“ภัยธรณีพิโรธ” สาเหตุและการป้องกัน (มีคลิป)

คำว่า แผ่นดินไหว ตรงกับคำในภาษาอังกฤษว่า earthquake ซึ่งตรงกับคำ seismo ในภาษากรีก เพราะ seismo แปลว่า เขย่าหรือขย่ม




มนุษย์ได้เห็นและประสบปรากฏการณ์แผ่นดินไหวมาตั้งแต่สมัยดึกดำบรรพ์ และมีจินตนาการคิดไปว่า คงเป็นเหตุการณ์ที่ฟ้าดิน เช่น เทพเจ้าลงโทษ เพราะมนุษย์ประพฤติบาป และคนบางชาติก็คิดว่า เหตุการณ์แผ่นดินไหวเกิดขึ้นเพราะ เต่าหรือปลา ที่หนุนโลกอยู่ขยับตัว

ด้าน Aristotle (384–322 ปีก่อนคริสตกาล) ปราชญ์กรีก และ ผู้เฒ่า Pliny (23-79) นักธรรมชาติวิทยาชาวโรมันที่มีชื่อเสียงก็เชื่อว่า เหตุการณ์แผ่นดินไหวเกิดจากลมพายุใต้โลกที่พัดอย่างรุนแรงจนผิวโลกสั่นสะเทือน


แม้ไม่มีใครรู้สาเหตุที่แท้จริงของเหตุการณ์ธรณีพิโรธ แต่ตลอดเวลาที่ผ่านมา กว่า 2,000 ปี เราทุกคนก็รับรู้เรื่องความรุนแรง และความร้ายแรงของสถานการณ์ว่า สามารถทำลายชีวิตผู้คนนับแสนได้ภายในเวลาไม่นาน สามารถทำให้อาคารบ้านเรือนล่มสลายได้ราบเรียบ ทำให้สภาพจิตใจของคนที่รอดภัยอยู่ในสภาพที่ไร้ความหวัง และสามารถทำให้สภาพแวดล้อมเปลี่ยนแปลงไปอย่างยากที่จะเยียวยา ตลอดจนถึงสามารถทำให้อารยธรรมโบราณ Minoan บนเกาะ Crete ในทะเล Mediterranean เมื่อ 3,600 ปีก่อนล่มสลายได้ เมื่อภูเขาไฟ Thera บนเกาะระเบิด และเกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหวกับคลื่นสึนามิที่ได้พุ่งถาโถมเข้าท่วมอาณาจักร

หรือเมื่อวันที่ 21 กรกฎาคม ปี 365 ที่เมือง Alexandria ในอียิปต์ ผู้คนได้เผชิญเหตุการณ์แผ่นดินไหวอย่างรุนแรง จนประภาคาร Alexandria ซึ่งเป็นสิ่งมหัศจรรย์สิ่งหนึ่งใน 7 สิ่งของโลกโบราณต้องหักโค่นลงจนหมดสภาพ

และในเดือนมกราคม ปี 1556 ก็มีเหตุการณ์แผ่นดินไหวอย่างรุนแรงระดับ 8.0 ที่มณฑล Shanxi ของจีน ซึ่งได้คร่าชีวิตผู้คนไป 830,000 คน จนนับเป็นการสูญเสียชีวิตครั้งร้ายแรงที่สุดในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ


เมื่อวันที่ 26 ธันวาคม ปี 2004 ก็มีเหตุการณ์แผ่นดินไหวขนาด 9.2 ใต้มหาสมุทรอินเดีย ณ ตำแหน่งใกล้เกาะ Sumatra แม้เหตุการณ์จะเกิดในช่วงเวลาสั้น ๆ เพียง 10 นาที แต่คลื่นสึนามิที่เกิดตามมา เมื่อเคลื่อนที่ถึงฝั่งกลับมีความสูงของคลื่นถึง 30 เมตร จึงมีผลทำให้ชาวอินโดนีเซีย ชาวไทย ชาวศรีลังกา และชาวอินเดีย ล้มตายเป็นจำนวนมากถึง 230,000 คน

