ไขความลับแก่นโลก
เสวนาพิเศษ Mahidol Science Café ตอน ไขความลับแก่นโลก
โดยผู้เชี่ยวชาญด้านธรณีฟิสิกส์ อาทิ
ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.ภูวิศ อมาตยกุล อาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์
อาจารย์ ดร.สุทธิพงษ์ น้อยสกุล อาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์
ดร.ธวัช รุ่งอรุณวรรณ จากบริษัท เคิร์ลอี ธรณีฟิสิกส์ จำกัด
ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.วิทูร ชื่นวชิรศิริ หัวหน้าภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล เป็นผู้ดำเนินรายการ
ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.ภูวิศ อมาตยกุล ได้กล่าวถึงรายงานข่าวนักวิจัยพบว่าแก่นโลกหยุดหมุนและมีการหมุนย้อนกลับซึ่งสร้างความตื่นตระหนกไปทั่วโลก และเหตุธรณีพิบัติอย่างแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นและสร้างความเสียหายในหลายพื้นที่ อาทิ ประเทศตุรเกียร์ และประเทศไทยในช่วงที่ผ่านมา โดยได้แสดงความเสียใจกับผู้สูญเสียจากเหตุการณ์ภัยพิบัติ ก่อนเชื่อมโยงไปถึงการศึกษาปรากฏการณ์ทางธรณีวิทยาเพื่อทำความเข้าใจโครงสร้างโลกใต้พื้นพิภพที่แบ่งออกเป็นชั้นต่าง ๆ ด้วย ‘ธรณีฟิสิกส์’ ซึ่งช่วยให้เราสแกนโลกระดับลึกโดยที่ไม่ต้องเดินทางไปยังแก่นโลกจริง ๆ แต่ทำการวัดสัญญาณทางฟิสิกส์แทน เปรียบเทียบได้กับการสแกนร่างกายของมนุษย์เพื่อศึกษาดูอวัยวะและโครงสร้างภายในโดยไม่ต้องทำการผ่าตัดนั่นเอง โดยสัญญาณที่นักวิทยาศาสตร์ตรวจวัดนั้น ได้มาจากการวัดสนามแม่เหล็กโลก วัดคลื่นไหวสะเทือนจากแผ่นดินไหว เป็นต้น
นอกจากทำความเข้าใจโครงสร้างของโลกในเชิงลึกแล้ว ธรณีฟิสิกส์ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการสำรวจหาทรัพยากรธรรมชาติบริเวณใกล้ผิวโลก เช่น น้ำบาดาล น้ำพุร้อน ปิโตรเลียม ฯลฯ และการค้นพบทางโบราณคดีอีกด้วย
ด้าน ดร.ธวัช รุ่งอรุณวรรณ ได้เสริมความเข้าใจเกี่ยวกับการเกิดสนามแม่เหล็กโลก คลื่นที่เราไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า แต่มีส่วนสำคัญที่ช่วยเฉลยว่าเนื้อโลกของเราเป็นอย่างไรว่า โลกของเราไม่ได้มีแม่เหล็กแท่งใหญ่แบบที่เราเห็นได้ในห้องเรียนวิทยาศาสตร์ฝังอยู่ข้างใน
การศึกษาโครงสร้างโลกด้วยสนามแม่เหล็กนั้น เราสามารถใช้ประโยชน์จากลมสุริยะที่มาจากการระเบิดเป็นครั้งคราวบนผิวของดวงอาทิตย์ และมาปะทะกับสนามแม่เหล็กโลก เกิดเป็นสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถทะลุไปยังพื้นโลกและสะท้อนกลับขึ้นมาให้เราตรวจจับสัญญาณได้ ทั้งนี้ ใต้ของโลกก็สามารถสร้างสัญญาณแบบนี้ขึ้นมาที่ผิวโลกได้เช่นกัน แต่อาจต้องใช้เวลาเดินทางขึ้นมานานกว่า 100 ปี นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามตั้งสถานีตรวจวัดให้สามารถเก็บข้อมูลได้ยาวนานและครอบคลุม โดยปัจจุบันสถานีวัดสัญญาณต่าง ๆ ยังมีอายุไม่ถึง 200 ปี ซึ่งถือว่ายังมีข้อมูลน้อย
ซึ่งคณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล ได้มีความร่วมมือกับนักวิจัยจาก JAMSTEC และ Earthquake Research Institute, The University of Tokyo เก็บข้อมูลสนามแม่เหล็กโลกในบริเวณมหาสมุทรแปซิฟิกซึ่งยังมีการเก็บข้อมูลน้อยเมื่อเทียบกับพื้นที่ทางฝั่งยุโรปซึ่งในอดีตมีความก้าวหน้าด้านเดินเรือมากกว่า จึงมีการมาตั้งสถานีที่จังหวัดกาญจนบุรี เพื่อควบคุมข้อมูลให้คุณภาพ ตั้งแต่ปี ค.ศ. 2000
อาจารย์ ดร.สุทธิพงษ์ น้อยสกุล ได้พาผู้ฟังไปทำความเข้าใจแก่นโลก และข้อเท็จจริงที่น่าสนใจว่า
นักวิทยาศาสตร์พบว่าโลกของเราเกิดขึ้นเมื่อ 4,500 – 5,000 ล้านปีก่อน แต่แก่นโลกชั้นในเพิ่งเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 1,000 – 1,300 ล้านปีก่อน โดยก่อนหน้าที่จะมีแก่นโลกชั้นในสนามแม่เหล็กโลกอ่อนกว่าปัจจุบันมาก หลังเกิดการตกผลึกของแก่นโลกชั้นในจากด้านในสู่ด้านนอก ในทำให้สนามแม่เหล็กโลกเริ่มเข้มแข็งขึ้น เกิดการเคลื่อนที่ตัวของเปลือกโลก ซึ่งสัมพันธ์กับการเกิดขึ้นของสิ่งมีชีวิต
จากนั้นจึงเจาะลึกถึง ‘วิทยาแผ่นดินไหว’ หนึ่งในศาสตร์ทางธรณีฟิสิกส์ ที่ศึกษา ‘คลื่นไหวสะเทือนพื้นดิน’ (Seismic waves) จากแผ่นดินไหวเพื่อทำความเข้าใจความลับของแก่นโลก ซึ่งเป็นวิธีวิจัยที่ถูกกล่าวถึงในข่าวแก่นโลกหยุดหมุนที่ถูกนำเสนอข่าวไปทั่วโลก โดยอธิบายว่า แผ่นดินไหวที่ประเทศตุรเกียร์ซึ่งเกิดขึ้นที่ระดับความลึกประมาณ 8 กิโลเมตร จะไม่สามารถบ่งบอกสภาพของแก่นโลกได้ เพราะการศึกษาแก่นโลกจะต้องอาศัยคลื่นแผ่นดินไหวที่เกิดในระดับความลึกประมาณ 400 กิโลเมตรเป็นต้นไป นักวิทยาศาสตร์พบว่าพื้นที่บริเวณที่เกิดแผ่นดินไหวระดับลึกบ่อยครั้งส่วนมากจะอยู่ในบริเวณทวีปอเมริกาใต้ และ ภูมิภาคแปซิฟิกตะวันตกซึ่งแทบจะไม่สร้างความเสียหายต่อมนุษย์
คลื่นไหวสะเทือนพื้นดินจะมี 2 รูปแบบ
คลื่นตามยาวหรือ ‘P wave’ คือคลื่นที่มีความเร็วสูง และเดินทางผ่านตัวกลางได้ทั้งของแข็งและของไหล
คลื่นตามขวางหรือ ‘S wave’ คือคลื่นที่มีความเร็วช้ากว่า และเดินทางผ่านของแข็งเท่านั้น
เมื่อเกิดแผ่นดินไหวหรือระเบิดนิวเคลียร์ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดคลื่น คลื่นเหล่านี้จะเดินทางทะลุผ่านโลกจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่งทำให้เราสามารถตรวจจับสัญญาณได้ ด้วยตัวคุณสมบัติและการเคลื่อนที่ผ่านแก่นโลกของคลื่นทั้ง 2 ชนิดที่ต่างกัน ทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้ว่า แก่นโลกชั้นนอกมีคุณสมบัติเป็นของเหลว เนื่องจาก S wave ไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านได้ และแก่นโลกชั้นในที่เกิดการตกผลึกเป็นของแข็งและมีคุณสมบัติคล้ายคริสตัลอยู่ด้วย
