โครงสร้างโลก
สุทัศน์ ยกส้าน
ภาคีสมาชิกราชบัณฑิตยสถาน

ในนวนิยายเรื่อง Journey to the Centre of the Earth ที่ Jules Verne ได้ประพันธ์ไว้ในปี 2507 ศาสตราจารย์ Hardwigg และหลานชายชื่อ Harry ได้เดินทางด้วยจรวด เข้าไปในโลกทางปากปล่องภูเขาไฟ คนทั้งสองได้พบเหตุการณ์ที่พิลึกและพิศดารมากมาย แต่จินตวิธีที่ Verne คิด กับวิธีการที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ ในการศึกษาโครงสร้างของโลกนั้นแตกต่างกัน
จริงอยู่ที่ระยะทางจากกรุงเทพฯ ถึงจุดศูนย์กลางของโลก ใกล้กว่าระยะทางจากกรุงเทพฯ ถึงลอสแองเจสิส แต่กว่าที่มนุษย์จะเดินทางจากกรุงเทพฯ ถึงจุดศูนย์กลางของโลกนั้น ยากลำบากยิ่งกว่าการเดินทางไปลอสแองเจลิสเป็นล้านล้านเท่า ความยากลำบากนี้ อาจจะเปรียบได้กับความพยายามของมนุษย์ ที่จะเดินทางสู่กาแล็กซี่อื่นทีเดียว ทั้งนี้เพราะจากสถิติปัจจุบัน มนุษย์ขุดเจาะโลกได้ลึกเพียง 12 กิโลเมตรเท่านั้นเอง ในขณะที่รัศมีของโลกยาวถึง 6,367 กิโลเมตร ถึงแม้มนุษย์ยังไม่ประสบความสำเร็จในการขุดโลกก็ตาม แต่นั่นก็ไม่ได้หมายความว่า มนุษย์จะไม่มีทางล่วงรู้โครงสร้างภายในโลกได้
เมื่อปี 2208 Athanasia Kircher เคยมีจิตนาการว่า ที่ศูนย์กลางของโลกมีลูกไฟขนาดใหญ่ และเวลาเปลวๆไฟจากลูกไฟ ลอยผ่านชั้นหินและดิน จากใต้แผ่นดินขึ้นมา ภูเขาไฟก็จะระเบิด แต่ Edmond Halley กลับคิดว่า โลกประกอบด้วยลูกทรงกลมหนา ที่เรียงซ้อนกันเป็นชั้น ๆ และเวลาก๊าซที่แฝงอยู่ระหว่างชั้นเหล่านั้น เล็ดลอดสู่ขั้วโลก เราก็จะเห็นแสงเหนือ (aurora borealis) นอกจากนี้ Halley ก็ยังคิดอีกว่า ความหนาแน่นของหินและดินในโลก มีค่าสม่ำเสมอเท่ากันโดยตลอดทั่วทั้งโลก แต่เมื่อ lsaac Newton พบกฎแรงดึงดูดแบบโน้มถ่วง และนักวิทยาศาสตร์ได้ใช้กฎนี้คำนวณหาความหนาแน่นของโลก เขาก็ได้พบว่า ณ ที่ยิ่งลึก ความหนาแน่นของหินและดินก็ยิ่งสูง ดังนั้นโครงสร้างโลก ในมุมมองของ Halley จึงผิด Lord Kelvin เป็นนักวิทยาศาสตร์อีกคนหนึ่งที่สนใจเรื่องโครงสร้างโลก เมื่อ Kelvin รู้ว่าโลกกำลังเย็นตัวลงตลอดเวลา เขาจึงใช้ข้อมูลเรื่องอัตราการเย็นตัว คำนวณพบว่าโลกมีอายุระหว่าง 20-100 ล้านปี ซึ่งตัวเลขนี้ Charles Darwin คิดว่าเป็นตัวเลขที่น้อยผิดปกติ เพราะ Darwin เชื่อในทฤษฏีวิวัฒนาการของเขา ที่ทำนายว่าสิ่งมีชีวิตได้ถือกำเนิดบนโลกมานานกว่านั้น สำหรับแนวคิดของ Kelvin ที่ว่า โลกมีโครงสร้างเป็นทรงกลมตันนั้น Alfred Wegener ก็ไม่เห็นด้วย เพราะเขาคิดว่าพื้นแผ่นดินที่เป็นทวีป สามารถเลื่อนไหลไปบนผิวโลกได้ ถึงแม้ว่าจะเคลื่อนไปในอัตราช้า ประมาณ 2 เซนติเมตร/ปีก็ตาม และเมื่อประมาณ 40 ปีมานี้เอง ทฤษฎี plate tectonics ของ Wegener ก็ได้รับการพิสูจน์ยืนยันแล้วว่าถูกต้องและเป็นจริง
