ความพยายามจะพยากรณ์เหตุการณ์ "แผ่นดินไหว" ล่วงหน้านานๆ ที่นักวิทยาศาสตร์ยังทำไม่ได้

เราหลายคนคงไม่รู้ว่าในบรรยากาศของโลกมีคลื่นนานาชนิด (ทั้งแสงและเสียง) ทั้งที่ตาเห็น และไม่เห็น ทั้งที่หูได้ยินและไม่ได้ยิน ผสมปนเปรวมกันอย่างอลวนอยู่ตลอดเวลา โดยเฉพาะในกรณีของคลื่นเสียง ซึ่งอาจจะมาจากแหล่งกำเนิดได้หลายแหล่ง เช่นจากการคำรามของภูเขาไฟ จากพายุที่พัดอย่างรุนแรง จากลมที่พัดโชยอย่างเบาๆ จากคลื่นเสียงที่เกิดขณะอุกกาบาตพุ่งผ่านบรรยากาศโลก ตลอดจนถึงคลื่นเสียงที่ได้จากการจราจร จากการสื่อสารด้วยเทคโนโลยีวิทยุและจากคลื่นที่เกิดจากเหตุการณ์แผ่นดินไหว คลื่นต่างๆ เหล่านี้ล้วนมีเอกลักษณ์ที่แตกต่างกัน เช่น มีความถี่ และความยาวคลื่นที่ไม่เหมือนกัน ดังนั้นจึงมีความเร็วต่างกัน เมื่อเป็นเช่นนี้ หูคนและหูสัตว์ ซึ่งไม่สามารถได้ยินเสียงคลื่นทุกความถี่ได้หมด แต่จะรับฟังคลื่นที่มีความถี่ในช่วงหนึ่งๆ เท่านั้น เช่น หูคนจะได้ยินเสียงที่มีความถี่ในช่วง 20-20,000 เฮิรตซ์ (Hertz) ดังนั้นคลื่นที่มีความถี่ต่ำกว่า 20 Hz จะเป็นคลื่นที่หูไม่ได้ยิน เราเรียกคลื่นที่หูไม่ได้ยินว่า infrasound ซึ่งสามารถจะเดินทางไปได้ไกลหลายพันกิโลเมตร โดยไม่สูญเสียพลังงาน (สัตว์มักสื่อสารถึงกันโดยใช้ infrasound) ส่วนคลื่นที่มีความถี่สูงกว่า 20,000 Hz เป็นคลื่น ultrasound ที่สลายตัวเร็ว จึงเหมาะสำหรับให้แพทย์ใช้ตรวจอวัยวะภายในร่างกายของคนเรา


ต้นกำเนิดของ infrasound ในธรรมชาตินั้นมีหลายแหล่ง อาทิเช่น การไหลอย่างปั่นปวนของลาวาร้อนภายในภูเขาไฟ การสั่นสะเทือนของเหตุการณ์แผ่นดินไหว การระเบิดของลูกระเบิดนิวเคลียร์ ปฏิกิริยาเคมี ฯลฯ เมื่อครั้งที่ภูเขาไฟ Krakatoa ในอินโดนีเซีย ระเบิดเมื่อปี 1883 เสียงระเบิดประเภท infrasound ได้ยินไปไกลถึงเกาะ Mauritius ที่อยู่ห่างออกไป 4,800 กิโลเมตร เพราะหูคนไม่สามารถได้ยินเสียงคลื่น infrasound ได้ แต่หูสัตว์แต่ละชนิดก็ได้ยินเสียง infrasound ได้ดีไม่เท่ากัน ดังนั้นมนุษย์จึงจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ตรวจรับคลื่นชนิดนี้แทนหูที่ตนมี และต้องเป็นอุปกรณ์ที่ดี ไว และสามารถวัดความรุนแรงได้อย่างถูกต้อง โดยอาจจะติดตั้งอุปกรณ์เหล่านี้ในบริเวณที่คาดว่าจะมีเหตุการณ์แผ่นดินไหว แล้วให้อุปกรณ์ทำงานประสานกันเป็นเครือข่าย เพื่อเก็บข้อมูลไว้ใช้สำหรับการพยากรณ์เหตุการณ์แผ่นดินไหวในอนาคต ตลอดจนถึงพายุทอร์นาโดที่จะเกิด หรืออุกกาบาตที่กำลังตกจากฟ้าว่าอยู่ห่างออกไปกี่กิโลเมตร เป็นต้น


แต่ถ้าพูดถึงแหล่งกำเนิด infrasound แล้ว โลกของเราอาจนับเป็นแหล่งกำเนิด infrasound ที่ดีที่สุดได้ เพราะภายในโลกมีการเคลื่อนไหลของหินเหลว และที่ผิวโลกก็มีการเลื่อนไหลของเปลือกโลกด้วย จนทำให้เกิดคลื่นที่ความถี่ตั้งแต่ 0.01-10 Hz แต่สำหรับคลื่นแผ่นดินไหวที่รุนแรงกว่าระดับ 6.5 นั้น มักจะมีความถี่ตั้งแต่ 0.3-10.0 มิลิเฮิรตซ์ การวิเคราะห์ความถี่และลักษณะของคลื่น ตลอดจนถึง amplitude ที่ไม่สม่ำเสมอสามารถบอกโครงสร้างภายในของแผ่นหินที่อยู่ใต้โลกได้ว่า อยู่ซ้อนทับกันหรือเกยกันอยู่อย่างไร และมากเพียงใด เทคนิคนี้จึงเหมือนกับการฟังเสียงระฆังดัง ข้อมูลความถี่และ amplitude สามารถใช้บอกรูปลักษณ์ของระฆังที่กำลังดังได้


แหล่งกำเนิดคลื่น infrasound ที่สำคัญอีกแหล่งหนึ่ง คือ ทะเลและมหาสมุทร ซึ่งมีคลื่นที่ซัดกระทบฝั่งตลอดเวลา และนักวิทยาศาสตร์ได้พบว่าสัตว์บางชนิด เวลาได้รับคลื่น infrasound นี้เข้าสู่ประสาทหูในปริมาณมาก สัตว์ก็จะเปลี่ยนพฤติกรรม เช่น จากอาการกระปรี้กระเปร่ามาเป็นอาการซึมเศร้าได้ ด้วยเหตุนี้เวลาสัตว์เปลี่ยนพฤติกรรม สาเหตุก็มิได้มาจากเหตุการณ์แผ่นดินไหวเพียงอย่างเดียว


ที่เมือง Tangshan ในมณฑล Hebei ของจีน เมื่อเวลา 3:42 นาฬิกา ในตอนเช้ามืดของวันที่ 27 กรกฎาคม ปี 1976 ขณะที่ชาวเมืองกำลังหลับ หลาย ๆ คนได้ตกใจตื่น เมื่อได้ยินเสียงฟ้าร้อง และเห็นแสงไฟสว่างวูบวาบไปทั่วท้องฟ้า จากนั้นในคืนวันต่อมา แผ่นดินในเมือง Tangshan ก็ได้ไหวและสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงเป็นเวลานาน 23 วินาที ความรุนแรงที่ระดับ 7.8 ตามมาตรา Richter ได้ทำให้ 90% ของอาคารตึกในเมืองทั้งหมดถล่ม มีผลทำให้คนเสียชีวิต 240,000 คน และบาดเจ็บ 160,000 คน ความเสียหายที่ Tangshan ในครั้งนั้นนับว่าเป็นเหตุการณ์ร้ายแรงลำดับสองในประวัติศาสตร์ของจีน รองจากเหตุการณ์แผ่นดินไหวที่มณฑล Shaanxi ซึ่งได้เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 23 มกราคม ปี 1556 ที่ได้ทำให้มีคนเสียชีวิต 830,000 คน


การวิเคราะห์หาสาเหตุของแผ่นดินไหวที่เมือง Tangshan ได้พบว่าเกิดจากการที่แผ่นเปลือกโลก North American ที่เมือง Tangshan ตั้งอยู่ ได้เคลื่อนเข้าปะทะแผ่นเปลือก Eurasian การเกยกันเป็นเวลานานได้นำให้แผ่นเปลือกโลกทั้งสองมีพลังงานยืดหยุ่นสะสมอยู่มาก ดังนั้นเมื่อแผ่นเปลือกโลกคลายตัวและแยกออกจากกัน พลังงานยืดหยุ่นที่ถูกเก็บสะสมเป็นเวลานานก็ถูกปลดปล่อยออกมาเป็นคลื่นแผ่นดินไหว


