ฟิสิกส์ของพื้นผิวโลก ตอนที่ 1 วิทยาศาสตร์ของผืนป่า

            ณ เวลาแรกเริ่มที่โลกก่อกำเนิดซึ่งเรียกว่า บรมยุคเฮเดียน (Hadean Eon) พื้นผิวโลกมีลักษณะเป็นหินร้อนระอุ เมื่อเปลือกหินร้อนเย็นตัวลงจนกลายเป็นแผ่นหินแข็ง แสงอาทิตย์ ลม น้ำ ธารน้ำแข็ง และปัจจัยอื่นๆ ก็ทำให้แผ่นหินแข็งค่อยๆ ผุพังกลายเป็นดินบรรพกาล (Paleosol) จากการหาอายุของตะกอนบรรพกาลด้วยวิธีการสลายตัวของยูเรเนียมไปเป็นตะกั่ว (Uranium–Lead Dating) นักวิทยาศาสตร์พบว่ากระบวนการดังกล่าวเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 2,000 ถึง 3,700 ล้านปีก่อน ในช่วงเวลาที่ใกล้เคียงกัน สิ่งมีชีวิตยุคแรกก็ถือกำเนิดขึ้น หลังจากนั้นจึงแตกแขนงออกเป็นพืชและสัตว์ซึ่งเข้าครอบครองผืนน้ำและแผ่นดินในเวลาต่อมา           แท้จริงแล้ว พืชก็เปรียบเสมือนเครื่องจักรมีชีวิตที่อาศัยหลักการทางฟิสิกส์ พืชสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ พืชที่มีท่อลำเลียง (Vascular Plant) และพืชที่ไม่มีท่อลำเลียง (Non-Vascular Plant) โดยรากของพืชจะทำหน้าที่ดูดน้ำและแร่ธาตุภายในดินเพื่อส่งไปยังส่วนอื่นๆ ผ่านเนื้อเยื่อที่เรียกว่า ไซเล็ม (Xylem) โดยโมเลกุลของน้ำจะมีการยึดติด (Adhesion) อยู่กับผนังของเนื้อเยื่อและมีการเชื่อมแน่น (Cohesion) อยู่ด้วยกัน การลำเลียงน้ำจะเกิดจากการคายน้ำของปากใบและทำให้เกิดความดันลบ (Negative Pressure) ส่งผลให้โมเลกุลของน้ำถูกแรงดึง (Tension) ให้เคลื่อนที่ขึ้นไปสู่ใบ กระบวนการดังกล่าวเรียกว่า Cohesion-Tension Theory ส่วนการลำเลียงอาหารที่เกิดจากกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง (Photosynthesis) ที่ใบไปยังส่วนอื่นๆ จะเกิดขึ้นเมื่อมีความดันที่แตกต่างกันภายในเนื้อเยื่อที่เรียกว่า โฟลเอ็ม (Phloem) กระบวนการดังกล่าวเรียกว่า Pressure Flow Theory           ต่อไปเราจะพิจารณาการรวมกลุ่มของพืชจนกลายเป็นป่า (Forest) ความหมายดั้งเดิมของคำว่า “ป่า” สื่อถึงป่าธรรมชาติ (Natural Forest) ซึ่งมีอยู่หลากหลายประเภท นักบรรพชีวินวิทยา (Paleontologist) พบว่าป่าที่เก่าแก่ที่สุดบนโลกมีอายุไม่ต่ำกว่า 385 ล้านปี ลูกหลานของป่าโบราณเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นคลังรักษาพันธุกรรม เป็นต้นน้ำหล่อเลี้ยงสรรพชีวิต และเป็นแหล่งกักเก็บคาร์บอนไดออกไซด์ปริมาณมหาศาล           แต่เมื่อเกิดการปฏิวัติเกษตรกรรม (Agricultural Revolution) เมื่อราว 12,800 ปีก่อน มนุษย์ก็เปลี่ยนวิถีชีวิตจากการล่าสัตว์หาของป่ามาสู่การปลูกพืชและเลี้ยงสัตว์ การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่นี้นำมาสู่การเกิดขึ้นของพื้นที่เกษตรกรรมและป่าปลูก (Artificial Forest) ที่เอื้อประโยชน์ต่อมนุษย์เป็นหลัก แต่จากความรู้ทางนิเวศวิทยา (Ecology) ป่าธรรมชาติกับป่าปลูกมีระบบนิเวศ (Ecosystem) แตกต่างกัน กล่าวคือป่าธรรมชาติจะมีกลุ่มสิ่งมีชีวิต (Community) และความหลากหลายทางชีวภาพ (Biodiversity) โดยรวมสูงกว่าป่าปลูก เพราะป่าธรรมชาติเป็นสถานที่ที่สิ่งมีชีวิตตั้งแต่จุลชีพ สัตว์ และพืชพรรณพักพิงอิงอาศัยอยู่ร่วมกัน ดังนั้น พื้นที่ที่มีต้นไม้เยอะแต่ปราศจากความสัมพันธ์กับสิ่งมีชีวิตจึงไม่ใช่ป่าที่ดีเสมอไป จากหลักฐานทางประวัติศาสตร์ อาณาจักรโบราณหลายแห่งอย่างมายา อินคา แอซเท็ก นครวัด-นครธม รวมถึงเมืองเชอร์โนบิลต่างถูกพืชเข้ามายึดครองเมื่อมนุษย์ย้ายถิ่นฐานออกไป แสดงให้เห็นว่าป่าธรรมชาติที่ถูกตัดโค่น แผ้วถาง เผาด้วยไฟ หรือแม้กระทั่งภูเขาหัวโล้นสามารถฟื้นคืนกลับมาเองได้ เพราะดินที่ถูกทำลายในระดับตื้นจะทำให้ป่าอยู่ในสภาพเสื่อมโทรมเพียงชั่วคราวและเข้าสู่กระบวนการฟื้นฟูตัวเองตามลำดับเวลา           แม้ป่าธรรมชาติกับป่าปลูกจะมีความแตกต่างกันหลายจุด แต่ต้นไม้ในป่าธรรมชาติกับป่าปลูกก็มีสิ่งที่เหมือนกันอยู่บางประการคือการกักเก็บคาร์บอน (Carbon Sequestration) ต้นไม้หนึ่งต้นประกอบด้วยเนื้อไม้ราว 72.5% และความชื้นราว 27.5% การเปลี่ยนมวลชีวภาพ (Green Mass) ไปเป็นมวลแห้ง (Dry Mass) จึงสามารถทำได้โดยการนำมวลของต้นไม้มาคูณด้วย 0.725 ภายในมวลแห้งของต้นไม้จะประกอบด้วยมวลของคาร์บอนราว 50% โดยมวลของคาร์บอนไดออกไซด์มีค่าประมาณ 44 กรัมต่อโมล ทำให้อัตราส่วนระหว่างมวลของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ต่อมวลอะตอมของคาร์บอนมีค่าราว 3.67 ดังนั้น มวลของคาร์บอนไดออกไซด์จึงสามารถคำนวณได้โดยการนำ 3.67 มาคูณกับมวลคาร์บอนในต้นไม้ แต่วิธีการนี้เป็นเพียงการประมาณค่าเนื่องจากป่าแต่ละชนิดมีความแตกต่างกัน


          ตลอดหลายสิบปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ยังถกเถียงกันเรื่องความสัมพันธ์ของป่ากับฝนว่า “ฝนสร้างป่า” หรือ “ป่าสร้างฝน” โดยทฤษฎีแรกกล่าวว่าที่ใดมีฝนตกที่นั่นย่อมมีป่า แต่ความจริงแล้วทฤษฎีนี้อาจยังไม่ครอบคลุม เพราะงานวิจัยในช่วงหนึ่งทศวรรษที่ผ่านมาแสดงให้เห็นว่าป่าก็มีส่วนช่วยในการสร้างฝนด้วยเช่นกัน โดยทฤษฎีป่าสร้างฝนมีชื่อว่า Biotic Pump ถูกเสนอโดยนักฟิสิกส์ชาวรัสเซียสองท่านคือ Victor Grashkov และ Anastasia Makarieva แห่ง Petersburg Nuclear Physics Institute เมื่อปี ค.