ทุกวันนี้ ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ช่วยให้เรารู้ว่า โลกมีโครงสร้างที่ค่อนข้างซับซ้อน และบริเวณส่วนต่าง ๆ ของโลกมีการเคลื่อนไหว เช่น ชนกัน แยกจากกัน เคลื่อนที่ซ้อนกัน หรือไหลวนตลอดเวลา ข้อมูลที่ได้จากการสำรวจ ได้ช่วยให้นักธรณีวิทยา สามารถแบ่งโครงสร้างภายในของโลกเป็นชั้นๆ ได้ดังนี้ คือ ชั้นนอกสุดเป็นเปลือกโลก (crust) พื้นดินที่เป็นทวีป และพื้นน้ำที่เป็นมหาสมุทร จะอยู่ในบริเวณเปลือกโลกที่มีความหนาตั้งแต่ 15-120 กิโลเมตร ใต้เปลือกโลกลงไปเป็นชั้นกลางเรียก mantle โลกส่วนนี้มีความหนาประมาณ 2,800 กิโลเมตร และความหนาแน่นสูง เพราะประกอบด้วยซิลิเกต เหล็ก และแมกนีเซียมเป็นส่วนใหญ่ ส่วนชั้นในสุดที่เรียก แกนกลาง (core) นั้น นักวิทยาศาสตร์ในสมัย Verne คิดว่าเป็นของเหลวประเภทลาวาภูเขาไฟ แต่ Verne คิดว่าเป็นของแข็ง ซึ่งจินตนาการของ Verne ได้รับคำยืนยันโดยนักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันว่าถูก เพราะแกนกลางมีสองส่วน คือ แกนส่วนนอก (outer core) ที่เป็นเหล็กเหลว มีความหนาประมาณ 2,100 กิโลเมตรและแกนส่วนใน (inner core) ที่เป็นเหล็กแข็ง มีรัศมียาวประมาณ 1,200 กิโลเมตร นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อมูลโครงสร้างเหล่านี้ จากการใช้กระบวนการที่เรียกส่า seismic tomography ซึ่งเป็นวิธีการเดียวกับที่ แพทย์ใช้ในการตรวจร่างกายคนไข้ เพื่อค้นหาเนื้องอก โดยการรวบรวมข้อมูล การสั่นสะเทือนของแผ่นดิน ซึ่งเกิดขึ้นไม่ต่ำกว่า 1 ล้านครั้งในแต่ละปี จากสถานีสำรวจจำนวนกว่า 3,000 สถานีทั่วโลก มาประมวล แล้วใช้คอมพิวเตอร์ ที่มีสมรรถภาพสูง สังเคราะห์ข้อมูลเหล่านั้น จนทำให้ได้ภาพสามมิติของโลกในที่สุด