ส่วนคนที่รอดชีวิตก็ได้เล่าว่า ได้เห็นแสงสว่างเกิดขึ้นในท้องฟ้าก่อนแผ่นดินจะไหวจริง แสงที่เห็นเป็นสีส้มอ่อน และสีฟ้า-ขาว ซึ่งก็ตรงกับแสงแผ่นดินไหว (earthquake light) ที่ Yutaka Yasui แห่งหอดูดาว Kakioka Magnetic Observatory ที่เมือง Ibaraki ในเขตปกครองตนเอง Matsushiro ได้ถ่ายไว้เมื่อปี 1968 ที่เห็นเป็นแสงสีแดงเรื่อ ๆ เหมือนแสงเหนือ (aurora)

ไม่เพียงแต่คนญี่ปุ่นเท่านั้นที่เห็นแสงแผ่นดินไหว ที่เมือง Izmit ในตุรกี เมื่อครั้งที่เกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหวที่นั่นในปี 1999 ที่ระดับ 7.4 ตามมาตรา Richter ซึ่งได้ทำให้ผู้คนเสียชีวิตไป 15,000 คน ก็มีแสงสว่างปรากฏในท้องฟ้า ในเวลากลางคืนก่อนเกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหวเช่นกัน

คำถามที่ตามมา คือ อะไรคือสาเหตุที่ทำให้ท้องฟ้ามีแสงสว่างก่อนแผ่นดินจะไหว และแสงนี้ คือ ลางร้ายที่บอกให้เรารู้ล่วงหน้าว่า จะเกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหวในเวลาต่อมาอีกไม่นาน ใช่หรือไม่

Friedemann Freund จากมหาวิทยาลัย San José ที่ California ได้เสนอความเห็นในปี 2000 ว่า ภาพแสงที่ถ่ายได้เกิดจากแรงดันที่มากมหาศาลได้กดดันหินอัคนี ซึ่งตามปกติเป็นฉนวนให้เปลี่ยนสภาพเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด p ที่มีประจุบวก ส่วนผลึกที่มีอยู่ในหินภูเขาไฟ ซึ่งตามปกติจะมีอะตอมออกซิเจนอยู่คู่หนึ่ง คือ เป็นพวก peroxy ที่จะแตกคู่เวลาได้รับความดัน Freund จึงคิดว่า เมื่อคู่ peroxy แตก อะตอมออกซิเจนที่มีประจุลบจะยังคงค้างอยู่ในผลึก แต่ประจุบวก (hole) จะเคลื่อนที่ขึ้นสู่ผิว แล้วเข้ารวมกับอิเล็กตรอนที่ผิว ได้คู่ใหม่โดยมีพันธะเป็นแบบ peroxy เมื่อพันธะแตกก็จะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสี infrasound

แต่คำอธิบายนี้ยังไม่เป็นที่ยอมรับ เพราะเหตุการณ์เลื่อนไหลของชั้นหินใต้ดิน อาจจะเกิดขึ้นได้ในที่ลึกร่วม 100 กิโลเมตร ดังนั้นจึงไม่น่าจะเป็นไปได้ที่ประจุบวกจากที่ลึกระดับนั้น จะเคลื่อนที่ทะลุขึ้นมาถึงผิวโลกได้ โดยไม่ถูกดูดกลืน ดังนั้นที่มาของแสงแผ่นดินไหว จึงยังเป็นปัญหาใหญ่ของนักแผ่นดินไหววิทยา เพราะยังไม่มีใครรู้ที่มา และยังไม่เป็นที่ยอมรับว่าสามารถนำมาใช้เป็นลางบอกเหตุร้ายที่จะเกิดตามมาได้

ในขณะที่เราทุกคนเคยชินกับการได้ยินข่าวการพยากรณ์อากาศทุกวัน และเชื่อในคำพยากรณ์ เพราะมักผิดพลาดไม่มาก หรือแม้แต่การพยากรณ์ว่าจะเกิดสุริยุปราคาและจันทรุปราคา ณ ที่ใด เป็นเวลานานเท่าไร ก็ไม่เคยผิดพลาด แต่สำหรับเหตุการณ์แผ่นดินไหวระดับรุนแรงที่มีคนเสียชีวิตมากมายเป็นหมื่นเป็นแสนนั้น นักวิทยาศาสตร์ยังทำไม่ได้ เพราะวิทยาการด้านนี้มีความซับซ้อนมาก และตัวแปรที่เกี่ยวข้องมีมากมาย


จะอย่างไรก็ตาม ถึงวันนี้โลกก็มีศูนย์สารสนเทศแผ่นดินไหวชื่อ National Earthquake Information Center (NEIC) ในสังกัดของ U.S. Geological Survey ซึ่งตั้งอยู่ที่เมือง Golden ในรัฐ Colorado ของสหรัฐอเมริกา ที่จะรับข้อมูลแผ่นดินไหวจากสถานีสำรวจทั่วโลกมาวิเคราะห์ แล้วเสนอคำพยากรณ์อย่างรวดเร็วภายในเวลา 30 นาที ให้คนทั้งโลก และคนในประเทศที่กำลังจะประสบภัยแผ่นดินไหวนั้นมีเวลาหนีตายได้ทัน คือ ภายในเวลาระดับนาที เช่น สำหรับคนที่อาศัยอยู่ในตึกสูงให้หนีออกจากตึกทันที ที่ได้ยินสัญญาณเตือน ให้รถไฟความเร็วสูงหยุดเดินทางเพราะรางอาจจะบิดเบี้ยว จนรถไฟต้องตกราง ให้เครื่องบินที่กำลังจะลงจอดที่สนามบินเบนเส้นทางไปลงที่สนามบินอื่น เพราะลานบินที่สนามบินนั้น อาจจะแตกแยก ให้เจ้าหน้าที่โรงไฟฟ้าปรมาณูหยุดเดินเครื่อง เพราะเตาปฏิกรณ์อาจจะแตก และกัมมันตรังสีจะรั่วไหลแพร่กระจาย ให้คนที่อาศัยอยู่ใกล้ฝั่งทะเลมีเวลาหนีคลื่นสึนามิที่จะเกิดตามมาได้ทัน ให้หน่วยพยาบาลเตรียมยาเวชภัณฑ์และอาหารให้พร้อม ฯลฯ ซึ่งการเตือนภัยก่อน แม้เวลาจะนานไม่ถึงนาที ก็สามารถจะช่วยชีวิตคนได้เป็นจำนวนมาก


ตามปกติเจ้าหน้าที่ของ NEIC เมื่อได้ผลการวิเคราะห์จะส่งข้อมูลทุกอย่างตรงถึงรัฐบาล และองค์กรด้านมนุษยธรรมต่าง ๆ ในประเทศที่กำลังจะประสบภัย เพื่อให้ตัดสินใจดำเนินการ เวลาแผ่นดินไหวเกิดขึ้นจริง เพราะทุกนาทีที่ผ่านไปหมายถึงความเป็นหรือความตายของผู้คน เช่นเมื่อปี 2015 ที่เกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหวใน Nepal ที่ระดับ 7.5 รัฐบาลสหรัฐฯ ได้จัดส่งเวชภัณฑ์ไปช่วยชาว Nepal ภายในเวลาไม่ถึง 5 ชั่วโมง เป็นต้น

ศูนย์สารสนเทศ NEIC ตั้งอยู่ใกล้สถาบัน Colorado School of Mines มีความสามารถติดต่อทาง internet ได้กับสถานีตรวจรับคลื่นแผ่นดินไหวได้ทั่วโลก องค์การนี้ได้ถูกจัดตั้งขึ้นเป็นครั้งแรกเมื่อปี 1966 และมีเจ้าหน้าที่ทำงานเป็นช่วง ๆ แต่เมื่อเกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหวอย่างรุนแรง เมื่อวันที่ 26 ธันวาคม ปี 2004 ขณะเวลา 7:59 นาฬิกา ในตอนเช้า ที่บริเวณใต้ทะเลทางทิศตะวันตกของเกาะ Sumatra ซึ่งความรุนแรงที่ระดับ 9.1 นี้ ได้ทำให้คนเสียชีวิตไป 250,000 คน

องค์การ NEIC จึงกำหนดให้เจ้าหน้าที่ทำงานวันละ 24 ชั่วโมงอย่างต่อเนื่องทุกวัน เพื่อรับข้อมูลแผ่นดินไหวที่เกิด ณ ทุกหนแห่งบนโลก ทั้งที่ระดับเบา ๆ จนถึงระดับรุนแรง แล้ววิเคราะห์ข้อมูลอย่างรวดเร็ว จากนั้นก็พยากรณ์ความรุนแรงที่จะเกิดขึ้น และจะปรับคำพยากรณ์ตามข้อมูลที่ได้รับในเวลาต่อมาตลอดเวลา