อีกประเด็นที่น่าสนใจสำหรับเรื่องแผ่นดินไหวนี้ก็คือ แม้มนุษย์จะได้ประสบและได้เผชิญเหตุการณ์ร้ายแรงนี้มาเป็นเวลานานก็ตาม แต่เราก็ยังมีความรู้และทฤษฎีของการเกิดเหตุการณ์นี้อย่างไม่สมบูรณ์หรือดีพอที่จะสามารถพยากรณ์ได้ว่า เหตุการณ์แผ่นดินไหวจะเกิดขึ้น ณ ที่ใด ณ วันใด หรือเวลาใด เราไม่รู้แม้กระทั่งว่าการสั่นไหวในแต่ละครั้งจะรุนแรงเพียงใด และจะมีคนตายกี่คน หรือบ้านเรือนจะพังพินาศกี่หลัง เหตุการณ์แผ่นดินไหวครั้งต่อ ๆ ไปที่จะเกิดในอนาคต จะเป็นอย่างไร ในขณะที่เรารู้เรื่องอะตอม และดวงอาทิตย์ ฯลฯ ดี แต่แทบไม่รู้อะไรๆ ที่อยู่ใต้เท้าของเราเอง


ความจริงมีว่า นักธรณีวิทยาได้เริ่มมีความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของโลก ว่ามีเปลือกโลก เนื้อโลก และแก่นโลก เมื่อศตวรรษที่ 20 นี้เอง เมื่อ Alfred Wegener (1880-1930) นักธรณีวิทยาชาวเยอรมัน ได้เสนอทฤษฎีว่า ทวีปต่าง ๆ ของโลกในอดีตเคยอยู่ติดกันเป็นมหาทวีป (Pangaea) ในเวลาต่อมาแผ่นเปลือกโลกของมหาทวีปได้แตกแยกออกจากกันเป็นแผ่นทวีปขนาดใหญ่ 7 แผ่น ได้แก่ แผ่น Pacific, แผ่น North America, แผ่น South America, แผ่น Eurasia, แผ่น Africa, แผ่น Australia และแผ่น Antarctica โดยแผ่นเปลือกทั้งหมดนี้สามารถเคลื่อนที่ได้ใน 3 มิติ คือ เคลื่อนที่ขึ้น-ลงได้ ไปทิศตะวันออก-ทิศตะวันตกก็ได้ และขึ้นไปทางเหนือ-ใต้ก็ได้ โดยอิทธิพลของเนื้อโลก (mantle) ที่อยู่ใต้เปลือกโลก และเป็นหินเหลวหนืดที่ร้อนจนไหลเคลื่อนที่ได้


ตามปกติเมื่อเปลือกโลกเหล่านี้เคลื่อนตัว ก็จะเสียดสีกัน เพราะเคลื่อนที่เร็วไม่เท่ากัน และไปในทิศต่างกัน การปะทะกัน และการมุดตัวลงเกยกัน หรือในบางครั้งแผ่นเปลือกโลกขนาดใหญ่แตกแยกเป็นแผ่นเปลือกโลกขนาดเล็กจำนวนมาก ซึ่งเมื่อปะทะกันจะเสียดสีกัน ทำให้เกิดรอยเลื่อน (fault) เป็นทางยาว และมีช่องว่างขนาดใหญ่เป็นจำนวนมาก

การปะทะระหว่างกันของเปลือกทวีป จะทำให้เกิดแรงอัดมหาศาล ซึ่งจะบีบอัดหินในเนื้อทวีป ทำให้เนื้อทวีปมีพลังงานแบบยืดหยุ่นสะสมอยู่ตลอดรอยเลื่อน ซึ่งเมื่อมีมากจนถึงระดับที่แผ่นเปลือกโลกไม่สามารถรับพลังงานได้อีกต่อไป แผ่นเปลือกก็จะปล่อยพลังงานออกมา ซึ่งถ้าการปล่อยพลังงานนี้เกิดขึ้นอย่างช้า ๆ จะทำให้เกิดภูเขา แต่ถ้าการปล่อยพลังงานเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว เหตุการณ์นี้จะทำให้เกิดปรากฏการณ์แผ่นดินไหว


นี่คือแนวคิดของ Harry Fielding Reid (1859 – 1944) ซึ่งเป็นนักธรณีวิทยาชาวอเมริกัน ที่ได้เสนอทฤษฎี elastic rebound (การเด้งคืนแบบยืดหยุ่น) ที่อธิบายการเกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหวเมื่อปี 1910 และได้เป็นที่ยอมรับมาจนกระทั่งทุกวันนี้