ภาพที่ได้แสดงให้เห็นว่า แกนส่วนในของโลกประกอบด้วยเหล็กเป็นส่วนใหญ่ แต่เมื่อแกนส่วนนี้มีอุณหภูมิสูงถึง 6,000 องศาเซลเซียส และอยู่ภายใต้ความดันสูงถึง 300 ล้านบรรยากาศ ธรรมชาติที่แท้จริงของแกนส่วนใน ซึ่งตกอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ไม่ธรรมดาจะเป็นเช่นไร จึงเป็นปรศษนา ที่นักวิทยาศาสตร์กำลังแสวงหาคำตอบอยู่ นอกจากคำถามประเด็นนี้แล้ว ปริศนาอื่น ๆ เช่น เหตุใดขั้วเหนือ-ใต้ของแม่เหล็กโลก จึงกลับขั้วได้ ชั้นต่างๆ ของโลกเคลื่อนที่สัมพันธ์กันอย่างไร และเราจะรู้อุณหภูมิ ที่จุดศูนย์กลางของโลกได้อย่างไร เหล่านี้คือปัญหาที่นักธรณีวิทยาปัจจุบัน กำลังศึกษาอยู่ เมื่อ 4,600 ล้านปีก่อนนี้ ในขณะที่โลกกำลังถือกำเนิด จากการจับตัวกัน ของฝุ่นละอองในก๊าซร้อน ที่อยู่รอบดวงอาทิตย์ แรงดึงดูดแบบโน้มถ่วง ได้ทำให้เม็ดฝุ่นเกาะตัวรวมกัน มีขนาดใหญ่ขึ้นๆ และเมื่อเม็ดฝุ่นที่มีขนาดใหญ่ชนกัน ความร้อนที่เกิดจากการปะทะกันอย่างรุนแรง ได้ทำให้มันหลอมรวมกันจนมีขนาดใหญ่ขึ้นๆ ตามลำดับ องค์ประกอบส่วนที่เป็นเหล็กซึ่งมีความหนาแน่นสูง ก็จะจมตัวลงไปรวมกันที่แกน การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีในโลก และความดันที่มากมหาศาล ได้ทำให้แกนมีอุณหภูมิสูง จนแกนส่วนนอกมีสภาพเป็นของเหลว และแกนส่วนในมีสภาพเป็นของแข็ง และเมื่อโลกหมุนรอบตัวเองตลอดเวลา การหมุนของโลกทำให้ เหล็กเหลวในบริเวณแกนส่วนนอกไหลวนไปด้วย และการไหลวนของเหล็กเหลวนี้เอง ที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนคิดว่า คือสาเหตุที่ทำให้โลก มีสนามแม่เหล็กในตัว และถึงแม้ส่วนที่เป็นแกนกลางของโลกจะอยู่ไกลจากมนุษย์ถึง 2,800 กิโลเมตรก็ตาม แต่มันก็มีอิทธิพลต่อมนุษยชาติมาก เพราะการไหลของเหล็กเหลว ที่อยู่ในบริเวณแกนส่วนนอก ทำให้โลกมีสนามแม่เหล็ก ที่สามารถปกป้องมิให้อนุภาคคอสมิกจากอวกาศ หรือลมสุริยะจากดวงอาทิตย์ พุ่งมาทำร้ายชีวิตทุกชนิดบนโลกได้ นอกจากนี้ ลักษณะการไหลของของเหลวส่วนนี้ ก็ยังมีอิทธิพลต่อการเคลื่อนที่ของทวีปที่ผิวโลก การระเบิดของภูเขาไฟ และความรุนแรงของเหตุการณ์แผ่นดินไหวด้วย ซึ่งปรากฏการณ์เหล่านี้ จะร้ายแรงมากหรือน้อยเพียงใด ก็ขึ้นกับว่า แกนกลางของโลกเรานั้น ร้อนเพียงใดและปัญหานี้ก็คือ ปัญหาที่นักธรณีฟิสิกส์ปัจจุบันกำลังสนใจ
ในวารสาร Nature ฉบับที่ 401 ประจำวันที่ 30 กันยายน ปีกลายนี้ D.Alfe และคณะ ได้รายงานว่า เขามีวิธีวัดอุณหภูมิของแกนกลางโลก โดยอาศัยความรู้ว่า เวลาที่เราลงไปในบ่อเหมือง เราจะรู้สึกว่าอุณหภูมิที่ก้นบ่อสูงกว่าอุณหภูมิที่ปากบ่อ สาเหตุที่เป็นเช่นนี้ เพราะโลกกำลังกำจัดความร้อนออกจากตัว ในอัตรา 4.2 x 1013 จูล/วินาที (1 จูลคือ พลังงานที่มวล 2 กิโลกรัมมี