นึกภาพตามนะครับ ถ้าเราจะวัดความเร็วของรถไฟโดยจับคนวัดไปนั่งอยู่บนรถไฟ ถามว่าผลจะออกมาแบบไหน คำตอบคือคนวัดคงนั่งงง วัดอะไรไม่ได้เลย เพราะทั้งรถทั้งคนก็วิ่งไปพร้อมๆ กันด้วยความเร็วของรถไฟ เว้นเสียแต่คนวัดจะลงจากรถไฟมานั่งนิ่งๆ มองรถไฟวิ่งผ่านหน้าไป ก็คงพอจะเดาได้ว่ารถไฟกำลังวิ่งฉึกฉักหวานเย็น หรือวิ่งฟิ้ววววแบบไม่เห็นฝุ่น ฉันใดก็ฉันนั้น ถ้าเราจะวัดแรงสั่นสะเทือนของโลกโดยที่เราไม่สั่นไปพร้อมกับโลก เราคงต้องลอยนิ่งๆ เหนือพื้นโลกแล้วค่อยวัด จึงจะได้ระดับการสั่นไหวของโลกที่ถูกต้องจริงๆ ซึ่งไม่คุ้มแน่ๆ ถ้าจะต้องลงทุนกันขนาดนั้น นักแผ่นดินไหวจึงพยายามหาทางเลือกใหม่ ที่จะวัดแรงสั่นสะเทือนแผ่นดินไหวโดยที่ตัววัดยังคงอยู่แบบนิ่งๆ บนโลก

นับตั้งแต่อดีตถึงปัจจุบัน มีความพยายามจะจับแผ่นดินไวให้ได้หลายต่อหลายครั้ง หลายกลุ่มวิจัยพยายามคิดค้นและประดิษฐ์เครื่องล่าแผ่นดินไหว โดยฉีกแนวไปหลากหลายแตกต่างกันไป พ.ศ. 2398 ลุยกิ พาลมิเอารี (Palmieri L.) สร้างเครื่องวัดแผ่นดินไหวอย่างง่ายโดยอาศัยคุณสมบัติของปรอทและกระแสไฟฟ้าเข้ามาช่วย ซึ่งสามารถตรวจวัดเวลาการมาถึงของคลื่นและขนาดของแรงสั่นสะเทือนได้ อีก 20 ปีต่อมาในปี พ.ศ. 2418 กลุ่มนักแผ่นดินไหวชาวอังกฤษที่ทำวิจัยในประเทศญี่ปุ่น สร้างเครื่องวัดแผ่นดินไหวโดยใช้หลักการของเพนดูลัม และมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2432 วอน รีบัว พาสวิส (Rebeur-Paschwitz V.) จึงสามารถบันทึกกราฟแผ่นดินไหวได้เป็นครั้งแรก ซึ่งนี่คือความพยายามในอดีตของคนที่พยายามจะล่าและรู้จักกับแผ่นดินไหว จนกลายเป็นต้นแบบและแรงบันดาลใจในการพัฒนาเครื่องวัดแผ่นดินไหวในเวลาต่อมา

หลังจากที่นักแผ่นดินไหวลองผิดลองถูกอยู่นาน คำตอบสุดท้ายที่ได้คือ “สปริง” นักแผ่นดินไหวพบว่าถ้าเอาก้อนน้ำหนักมาห้อยไว้กับสปริงที่ถูกยึดติดกับฐานหรือพื้นโลก เมื่อเกิดแผ่นดินไหว ส่วนฐานจะสั่นไหวไปตามโลก ในขณะที่ก้อนน้ำหนักที่ห้อยอยู่กับสปริงจะยังอยู่ในตำแหน่งเดิมไม่เคลื่อนไหวไปตามกระแส เนื่องจากสปริงสามารถยืดหดได้ทำให้มวลมีความเฉื่อย ดังนั้นถ้าเอาปากกาลูกลื่นด้ามละ 3 บาทมาติดไว้ที่ก้อนน้ำหนัก เอาม้วนกระดาษทิชชู่มาติดกับฐาน แล้วค่อยๆ ดึงกระดาษทิชชู่ออกด้วยความเร็วคงที่ เมื่อเกิดแผ่นดินไหวปากกาก็จะขีดเส้น ลอกลายหน้าตาการเคลื่อนที่ของพื้นโลกจากแผ่นดินไหวเอาไว้ แค่นี้เราก็สามารถตรวจวัดแผ่นดินไหวแบบไม่ต้องลอยในอากาศให้เมื่อยตุ้ม ส่วนรอยขีดเขียนที่อยู่บนกระดาษทิชชู่นั้น นักแผ่นดินไหวเรียกกันว่า กราฟบันทึกแผ่นดินไหว (seismograms)

ในอดีตกราฟบันทึกแผ่นดินไหวนั้นจะอยู่ในรูปของกระดาษหรือที่เรียกว่าระบบอนาล็อก แต่ในปัจจุบันเมื่อคอมพิวเตอร์เริ่มมีบทบาท ระบบดิจิตอลจึงเข้ามาแทนที ทั้งนี้ก็เนื่องจากดิจิตอลเป็นระบบอัตโนมัติที่สร้างความสะดวกและรวดเร็วกว่าระบบอัตโนมืออย่างอนาล็อก แต่เนื่องจากยุคดิจิตอลเพิ่งจะเริ่มมีเป็นจริงเป็นจังเมื่อประมาณ 15-20 ปีที่ผ่านมา ดังนั้นข้อมูลการตรวจวัดอนาล็อกบนกระดาษ จึงยังคงมีความสำคัญอย่างมากในการศึกษาด้านแผ่นดินไหวในปัจจุบัน

จากคุณูปการของสปริง นักแผ่นดินไหวปัจจุบันจึงนำมาผลิตอุปกรณ์ล่าแผ่นดินไหวที่เรียกว่า เครื่องวัดแผ่นดินไหว (Seismometer) ซึ่งแตกต่างจาก เครื่องจับแผ่นดินไหว (Seismoscope) ของปู่จางในอดีต และเพื่อให้สามารถวัดทิศทางและขนาดของการสั่นไหวได้ถูกต้องและใกล้เคียงความจริงมากที่สุด นักแผ่นดินไหวจึงพัฒนาเครื่องวัดแผ่นดินไหวให้สามารถตรวจวัดได้ทั้งแนวตั้งและแนวนอนในเวลาเดียวกัน โดยตรวจวัดการเคลื่อนที่ของแผ่นดินใน 3 ทิศทางหลัก คือ เหนือ-ใต้ ออก-ตก และบน-ล่าง ตามลำดับ

ประเภทของเครื่องตรวจวัดแผ่นดินไหว

ก่อนจะเล่าถึงเครื่องวัดแผ่นดินไหว เราควรทำความเข้าใจนิยามพื้นฐานของคลื่นเสียก่อน เพราะถ้าไม่รู้จักธรรมชาติของคลื่นไว้บ้าง ก็คงยากที่จะเข้าใจการแยกชนิดของเครื่องวัดแผ่นดินไหว ซึ่งโดยหลักการ คลื่น (wave) คือ ผลจากกระบวนการการส่งผ่านหรือถ่ายเทพลังงานไปยังที่ต่างๆ ในรูปของการเคลื่อนที่ ซึ่งถ้าต้องคุยกันเรื่องคลื่นๆ นักแผ่นดินไหวจะเรียกส่วนประกอบต่างๆ ของคลื่นให้เข้าใจตรงกัน ดังนี้

• สันคลื่น (Crest) คือ ชื่อเรียกตำแหน่งจุดสูงสุดของคลื่น ในขณะที่ตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น เรียก ท้องคลื่น (Trough)
• แอมพลิจูด (Amplitude) คือ ระยะห่างที่วัดจากเส้นกลางถึงสันคลื่นหรือท้องคลื่นก็ได้แต่จะมีค่าเป็นบวกเสมอ
• ความยาวคลื่น (Wavelength) หมายถึง ความยาวของคลื่นหนึ่งลูก มีค่าเท่ากับระยะระหว่างสันคลื่นหรือท้องคลื่นที่อยู่ติดกัน
• ความถี่ (Frequency) หมายถึง จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใดๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที หรือ เฮิรตซ์ (Hz)
• คาบ (Period, T) หมายถึง ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใดๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น มีหน่วยเป็นวินาที ดังนั้นความถี่และคาบจึงมีความสัมพันธ์เป็นส่วนกลับของกันและกัน พูดง่ายๆ ถ้าคลื่นมีความถี่สูงแสดงว่ามีคาบสั้น หรือคลื่นมีความถี่ต่ำแสดงว่าคลื่นมีคาบยาว

อย่างไรก็ตาม หน้าตาคลื่นที่เห็นในรูปด้านบน เป็นแบบจำลองคลื่นที่มีเพียงความถี่เดี่ยว (single-frequency wave) แต่ด้วยลีลาที่หลากหลายของกระบวนการเทคโทนิคส์ ทำให้คลื่นไหวสะเทือนของจริงเกิดจากการรวมร่างกันของคลื่นหลายขนาด (แอมพลิจูด) หลากความถี่ เรียกว่า คลื่นควบความถี่ (multiple-frequency wave) เหมือนกับ (คลื่น) แสงทีเรามองเห็น ซึ่งถ้าส่องผ่านปริซึม ก็จะเห็นว่าประกอบด้วยแสงหลากสีหลายความถี่ไล่ตั้งแต่ ม่วง คราม น้ำเงิน ไปจนถึง เขียว เหลือง แสด แดง รุ้งกินน้ำก็เป็นตัวอย่างที่ยืนยันได้ดี

ด้วยความหลากหลายของความถี่ (หรือพูดอีกแบบคือหลากหลายคาบ) ทำให้การสร้างเครื่องล่าแผ่นดินไหวโดยอาศัยสปริงเป็นที่พึ่งนั้นไม่ได้ง่ายอย่างที่คิด เพราะนักแผ่นดินไหวพบว่า การใช้สปริงที่มีความแข็งเฉพาะค่าใดค่าหนึ่ง ไม่สามารถทำให้มวลน้ำหนักนั้นอยู่กับที่ได้เสมอเมื่อถูกกระทำโดยคลื่นไหวสะเทือนที่มีขนาดและความถี่แตกต่างกัน ยกตัวอย่างเช่น ถ้าห้อยมวลน้ำหนัก 1 กิโลกรัม กับยางยืด 1 เส้น ติดไว้ที่มือแล้วลองเขย่าขึ้น-ลง ด้วยความถี่ที่แตกต่างกัน จะพบว่ามีเพียงช่วงความถี่แคบๆ ที่มือเขย่าแล้วทำให้มวลน้ำหนักนั้นเหมือนกับยังลอยอยู่กับที่โดยไม่มีการเปลี่ยนตำแหน่ง ซึ่งถ้ามีการเปลี่ยนน้ำหนักของมวลหรือว่าเพิ่มยางจาก 1 เส้นเป็น 5 เส้น 10 เส้น ก็จะต้องเขย่าด้วยความถี่ใหม่ เลี้ยงให้ได้จังหวะ จึงจะทำให้มวลน้ำหนักนั้นอยู่กับที่อย่างที่เราต้องการ

ทั้งหมดทั้งมวลนี้ คือเรื่องของธรรมชาติล้วนๆ ที่ทำให้นักแผ่นดินไหวต้องปวดหัว เพราะถ้าคิดจะผลิตเครื่องวัดแผ่นดินไหวเวอร์ชั่นสปริงขึ้นมาซักชิ้น จะต้องคำนึงถึงช่วงความถี่ของคลื่นที่ต้องการวัดด้วย หลังจากนั้นจึงเลือกทั้งสปริงและมวลน้ำหนักให้เหมาะสมกับความถี่นั้นๆ ด้วยเหตุนี้จึงมีเครื่องวัดแผ่นดินไหวถูกผลิตออกมาให้ยลโฉมหลากรุ่นหลายแนว ซึ่งแต่ละรุ่นก็มีจุดแข็ง-จุดอ่อน (ของสปริง) ที่ไม่เหมือนกัน เอาไว้ตรวจวัดคลื่นไหวสะเทือนที่มีคาบ (ความถี่) ที่แตกต่างกันโดยที่สปริงไม่เสียรูป

1) เครื่องวัดแผ่นดินไหวคาบยาว (long-period seismometer) เป็นเครื่องที่วัดคลื่นไหวสะเทือนได้ดีในช่วงคาบคลื่น 10-100 วินาที หรือความถี่ 0.01-0.1 เฮิรตซ์ ซึ่งถือเป็นช่วงความถี่ต่ำของคลื่นไหวสะเทือน ถ้าพิจารณาก้อนน้ำหนักที่ห้อยอยู่ เมื่อเกิดแผ่นดินไหว ก้อนน้ำหนักจะอยู่ที่เดิมเสมอ ทำให้แอมพลิจูดที่วัดได้จากแรงสั่นสะเทือนแสดงถึงการเคลื่อนที่จริงๆ ของพื้นดิน บางครั้งนักแผ่นดินไหวจึงเรียกว่า เครื่องวัดการเลื่อนที่ (displacement meter)

