ข่าวใหญ่ของวงการวิทยาศาสตร์ที่ทำให้คนทั่วโลกตื่นตระหนกในช่วงไม่กี่วันที่ผ่านมาคงหนีไม่พ้นงานวิจัยของกลุ่มนักวิทยาศาสตร์จีนที่เปิดเผยว่า ‘แก่นโลกชั้นใน’ กำลังหมุนช้าลง และหากย้อนกลับไปดูงานวิจัยเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของโลกในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เราจะพบรายงานทางวิทยาศาสตร์จำนวนมากที่เผยให้เห็นว่า ‘สนามแม่เหล็กโลก’ กำลังแปรปรวน และ ‘โลหะหลอมเหลวภายในโลก’ กำลังเย็นลง
บทความนี้ ผมจึงอยากชวนผู้อ่านมาตั้งคำถามและวิเคราะห์ว่า การเปลี่ยนแปลงภายในโลกที่กำลังเกิดขึ้น แท้จริงแล้วเป็นวัฏจักรทางธรรมชาติหรือสัญญาณหายนะที่มนุษยชาติต้องเตรียมตัวรับมือกันแน่
นักวิทยาศาสตร์ศึกษาโครงสร้างภายในของโลกด้วยวิธีใด
ภูเขาบนพื้นผิวโลกสามารถมองเห็นด้วยตา ที่ราบก้นทะเลสามารถดำน้ำลงไปสำรวจ และดวงดาวบนท้องฟ้าสามารถสังเกตด้วยกล้องโทรทรรศน์ แต่สิ่งที่อยู่ใต้เท้าของเรากลับเป็นปริศนาที่ยากจะหาคำตอบ ความลึกลับนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์บางท่านในศตวรรษที่ 17 ตั้งทฤษฎีโลกกลวง (hollow earth theory) ที่กล่าวว่าใต้โลกมีระบบนิเวศที่คล้ายกับโลกด้านบนและเป็นที่อยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิตลึกลับ โดยโลกด้านบนกับโลกด้านล่างจะมีทางเข้าที่ซ่อนอยู่บริเวณขั้วโลก และอาจเป็นทฤษฎีโลกกลวงที่จุดประกายให้ จูลส์ เวิร์น (Jules Verne) จรดปากกาแต่งนิยายวิทยาศาสตร์เรื่อง บุกบาดาล (Journey to the Center of the Earth) ที่เป็นตำนานมาจนถึงปัจจุบัน
ช่วงเวลาไล่เลี่ยกัน นักธรณีวิทยาพอทราบแล้วว่าโลกไม่ใช่แค่ดินกับหินที่เกาะกลุ่มรวมกันเป็นก้อนกลมๆ แต่ลึกลงไปใต้โลกน่าจะเต็มไปด้วยสสารความหนาแน่นสูง คำถามมีอยู่ว่า เราจะศึกษาโครงสร้างภายในของโลกอย่างไร เพราะยิ่งเราขุดหลุมลึกลงไปมากเท่าไร ความดันและความร้อนก็ยิ่งเพิ่มสูงขึ้นจนเครื่องจักรไม่สามารถทำงานได้ โดยหลุมเจาะที่ลึกที่สุดในโลกคือ ซึ่งตั้งอยู่ที่ประเทศรัสเซียก็มีความลึกเพียง 12 กิโลเมตรเท่านั้น นับว่าน้อยนิดจนไร้ความหมายเมื่อเทียบกับรัศมีของโลกที่มากถึง 6,371 กิโลเมตร
เมื่อหาทางตรงไม่ได้ นักธรณีวิทยาจึงต้องหา ‘ทางอ้อม’ โดยอาศัยวิธีทางธรณีฟิสิกส์ (geophysics) ที่เรียกว่า การสร้างภาพตัดขวางด้วยคลื่นไหวสะเทือน (seismic tomography) ซึ่งเป็นการใช้คลื่นไหวสะเทือน (seismic wave) ที่เกิดจากการจุดระเบิดหรือการสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหวมาศึกษาส่วนที่อยู่ลึกลงไปใต้เท้าของเรา กล่าวคือ คลื่นไหวสะเทือนที่เดินทางผ่านโครงสร้างภายในของโลกจะถูกตรวจวัดด้วยอุปกรณ์ทางธรณีฟิสิกส์ จากนั้นข้อมูลจะถูกประมวลผลด้วยแบบจำลองในคอมพิวเตอร์เพื่อแสดงรูปร่าง ขนาด และความหนาแน่นของสสารที่คลื่นไหวสะเทือนเดินทางผ่าน คล้ายกับการตรวจอวัยวะภายในร่างกายด้วยคลื่นอัลตราซาวด์ (ultrasound)
คลื่นไหวสะเทือนที่มีบทบาทในการสำรวจโครงสร้างภายในของโลกมี 2 ชนิด คือ คลื่นปฐมภูมิ (primary wave) ที่เดินทางผ่านทั้งของแข็งและของไหล กับคลื่นทุติยภูมิ (secondary wave) ที่เดินทางผ่านเฉพาะของแข็ง ข้อมูลที่คลื่นไหวสะเทือนเปิดเผยออกมาทำให้นักธรณีฟิสิกส์รู้ว่า โครงสร้างของโลกแยกออกเป็นชั้นต่างๆ แต่ละชั้นมีสถานะแตกต่างกันและหมุนด้วยอัตราเร็วที่ไม่เท่ากัน โดยแบ่งออกเป็น
1. เปลือกโลก (crust) มีสถานะเป็นของแข็ง แบ่งย่อยเป็นเปลือกโลกภาคทวีป (continental crust) กับเปลือกโลกภาคสมุทร (oceanic crust)
2. เนื้อโลก (mantle) ส่วนใหญ่มีสถานะเป็นของแข็งและมีบางส่วนเป็นหินหลอมเหลว แบ่งย่อยเป็นเนื้อโลกส่วนบน (upper mantle) กับเนื้อโลกส่วนล่าง (lower mantle)
3. แก่นโลก (core) ประกอบด้วยโลหะและธาตุหนัก แบ่งย่อยเป็นแก่นโลกชั้นนอก (outer core) ที่มีสถานะเป็นโลหะเหลว กับแก่นโลกชั้นใน (inner core) ที่มีสถานะเป็นของแข็งความหนาแน่นสูง
ตรงจุดนี้ ถ้าผู้อ่านนึกภาพไม่ออก ลองนึกถึงเวลาเราไปซื้อทุเรียนที่ตลาด สมมุติว่าเปลือกทุเรียนคือเปลือกโลก เนื้อทุเรียนคือเนื้อโลก และเม็ดทุเรียนคือแก่นโลก การเคาะเปลือกทุเรียนก็คือการสร้างคลื่นไหวสะเทือนให้เดินทางผ่านโครงสร้างภายในของลูกทุเรียน จากนั้นคนขายจะฟังเสียงที่ดังออกมาแล้วบอกเราว่าทุเรียนลูกนั้นอ่อนหรือแก่ นั่นแหละครับ หลักการเดียวกันเป๊ะ!
แก่นโลกหมุนช้าลง
สำหรับข่าวการหมุนช้าลงของแก่นโลกชั้นในที่ทำให้หลายคนนึกถึงภาพยนตร์เรื่อง ผ่านรกกลางใจโลก (The Core) เป็นรายงานของกลุ่มนักธรณีฟิสิกส์ที่ประกอบด้วยอี้ หยาง (Yi Yang) และเสี่ยวตง ซ่ง (Xiaodong Song) แห่งมหาวิทยาลัยปักกิ่ง (Peking University) ที่ตีพิมพ์ลงในวารสาร Nature Geoscience โดยนักวิจัยทั้งสองท่านได้นำข้อมูลคลื่นไหวสะเทือนที่เดินทางผ่านแก่นโลกชั้นใน จากการเก็บรวบรวมมาตั้งแต่ช่วง ค.ศ. 1960 มาวิเคราะห์เทียบกับข้อมูลปัจจุบัน แล้วพบว่าแก่นโลกชั้นในกำลังหมุน ‘ช้าลง’ จนเกือบเท่ากับโครงสร้างส่วนอื่นๆ ของโลก ทำให้คาดการณ์ได้ว่าแก่นโลกชั้นในอาจหยุดหมุนแล้วหมุนย้อนทิศทาง กลับไป-กลับมาเป็นวัฏจักรทุก 70 ปี
เมื่อสื่อสาธารณะรายงานข่าวนี้ นักธรณีฟิสิกส์หลายท่านก็แสดงความคิดเห็นว่า ผลการศึกษาดังกล่าวอาจมีความคลาดเคลื่อน เนื่องจากข้อมูลบางส่วนค่อนข้างเก่าและควรตรวจสอบเพิ่มเติมอย่างละเอียด แต่สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่มีความคิดเห็นตรงกันก็คือ การหมุนกลับไป-กลับมาของแก่นโลกชั้นในไม่น่าจะมีผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก ดังนั้นขอให้ทุกท่านสบายใจได้ครับ
แก่นโลกชั้นในยังมีปริศนาอีกหลายอย่าง อาทิ นักธรณีฟิสิกส์บางกลุ่มเชื่อว่า การหมุนของแก่นโลกชั้นในอาจถูกกำหนดด้วยแรงโน้มถ่วงจากส่วนอื่นๆ ของโลก, แก่นโลกชั้นในอาจประกอบด้วยเหล็กอัลลอยในสถานะซูเปอร์ไอออนิก (superionic state) ที่มีลักษณะกึ่งแข็งกึ่งเหลว, แก่นโลกชั้นในอาจเป็นทรงกลมที่ไม่สมมาตรและสามารถแบ่งออกเป็นด้านตะวันออก (east) กับด้านตะวันตก (west) ซึ่งแต่ละด้านมีสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกัน และภายในแก่นโลกชั้นในอาจมีแก่นโลกชั้นในสุด (innermost inner core) ซุกซ่อนอยู่อีกชั้นหนึ่ง!