ขณะที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 1 เมตร/วินาที) ดังนั้นสถานที่ใด ที่อยู่ใกล้จุดศูนย์กลางของโลก ก็ย่อมร้อนยิ่งกว่า สถานที่ที่อยู่ไกลจากจุดศูนย์กลางของโลกเป็นธรรมดา แต่ถ้า Alfe ใช้ข้อมูลอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ตั้งแต่ 20-30 องศา ของบ่อเหมืองที่ลึก 1 กิโลเมตร เขาก็จะพบว่า ภายในระยะทางที่ลึกเพียง 200 กิโลเมตร อุณหภูมิจะสูงมากจนหินทั้งหลายละลายกลายเป็นไอหมด แต่ความจริงก็มีว่า ในชั้นที่เป็น Mantle นั้น โลกใช้กระบวนการกำจัดความร้อนภายในโลก โดยวิธีการพาความร้อน (Convection) ทำให้อุณหภูมิของหินชั้นต่าง ๆ ในโลก ไม่สูงมากอย่างที่คิด
เมื่อ Alfe สังเคราะห์ข้อมูลทางธรณีฟิสิกส์และธรณีเคมี เขาก็ได้พบว่า บริเวณรอยต่อระหว่าง Mantle กับแกนกลาง มีอุณหภูมิสูงประมาณ 2,500-3,000 องศาเคลวิน ( 2,227-2,727 องศาเซลเซียส) และเมื่อเขารู้ว่า แกนกลางของโลก ประกอบด้วยเหล็ก 90% และธาตุเบา เช่น กำมะถัน ออกซิเจน และไฮโดรเจน อีก 10% การมีธาตุอื่นผสมอยู่ด้วยเช่นกัน ทำให้จุดหลอมเหลวของเหล็กลดต่ำลง ผลการคำนวนที่ได้รับ จากการพิจารณาของส่วนผสม ที่มีทั้งเหล็กเหลวและเหล็กแข็งนี้ ทำให้เขารู้ว่าอุณหภูมิที่บริเวณรอยต่อระหว่างแกนส่วนในกับแกนส่วนนอก เท่ากับ 6,670+ 600 องศาเคลวิน (6,399+327 องศาเซลเซียส) อุณหภูมิที่บริเวณรอยต่อระหว่างแกนส่วนนอกกับ mantle สูงประมาณ 4,000 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิที่บริเวณรอยต่อ ระหว่าง mantle กับเปลือกโลก มีค่าประมาณ 1,500 องศาเซลเซียส
นอกจากประเด็นอุณหภูมิ ที่นักวิทยาศาสตร์สนใจแล้ว ลักษณะการเคลื่อนไหวของแกนส่วนในของโลก ก็เป็นปริศนา ที่นักวิทยาศาสตร์ กำลังทุ่มเทความพยายามศึกษาเช่นกัน เพราะข้อมูลที่ได้ จากการศึกษาคลื่นแผ่นดินไหว ได้ชี้บอกให้นักธรณีฟิสิกส์รู้ว่า แกนส่วนในที่เป็นเหล็กแข็งนั้น กำลังเพิ่มขนาดของมันตลอดเวลา ในอัตรา 2-3 ลูกบาศก์เมตร/วินาที ซึ่งกระบวนการเพิ่มขนาด ของแกนกลางนี้ ได้เริ่มต้นเมื่อประมาณ 2,000 ล้านปีมาแล้ว นอกจากนี้ในปี 2539 X. Song และ P.G. Richards แห่ง Lamont Doherty Earth Observatory ที่ Palisades ในรัฐนิวยอร์ก ได้ทำให้โลกตะลึง เมื่อเขาทั้งสองรายงานว่า แกนกลางที่เป็นเหล็กแข็ก สามารถหมุนรอบตัวเองได้อย่างอิสระ โดยเฉพาะบริเวณศูนย์สูตรของมัน สามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าเปลือกโลกถึง 1 แสนเท่า และด้วยความเร็วเช่นนี้ มันจะสามารถหมุนได้ครบหนึ่งรอบ ภายในเวลาประมาณ 400 ปี โดยนักวิทยาศาสตร์ทั้งสอง ได้ข้อสรุปนี้จากการเปรียบเทียบ ความเร็วของคลื่นแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้น ในบริเวณ South Sandwich Islands แล้วเคลื่อนที่ทะลุผ่านแกนกลางของโลก สู่เครื่องรับสัญญาณที่อะแลสกาในระหว่างปี 2501-2538 และ Song กับ Richards ก็ได้พบว่า ในบรรดาคลื่นแผ่นดินไหว 38 ลูก ที่เขาตรวจพบนั้น คลื่นในปี 2538 ใช้เวลาเดินทาง น้อยกว่าคลื่นปี 2510 ถึง 0.3 วินาที ซึ่งตัวเลขความแตกต่างนี้ Song อธิบายว่า เป็นผลที่เกิดจากการที่ แกนเหล็กของโลกได้หมุนไป ทำให้ความเร็วของคลื่น ที่เคลื่อนที่ผ่านแกนเหล็กเปลี่ยนแปลงไปด้วย และอัตราการหมุนรอบตัวเอง ของแกนเหล็กเท่ากับ 0.2 องศา/ปี
ล่าสุด ในวารสาร Nature ฉบับที่ 405 หน้า 445 ประจำวันที่ 25 พฤษภาคม ปีกลายนี้ J.E. Vidale ได้รายงานการใช้คลื่นแผ่นดินไหว ที่เกิดจากการทดสอบระเบิดปรมาณูของรัสเซีย ในไซบีเรียเหนือ ระหว่างปี 2514 กับปี 2517 และใช้สถานีรับสัญญาณคลื่นดังกล่าว ที่มอนทานาในสหรัฐอเมริกา การวิเคราะห์คลื่นแผ่นดินไหว ที่เดินทางจากสถานีทดลองปรมาณู ลงสู่แกนกลางที่เป็นเหล็กแข็ง แล้วสะท้อนกลับสู่สถานีรับสัญญาณ ทำให้เขารู้ว่า แกนกลางโลกหมุนด้วยความเร็วเพียง 0.15 องศา/ปีเท่านั้นเอง
โลกมิใช่เป็นดาวเคราะห์ดวงเดียวเท่านั้นที่มีแกนกลางเป็นเหล็กกลม ดาวอังคาร ดาวศุกร์ ก็มีแกนกลางที่เป็นเหล็กเช่นกัน แต่ก็มีเฉพาะโลกกับดาวพุธเท่านั้น ที่มีสนามแม่เหล็กในตัว ทั้งนี้เพราะโลกกับดาวพุธ มีแกนส่วนนอกที่เป็นเหล็กเหลว ซึ่งการไหลหมุนวนของเหล็กเหลวนี้เองที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก แต่ลักษณะการไหลของเหล็กเหลว จะเป็นรูปแบบใด จึงสามารถทำให้ขั้วแม่เหล็กโลกกลับทิศได้ ในทุก 2,000-3,000 ปีนั้น เรายังไม่มีคำตอบ
ปริศนาใต้บาดาลประเด็นนี้ ยังคงเป็นปริศนาฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่ปริศนาหนึ่ง ที่ควรค่าแก่การสนใจ เพราะเมื่อ 65 ล้านปีมาแล้ว อุกกาบาตได้พุ่งชนโลก และภูเขาไฟทั่วโลกได้ระเบิดอย่างรุนแรง ฝุ่นละอองและเถ้าถ่าน ถูกพ่นออกมาบดบังแสงอาทิตย์นานเป็นปี ทำให้อุณหภูมิของโลกเย็นลง จนในที่สุดไดโนเสาร์ต้องสูญพันธุ์ ทั้งหลายทั้งปวงนี้ เป็นผลที่เกิดจากการเคลื่อนไหวของหินเหลวใต้โลกครับ