สำหรับรอยเลื่อนสะกาย (Sagaing) ซึ่งเป็นต้นเหตุใหญ่ที่ทำให้เกิดความวุ่นวายในประเทศไทย เมื่อเวลาบ่ายของวันที่ 28 มีนาคมนี้ เกิดจากการปะทะกันระหว่างแผ่น Eurasia กับแผ่น India เป็นรอยเลื่อนที่ยาว 1,200 กิโลเมตร ทอดตัวผ่านใกล้เมืองย่างกุ้ง (Yangon) และ Mandalay โดยแผ่น India ได้เคลื่อนที่ขึ้นทางทิศเหนือ และแผ่น Eurasia เคลื่อนที่ลงทางทิศใต้ การเสียดสีและการมุดตัวของแผ่นเปลือกทั้งสอง ทำให้เกิดพลังงานยืดหยุ่นที่ถูกสะสมในรอยเลื่อน ครั้นเมื่อพลังงานถูกปลดปล่อยออกมา ก็จะทำให้เกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหว ต่อจากนั้นแผ่นเปลือกทั้งสองก็จะพยายามปรับตำแหน่งใหม่ การเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลกที่เกิดตามมาในลักษณะนี้ จะทำให้เกิดคลื่น aftershock ซึ่งรุนแรงน้อยลง และอาจจะใช้เวลานานเป็นปี เป็นเดือน หรือสั้นเป็นวันก็ได้ และทุกครั้งที่แผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่รุนแรง มนุษย์ทุกคนที่อาศัยอยู่บนแผ่นเปลือกโลกนั้น ก็จะได้รับผลกระทบอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้


เวลานักวิทยาศาสตร์ศึกษาความรุนแรงของปรากฏการณ์แผ่นดินไหวในเชิงปริมาณ เขาจะวิเคราะห์คลื่นแผ่นดินไหวด้วยอุปกรณ์ไซสโมมิเตอร์ (seismometer) โดยจะมีหน่วยวัดเป็นริกเตอร์ (Richter) ที่นักธรณีวิทยาชาวอเมริกันชื่อ Charles Francis Richter (1900-1985) ได้กำหนดขึ้น เป็นสเกลเลขจำนวน 1, 2, 3,… โดยให้จำนวนที่อยู่ติดกัน และอยู่เหนือขึ้นมาเป็นคลื่นที่มีพลังงานมากกว่าประมาณ 32 เท่า เช่น คลื่นเลข 3 จะมีพลังงานมากกว่าคลื่นเลข 2 ประมาณ 32 เท่า ด้วยเหตุนี้คลื่นเลข 4 ก็จะมีพลังงานมากกว่าคลื่นเลข 2 เท่ากับ 32x32=1,024 เท่า

ในเวลาต่อมา Keilitte Aki (1930-2005) นักแผ่นดินไหววิทยาชาวญี่ปุ่นได้เสนอสเกลใหม่แทนสเกล Richter เรียก moment magnitude โดยได้พิจารณาลักษณะบิดเบี้ยวของรอยเลื่อน สมบัติของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่าน แล้วใช้สัญลักษณ์ M กับเลขจำนวน ในการบอกความรุนแรง เช่น M5 แทนคลื่นที่มี amplitude สูงเป็น 10 เท่าของ M4 และปลดปล่อยพลังงานได้มากกว่า M4 ประมาณ 32 เท่า เป็นต้น

หรือถ้าจะกล่าวถึงความรุนแรงของคลื่นแผ่นดินไหวในเชิงคุณภาพ เราก็อาจจะกล่าวได้ว่าคลื่น M5 มีความรุนแรงระดับปานกลาง ส่วนคลื่นแผ่นดินไหว M8 ที่เมือง San Francisco เมื่อปี 1906 นั้น เป็นคลื่นแผ่นดินไหวที่สร้างความรุนแรงมาก ส่วนคลื่นแผ่นดินไหวที่ Chile เมื่อปี 1960 เป็นคลื่นที่ทรงพลังมากที่สุดในประวัติศาสตร์ เพราะเหตุการณ์ได้เกิดขึ้นตรงบริเวณวงแหวนแห่งไฟ (Rings of Fire) และมีขนาด M9.5 เพราะได้มีคลื่นสึนามิเกิดขึ้นด้วย


ข้อมูลความเร็วในการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลกก็เป็นเรื่องที่น่าสนใจ เพราะแผ่นเปลือก Pacific เคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 10 เซนติเมตร/ปี และแผ่น Eurasia เคลื่อนที่ช้ากว่าเล็กน้อยในภาพรวม คือ เร็วประมาณความเร็วในการงอกของเล็บมือ

ข้อมูลความรุนแรงเชิงเปรียบเทียบกับความร้ายแรงของระเบิดปรมาณูก็น่าสนใจ เช่น คลื่นแผ่นดินไหวที่เมือง Tangshan ในจีน เมื่อปี 1976 ที่ทำให้ผู้คน 242,000 คน เสียชีวิตนั้น สามารถเปรียบเทียบได้กับความร้ายแรงของระเบิดปรมาณู 2 ลูก เพราะระเบิดปรมาณู 1 ลูก ที่ถล่ม Hiroshima รุนแรงเปรียบเทียบได้กับระเบิด TNT ที่หนัก 15,000 ตัน

ตามปกติสมบัติทางกายภาพของคลื่นแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นจะมี 2 รูปแบบ คือ แบบแรกเป็นคลื่นที่เคลื่อนที่ไปตามผิวดิน (Surface Wave) คือ ระหว่างดินกับอากาศ เป็นคลื่นแบบ Rayleigh ที่ส่ายไปมาและขึ้นลงได้ จึงทำให้เกิดแรงเฉือนและแรงบิดเวลากระทบตึก นับเป็นคลื่นที่อันตรายร้ายแรงต่ออาคารมากที่สุด

และแบบที่สองเป็นคลื่นที่เคลื่อนที่ไปในดิน (Body Wave) ซึ่งเป็นคลื่น P (primary wave; P-wave) หรือคลื่นปฐมภูมิ และเป็นคลื่นตามยาว (longitudinal wave) ที่มีการบีบ-อัดเนื้อตัวกลางเป็นจังหวะ ในทิศที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านไป คลื่นชนิดนี้มีความเร็ว 5-8 กิโลเมตร/วินาที และมีความเร็วมากที่สุด จึงเดินทางถึงจุดหมายปลายทางได้ก่อนคลื่น S (secondary wave, S-wave) ที่สามารถเคลื่อนที่ผ่านของแข็งได้ แต่ผ่านของเหลวและแก๊สไม่ได้ โดยคลื่นจะทำให้เนื้อดินเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ คลื่น S จึงเป็นคลื่นตามขวาง (transversal wave) ที่มีความเร็ว 3-4 กิโลเมตร/วินาที

เรามีสูตรที่ใช้คำนวณความเร็วของคลื่น คือ


เพราะเมือง Mandalay อยู่ห่างจากกรุงเทพฯ ประมาณ 1,000 กิโลเมตร ดังนั้น คลื่น P จากที่นั่น จะเดินทางถึงกรุงเทพฯ ภายในเวลาประมาณ 2 นาที นี่คือระดับเวลา ที่จะต้องมีสำหรับการ (หนี) ตาย ถ้าอยู่ในตึกสูง

ในการพิจารณาผลกระทบที่เกิดขึ้น เวลาคลื่นแผ่นดินไหวพุ่งชนอาคาร เราอาจจำลองสถานการณ์ โดยให้อาคารเป็นเสมือนไม้คานท่อนหนึ่งที่ปักลงในแนวตั้งฉากกับพื้นดิน และให้ปลายข้างหนึ่งเป็นอิสระ คือ แกว่งไป-มาได้ การแกว่งแบบนี้จึงมีความถี่ธรรมชาติ (natural frequency) ของมัน ดังนั้นถ้าคลื่นแผ่นดินไหวที่มากระทบตึกมีความถี่เท่ากับความถี่ธรรมชาติ ก็จะทำให้เกิดปรากฏการณ์กำทอน (resonance) ที่ทำให้อาคารแกว่งกวัดไป-มาเป็นช่วงกว้างมาก แรงเฉือนที่เกิดขึ้นจะทำลายโครงสร้างของอาคาร จนอาคารพังราบได้

การหาความถี่ธรรมชาติในการแกว่งกวัดของอาคารนั้น เราอาจจะหาได้จากการถอดสมการ Euler-Bernoulli ที่ใช้ศึกษาการสั่นสะเทือนของคาน โดยที่ปลายข้างหนึ่งถูกตรึง และจะพบว่า ความถี่ธรรมาชาติในการสั่นของคาน (ตึก) ขึ้นกับตัวแปรต่าง ๆ มากมาย เช่น โมเมนต์ความเฉื่อย ความหนาแน่น พื้นที่หน้าตัด และความยาวของคาน (หรือความสูงของตึก) คือ ความถี่ธรรมชาติในการสั่นของตึกจะแปรผกผันกับความสูงของตึก^2 นั่นแสดงว่า คาบในการสั่นของตึกสูง จะใช้เวลานาน


ดังนั้นหลักการที่จะทำให้ตึกไม่ล้มพังง่าย คือ ต้องพยายามสร้างตึกให้มีความถี่ธรรมชาติ ไม่เท่ากับความถี่ของคลื่นแผ่นดินไหว และให้ตัวอาคารมีลักษณะสมมาตรมากที่สุด เพราะถ้าอาคารมีลักษณะอสมมาตร แรงเฉือนจะมาก ตลอดจนการใช้วัสดุที่มีคุณภาพในการสร้าง และตัวตึกต้องตั้งอยู่บนดิน หินที่แข็งแรงด้วย

แต่เมื่อเรามักไม่รู้ความถี่ของคลื่นแผ่นดินไหวที่จะมากระทบตึก ดังนั้นเราจึงไม่มีทางจะพยากรณ์ได้ว่า ตึกใดบ้างจะล้ม และตึกใดบ้างจะปลอดภัย

จะอย่างไรก็ตาม ในประเด็นความรุนแรงของเหตุการณ์แผ่นดินไหว นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถคาดหวังได้จากความรู้วิทยาศาสตร์พื้นฐาน เช่นว่า ความรุนแรงขึ้นอยู่กับระยะทางจากแหล่งกำเนิดคลื่น จนถึงตัวเรา และขึ้นอยู่กับธรรมชาติของตัวกลาง (หิน ดิน น้ำ ทราย ฯลฯ) เพราะพลังงานบางส่วนของคลื่นแผ่นดินไหวจะถูกตัวกลางดูดกลืนไป สำหรับในกรณีของกรุงเทพฯ นั้น พื้นดินใต้กรุงเทพฯ เป็นดินอ่อน ดังนั้น amplitude ของคลื่นจะเพิ่ม เวลาคลื่นเคลื่อนที่ผ่านใต้กรุงเทพฯ อำนาจในการทำลายล้างจึงมาก


แม้นักวิทยาศาสตร์จะมีความรู้เกี่ยวกับปรากฏการณ์แผ่นดินไหวไม่มาก แต่ก็ได้พยายามพยากรณ์เหตุการณ์ล่วงหน้าที่จะเกิดขึ้น โดยไม่ใช้สัตว์ (ไม่ว่าจะเป็น ปลา ช้าง ม้า หนู นก แมว หรือวัว) เพื่อดูพฤติกรรมแปลก ๆ ของมัน เพราะเวลาสัตว์ได้รับสัญญาณคลื่นแผ่นดินไหวที่ความถี่หนึ่ง (ซึ่งเป็นความถี่ที่หูคนธรรมดาไม่ได้ยินสัญญาณอะไรเลย) สัตว์จะแสดงพฤติกรรมแปลก ๆ เวลาได้ยินเสียงที่มีความถี่ และความดังต่าง ๆ กัน เช่น หูคนได้ยินเสียงที่มีความถี่ 20-20,000 Hz สุนัขได้ยินเสียงความถี่ 40-60,000 Hz แมวได้ยินเสียงความถี่ 48-85,000 Hz และค้างคาวได้ยินความถี่ 1,000-200,000 Hz ซึ่งเป็นเสียง ultrasonic แต่พฤติกรรมเหล่านั้น ก็มิได้บอกว่าแผ่นดินไหวจะเกิดขึ้นในเวลาต่อมา


วิธีพยากรณ์อีกวิธีหนึ่งก็คือ การใช้ seismometer วิเคราะห์ความถี่ amplitude และลักษณะของคลื่น ที่เคยเกิดในบริเวณต่าง ๆ ศึกษารอยเลื่อน ดูขนาดกว้างยาวของรอยเลื่อนใหม่ ๆ และเก่า และตำแหน่งที่เกิด เพื่อจะให้ได้เห็นสถานภาพทางกายภาพของเหตุการณ์ทั้งหมด แล้วใช้ AI และ Machine Learning คำนวณและทำนายเหตุการณ์ในอนาคต โดยใช้ข้อมูลเหตุการณ์แผ่นดินไหวจำนวนมาก ที่นักธรณีวิทยาได้เก็บสะสมมาเป็นเวลานาน เพื่อหารูปแบบและความรุนแรงของภัยแผ่นดินไหวที่จะเกิดขึ้น แล้วจะได้เตือนประชาชนให้หลบหนีภัยได้ทัน เช่น ให้อพยพออกจากตึก หรืองดการใช้ลิฟต์ในอาคาร หรือดับเครื่องยนต์ในโรงงาน ก่อนที่ความเสียหายระดับวายวอดจะเกิดขึ้น


อ่านเพิ่มเติมจาก "The wicked problem of earthquake hazard in developing countries". preventionweb.net. 7 March 2018. Archived from the original on 2022-11-03. Retrieved 2022-11-03.


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

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์