ธารน้ำแข็ง เส้นใยนำแสง และกระแสหมุนวนขั้วโลก

          ผู้อ่านหลายท่านคงจะเคยเห็นภาพน้ำแข็งชิ้นเล็กชิ้นน้อยริมขอบของธารน้ำแข็งที่แตกหักและหลุดร่วงลงสู่ทะเลในสารคดี แต่บางครั้งสิ่งที่หลุดออกมาก็มีขนาดใหญ่ไม่ต่างจากภูเขาน้ำแข็งขนาดเล็กลูกหนึ่ง ซึ่งการแตกหัก การพลิกคว่ำ และการกระทบกระแทกของชิ้นส่วนของธารน้ำแข็งเหล่านี้สามารถส่งคลื่นแผ่นดินไหว (Seismic Wave) แผ่ออกไปได้ไกลหลายกิโลเมตร ดินแดนแอนตาร์กติกามีธารน้ำแข็งขนาดใหญ่ใกล้เคียงกับรัฐฟลอริดาชื่อว่า Thwaites ธารน้ำแข็งแห่งนี้มีส่วนรับผิดชอบราว 4 เปอร์เซ็นต์ของระดับน้ำทะเลที่เพิ่มขึ้น แต่งานวิจัยเมื่อเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ.2020 ที่ผ่านมาพบว่าการแตกหักของธารน้ำแข็งดังกล่าวได้ทำให้เกิดปรากฏการณ์แผ่นดินไหวจากธารน้ำแข็ง (Glacial Earthquake) ขึ้นเป็นครั้งแรกในธารน้ำแข็งแห่งนี้ ซึ่งการแตกหักดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าธารน้ำแข็งหลายแห่งกำลังลดขนาดลงและทำให้น้ำแข็งละลายลงสู่ทะเลมากขึ้น           ปกติแล้วนักวิทยาศาสตร์จะใช้ดาวเทียมเพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงของธารน้ำแข็ง แต่เมื่อเดือนมีนาคมปีที่แล้ว ทีมนักวิทยาศาสตร์นำโดยศาสตราจารย์ Fabian Walter แห่ง ETH Zurich ได้ทดลองใช้เส้นใยนำแสง (Optical Fiber) ความยาว 1 กิโลเมตรที่มีเซนเซอร์จำนวน 500 ตัวในการตรวจจับคลื่นแผ่นดินไหวที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของธารน้ำแข็ง Rhone ที่ระดับความสูง 2,500 เมตร โดยทีมนักวิทยาศาสตร์ทำการติดตั้งระบบตรวจวัดคลื่นแผ่นดินไหวบนพื้นหิมะที่ระดับความลึกเพียงไม่กี่เซนติเมตรและพบว่าเส้นใยนำแสงสามารถตรวจจับสัญญาณที่เกิดจากการเลื่อนไถลแบบกระตุกของธารน้ำแข็ง การร่วงหล่นของหิน และแผ่นดินไหวจากน้ำแข็งได้ งานวิจัยดังกล่าวถูกตีพิมพ์ลงในวารสาร Nature Communications เมื่อเดือนพฤษภาคมที่ผ่านมา และนับเป็นครั้งแรกที่มีการใช้เส้นใยนำแสงเพื่อตรวจจับการเคลื่อนที่ของธารน้ำแข็ง


          นอกจากการแตกหักของธารน้ำแข็งที่ขั้วโลก การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของน้ำในดินและน้ำในทะเลสาบที่กลายเป็นน้ำแข็งก็สามารถส่งคลื่นแผ่นดินไหวออกมาได้เช่นกัน เนื่องจากน้ำมีความหนาแน่นมากที่สุด (ปริมาตรน้อยที่สุด) ที่อุณหภูมิประมาณ 4 องศาเซลเซียส และมีความหนาแน่นน้อยที่สุด (ปริมาตรมากที่สุด) ที่อุณหภูมิประมาณ -22 องศาเซลเซียส หากผู้อ่านจินตนาการถึงน้ำดื่มในขวดพลาสติกที่มีอุณหภูมิต่ำใกล้ 0 องศาเซลเซียสในช่องฟรีซของตู้เย็นก็จะพบว่าเมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ปริมาตรของน้ำจะขยายตัวและทำให้ขวดพลาสติกพองออก


          คราวนี้ลองจินตนาการว่าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นกับน้ำในดินและน้ำในทะเลสาบ ผลคือพื้นดินจะถูกรบกวน (Ground Disturbance) โดยถูกดันให้ป่องออกหรืออาจถึงขั้นสร้างความเสียหายต่อสิ่งปลูกสร้างได้ การเปลี่ยนแปลงของพื้นดินในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำเรียกว่า Cryoseism ปรากฏการณ์นี้สามารถแบ่งออกเป็น 4 รูปแบบโดยอาศัยเกณฑ์การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและช่วงเวลาในการเกิด ดังนี้

          1. Icequake หมายถึงการเคลื่อนที่ของน้ำแข็งเมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นภายในระยะเวลาสั้นๆ ส่งผลให้ขอบของพื้นดินริมทะเลสาบหรือชายฝั่งถูกดันอย่างรวดเร็วจนส่งคลื่นแผ่นดินไหวออกมา
          2. Frostquake หมายถึงการขยายตัวของชั้นดินระดับตื้นเนื่องจากน้ำในดินเกิดการแข็งตัวภายในระยะเวลาสั้นๆ ส่งผลให้พื้นดินถูกดันออกแล้วส่งคลื่นแผ่นดินไหวออกมา
          3. Ice Heave หมายถึงการขยายตัวและหดตัวของน้ำแข็งที่เปลี่ยนแปลงสลับไปมาระหว่างกลางวันและกลางคืน เป็นผลให้แผ่นน้ำแข็งในทะเลสาบหรือชายฝั่งขยายตัวแผ่ออกจากศูนย์กลาง แล้วเข้าชนกับขอบของพื้นดินจนเกิดความเสียหาย
          4. Frost Heave หมายถึงการขยายตัวของชั้นดินระดับตื้นเนื่องจากน้ำในดินเกิดการขยายตัวอย่างช้าๆ มีกลไกการเกิดคล้าย Frostquake แต่ขนาดของน้ำแข็งใต้ดินมีขนาดใหญ่และมีรูปร่างคล้ายเลนส์ ซึ่งสามารถทำให้พื้นดินถูกดันจนเกิดการเปลี่ยนแปลงบนพื้นผิวได้มากกว่า Frostquake

            การเปลี่ยนแปลงของพื้นดินเนื่องจาก Cryoseism มักเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิเหนือพื้นดินเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วจากผลกระทบของปรากฏการณ์ Polar Vortex เนื่องจากบริเวณขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้มีอุณหภูมิต่ำและมีความกดอากาศสูง ขณะที่เขตอบอุ่นและเขตร้อนจะมีความกดอากาศต่ำกว่า บริเวณรอยต่อใกล้ขั้วโลกจะมีกระแสลมกรดขั้วโลก (Polar Jet Stream) ที่เกิดจากการหมุนรอบตัวเองของโลกคอยกักอากาศเย็นแถบขั้วโลกไม่ให้ทะลักลงมาแถบละติจูดต่ำ อย่างไรก็ตาม ภาวะโลกร้อนได้ทำให้อุณหภูมิแถบขั้วโลกและแถบละติจูดต่ำมีความแตกต่างกันน้อยลงจนส่งผลให้กำแพงลมกรด “อ่อนแอลง” อากาศร้อนด้านล่างจึงไหลขึ้นไปยังขั้วโลก ในขณะที่อากาศเย็นจากขั้วโลกก็ทะลักลงมาด้านล่างแล้วทำให้พื้นที่บริเวณนั้นมีอุณหภูมิลดต่ำลงอย่างรวดเร็วหลายสิบองศาเซลเซียส ซึ่ง Polar Vortex ซึ่งไม่ใช่ปรากฏการณ์ใหม่ แต่ถูกศึกษาโดยนักวิทยาศาสตร์มานานตั้งแต่เกือบ 170 ปีก่อน เพียงแต่เพิ่งแผลงฤทธิ์ให้เห็นอย่างชัดเจนในช่วงไม่กี่ปีมานี้           อีกปรากฏการณ์ที่คล้ายคลึงกันและสามารถทำให้เกิด Cryoseism ได้ ก็คือ Bomb Cyclone หรือ Explosive Cyclogenesis ซึ่งหมายถึงพายุหมุนนอกเขตร้อน (Extratropical Cyclone) ที่เติบโตอย่างรวดเร็วและรุนแรงเนื่องจากความกดอากาศต่ำที่ศูนย์กลางพายุลดลงมากกว่า 24 มิลลิบาร์ภายในเวลา 24 ชั่วโมง โดยกระบวนการดังกล่าวเกิดจากอันตรกิริยาระหว่างอากาศกับทะเล (Air-Sea Interaction) ความชื้นจากทะเลด้านล่างจึงถูกหอบขึ้นสู่อากาศด้านบน แล้วกลายเป็นฝน หิมะ ลูกเห็บ ฝนน้ำแข็ง และฝนเยือกแข็งตกลงสู่พื้นดิน อุณหภูมิของบริเวณที่เกิดปรากฏการณ์นี้จึงลดต่ำลงยิ่งกว่าช่องฟรีซของตู้เย็น           ทั้งสองปรากฏการณ์แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของอากาศสามารถส่งผลกระทบต่อพื้นดินระดับตื้นได้ แต่จะไม่ส่งผลกระทบต่อพื้นดินระดับลึกเนื่องจากดินมีสภาพการนำความร้อน (Thermal Conductivity) ที่ต่ำ โดยอากาศที่เย็นจัดก็มักจะทำให้เกิดภาวะผิวหนังถูกทำลายจากความเย็น (Frostbite) และภาวะร่างกายมีอุณหภูมิต่ำ (Hypothermia) ซึ่งอาจทำให้บาดเจ็บหรือถึงขั้นเสียชีวิตได้เลยทีเดียว!

 

• https://phys.org/news/2020-05-glaciers-optical-fibers.html?fbclid=IwAR3nZGG2qLELDHForEdh-kx3NgZB_no_36nFHt9b8OOH8thqFa3b4185in4
• https://eos.org/articles/glacial-earthquakes-spotted-for-the-first-time-on-thwaites?fbclid=IwAR1-Vxip3-Gg8y6HW6okT3a0MQn3RKPiqzm_Q8OCUS1GwBPP37qVwbH8C6o
• https://ags.aer.ca/activities/evidence-of-cryoseism.html?fbclid=IwAR1pgNycNWzAyHn_i4HrMTzUf9K-7zAovT8KuROwMXh8UGYetJmH5yesNR0
• https://ags.aer.ca/activities/temperature-related-ground-disturbance-and-cryoseism.html?fbclid=IwAR0U76KBEJyUZg3Ga9y0mMxdB4O6E25BqwB9dvah09wn5pwAm9wgJIUcRGg
• https://scijinks.gov/polar-vortex/
• https://oceanservice.noaa.gov/facts/bombogenesis.html