สนามแม่เหล็กโลกกลับขั้ว
จบเรื่องแก่นโลกชั้นในไปแล้ว ต่อไปเราจะขยับมาที่แก่นโลกชั้นนอก เพราะการหมุนเวียนของโลหะหลอมเหลวในชั้นนี้ คือแหล่งกำเนิดของสนามแม่เหล็กโลก (earth’s magnetic field) ที่คอยปกป้องบรรยากาศและสิ่งมีชีวิตให้ปลอดภัยจากรังสีคอสมิก (cosmic ray) และลมสุริยะ (solar wind) มาตลอดหลายพันล้านปี นักธรณีฟิสิกส์เรียกกระบวนการสร้างสนามแม่เหล็กโลกดังกล่าวว่า ทฤษฎีไดนาโม (dynamo theory)
เพื่อให้เห็นภาพอย่างง่าย ผู้อ่านลองจินตนาการว่าภายในโลกของเรามีแท่งแม่เหล็กขนาดใหญ่ฝังอยู่และวางตัวในแนวเหนือ-ใต้ โดยขั้วแม่เหล็กใต้จะอยู่ใกล้ขั้วโลกเหนือ ส่วนขั้วแม่เหล็กเหนือจะอยู่ใกล้ขั้วโลกใต้ แล้วมีเส้นแรงสนามแม่เหล็ก (magnetic field line) พุ่งออกจากขั้วแม่เหล็กเหนือไปยังขั้วแม่เหล็กใต้ ด้วยเหตุนี้ เข็มทิศจึงชี้ไปยังขั้วโลกเหนือ
สิ่งที่น่าสนใจคือสนามแม่เหล็กโลกไม่ใช่สิ่งที่คงอยู่ถาวร แต่มีช่วงเวลาที่อ่อนแรง สูญเสียความเป็นระเบียบ เลื่อนตำแหน่ง และแตกย่อยออกเป็นขั้วแม่เหล็กขนาดเล็ก เรียกว่า สนามแม่เหล็กโลกกลับขั้ว (geomagnetic reversal) นักธรณีฟิสิกส์พบว่าการกลับขั้วเคยเกิดขึ้นมาแล้วหลายครั้งตลอดช่วงเวลาหลายล้านปีที่ผ่านมา หลักฐานคือหินอัคนีภูเขาไฟที่ตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กโลก รวมถึงการแผ่ขยายของพื้นทะเล (seafloor spreading) ที่เกิดจากหินหลอมเหลวแทรกตัวขึ้นมาตามรอยแยกของพื้นสมุทรแล้วผลักพื้นทะเลเดิมออกไป โดยหินหลอมเหลวที่ร้อนระอุจะยังไม่ตอบสนองต่อทิศทางของสนามแม่เหล็กโลก แต่เมื่อหินหลอมเหลวเย็นตัวลงจะ ‘บันทึก’ ทิศทางของสนามแม่เหล็กโลก ณ ช่วงเวลานั้นเอาไว้ เมื่อนักธรณีฟิสิกส์นำหินหรือตะกอนเหล่านั้นมาวิเคราะห์ก็จะทราบทิศทางและช่วงเวลาที่สนามแม่เหล็กโลกกลับขั้ว การกลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลกจะไม่เกิดขึ้นแบบฉับพลันทันด่วน แต่จะเกิดขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป แล้วจึงกลับสู่สภาวะที่เสถียร
การกลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลกที่น่าสนใจ เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 42,000 ปีก่อน เรียกว่า เหตุการณ์ลาส์ชอมป์ (Laschamp event) ซึ่งเป็นการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลกแบบชั่วขณะ (geomagnetic excursion) โดยการอ่อนแรงของสนามแม่เหล็กโลกเป็นเวลาติดต่อกันนานหลายร้อยปีในตอนนั้นมักถูกเชื่อมโยงกับการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ (climate change) การสูญพันธุ์ของสัตว์บางชนิด รวมถึงการหายไปของมนุษย์นีแอนเดอร์ทาล (Homo neanderthalensis) แต่สมมุติฐานดังกล่าวยังขาดหลักฐานทางวิทยาศาสตร์ที่น่าเชื่อถือ
ศูนย์กลางโลกเย็นตัว
ผมจะขอปิดท้ายด้วยเรื่องการเย็นตัวของแก่นโลก (earth’s core cooled down) เพราะตลอดระยะเวลากว่า 4,500 ล้านปีที่โลกของเราถือกำเนิดขึ้นมา ภายในโลกยังเต็มไปด้วย ‘ความร้อนตกค้าง’ ที่หลงเหลืออยู่ตั้งแต่สมัยที่โลกก่อตัว ผนวกกับความร้อนจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีและความร้อนจากแรงเสียดทานของสสารที่เคลื่อนไหว ความร้อนเหล่านี้คือพลังงานที่คอยขับเคลื่อนวงจรการพาความร้อน (convection cell) และทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลก (plate tectonics) ที่คอยสรรค์สร้างภูเขา หุบเหว พื้นราบ ท้องทะเล และผลักดันให้สิ่งมีชีวิตวิวัฒนาการไปตามเส้นทางของพวกตน
อันที่จริง โลกของเราก็คล้ายกับลูกเหล็กที่ถูกแผดเผาด้วยเปลวไฟ เพราะยิ่งเวลาผ่านไป โลกก็ยิ่งสูญเสียความร้อนไปเรื่อยๆ โดยเฉพาะบริเวณรอยต่อระหว่างแก่นโลกกับเนื้อโลก (core-mantle boundary) หมายความว่าวันใดวันหนึ่งในอนาคตอันไกล โลกจะกลายเป็นดาวเคราะห์หินที่เย็นและนิ่งสงบเหมือนกับดาวอังคาร
นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า ศูนย์กลางของดาวอังคารเย็นตัวลงเมื่อนานมาแล้วและการสูญเสียความร้อนดังกล่าวอาจเป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้สนามแม่เหล็กของมันมลายหายไป หลังจากนั้น บรรยากาศของดาวอังคารจึงถูกลมสุริยะพัดหอบไปพร้อมกับ ‘น้ำ’ ที่เคยไหลอยู่บนพื้นผิว ทิ้งไว้เพียงดาวเคราะห์หินสีแดงที่แห้งและหนาวเหน็บ
แม้ว่าโลกจะมีขนาดใหญ่กว่าดาวอังคาร ทำให้ศูนย์กลางของโลกเย็นตัวลงช้ากว่า แต่ชะตากรรมของโลกกับดาวอังคารอาจไม่แตกต่างกัน เพราะอีกหลายพันล้านปีข้างหน้า ความร้อนภายในโลกจะมอดดับลง ดาวแม่ของเราจึงมุ่งหน้าสู่ ‘ความตาย’ หรืออาจถูกแผดเผาด้วยเพลิงมรณะของดวงอาทิตย์ แต่กว่าจะถึงเวลานั้น ผมคิดว่ามนุษยชาติอาจละทิ้งดาวเคราะห์สีฟ้าจาง แล้วเปลี่ยนสถานะจาก ‘มนุษย์โลก’ ไปเป็น ‘มนุษย์อวกาศ’ กันหมดแล้ว
อ้างอิง:
- What is seismic tomography?
- Explainer: Earth — layer by layer
- Superionic iron alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core
- Why Earth’s Inner Core May Be Slowing Down
- Multidecadal variation of the Earth’s inner-core rotation
- Evidence for the Innermost Inner Core: Robust Parameter Search for Radially Varying Anisotropy Using the Neighborhood Algorithm
- The innermost inner core of the earth: Evidence for a change in anisotropic behavior at the radius of about 300 km
- Radiative thermal conductivity of single-crystal bridgmanite at the core-mantle boundary with implications for thermal evolution of the Earth