เมื่อ S wave เจอเข้ากับของเหลวก็เกิดการเบี่ยงเบนออกไป เหลือเพียง P wave ที่นำข้อมูลโครงสร้างของแก่นโลกชั้นในกลับออกมา โดยข้อมูลจากแผ่นดินไหวระดับลึกที่เกิดขึ้นต่างสถานที่และต่างเวลาจะมีลักษณะเฉพาะไม่เหมือนกัน ข้อมูลที่จะนำมาใช้วิเคราะห์จึงต้องเป็นข้อมูลของแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นในบริเวณใกล้เคียงกันแต่ต่างเวลา จึงจะสามารถนำมาเปรียบเทียบดูการเปลี่ยนแปลงของแก่นโลกได้
จากข้อมูลที่ได้จาก P wave พบว่าคลื่นเดินทางผ่านแก่นโลกชั้นในจากทิศเหนือไปใต้ได้เร็วกว่าทิศตะวันออกไปตะวันตก และมีโครงสร้างแก่นโลกชั้นในแบ่งซีกเป็นตะวันออกและซีกตะวันตก โดยซีกที่คลื่นเดินทางเร็ว–ช้า ไม่ได้แบ่งออกเป็น 2 ซีกไม่เท่ากัน
ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ตั้งสมมติฐานไว้ 2 รูปแบบ
แบบที่ 1
เสนอว่าบริเวณที่คลื่นมีความเร็วสูงมีรูปร่างคล้ายลูกตา
แบบที่ 2
เสนอว่ามีรูปร่างคล้ายลิ่มบนลูกบอลชายหาด
ในประเด็นนี้มีจุดที่น่าสนใจคือ ประเทศไทยตั้งอยู่บริเวณยอดแก่นโลกชั้นในของฝั่งตะวันออก ซึ่งสามารถรับสัญญาณคลื่นแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นบริเวณทวีปอเมริกาใต้ได้ กลุ่มวิจัยธรณีฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล นำโดย รศ. ดร.วีระชัย สิริพันธ์วราภรณ์ ภาคฟิสิกส์ จึงร่วมกับนักวิจัยจาก JAMSTEC, Earthquake Research Institute, The University of Tokyo และ Geological Survey of Japan ศึกษาการแบ่งซีกของโครงสร้างแก่นโลกชั้นใน (Quasi-Hemispherical inner core) ภายใต้โครงการ ‘Thai Seismic Array (TSAR)’ โดยออกแบบและติดตั้งเครื่องวัดสัญญาณแผ่นดินไหวระดับลึก ในพื้นที่ประเทศไทย พร้อมซ่อมบำรุง เก็บข้อมูล เชื่อมต่อ และประเมินผลข้อมูลเป็นระยะเวลา 2 ปี โดยการศึกษาพบว่าแก่นโลกชั้นในน่าจะมีการแบ่งฝั่งคลื่นที่เร็ว–ช้าของคลื่นเป็นแบบลูกตาตามสมมติฐานแรก
นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าแก่นโลกมีการหมุนจากการวิเคราะห์ข้อมูลการทดลองระเบิดนิวเคลียร์ซ้ำ ๆ ในสมัยสงครามเย็น และข้อมูลจากแผ่นดินไหวระดับลึกขนาดใกล้เคียงกัน บริเวณเดียวกัน ในต่างช่วงเวลา ซึ่งเผยให้เห็นว่าแก่นโลกชั้นในมีการหมุนหรือตกผลึกเพิ่มขึ้น โดยสันนิษฐานว่าที่แก่นโลกชั้นในหมุนได้เกิดจากการต้านกันระหว่างแรงโน้มถ่วงของโลกที่ล็อกให้วัตถุต่าง ๆ เช่น ดวงจันทร์หมุนรอบโลก และแรงแม่เหล็กไฟฟ้าจากสนามแม่เหล็กในแก่นโลก แต่ก็ยังไม่มีการสรุปที่แน่ชัด
ปัจจุบันมีแนวคิดเรื่องการหมุนของแก่นโลกชั้นในหลายแนวคิด โดยที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดคือ แนวคิดว่าแก่นโลกหมุนไป – กลับ เร็วกว่าบ้าง ช้ากว่าบ้าง (Oscillation) ซึ่งงานวิจัยแก่นโลกชั้นในหยุดหมุนที่ได้รับความสนใจในช่วงต้นปีที่ผ่านมาก็เสนอข้อมูลสนับสนุนแนวคิดนี้ว่า แก่นโลกชั้นในมีการหมุนไป – กลับ แต่เปลี่ยนรอบการหมุนทุก ๆ 60 ปี ซึ่งเป็นข้อมูลใหม่ ต่างจากเดิมที่เชื่อว่าโลกมีการเปลี่ยนรอบการหมุนทุก ๆ 20 ปี
ทั้งนี้ การที่แก่นโลกชั้นในหยุดหมุนนั้นไม่ใช่เรื่องใหม่ จากการวิเคราะห์ข้อมูลย้อนหลังพบว่า แก่นโลกชั้นในมีความเปลี่ยนแปลงเรื่อย ๆ ก่อนจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงในช่วง ค.ศ. 2010 แล้วกลับมามีการเปลี่ยนแปลงอีกครั้ง ซึ่งหากเราคิดตามแนวคิดที่ว่าแก่นโลกชั้นในมีรอบการหมุนเปลี่ยนจากหมุนเร็วเป็นหมุนช้า
อาจารย์ ดร.สุทธิพงษ์ กล่าวว่า
เห็นได้จากเมื่อ 60 ปีก่อน เราไม่พบรายงานข่าวเหตุการณ์ธรณีพิบัติครั้งใหญ่เกิดขึ้นเลย แต่เรื่องที่ชัดเจนคือ การหมุนของแก่นโลกชั้นในบังเอิญไปสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงความยาวของระยะเวลา 1 วัน ซึ่งเป็นเวลาที่โลกหมุนรอบตัวเอง หากเราเทียบเวลากับนาฬิกาอะตอมซึ่งมีความเที่ยงตรงสูงมาก จะพบว่าในอดีต 1 วัน ไม่ได้มีระยะเวลา 24 ชั่วโมงเต็ม แต่มีเวลามากกว่า 24 ชั่วโมงอยู่ประมาณ 0.5 มิลลิวินาที และเนื่องจากโลกหมุนช้าลง องค์กรที่ดูแลเรื่องการเทียบเวลาจึงต้องเพิ่มเวลา (Leap second) ให้ครบ 24 ชั่วโมง
ซึ่งตั้งแต่ปี ค.ศ. 1972 – 2023 มีการทดเวลาเพิ่มให้เราไปแล้ว 37 วินาที ครั้งสุดท้ายที่ทดเวลาให้คือปี ค.ศ. 2016 และหยุดเพิ่มเวลาไปกว่า 7 ปีแล้ว ซึ่งไปตรงกับข้อมูลของแก่นโลกชั้นในในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา ที่ชี้ว่ามีการหมุนน้อยมาก ๆ จนแทบจะไม่มีการเปลี่ยนแปลง
ปัจจุบัน ข้อมูลบ่งชี้ว่าแก่นโลกชั้นในกำลังหมุนย้อนกลับ ซึ่งอาจทำให้เวลา 1 วัน น้อยกว่า 24 ชั่วโมงและต้องลบเวลาที่เกินออกในอนาคต
นอกจากนั้น ดร.ธวัช ได้เสริมเพิ่มเติมถึงโอกาสที่สนามแม่เหล็กโลกจะเปลี่ยนจากทิศจากเหนือเป็นใต้ว่า ก็มีโอกาสเกิดขึ้นได้ ขึ้นอยู่กับอิทธิพลของแรงภายในแก่นโลกชั้นนอก และอิทธิพลของดวงจันทร์ที่โคจรรอบโลก แต่ไม่ได้เป็นการเปลี่ยนแปลงแบบกะทันหัน มีหลักฐานจากการศึกษาพื้นมหาสมุทรพบว่าเคยมีการกลับทิศเหนือใต้มาก่อนด้วย โดยครั้งล่าสุดที่มีการเปลี่ยนแปลงคือเมื่อ 780,000 ปีก่อน และใช้เวลาในช่วงเปลี่ยนผ่านโดยเฉลี่ยยาวนานกว่า 7,000 ปี