ศ.2007 นักวิจัยทั้งสองท่านแสดงให้เห็นว่าเมื่อลมหอบความชื้นจากทะเลเข้ามาหาผืนป่าขนาดใหญ่ แรงเสียดทานระหว่างลมกับพื้นผิวของป่าจะทำให้ไอน้ำจากทะเลชะลอตัวลงแล้วรวมตัวกับไอน้ำปริมาณมหาศาลที่ป่าคายออกมา กลั่นตัวเป็นเมฆ ตกลงมาเป็นฝน ส่งผลให้ความกดอากาศบริเวณนั้นต่ำลง ก่อนลอยตัวสูงขึ้นแล้วย้อนกลับไปสู่ทะเล จากนั้นลมระลอกใหม่จากทะเลจะพัดเข้าสู่ผืนป่าที่อยู่ด้านในทำให้เกิดฝนตกลึกเข้าไปในแผ่นดินเป็นเวลานานขึ้น กระบวนการนี้จะเกิดวนซ้ำอย่างต่อเนื่อง ป่าสร้างฝนมักจะเกิดขึ้นบริเวณผืนป่าขนาดใหญ่อย่างป่าดิบชื้นหรือป่าฝนเขตร้อน (Tropical Rain Forest) แต่สำหรับผืนป่าขนาดเล็ก ฝนจะมีส่วนช่วยในการสร้างป่ามากกว่า เมื่อพิจารณาในภาพรวมจึงสรุปได้ว่าแสง ลม น้ำ อุณหภูมิ สถานที่ตั้ง สมบัติของดิน เมล็ดพันธุ์ในดิน (Seed Bank) และกิจกรรมของสัตว์ (Animal Activity) จะเป็นตัวกำหนดชนิดและจำนวนของพืชในป่า หากปัจจัยเหล่านี้เปลี่ยนแปลงไป ระบบนิเวศของป่าก็จะเปลี่ยนแปลงไป เช่น การเปลี่ยนจากพืชไม่ผลัดใบ (Evergreen Plant) ไปเป็นพืชผลัดใบ (Deciduous Plant) เมื่อป่ามีความชื้นเพิ่มมากขึ้น           หากพิจารณาพฤติกรรมทางอากาศพลศาสตร์ (Aerodynamics) จะพบว่าลมพื้นผิว (Surface Wind) ที่พัดผ่านป่าแนวราบมีการเปลี่ยนแปลงความเร็วในแนวตั้ง (Wind Profile) โดยลมที่พัดใกล้พื้นผิวจะมีความเร็วน้อยที่สุดเนื่องจากความเสียดทานของพื้นผิวที่ขรุขระ (Roughness Surface) เมื่อลมพัดผ่านต้นไม้ก็จะเกิดแรงฉุด (Drag Force) ทำให้ป่าที่มีต้นไม้สูงๆ จำนวนมากสามารถชะลอความเร็วของลมได้มาก ดังนั้น ป่าที่ถูกพายุพัดกระหน่ำใส่ กลุ่มต้นไม้ขนาดใหญ่บริเวณขอบป่าจึงมีส่วนช่วยในการปกป้องต้นไม้ขนาดเล็กภายในป่า

 
          เมื่อผืนป่าเปลี่ยนแปลงไป ภูมิอากาศก็เปลี่ยนแปลงไปเช่นกัน เนื่องจากพืชในป่าจะปลดปล่อยสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (Volatile Organic Compounds หรือ VOCs) ออกสู่บรรยากาศ สารระเหยนี้จะทำปฏิกิริยาทางเคมีกับแก๊สต่างๆ ในอากาศแล้วสร้างละอองลอยอินทรีย์ทุติยภูมิ (Secondary Organic Aerosols หรือ SOAs) ขึ้นมา ละอองลอยเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นแกนควบแน่นของเมฆ (Cloud Condensation Nuclei หรือ CCN) เมื่อเกิดเมฆขึ้น เมฆก็จะทำหน้าที่สะท้อนแสงอาทิตย์บางส่วนกลับไปเพื่อควบคุมอุณหภูมิของพื้นผิวโลก หากป่าถูกทำลายเป็นวงกว้าง ภูมิอากาศท้องถิ่น (Local Climate) ในบริเวณนั้นก็อาจเปลี่ยนแปลงไปเช่นกัน เนื่องจากการสะท้อนรังสี (Albedo) ของเมฆเหนือผืนป่ามีค่าลดลง สิ่งที่น่าสนใจคือปะการังก็มีการปลดปล่อยแก๊สในกลุ่มไดเมทิลซัลไฟล์ (Dimethyl Sulphide หรือ DMS) ออกสู่บรรยากาศในรูปของละอองลอย (Aerosol) และทำหน้าที่เป็นแกนควบแน่นของเมฆได้เช่นเดียวกัน
            แม้บทความตอนที่ 1 จะมีเนื้อหาก้ำกึ่งระหว่างฟิสิกส์กับนิเวศวิทยา ซึ่งผู้อ่านที่ชื่นชอบฟิสิกส์อาจจะรู้สึกไม่จุใจ แต่สิ่งที่ผู้เขียนต้องการสื่อก็คือการประยุกต์ใช้ความรู้จากสองศาสตร์ที่แตกต่างกันเพื่อหาคำตอบของคำถามทางวิทยาศาสตร์ ในบทความตอนหน้า ผู้เขียนจะเข้าประเด็นเรื่องฟิสิกส์ของไฟป่ารวมถึงผลกระทบที่มีต่อบรรยากาศและพื้นผิวโลก โปรดติดตามตอนต่อไปครับ

 

อ้างอิง

• หนังสือ ป่าเขตร้อน ฉบับปรับปรุงแก้ไขข้อมูลใหม่ โดย อรวรรณ คูหเจริญ นาวายุทธ
• บทความ Biotic pump of atmospheric moisture as driver of the hydrological cycle on land โดย A. M. Makarieva and V. G. Gorshkov
• http://www.science4all.org/article/the-amazing-physics-of-water-in-trees/?fbclid=IwAR1Rx5KoG1XXPSdexUuStOcoRL5hLyCyr85xiBRFgO14_N5yqGhOIAGQVVs
• https://phys.org/news/2013-01-tree-physics-limits-height-leaf.html?fbclid=IwAR0WVxeRs6-tn8iNSXgkkMPH7iXko213Wa9TzllOKIVgFHTaZC2rtU5vLCg
• https://phys.org/news/2018-11-scientist-dirt-planet-oldest-soil.html?fbclid=IwAR2QCDDqmO1bMuo8IVn_yKq8vIwZ4f49zSPadoe28CS45-mswsCrZ3VBRD8
• https://www.sciencemag.org/news/2019/12/scientists-have-discovered-world-s-oldest-forest-and-its-radical-impact-life?fbclid=IwAR0cNifUyQM9sS42SMV10k0qwADPj1xUeKT0ovh17KLUqwUaz5ieJFYA82g
• https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/secondary-succession?fbclid=IwAR3O8W7p82EGKVunSxgGDoPW8JEPhxU9dSt-gQwPXarmyQbk5nFaTn6ghN8
• https://m.phys.org/news/2020-01-biodiverse-forests-carbon-periods.html?fbclid=IwAR3NM33hCJFMc-Sph_fkgXr7IhRUNgNArrTorsNxJ-QqQkVZWyLl3vUKtdc
• https://m.phys.org/news/2020-03-soil-absorb-billions-tonnes-carbon.html?fbclid=IwAR2gUGVJAJKWQ5QWUZQgEpWsXqUD7hg4dOn4osUhmUqVbYtZHOecS0SvbAQ
• https://www.ecomatcher.com/how-to-calculate-co2-sequestration/?fbclid=IwAR3k_AOsCwsvZLze6tzJt3Cby1c1H0Dn2Zz6deqeqDquq80Gvu5e1Nf-oXoa>
• https://www.nature.com/articles/ncomms14067?fbclid=IwAR24VdMPXd9An1kenjIdt620p3HEzy3Mdm1mtNN1YbkAxUsa8zPPKLWmX14
• https://www.researchgate.net/publication/292186532_Review_Wind_impacts_on_plant_growth_mechanics_and_damage?_sg=dinsYmfK8anFqgKOUz7CjAxmt-iwiZLfdBuo7vdX4Xj6__ITDs3-eg_FFKxNK3sLpeGPxX7yrMhL9MM