จะขอยกตัวอย่างกรณีที่ ประเทศ Nepal มาเป็นกรณีศึกษา เพราะในวันที่ 25 เมษายน ปี 2015 นั้น แผ่นเปลือกโลก Himalayas ได้เคลื่อนที่มุดลงใต้แผ่นเปลือกโลก Eurasia ขณะนั้นเป็นเวลา 11:56 นาฬิกา ในตอนเช้า (ตรงกับเวลาเที่ยงคืน 11 นาที ที่ Colorado) ตลอดระยะทางที่ยาว 120 กิโลเมตร ความเครียดในแผ่นหินได้ปลดปล่อยพลังงานยืดหยุ่นออกมาจากจุดศูนย์กลางที่อยู่ใต้เมือง Gorkha ใน Nepal แล้วคลื่นแผ่นดินไหวก็ได้แผ่กระจายไปทุกทิศทาง


ภายในเวลา 16 วินาที คลื่นแผ่นดินไหวได้เดินทางถึงเมือง Kathmandu ที่อยู่ห่างจาก Gorkha เป็นระยะทาง 80 กิโลเมตร มีผลทำให้อาคารบ้านเรือนในเมืองล้มระเนระนาด

อีก 1 นาทีต่อมา คลื่นได้เดินทางถึงเมือง Lhasa ที่อยู่ห่างออกไป 600 กิโลเมตร

ครั้นถึงเวลา 12:29:42 นาฬิกา ในตอนเช้า คือ อีก 18 นาที กับ 16 วินาที หลังจากเกิดเหตุ NEIC ก็ได้ให้คำพยากรณ์ บอกความรุนแรงว่าจะมีขนาด 7.5 และได้ปรับเพิ่มขนาดเป็น 7.9 แล้วลดลงเป็น 7.8 เมื่อ NEIC ได้ข้อมูลแผ่นดินไหวเพิ่มมากขึ้น โดยได้ใช้ข้อมูลการเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลกที่ได้รับจากเครือข่ายดาวเทียม Global Seismographic Network (GSN) มาช่วยด้วย หลังจากที่ได้ข้อมูลมากขึ้นและสมบูรณ์ขึ้น รวมถึงข้อมูลสภาพอาคารที่อยู่อาศัยของผู้คนแล้ว ระบบ PAGER (Prompt Assessment of Global Earthquakes for Response) ก็ได้แพร่ข่าวเตือนผู้คนที่อาศัยอยู่ในบริเวณเกิดเหตุให้เตรียมตัวหนี
เมื่อเวลา 13:34 นาฬิกา ตัวเลขความรุนแรงระดับ 7.5 ก็ได้ให้คำพยากรณ์ว่าจะมีคนเสียชีวิต 100-1,000 คน และความสูญเสียทางเศรษฐกิจจะมากประมาณ 10 ล้าน – 100 ล้านดอลลาร์ แล้วข้อมูลก็ถูกปรับเปลี่ยนอีก หลังจากที่เกิด aftershock ในเมือง Kathmandu ณ เวลา 4:14 นาฬิกาว่า จะมีคนตาย 1,000-10,000 คน เพราะสภาพอาคารในเมืองส่วนใหญ่ไม่แข็งแรง คือ เป็นอาคารคอนกรีตที่ไม่เสริมเหล็ก จึงพังทลายง่าย

ในทุกเดือน NEIC จะติดตามเหตุการณ์แผ่นดินไหวประมาณ 1,000 ครั้ง และพบว่าส่วนใหญ่ไม่มีใครตาย นอกจาก NEIC แล้ว อเมริกายังมีองค์การ National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) อีกหน่วยงานหนึ่ง ที่ทำงานเร็วกว่า NEIC แต่หน่วยงานนี้รับผิดชอบการเกิดแผ่นดินไหวในบริเวณที่อยู่ใกล้มหาสมุทร และบริเวณที่อยู่ใกล้อเมริกาเท่านั้น

ด้าน NEIC ก็ได้เพิ่มความรวดเร็วในการติดต่อกับสังคม โดยใช้ twitter และใช้การแปลภาษาท้องถิ่นเป็นภาษาอังกฤษ เพื่อช่วยการสื่อสารให้รวดเร็วด้วย เช่น เวลาคนอินโดนีเซีย พูดคำ gempa เขาหมายถึง แผ่นดินไหว เป็นต้น

อ่านเพิ่มเติมจาก Long-sought maths proof could shake up seismology โดย D.Castelvecchi ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 18 กุมภาพันธ์ 2017


ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์