Learn

เขาใช้อะไรแบ่งโลกเป็นชั้นๆ (เปลือกโลก . เนื้อโลก . แก่นโลก)

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์เปิดเผยว่าโลกนั้นแบ่งออกเป็นชั้นๆ ไม่ได้เป็นเนื้อเดียวกันทั้งหมด แต่องค์ความรู้นี้ไม่ได้เกิดจากการใช้เครื่องมือลงไปสำรวจ เนื่องจากเทคโนโลยีในปัจจุบันไม่สามารถทำได้ เช่น การทำเหมืองใต้ดินสามารถขุดลึกลงไปได้ 3-4 กิโลเมตร ในขณะที่การขุดเจาะน้ำมันมีความลึกสูงสุด 6-7 กิโลเมตร นอกจากนี้จากการศึกษา หินแปลกปลอม (xenolith) ที่ติดมากับแมกมาและแข็งตัวกลายเป็นหินพบว่าหินดังกล่าวอยู่ที่ระดับความลึก 50-300 กิโลเมตร หรือแม้กระทั่งกระบวนการเกิด หินคิมเบอร์ไลต์ (kimberlite) ก็พบว่ามีความลึก 400 กิโลเมตร โดยประมาณ

(ซ้าย) แร่เพอริโดไทต์สีเขียวมะกอก ซึ่งเป็นหินแปลกปลอมที่ติดมากับแมกมาในระหว่างที่ภูเขาไฟปะทุกลายเป็นหินบะซอลต์สีดำ (ขวา) เหมืองเมียร์ (Mir Mine) เหมืองหินคิมเบอร์ไลต์ (kimberite) ที่มีเพชรติดอยู่ในหิน ทางตะวันออกของไซบีเรีย ประเทศรัสเซีย

แต่เนื่องจากโลกมีรัศมี 6,371 กิโลเมตร ดังนั้นการศึกษาโดยตรงดังที่กล่าวไปข้างต้น จึงทำได้เพียงส่วนพื้นผิวของโลกเท่านั้น อย่างไรก็ตามจากการสังเกต คลื่นไหวสะเทือน (seismic wave) ที่ตรวจวัดได้จากการเกิดแผ่นดินไหว นักวิทยาศาสตร์พบว่าคลื่นสามารถเดินทางทะลุผ่านตลอดเนื้อของโลกได้ จึงพยายามศึกษาและทำความเข้าใจองค์ประกอบภายในโลกโดยอาศัยคุณสมบัติพื้นฐานของคลื่น ได้แก่

1) การหักเห (refraction) เกิดจากการที่คลื่นไหวสะเทือนเปลี่ยนความเร็ว เมื่อวิ่งผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นแตกต่างกัน โดยคลื่นจะมีความเร็วเพิ่มขึ้นหรือลดลงเมื่อวิ่งผ่านตัวกลางความหนาแน่นสูงหรือความหนาแน่นต่ำ ซึ่งหากคลื่นเปลี่ยนแปลงจากช้าไปเร็ว คลื่นจะเปลี่ยนทิศทางแบบเชิดหัวขึ้น แต่ถ้าเปลี่ยนแปลงจากเร็วไปช้าคลื่นจะกดหัวลง

2) การสะท้อน (reflection) เกิดจากคลื่นสะท้อนนั้นเชิดหัวขึ้นกลับไปอยู่ในตัวกลางเดิม โดยจะให้มุมที่คลื่นตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน

การหักเหและการสะท้อนของคลื่น

ในอดีตที่ยังไม่มีความรู้เรื่องโครงสร้างภายในโลก นักวิทยาศาสตร์คาดว่าถ้าโลกมีเนื้อเดียวกันทั้งก้อน คลื่นไหวสะเทือนควรจะวิ่งออกจากศูนย์กลางแผ่นดินไหวเป็นเส้นตรง แต่จากข้อมูลที่ตรวจวัดได้พบว่า คลื่นไหวสะเทือนมีการหักเหทิศทางและเปลี่ยนแปลงความเร็วหลายครั้งในระหว่างที่วิ่งเข้าไปในโลก นักวิทยาศาสตร์จึงเชื่อว่าโลกไม่น่าจะเป็นเนื้อเดียวกันทั้งหมด แต่อาจจะมีการแยกเป็นชั้นของวัสดุที่มีความหนาแน่นที่แตกต่างกัน

แบบจำลองการเดินทางของคลื่นไหวสะเทือน เมื่อโลกมีเนื้อเดียวกัน เมื่อโลกแบ่งเป็นชั้น

ชั้นของโลก (แยกตามสมบัติทางกายภาพ)

ดังที่กล่าวไปในข้างต้น การเดินทางของคลื่นไหวสะเทือนซึ่งสัมพันธ์กับคุณสมบัติทางกายภาพ (ความหนาแน่น) ของโลกมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดระยะทางของการเดินทางของคลื่น ดังนั้นเพื่อที่จะแบ่งชั้นต่างๆ ของโลกตามคุณสมบัติทางกายภาพ นักวิทยาศาสตร์จึงศึกษาคุณสมบัติพื้นฐานของการเดินทางของคลื่นไหวสะเทือน (การหักเหและสะท้อน) และสามารถแบ่งโลกออกเป็นชั้นได้ 5 ชั้น ดังนี้

1) ชั้นธรณีภาค (lithosphere) เป็นชั้นนอกสุดของโลก ประกอบด้วย 1) เปลือกโลก (crust) และ 2) ส่วนบนสุดของเนื้อโลก (uppermost mantle) ซึ่งมีคุณสมบัติเย็นและมีสถานะเป็นของแข็ง (rigid) มีความหนารวม 100-300 กิโลเมตร โดยในส่วนของเปลือกโลกนั้นแบ่งย่อยเป็น 2 ประเภท คือ

  • เปลือกทวีป (continental crust) ส่วนใหญ่มีองค์ประกอบโดยรวมเป็นหินแกรนิต มีความหนาเฉลี่ย 33-35 กิโลเมตร และมีความหนาแน่น 2.7 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร
  • เปลือกสมุทร (oceanic crust) มีองค์ประกอบโดยรวมเป็นหินบะซอลต์ มีความหนาเฉลี่ย 5-8 กิโลเมตร และมีความหนาแน่น 3 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร
การแบ่งชั้นต่างๆ ของโลกตามคุณสมบัติทางกายภาพ (คลื่นไหวสะเทือน)

2) ชั้นฐานธรณีภาค (asthenosphere) รองรับอยู่ใต้ชั้นธรณีภาค มีคุณสมบัติเป็นพลาสติก (plastic) ประกอบด้วยส่วนที่เป็นส่วนล่างของ เนื้อโลกตอนบน (upper mantle) มีความหนาเฉลี่ย 350-500 กิโลเมตร มีคุณสมบัติร้อน (อุณหภูมิประมาณ 600-1,000OC) หนืดและนิ่ม มีความหนาแน่นประมาณ 3.3 กรัม/เซนติเมตร มีการเคลื่อนที่แบบหมุนเวียนด้วยกลไก การพาความร้อน (convection)

3) ชั้นมีโซสเฟียร์ (mesosphere) มีคุณสมบัติเป็นของแข็ง (rigid) มีความหนา 500-2,900 กิโลเมตร ประกอบด้วยส่วนที่เป็น เนื้อโลกตอนล่าง (lower mantle) มีความหนาแน่นประมาณ 5.5 กรัม/เซนติเมตร และมีอุณหภูมิเฉลี่ยประมาณ 1,000-3,500 OC

4) แก่นโลกชั้นนอก (outer core) มีความหนา 2,900-5,150 กิโลเมตร มีคุณสมบัติเป็นของเหลว (liquid) มีอุณหภูมิสูง 1,000 – 3,500 OC มีความหนาแน่น 10 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าน่าจะมีองค์ประกอบเป็นเหล็กที่หลอมละลาย เนื่องจากหลักฐานที่คลื่นทุติยภูมิ (S-wave) ไม่สามารถวิ่งผ่านชั้นนี้ได้ การหมุนเวียนของมวลเหล็กหลอมเหลวในชั้นนี้ เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิด สนามแม่เหล็กโลก (earth’s magnetic field)

5) แก่นโลกชั้นใน (inner core) มีองค์ประกอบเป็นเหล็กและนิเกิลในสถานะของแข็ง (rigid) ซึ่งมีอุณหภูมิสูงถึง 5,000 OC มีความหนาแน่น 12 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร อยู่ระหว่างความลึก 5,150-6,370 กิโลเมตร

จุดศูนย์กลางโลกลึก 6,370 กิโลเมตร

โดยปกติหากพิจารณาเพียงอุณหภูมิเป็นหลัก แก่นโลกชั้นในควรมีสถานะเป็นของเหลวเช่นเดียวกับแก่นโลกชั้นนอก แต่เนื่องจากการเดินทางผ่านได้ของคลื่นทุติยภูมิ ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าน่าจะมีสถานะเป็นของแข็ง ซึ่งอธิบายได้ว่า ถึงแม้ว่าแก่นโลกชั้นในจะมีอุณหภูมิสูงกว่าแก่นโลกชั้นนอก แต่หากพิจารณาร่วมกับความดันกดทับที่สูงขึ้นมากเช่นเดียวกันในแก่นโลกชั้นใน จึงทำให้มีสถานะเป็นของแข็ง

สรุปการเปลี่ยนแปลงความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนทั้งคลื่นปฐมภูมิและคลื่นทุติยภูมิในแต่ละระดับความลึกลงไปในโลก สังเกตบริเวณแก่นโลกชั้นใน พบว่าเกิดคลื่นทุติยภูมิขึ้นมาอีกครั้งทั้งๆ ที่ไม่ใช่คลื่นที่ผ่านมาจากแก่นโลกชั้นนอก (คลื่นทุติยภูมิผ่านเข้ามาไม่ได้)

ความไม่ต่อเนื่องภายในโลก

การแบ่งชั้นต่างๆ ของโลกตามคุณสมบัติทางกายภาพ สามารถอธิบายได้ด้วยการเปลี่ยนแปลงทิศทางและการเดินทางของคลื่นไหวสะเทือน ซึ่งผลจากการศึกษาคลื่นไหวสะเทือน เมื่อเกิดแผ่นดินไหวในแต่ละครั้งนักวิทยาศาสตร์ตรวจพบความไม่ต่อเนื่องของความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนอย่างน้อย 3 รอยต่อ ซึ่งความไม่ต่อเนื่องเหล่านี้บางส่วนสัมพันธ์กับขอบเขตของชั้นต่างๆ ภายในโลกดังที่อธิบายในข้างต้น

1) ความไม่ต่อเนื่องโมโฮโรวิซิค

ความไม่ต่อเนื่องโมโฮโรวิซิค (Mohorovičić Discontinuity) ค้นพบโดย แอนดริจา โมโฮโรวิคซิค (Mohorovičić A) นักวิทยาศาสตร์ชาวโครเอเชีย ในปี ค.ศ. 1909 โดยโมโฮโรวิคซิคค้นพบและตรวจวัดคลื่นไหวสะเทือนทั้งคลื่นปฐมภูมิและคลื่นทุติยภูมิได้อย่างละ 2 ชุดจากแผ่นดินไหวเพียงเหตุการณ์เดียว โดยแต่ละชุดวิ่งมาถึงสถานีตรวจวัด ในเวลาที่แตกต่างกัน โมโฮโรวิคซิคจึงตั้งสมมุติฐานว่าคลื่นไหวสะเทือนปกติน่าจะมีการหักเหกับตัวกลางอะไรบางอย่างใต้โลกแล้วเกิดเป็นคลื่นภายในโลก 2 ชุดวิ่งด้วยความเร็วที่แตกต่างกันเข้ามาหาสถานี

นักวิทยาศาสตร์ผู้ค้นพบความไม่ต่อเนื่องของคลื่นไหวสะเทือนที่วิ่งผ่านโลก

จากการคำนวณทางคณิตศาสตร์พบว่า คลื่นปฐมภูมิวิ่งด้วยความเร็วปกติ 6-7 กิโลเมตร/วินาที ในขณะที่คลื่นปฐมภูมิอีกชุดวิ่งด้วยความเร็ว 8 กิโลเมตร/วินาที ด้วยความที่ความเร็วเปลี่ยนไปเขาจึงเรียกชั้นที่ทำให้คลื่นไหวสะเทือนเปลี่ยนความเร็วนี้ว่า ชั้นไม่ต่อเนื่องโมโฮโรวิคซิค หรือ ชั้นโมโฮ (Mohorovičić Discontinuity หรือ Moho) และกำหนดให้เป็นฐานของชั้นเปลือกโลกตามคุณสมบัติทางกายภาพ

ผลจากการศึกษาคลื่นไหวสะเทือนทั่วโลกพบว่าบริเวณต่างๆ ของโลกมีความหนาของชั้นเปลือกโลกที่แตกต่างกันระหว่าง 5-70 กิโลเมตร โดยพื้นมหาสมุทรส่วนใหญ่มีความหนาอยู่ในช่วง 5-15 กิโลเมตร ในขณะพื้นทวีปของโลกมีความหนาประมาณ 30-40 กิโลเมตร โดยบริเวณที่มีความหนามาก ได้แก่ เทือกเขาร๊อกกี้ ทางตะวันตกของสหรัฐอเมริกา (หนาประมาณ 45-50 กิโลเมตร) เทือกเขาแอนดีส ทางตะวันตกของทวีปอเมริกาใต้ (หนาประมาณ 60-70 กิโลเมตร) และเทือกเขาหิมาลัยทางตอนเหนือของประเทศอินเดีย (หนาประมาณ 60-70 กิโลเมตร)

แผนที่โลกแสดงการกระจายตัวของความหนาเปลือกโลก (ที่มา : www.ucsd.edu)

ชั้นโมโฮ คือ ขอบเขตระหว่างเปลือกโลก-แมนเทิล

2) ความไม่ต่อเนื่องกูเต็นเบิร์ก

ความไม่ต่อเนื่องกูเต็นเบิร์ก (Gutenberg Discontinuity) ค้นพบโดยโน่ กิวเตนเบอร์ก (Gutenberg B) ในปี ค.ศ. 1914 โดยกิวเตนเบอร์กพบว่า เมื่อเกิดแผ่นดินไหว สถานีตรวจวัดในบางพื้นที่ไม่สามารถตรวจวัดคลื่นไหวสะเทือนได้ ทั้งที่เป็นแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ ซึ่งเมื่อสังเกตและศึกษาในรายละเอียดจะพบว่าพื้นที่อับคลื่นนั้นสัมพันธ์กับจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหว เช่น กำหนดให้เกิดแผ่นดินไหวที่บริเวณขั้วโลกเหนือ สถานีที่ตั้งห่างออกไปจากศูนย์กลาง 103o-180o จะไม่สามารถตรวจวัดคลื่นทุติยภูมิได้ เรียกว่า โซนอับคลื่นทุติยภูมิ (S-wave shadow zone) ส่วนกรณีของคลื่นปฐมภูมิไม่พบคลื่นเช่นกันในช่วง 103o-143o จึงเรียกว่าช่วงอับคลื่นปฐมภูมิ (P wave shadow zone)

แสดงลักษณะช่วงอับสัญญาณ (Shadow zone) ก) คลื่นปฐมภูมิ ข) คลื่นทุติยภูมิ

ซึ่งจากการค้นพบช่วงอับคลื่นดังกล่าว ปรากฏการณ์ของ กิวเตนเบอร์ก จึงนำเสนอว่าน่าจะมีความไม่ต่อเนื่องอยู่อีกที่ระดับ 2,900 กิโลเมตร จึงกำหนดให้เป็น ชั้นไม่ต่อเนื่องกิวเตนเบอร์ก (Gutenberg Discontinuity)

ความไม่ต่อเนื่องกูเต็นเบิร์ก คือ ขอบเขตระหว่างแก่นโลก-แมนเทิล

3) ความไม่ต่อเนื่องเลห์มัน

ความไม่ต่อเนื่องเลห์มัน (Lehman Discontinuity) นำเสนอโดยอิงจ์ เลห์มัน (Lehman I) นักวิทยาศาสตร์วิทยาหญิงชาวเดนมาร์ก ในปี ค.ศ. 1936 โดยพบว่าคลื่นปฐมภูมิที่วิ่งผ่านไปตามแก่นโลกชั้นในแสดงการเพิ่มขึ้นของความเร็วคลื่น บ่งชี้ว่าแก่นโลกชั้นในนั้นเป็นของแข็ง ในขณะที่ไม่มีคลื่นทุติยภูมิผ่านเข้ามาในชั้นแก่นโลก จึงเชื่อได้ว่าแก่นโลกชั้นนอกนั้นน่าจะมีสถานะเป็นของเหลว ต่อจากนั้นความกว้างและความเร็วคลื่นปฐมภูมิจึงค่อยๆ เพิ่มขึ้น แต่คลื่นทุติยภูมิยังคงจับไม่ได้ในช่วงสถานีตั้งแต่ 143o-180o จับคลื่นปฐมภูมิได้ดังเดิม แต่ยังไม่มีคลื่นทุติยภูมิ ในช่วงจับคลื่นปรากฏว่าจับคลื่นบางคลื่นได้ จึงสรุปว่าน่าจะมีแก่นโลกชั้นในด้วย ซึ่งมีคุณสมบัติยืดหยุ่นต่างกัน (ทำให้คลื่นปฐมภูมิกลับเร็วขึ้นมาอีกในระดับความลึกประมาณ 5,000 กิโลเมตร) และคาดว่าแก่นโลกชั้นในน่าจะมีสถานะเป็นของแข็ง และเรียกรอยต่อระหว่างแก่นโลกชั้นในและแก่นโลกชั้นนอกว่า ความไม่ต่อเนื่องเลแมน (Lehman Discontinuity)

ความไม่ต่อเนื่องเลห์มัน คือ ขอบเขตระหว่างแก่นโลกชั้นใน-แก่นโลกชั้นนอก

4) ชั้นเปลี่ยนโซน

ชั้นเปลี่ยนโซน (Transitional Zone) หากเกิดแผ่นดินไหวระดับตื้นที่เส้นศูนย์สูตร ซึ่งทั้งคลื่นปฐมภูมิและทุติยภูมิวิ่งไปทุกทิศทาง โดยทิศทางการวิ่งของคลื่นจะเบี่ยงเบนจากการหักเหของคลื่นเมื่อวิ่งลึกลงไปในตัวโลก นักวิทยาศาสตร์พบว่า ที่สถานีวัดที่อยู่ห่างจากจุดกำเนิดแผ่นดินไหวคิดเป็นมุม 15o-22o ทั้งเหนือและใต้เส้นศูนย์สูตร (มุมนี้เป็นมุมที่วัดตรงใจกลางโลกระหว่างจุดที่เกิดแผ่นดินไหวกับสถานีวัด) คลื่นไหวสะเทือนจะเร็วขึ้น โดยมีความเร็วคลื่นปฐมภูมิเพิ่มเป็น 9.1 กิโลเมตร/วินาที และคลื่นทุติยภูมิเป็น 5.3 กิโลเมตร/วินาที ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงคาดว่าน่าจะมีชั้นไม่ต่อเนื่องแทรกอยู่ระหว่างเนื้อโลกตอนบนกับเนื้อโลกตอนล่าง และเรียกชั้นไม่ต่อเนื่องนี้ว่า ชั้นเปลี่ยนโซน (Transitional Zone) ซึ่งอยู่ลึกลงไปในตัวโลก 400-700 กิโลเมตร

ชั้นเปลี่ยนโซน คือ รอยต่อระหว่างเนื้อโลกตอนบนกับเนื้อโลกตอนล่าง

ชั้นเปลี่ยนโซน (transitional zone) คือ ชั้นไม่ต่อเนื่องที่แทรกอยู่ระหว่าง เนื้อโลกตอนบนกับเนื้อโลกตอนล่าง ซึ่งอยู่ลึกลงไปในตัวโลก 400-700 กิโลเมตร
Share: