทธิพลของภาวะอากาศที่เปลี่ยนแปลง ได้ข้อสรุปว่า น้ำแข็งที่ขั้วโลกเหนือกำลังลดปริมาตร เพราะโลกร้อนขึ้นๆ

ส่วนข้อมูลที่ได้จากศูนย์หิมะและน้ำแข็งแห่งชาติ (National Snow and Ice Data Center) ของอเมริกาแสดงให้เห็นว่าปริมาณน้ำแข็งในทะเลเขตอาร์กติกเมื่อปี 2019 มีน้อยที่สุดเป็นอันดับสองในประวัติศาสตร์ ซึ่งก็สอดคล้องกับข้อมูลที่ได้จากศูนย์ Polar Science Center ว่า ก้อนน้ำแข็งในทะเลเมื่อปี 2020 มีน้อยกว่าเมื่อ 40 ปีก่อนถึง 40% และถ้าเหตุการณ์นี้เป็นไปอย่างไร้การควบคุม เขตอาร์กติกาจะไม่มีก้อนน้ำแข็งในทะเลเลยในอีก 30 ปี

แม้ว่าคนส่วนใหญ่จะไม่เคยเห็นก้อนน้ำแข็งลอยในทะเล แต่ทุกคนก็รู้ว่ามันมีอิทธิพลต่อสภาพอากาศของโลก เพราะมันสามารถสะท้อนแสงอาทิตย์กลับสู่บรรยากาศโลกได้ดีกว่าน้ำทะเล อุณหภูมิของอากาศจึงสูงขึ้นเสมือนว่าได้รับแก๊สคาร์บอนได้ออกไซด์มากขึ้น ก้อนน้ำแข็งในทะเลยังเป็นตัวกำหนดบริเวณในทวีปที่ฝนจะตกและไม่ตก นอกเหนือจากนั้น การลดปริมาณของน้ำแข็งในทะเลยังมีผลต่อการดำรงชีวิตของหมีขั้วโลก ปลา และสาหร่าย ฯลฯ ในทะเลด้วย ความสำคัญอีกประเด็นหนึ่งของก้อนน้ำแข็ง ในทวีปอาร์กติกคือ มันจะลอยอยู่เหนือทรัพยากรน้ำมันใต้ดิน ซึ่งมีปริมาตร 9 หมื่นล้านบาร์เรล และแก๊สธรรมชาติ 1.7 ล้านล้านลูกบาศก์ฟุต ซึ่งทรัพยากรที่มีค่ามากนี้ เป็นสิ่งที่ทุกชาติต้องการ และถ้าชาติใดสกัดทรัพยากรนี้ไปใช้ ภาวะโลกร้อนก็จะทวีความรุนแรงมาก และนั่นก็คือ เหตุผลที่ชาติต่างๆ ที่อยู่รายรอบทวีปอาร์กติกกำลังสนใจแสวงหาทรัพยากรนี้ใต้ทะเลอาร์กติก ดังนั้น ถ้าธารน้ำแข็งในเขตอาร์กติกละลายไปหมด การปิดบังทรัพยากรและอุปสรรคต่างๆ ที่ขัดขวางก็จะหมดไป และการเข้ายึดครองโดยชาติต่างๆ ก็จะเกิดขึ้นทันที

นั่นก็หมายความว่า ในบริเวณนั้นจะมีสงคราม “เย็น”

ดังนั้นเพื่อจะขจัดปัญหานี้ ทุกชาติจะต้องพยายามไม่เพิ่มการปลดปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และหาวิธีปกป้องทวีปอาร์กติกให้คงสภาพดีที่สุด โดยห้ามไม่ให้ชาติหนึ่งชาติใดล่วงเกินหรือยึดครอง

อ่านเพิ่มเติมจาก “Glaciers: The Politic of Ice” โดย Jorge Daniel จัดพิมพ์โดย Taillant, Oxford University Press ปี 2015


สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์