Learn

แรงสั่นสะเทือนแผ่นดินไหว : หน้าตา นิสัย และหน่วยวัด

ถ้าจะเอาแบบกำปั้นทุบดิน ตอบแบบตีหน้าซื่อ แผ่นดินไหว (earthquake หรือ quake หรือ tremor) ก็คงหมายถึง แรงสั่นสะเทือนของแผ่นดิน ดังนั้นอะไรก็ตามที่พอจะทำให้พื้นดินที่เราย่ำ เกิดอาการสั่นสะท้าน ก็เหมารวมกันไปได้เลยว่าเป็นสาเหตุของแผ่นดินไหว ทั้งการตอกเสาเข็มเพื่อสร้างตึกสร้างบ้าน รถวิ่งบนถนน หรือแม้กระทั่งลูกมะพร้าวหล่นกระแทกพื้น ฯลฯ แต่ก็รู้ๆ กันอยู่ มนุษย์มักจะใส่ใจหรือให้ความสำคัญกับอะไรที่ให้คุณให้โทษหรือมีส่วนได้ส่วนเสียกับตัวเอง ด้วยเหตุนี้เมื่อพูดถึงแผ่นดินไหว เรามักจะตีความว่าต้องเป็นแรงสั่นสะเทือนในระดับที่พองาม และส่งผลกระทบทางพิบัติภัยต่อเรามากพอ

ในแง่ของภัยพิบัติ หลายคนคงสงสัยว่าแรงสั่นจากแผ่นดินไหวหน้าตามันเป็นยังไง ทำไมถึงสามารถทำให้ตึกถล่มหรือแม้แต่คนก็ยืนไม่อยู่ถ้าแรงสั่นแรงจริงๆ สาเหตุที่ทำให้อาคารถล่มหรือยืนไม่อยู่ นั่นก็เพราะว่าแรงสั่นจากแผ่นดินไหวนั้นมี ความเร่ง (acceleration) ความเร่งที่ทำให้เราเกิดอาการหลังติดเบาะ เวลารถหรือเครื่องบินบออกตัวในช่วงแรก ซึ่งจะแตกต่างจากตอนที่รถวิ่งด้วยความเร็วคงที่ หรือเครืองบินไต่ระดับบินคงที่แล้ว หรือพูดอีกอย่างคือ ความเร่งก็คือแรงกระชาก เหมือนเรายืนอยู่บนเสื่อแล้วให้เพื่อนกระจากเสื่อ นั่นแหละที่ทำให้เรายืนไม่อยู่ และที่สำคัญความเร่งของพื้นดินที่เกิดจากแผ่นดินไหว เป็นความเร่งที่กระชากสิ่งของต่างๆ บนพื้นดินแบบทุกทิศทุกทาง กระชากไปกระชากมา นี่จึงทำให้ แผ่นดินไหวเป็นภัยพิบัติ

แรงสั่น (กระชาก) จากแผ่นดินไหวขนาด 6.8 เมืองโกเบ ประเทศญี่ปุ่น 17 มกราคม ค.ศ. 1995 (พ.ศ. 2538)

คงไม่ต้องยกตัวอย่างสภาพความเสียที่แรงกระชากจากแผ่นดินไหวเคยทำกับมนุษย์ เพราะแค่ค้นหาคำว่า earthquake ใน google เราก็จะเห็นภาพพวกนั้นแบบละลานตา เช่นรูปด้านล่างเป็นตัวอย่างความวิบัติของแรงสั่นสะเทือนในประเทศอิหร่าน จากเหตุการณ์แผ่นดินไหวขนาดเพียง 6.6 เมื่อวันที่ 26 เดือนธันวาคม พ.ศ. 2546 ซึ่งมีผู้เสียชีวิตมากมายในเหตุการณ์นั้น และทำให้โบราณสถานขนาดใหญ่ในเมืองแบม (Bam City) เสียหายถึงขั้นวิกฤติ และก็คงไม่สามารถบูรณะให้เหมือนเดิมได้

เมืองโบราณในเมืองแบม ในประเทศอิหร่าน ซึ่งส่วนใหญ่สร้างจากอิฐ ถูกกระชากจากแผ่นดินไหว 6.6 ธันวาคม พ.ศ. 2546 “เมืองอิฐ” (ซ้าย) สภาพเมืองก่อนแผ่นดินไหว (ขวา) สภาพเมืองหลังแผ่นดินไหว

หน่วยวัดแรงสั่นสะเทือน

หน่วยของแรงสั่นสะเทือนมีได้ 3 แบบซึ่งก็ล้วนแต่เป็นหน่วยทั่วๆ ไปทางวิทยาศาสตร์ที่พอจะเอามาจับแรงสั่นสะเทือนได้ เช่น การเลื่อนที่ (displacement) อัตราเร็ว (velocity) อัตราเร่ง (acceleration) โดยจะใช้ลูกคลื่นตัวที่มีแอมพลิจูดสูงสุดเป็นตัวแทนของค่าระดับแรงสั่นสะเทือนชุดนั้นๆ

การเลื่อนที่สูงสุดบนพื้นดิน (Peak Ground Displacement, PGD) คือ ค่าที่บอกว่าระดับแรงสั่นสะเทือนทำให้ตัวกลางการเคลื่อนที่นั้นมีการเลื่อนที่สูงสุดไปเท่าใด มีหน่วยเดียวกับที่เรานิยมใช้ในการวัดระยะทาง เช่น เซนติเมตร มิลลิเมตร เป็นต้น

อัตราเร็วสูงสุดบนพื้นดิน (Peak Ground Velocity, PGV) คือ ค่าที่บอกว่าระดับแรงสั่นสะเทือนนั้น ทำให้ตัวกลางการเคลื่อนที่มีการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าไหร่ มีหน่วยเป็น ระยะทาง/เวลา เช่น เซนติเมตร/วินาที เป็นต้น

อัตราเร่งสูงสุดบนพื้นดิน (Peak Ground Acceleration, PGA) คือ ค่าที่บอกว่าระดับแรงสั่นสะเทือนทำที่ให้วัตถุตัวกลางการเคลื่อนที่นั้น มีการมีการเปลี่ยนแปลงความเร็ว (velocity change) เท่าใด ซึ่งค่า PGA นั้นสำคัญอย่างมากในการออกแบบอาคาร โดยเฉพาะบริเวณที่มีความเสี่ยงภัยแผ่นดินไหว อัตราเร่งมีหน่วยเป็น ระยะทาง/เวลา2 เช่น เซนติเมตร/วินาที2 แต่ในบางกรณีสามารถแทนหน่วยของค่า PGA ด้วยคำเรียกสั้นๆ ว่า gal โดย 1 gal = 1 เซนติเมตร/วินาที2 หรืออาจใช้เป็นหน่วย g ซึ่งถ้าจำกันได้ค่า g คือค่าอัตราเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก ที่นิวตันได้นำเสนอไว้หลังจากโดนลูกแอบเปิ้ลหล่นใส่หัว โดยที่ 1g = 9.81 เมตร/วินาที2 หรือเท่ากับ 980 gal

กราฟแผ่นดินไหวแสดงแรงสั่นสะเทือนแบบต่างๆ (www.fathom.com)

การลดทอนแรงสั่นแผ่นดินไหว

แรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหว เป็นผลมาจากพลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกมาจาก จุดศูนย์กลางแผ่นดินไหว (hypocenter) โดยจะถูกส่งผ่านกระจายไปทั่วจากจุดศูนย์กลาง และแรงสั่นสะเทือนจะลดลงเมื่อคลื่นเดินทางไกลออกไป คนที่อาศัยอยู่คนละที่จึงได้รับแรงสั่นสะเทือนไม่เท่ากัน ดังนั้นเมื่อพูดถึงแรงสั่นสะเทือนจากเหตุการณ์แผ่นดินไหวเหตุการณ์หนึ่ง จึงพูดกันได้หลายค่าไม่ว่ากัน

โดยปัจจัยหรือตัวแปรที่มีผลต่อระดับความแรงของแรงสั่นสะเทือนแผ่นดินไหวก็จะมีหลักๆ อยู่ 2 ปัจจัย คือ 1) ขนาดแผ่นดินไหว และ 2) ระยะห่างจากจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหว โดย แผ่นดินไหวขนาดใหญ่ จะสร้างแรงสั่นสะเทือนที่รุนแรง และยาวนาน ในขณะที่แผ่นดินไหวขนาดเล็ก จะมีแรงสั่นเบา และสั่นแป๊บเดียว เช่น ในกรณีของพื้นที่ที่เป็นหินแข็ง แผ่นดินไหวขนาด 5.0 สั่นเพียง 4 วินาทีในขณะที่แผ่นดินไหวขนาด 8.5 สั่นนาน 30 วินาที ซึ่งนานกว่าแผ่นดินไหวขนาด 5.0 อยู่หลายเท่า

นอกจากนี้ยิ่งเราอยู่ใกล้จุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวมากเท่าไหร่ แรงสั่นก็จะยิ่งรุนแรงมากเท่านั้น และแรงสั่นสะเทือนก็จะลดทอนลงไปตามระยะทาง เมื่ออยู่ห่างออกไปจากจุดศูนย์กลางเป็นระยะๆ ซึ่งลักษณะการลดทอนแรงสั่นสะเทือน (attenuation) จะไม่เหมือนกันในแต่ละพื้นที่ ขึ้นอยู่กับเส้นทางเดินของคลื่นความไหวสะเทือน ความลึกของแผ่นดินไหว ทิศทางการวางตัวของรอยเลื่อน และ สภาพธรณีวิทยา เป็นต้น


การลดทอนแรงสั่น (attenuation) ตามขนาดและระยะห่างจากจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหว
แรงสั่นจะลดทอนเร็วหรือช้า ขึ้นกับธรณีวิทยาใต้ดินที่คลื่นผ่าน

แรงสั่นเพิ่มขึ้นได้

เมื่อเกิดแผ่นดินไหวขึ้นมาซักเหตุการณ์ ปกติแรงสั่นสะเทือนสูงที่สุดที่จุดศูนย์กลางแผ่นดินไหว และลดระดับลงอย่างต่อเนื่อง เมื่อเดินทางไกลออกไป ผ่านชั้นหินต่างๆ แต่ในบางกรณี แรงสั่นไม่ลดลงแม้คลื่นจะเดินทางมาไกลจากจุดกำเนิดแล้วก็ตาม ซึ่งกรณีนี้เคยเกิดขึ้นที่กรุงเม็กซิโก ซิตี้ (Mexico City) ประเทศเม็กซิโก โดยจากเหตุการณ์แผ่นดินไหวขนาด 8.1 บริเวณนอกชายฝั่งประเทศเม็กซิโก ปี พ.ศ. 2528 Murillo และ Manuel (1995) รายงานว่าแรงสั่นสะเทือนในช่วงแรกลดทอนลงตามปกติ แต่เมื่อคลื่นเดินทางผ่านชั้นดินอ่อน (soft clay) ใต้กรุงเม็กซิโกซิตี้ แรงสั่นสะเทือนกลับเพิ่มระดับสูงขึ้น แสดงคลื่นไหวสะเทือนที่ตรวจวัดได้จากสถานีตรวจวัดที่ติดตั้งบนหินแข็ง และสถานีตรวจวัดบนชั้นดินอ่อน ใต้กรุงเม็กซิโกซิตี้ ผลจากการขยายแรงสั่นสะเทือนของชั้นดินอ่อนทำให้อาคาร 5,700 หลัง เสียหายอย่างหนัก และมีผู้เสียชีวิต > 9,000 คน

แผ่นดินไหวขนาด 8.1 ประเทศเม็กซิโก พ.ศ. 2528 ซึ่งได้รับผลกระทบจากการเพิ่มแรงสั่นแผ่นดินไหวอันเเนื่องมาจากคลื่นแผ่นดินไหววิ่งเข้าชั้นดินอ่อน

จากกรณีศึกษาดังกล่าว นักแผ่นดินไหวอธิบายว่าความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนนั้นขึ้นอยู่กับตัวกลางที่วิ่งผ่าน เช่น เมื่อผ่านหินแข็งคลื่นจะวิ่งเร็ว ส่วนดินอ่อนจะวิ่งช้า ซึ่งถ้าคลื่นวิ่งจากหินแข็งเข้าสู่ดินอ่อน คลื่นไหวสะเทือนจะต้องลดความเร็วลง เลยจำใจต้องแปลงร่างให้แอมพลิจูดสูงขึ้นกว่าเดิม (สั่นแรงขึ้น) เพื่อที่จะรักษาพลังงานของคลื่นให้เหมือนทุนเดิมมากที่สุด นี่คือเหตุผลไขข้อสงสัยว่าทำไมเวลาคลื่นวิ่งผ่านชั้นดินอ่อน จึงต้องขยายแรงสั่นสะเทือนให้สูงขึ้น

แบบจำลองแสดงความแตกต่างของแรงสั่นสะเทือนเมื่อชั้นดินที่ฐานมีความอ่อนนุ่มแตกต่างกัน

ขนาดแผ่นดินไหว พีจีเอ และ เมอร์คัลลี่แปลง มีความหมายแตกต่างกัน แผ่นดินไหวในแต่ละเหตุการณ์ มีขนาดแผ่นดินไหวค่าเดียว แต่มีพีจีเอและเมอร์คัลลี่แปลงหลากหลายค่า ขึ้นอยู่กับระยะห่างจากจุดศูนย์เกิดแผ่นดินไหว

ถ้าจะพูดถึงความเป็นไปได้ของบ้านเรา กรุงเม็กซิโกซิตี้และกรุงเทพฯ ดูเหมือนว่าจะมีหน้าตาคล้ายๆ กัน ใต้กรุงเทพฯ ก็มีองค์ประกอบเป็นดินอ่อนที่หนาพอสมควร ซึ่งจากการศึกษาพฤติกรรมการตอบสนองแรงสั่น อำนาจ และ สุทธิศักดิ์ (2552) ประเมินว่าดินอ่อนใต้กรุงเทพฯ มีโอกาสขยายแรงสั่นสะเทือนได้ 1.4-3.0 เท่า จากระดับปกติ ดังนั้นใครที่คิดจะปักหลักปักฐานในกรุงเทพฯ ก็คงต้องเสียสตางค์สร้างบ้านให้ดูดีเพิ่มอีกนิด จึงจะอยู่กับแรงสั่นได้อย่างอุ่นใจ

ผลการวิเคราะห์การขยายความเร่งของคลื่นแผ่นดินไหว ในพื้นที่ราบภาคกลางตอนล่าง (อำนาจ และ สุทธิศักดิ์, 2552)

Share: