ฟิสิกส์ของเนินทรายกับโลกที่กำลังถูกทะเลทรายกลืนกิน

กลุ่มของเนินทรายขนาดใหญ่
ที่มา Meriel J. Bittner

            โลกของเรามีพื้นที่ที่เป็นทะเลทรายประมาณ 33 เปอร์เซ็นต์ หากพิจารณาในประเทศไทย หาดหงส์ที่จังหวัดอุบลราชธานีคงเป็นสถานที่ท่องเที่ยวที่มีทิวทัศน์คล้ายทะเลทรายมากที่สุด ถึงอย่างนั้น หาดหงส์ก็ไม่ใช่ทะเลทรายจริงๆ แต่เกิดจากตะกอนทรายของแม่น้ำโขงที่ตกสะสมทับถมกันจนเกิดเป็นลานทรายขนาดใหญ่ อีกทั้งประเทศไทยก็ตั้งอยู่ในเขตร้อนชื้นจึงไม่สามารถเกิดทะเลทรายขึ้นมาได้ อย่างไรก็ตาม งานวิจัยในช่วงไม่กี่ปีมานี้ได้แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ (Climate Change) กำลังทำให้ทะเลทรายบางแห่งบนโลกขยายอาณาเขตมากขึ้นและกลืนกินพื้นที่สีเขียวซึ่งเป็นป่ารวมถึงที่อยู่อาศัยของมนุษย์ให้ลดน้อยลง


            การกลายเป็นทะเลทราย (Desertification) หมายถึงปรากฏการณ์ที่พื้นที่เดิมที่ไม่ใช่ทะเลทรายเกิดการเปลี่ยนสภาพเป็นทะเลทรายทั้งจากสาเหตุทางธรรมชาติและการกระทำของมนุษย์ งานวิจัยที่ตีพิมพ์ลงในวารสาร Journal of Climate เมื่อปี ค.ศ.2018 โดยนักวิจัยจาก University of Maryland ระบุว่าทะเลทรายซาฮารา (Sahara Desert) ได้ขยายตัวแผ่กว้างขึ้นราว 10 เปอร์เซ็นต์ตั้งแต่ปี ค.ศ.1920 เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของภูมิอากาศส่งผลให้คาบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของน้ำทะเลแถบมหาสมุทรแอตแลนติกในช่วงเวลาหลายทศวรรษ (Atlantic Multidecadal Oscillation หรือ AMO) เปลี่ยนแปลงไป การขยายขอบเขตของทะเลทรายจึงนำไปสู่การสูญเสียผลผลิตทางการเกษตร ความหลากหลายทางชีวภาพ รวมถึงคุณภาพของน้ำและดิน ผลกระทบดังกล่าวจึงทำให้เกิดโครงการชื่อ Sahara Forest Project ซึ่งเป็นการปลูกต้นไม้และสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อเพิ่มความชุ่มชื้นในทะเลทรายซาฮารา

โครงการ Sahara Forest Project

 

           
          อย่างไรก็ตาม การวัดการขยายตัวของพื้นที่ทะเลทรายเป็นการมองจาก “ระยะไกล” ด้วยภาพถ่ายทางอากาศหรือภาพถ่ายดาวเทียม แต่ถ้าเราเข้าไปมอง “ระยะใกล้” ว่าเนินทราย (Dune) แต่ละลูกมีพฤติกรรม การเปลี่ยนแปลง และส่งผลอย่างไรต่อการเคลื่อนที่ของเนินทรายลูกอื่น เราก็จะพบปริศนาอีกข้อหนึ่งซึ่งยังไม่มีคำตอบที่ชัดเจน!


          เราเริ่มต้นที่การพิจารณาเม็ดทรายกันก่อน ทราย (Sand) หมายถึงหินและแร่ขนาดเล็ก ส่วนใหญ่ประกอบด้วยควอตซ์ เฟลด์สปาร์ ไมกา การ์เนต และอื่นๆ ทรายมีความแข็ง (Hardness) ประมาณ 6 ถึง 7 ตามมาตราของโมส์ (Mohs Scale) ทำให้ทนทานต่อการกดอัด (Compressive) ได้มาก ส่วนความยึดเหนี่ยว (Cohesive) และความซึมซาบของไหล (Permeability) ของทรายจะแปรเปลี่ยนไปตามรูปร่างและขนาดของเม็ดทราย โดยทรายที่มีรูปทรงเหลี่ยมจะยึดเกาะกันได้มากกว่าทรายที่กลมมน ส่วนทรายที่กลมมนจะมีช่องว่างให้น้ำและอากาศไหลผ่านได้มากกว่า ซึ่งมวล ขนาด และรูปทรงทางเรขาคณิตของเม็ดทรายจะมีผลต่อรูปแบบการเคลื่อนที่ของเม็ดทรายเมื่อถูกแรงจากภายนอกมากระทำ
 

การเคลื่อนที่ของเม็ดทรายโดยลม
ที่มา after Pyle, 1987



การเคลื่อนที่ของเม็ดทรายบนเนินทราย
ที่มา geocaching

 

          เมื่อเดือนกุมภาพันธ์ที่ผ่านมา ทีมนักวิจัยจาก University of Cambridge ได้ตีพิมพ์ผลการศึกษาลงในวารสาร Physical Review Letters โดยเป็นการทดลองเกี่ยวกับอันตรกิริยาระหว่างเนินทรายสองลูก เดิมที นักฟิสิกส์เชื่อว่าเนินทรายมีรูปแบบการเคลื่อนที่อยู่ 2 รูปแบบ ทฤษฎีแรกกล่าวว่าเนินทรายที่มีขนาดต่างกันจะเคลื่อนตัวเข้าชนกันแล้วก่อตัวเป็นเนินทรายที่มีขนาดใหญ่ขึ้น แต่ผลการสังเกตพฤติกรรมของตะกอนในทะเลทรายและตะกอนในแม่น้ำกลับไม่พบลักษณะการเคลื่อนที่ลักษณะนี้ ส่วนทฤษฎีที่สองกล่าวว่าเนินทรายแต่ละลูกจะเคลื่อนตัวมารวมกัน เกิดการแลกเปลี่ยนมวลระหว่างกันจนเนินทรายแต่ละลูกมีขนาดใกล้เคียงกัน จากนั้นจึงเคลื่อนตัวต่อไปด้วยอัตราเร็วที่ใกล้เคียงกัน แต่ผลการทดลองล่าสุดกลับพบว่าเนินทรายมีรูปแบบการเคลื่อนที่แตกต่างออกไปจากทฤษฎีเดิมที่เคยเชื่อกัน!
 

การเคลื่อนที่ของทรายใน Flume
 

          เดิมที การจำลองการเคลื่อนที่ของเนินทรายจะมุ่งเน้นศึกษาพฤติกรรมของเนินทรายเพียงลูกเดียวหรือกลุ่มเดียวในระยะเวลาสั้นๆ โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า Flume ซึ่งมีลักษณะคล้ายตู้กระจกยาวๆ ที่มีตะกอนและของไหลที่ถูกบังคับให้เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วค่าต่างๆ ผลคือเมื่อเนินทรายได้รับแรงกระทำจากลมหรือกระแสน้ำในทิศทางหนึ่ง เนินทรายจะเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของแรงที่เข้ามากระทำ โดยเนินทรายขนาดใหญ่จะเคลื่อนที่ช้า ส่วนเนินทรายขนาดเล็กจะเคลื่อนที่เร็วกว่า แต่ทีมนักวิจัยจาก University of Cambridge ต้องการศึกษาพฤติกรรมของเนินทรายสองลูกในระยะยาว ดังนั้น Flume รูปแบบเดิมจึงไม่ตอบโจทย์เพราะมีความยาวไม่เพียงพอ ดังนั้นทีมนักวิจัยจึงสร้าง Circular Flume ซึ่งมีลักษณะเป็นวงกลมและหมุนได้ ทำให้สามารถศึกษาพฤติกรรมของเนินทรายในระยะยาวได้
 

การใช้กล้องความเร็วสูงถ่ายภาพการเคลื่อนที่ของเนินทรายใน Circular Flume



การทำงานของ Circular Flume
ที่มา University of Cambridge
 

          ผลการศึกษาพบว่าในช่วงเริ่มแรก เนินทรายที่อยู่ด้านหน้าจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วมากกว่าเนินทรายที่อยู่ด้านหลัง แต่เมื่อเวลาผ่านไป เนินทรายลูกแรกจะเคลื่อนที่ช้าลงจนกระทั่งเนินทรายทั้งสองมีอัตราเร็วเท่ากัน จากนั้นกระแสหมุนวน (Swirl) ที่เกิดจากการไหลของของไหลแบบปั่นป่วน (Turbulence) ด้านหลังเนินทรายลูกแรกจะค่อยๆ ผลักเนินทรายลูกที่สองให้ถอยห่างออกไปจนอยู่ด้านตรงข้ามกับเนินทรายลูกแรก (ทำมุม 180 องศาใน Circular Flume) ในลำดับถัดไป ทีมนักวิจัยจะประยุกต์ผลการศึกษาดังกล่าวเพื่อสังเกตการเคลื่อนที่ของกลุ่มเนินทรายขนาดใหญ่ในทะเลทรายด้วยดาวเทียม โดยหวังว่าจะค้นพบคำตอบของปริศนาว่าเนินทรายแต่ละลูกสื่อสารกับเนินทรายลูกอื่นอย่างไร ซึ่งผลการศึกษานี้อาจนำไปสู่การทำนายพฤติกรรมของเนินทรายในทะเลทรายที่กำลังขยายตัวกลืนกินพื้นที่สีเขียวและเมืองต่างๆ ก็เป็นได้
 

พายุทรายเข้าถล่มเมืองที่ประเทศอิรัก
ที่มา NPS
 

          อย่างไรก็ตาม แม้การรุกคืบของทะเลทรายกำลังจะกลายเป็นภัยพิบัติที่คุกคามที่อยู่อาศัยของมนุษย์ในภายภาคหน้า แต่ความจริงแล้วทะเลทรายมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อระบบนิเวศ เพราะฝุ่นจากทะเลทราย (Desert Dust) ที่ถูกพัดพาไปโดยลมจะตกสู่มหาสมุทรและกลายเป็นแหล่งแร่ธาตุหล่อเลี้ยงชีวิตในทะเล นอกจากนี้ งานวิจัยเกี่ยวกับอันตรกิริยาระหว่างพื้นดินและอากาศ (Land-Sea Interaction) ในพื้นที่บางส่วนของทะเลทรายซาฮารายังพบว่าการเพิ่มขึ้นของพื้นที่สีเขียวในทะเลทรายจะทำให้ค่าการสะท้อนรังสี (Albedo) ปริมาณการพัดพาตะกอน และปริมาณไอน้ำในทะเลทรายเปลี่ยนแปลงไปจนอาจส่งผลให้เกิดพายุไซโคลนที่รุนแรงขึ้น ดังนั้นการเปลี่ยนทะเลทรายเป็นพื้นที่สีเขียวจึงสามารถทำได้เพียงบางส่วน ไม่สามารถดัดแปลงทะเลทรายเป็นพื้นที่สีเขียวได้ทั้งหมดเพื่อรักษาสมดุลทางความชื้นและแร่ธาตุจากตะกอน

พายุทรายพัดตะกอนทรายลงสู่มหาสมุทร
ที่มา NASA/AP
 

          ผู้อ่านคงเห็นแล้วว่าเม็ดทรายธรรมดาที่ไม่มีอะไรน่าสนใจ หากมาอยู่รวมกันจนมีปริมาณมากพอก็ยังแฝงปริศนาไว้ให้เราได้ขบคิดหาคำตอบ ซึ่งการค้นหาคำตอบของปริศนาด้วยวิธีการทางวิทยาศาสตร์นี่เองที่ทำให้เรามองเห็นความสวยงามของธรรมชาติรอบตัว เพราะบางสิ่งบางอย่างที่ดูสามัญธรรมดา หากเราปรับเปลี่ยนมุมมองที่มีต่อมัน สิ่งของธรรมดาก็อาจกลายเป็นสิ่งมหัศจรรย์ขึ้นมาในทันที

 

บทความโดย

เรียบเรียง - สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
แปล - สิรินธร กิจนีชีว์

อ้างอิง