2) เครื่องวัดแผ่นดินไหวคาบสั้น (short-period seismometer) เป็นเครื่องวัดแผ่นดินไหวที่ตอบสนองคลื่นได้ดีในช่วงคาบคลื่นสั้น (0.1-1 วินาที) หรือความถี่สูง (1-10 เฮิรตซ์) ซึ่งในขณะที่เกิดแผ่นดินไหว ก้อนน้ำหนักทีห้อยอยู่กับสปริงจะสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงอัตราเร่งของพื้นดิน (acceleration) ซึ่งต่างจากเครื่องวัดแผ่นดินไหวคาบยาว บางครั้งนักแผ่นดินไหวเรียกเครื่องวัดรุ่นนี้ว่า เครื่องวัดอัตราเร่ง (accelerometer)

3) เครื่องวัดแผ่นดินไหวคาบกว้าง (broadband seismometer) เป็นเครื่องมือวัดแผ่นดินไหวที่ใช้หลักการแตกต่างจาก 2 แบบแรก ซึ่งผมขออนุญาตละเรื่องกลไกลไว้ในฐานะที่ลึกเกินไป แต่โดยศักยภาพก็ตามชื่อที่เรียกกัน คือสามารถวัดคลื่นได้ในช่วงคลื่นที่มีคาบหรือความถี่กว้างกว่าและรองรับขนาด (แอมพลิจูด) ได้กว้างกว่าเครื่องวัดแผ่นดินไหว 2 แบบแรก เรียกได้ว่ารับได้ตั้งแต่ช่วงคลื่นความถี่สูงของคลื่นไหวสะเทือนที่วิ่งในเนื้อโลก (body wave) ไปจนถึงคลื่นความถี่ต่ำ (คาบยาว) จากกระบวนการน้ำขึ้น-น้ำลงในทะเล และยังจับได้ตั้งแต่คลื่นรบกวนเล็กๆ จากรถวิ่งบนถนน ไปจนถึงคลื่นที่ที่มีแอมพลิจูดสูงของแผ่นดินไหวขนาดใหญ่

จะว่าไปอะไรๆ ก็ดูดีไปหมดสำหรับเครื่องวัดแผ่นดินไหวแบบคาบกว้าง แต่ก็อย่างว่า เครื่องวัดแผ่นดินไหวก็เหมือนกับสินค้าตามร้านโชว์ห่วยทั่วไป เพราะคุณภาพก็มักจะแปรผันตามราคา สาเหตุที่เครื่องวัดแผ่นดินไหวทั้งคาบยาวและคาบสั้นยังขายได้ ไม่ต้องเลิกผลิต ก็เพราะราคาของเครื่องแบบคาบกว้างนั้นค่อนข้างจะแพงหูฉี่ ดังนั้นใครที่ต้องการจะมีคาบกว้างไว้ใช้ ก็คงต้องรวยจริง หรือไม่ก็มีแหล่งทุนที่สนับสนุนงานด้านแผ่นดินไหวอย่างเป็นจริงเป็นจัง ไม่อย่างงั้นก็คงหมดสิทธิ

การติดตั้งสถานีตรวจวัดแผ่นดินไหว

ในการติดตั้งสถานีตรวจวัดแผ่นดินไหว (seismic station) อุปกรณ์ที่สำคัญไม่ได้มีเฉพาะเครื่องตรวจวัดแผ่นดินไหว (seismometer) เท่านั้น แต่ยังรวมถึงส่วนสนับสนุนต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น ส่วนขยายสัญญาณ (magnification) ส่วนแสดงผล (display) รวมไปถึงส่วนบันทึกผล (recording) ซึ่งทั้งหมดนี้ เมื่อประกอบร่างกัน เราจะเรียกรวมกันว่า ชุดวัดแผ่นดินไหว (seismograph)

การติดตั้งสถานีตรวจวัดแผ่นดินไหวมีผลอย่างมากต่อความถูกต้องและความแม่นยำในการตรวจวัด โดยปกติเครื่องตรวจวัดแผ่นดินไหวมักติดตั้งบนหินแข็งหรือฝังไว้ในหลุมใต้ผิวดิน ทั้งนี้เพื่อช่วยลดตัวแปรด้านการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่อาจส่งผลต่อความสามารถในการยืดหยุ่นของสปริงและยังป้องกันสัญญาณรบกวนอื่นๆ ที่ไม่พึงประสงค์ เช่น แรงสั่นสะเทือนจากรถวิ่ง

อย่างที่รู้กันว่า คลื่นไหวสะเทือนสามารถลดทอนแรงสั่นสะเทือนได้ระหว่างการเดินทางของคลื่น ยิ่งไปกว่านั้นนักแผ่นดินไหวยังพบว่า คลื่นไหวสะเทือนที่ประกอบด้วยคลื่นหลายช่วงความถี่ เมื่อคลื่นเริ่มออกเดินทาง ส่วนที่มีความถี่สูง (คาบสั้น) จะลดทอนลงรวดเร็วกว่าคลื่นที่มีความถี่ต่ำ (คาบยาว) พูดง่ายๆ คือ คลื่นความถี่สูงไปได้ไม่ไกลก็หมดแรงหมดเรี่ยวเหี่ยวลงทุกทีๆ ส่วนคลื่นความถี่ต่ำสามารถกระดึ๊บๆ ไปแบบดึงสโตรกโยกยาวๆ ประกอบกับความสามารถของเครื่องตรวจวัดแผ่นดินไหวในแต่ละรุ่นที่ตอบสนองกับช่วงคาบคลื่นที่แตกต่างกัน ดังนั้นในการเลือกใช้เครื่องตรวจวัดแผ่นดินไหวแต่ละรุ่น ควรเลือกให้เหมาะสม ตรงตามวัตถุประสงค์และความมุ่งหวัง เพราะปริมาณและคุณภาพความคมชัดของคลื่นไหวสะเทือนที่ตรวจวัด ขึ้นอยู่กับว่าเราจะเอาอะไรไปวัด ตารางสรุปด้านล่างคงพอจะช่วยให้ผู้อ่าน ปิ๊งไอเดียมากขึ้น

แนวทางการเลือกใช้เครื่องตรวจวัดแผ่นดินไหวกับสถานการณ์ต่างๆ

ถ้าจะยกตัวอย่างให้เห็นภาพ ถ้าเราจำเป็นต้องตั้งสถานีตรวจวัดที่ จังหวัดกาญจนบุรีเพียงที่เดียว แต่เราต้องการจะศึกษาแผ่นดินไหวจากเขตมุดตัวของเปลือกโลกสุมาตรา-อันดามันเป็นหลัก เราควรติดตั้งแบบ…คาบยาว เพราะจะได้รอรับคลื่นไหวสะเทือนระยะไกล ที่กว่าจะมาถึงเมืองกาญฯ ก็คงจะเหลือมาแต่คลื่นคาบยาวๆ แต่ถ้าถ้าอยากรู้เรื่องแผ่นดินไหวตามแนวรอยเลื่อนด่านเจดีย์สามองค์ซึ่งพาดผ่าน จังหวัดกาญจนบุรี เราก็ควรติดตั้งเครื่องมือวัดแผ่นดินไหวแบบคาบสั้น เพราะถึงแม้จะติดแบบคาบยาว ก็คงวัดคลื่นได้ไม่ชัดเท่า หรือถ้าไม่มีปัญหาเรื่องเงินเรื่องทอง ก็จัดไปเลย แบบคาบกว้างเพียงชุดเดียว จะได้รับสัญญาณแผ่นดินไหวได้ครอบคลุม

อีกประเด็นที่ควรหลีกเลี่ยงในการติดตั้งสถานีตรวจวัดแผ่นดินไหว โดยเฉพาะถ้าต้องเลือกใช้เครื่องวัดแบบคาบยาวคือ ควรหลีกเลี่ยงการตั้งสถานีใกล้กับชายฝั่ง เนื่องจากแรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากคลื่นที่กระทบฝั่งนั้นมีคาบยาว จึงอาจทำให้เกิดความสับสนได้ในการตรวจวัดระหว่างคลื่นกระทบฝั่ง กับคลื่นไหวสะเทือนระยะไกลที่มาแบบเหลือแต่คาบยาวๆ และแอมพลิจูดต่ำๆ เพราะมันหน้าตาคล้ายกัน

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth