ฟิสิกส์ของพื้นผิวโลก ตอนที่ 3 ป่าชายเลนกับตะกอนผู้สร้างแผ่นดิน

          เวลาที่เหน็ดเหนื่อยจากการทำงาน หลายคนมักหลีกหนีสังคมเมืองที่วุ่นวายแล้วหอบร่างกายที่อ่อนล้าไปพักฟื้นบนภูเขาสวยๆ ป่าเขียวๆ ริมแม่น้ำใสๆ หรือฟังเสียงคลื่นซัดสาดริมทะเล แม้พื้นที่เหล่านี้จะมีลักษณะแตกต่างกัน แต่ภูเขา ป่า แม่น้ำ และทะเลกลับมีความสัมพันธ์แนบชิดต่อกันจนไม่อาจแยกออกจากกันได้ โดยสิ่งที่เชื่อมโยงทั้งสามสถานที่เข้าด้วยกันก็คือ “ตะกอน” เม็ดเล็กจิ๋วที่หลายคนอาจคิดว่ามันไม่สำคัญ ในบทความนี้ ผู้เขียนจะพาผู้อ่านไปสำรวจว่าภูเขา ป่า แม่น้ำ และป่าชายเลนริมทะเลมีความสัมพันธ์ต่อกันอย่างไร โดยอาศัยหลักการทางฟิสิกส์เป็นพื้นฐาน


          จากความรู้ด้านธรณีฟิสิกส์แปรสัณฐาน (Tectonophysics) แผ่นเปลือกโลกมีการเคลื่อนที่อย่างช้าๆ อยู่ตลอดเวลา บางแผ่นขยับเข้าหากัน บางแผ่นขยับออกจากกัน และบางแผ่นก็เคลื่อนที่สวนทางกัน ซึ่งการชนกันของแผ่นเปลือกโลกจะทำให้เกิดการก่อตัวของเทือกเขา (Orogeny) ส่วนภูเขาที่มีขนาดเล็กกว่าสามารถก่อตัวขึ้นจากแรงดันของหินหนืดใต้พื้นโลกหรือหินหนืดที่ทะลักออกมาบนผิวโลกแล้วเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว แม้กระบวนการเหล่านี้จะดำเนินไปอย่างต่อเนื่องตลอดเวลาหลายล้านปี แต่ความสูงของภูเขากลับมีการเปลี่ยนแปลงน้อยมาก เนื่องจากค่าแบกรับแรงกดอัดของหิน (Compressive Strength: σc) ความหนาแน่นของหิน (Density: ρ) และความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (g) เป็นตัวแปรที่คอยควบคุมความสูงของภูเขา (hmax) เอาไว้ โดยสามารถคำนวณความสูงของภูเขาอย่างคร่าวๆ ได้จากสมการ
            นอกจากนี้ กระบวนการทางตะกอนวิทยา (Sedimentology) ยังทำให้ดินและหินซึ่งเปรียบเสมือนเนื้อหนังของภูเขาเกิดการผุพังและถูกกัดเซาะจนแปรสภาพเป็นตะกอนที่อุดมไปด้วยแร่ธาตุ จากนั้นก็ถูกพัดพาลงสู่แผ่นดินเบื้องล่างโดยมีน้ำและลมเป็นตัวการ ดังนั้นจึงไม่ใช่เรื่องแปลกที่นักธรรมชาติวิทยาหลายท่านจะเปรียบเปรยว่าแม่น้ำลำธารเป็นเสมือน “เส้นเลือด” ที่คอยหล่อเลี้ยงผืนแผ่นดินให้อุดมสมบูรณ์ โดยปริมาณตะกอนที่ถูกน้ำและลมพัดพาออกไปจะขึ้นอยู่กับลักษณะของผิวดินว่ามีต้นหญ้าหรือต้นไม้ปกคลุมอยู่มากน้อยเพียงใด

            จากทฤษฎีกลศาสตร์ของไหล (Fluid Mechanics) นักฟิสิกส์นามว่า Osborne Reynolds ค้นพบว่าการไหลของของไหลสามารถอธิบายได้ด้วยตัวเลขเรย์โนลด์ (Reynold’s Number) ซึ่งตัวเลขดังกล่าวจะแปรผันตรงกับความหนาแน่น (Density) ความเร็วของของไหล และเส้นผ่านศูนย์กลางของช่องทางไหล แต่จะแปรผกผันกับความหนืด (Viscosity) ของของไหล หากตัวเลขเรย์โนลด์มีค่าน้อย การไหลจะมีแนวโน้มเป็นแบบราบเรียบ (Laminar Flow) แต่ถ้าตัวเลขเรย์โนลด์มีค่ามาก การไหลจะมีแนวโน้มเป็นแบบปั่นป่วน (Turbulent Flow) และเรียกตัวเลขเรย์โนลด์ที่เกี่ยวข้องกับขนาดของอนุภาคในของไหลว่า ตัวเลขเรย์โนลด์ของอนุภาค (Particle Reynold’s Number) ซึ่งตัวเลขดังกล่าวจะแปรผันตรงกับความเร็วและขนาดของอนุภาค แต่จะแปรผกผันกับความหนืดจลนศาสตร์ โดยการเคลื่อนที่ของของไหลจะทำให้เกิดความเค้นเฉือน (Shear Stress) กระทำบนอนุภาคของตะกอน เมื่อความเค้นเฉือนมีค่ามากจนถึงจุดวิกฤต ตะกอนก็จะเกิดการเคลื่อนที่ โดยความเร็วในการตกตะกอน (Settling Velocity) ของอนุภาคขนาดเล็กภายใต้การไหลแบบราบเรียบจะเป็นไปตามกฎของสโตกส์ (Stokes’Law) ซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยสมการดังต่อไปนี้

  เมื่อ w คือความเร็วในการตกตะกอน, ρp และ ρf คือความหนาแน่นของตะกอนและของไหล, g คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง, r คือรัศมีของตะกอน และ μ คือความหนืดของของไหล


          สำหรับอนุภาคขนาดใหญ่ที่อยู่ภายใต้การไหลแบบปั่นป่วน การคำนวณความเร็วในการตกตะกอนจะอาศัยกฎแรงฉุดแบบปั่นป่วน (Turbulent Drag Law) ซึ่งมีความซับซ้อนมากขึ้น แต่เราสามารถหาความเร็วในการตกตะกอนของอนุภาคทุกขนาดด้วยสมการความสัมพันธ์ของ Dietrich-Ferguson-Church ดังต่อไปนี้

  เมื่อ Ws คือความเร็วในการตกตะกอน, R คือความถ่วงจำเพาะของอนุภาคขณะจมน้ำ, g คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง, D คือเส้นผ่านศูนย์กลางของตะกอน, C1 และ C2 คือค่าคงที่ที่ของรูปร่างและขนาดของตะกอน และ v คือความหนืดจลนศาสตร์

            เมื่อตะกอนที่มีขนาดแตกต่างกันถูกพัดพาไปโดยกระแสน้ำที่มีความเร็วและรูปแบบการไหลแตกต่างกัน ตะกอนขนาดใหญ่จะมีแนวโน้มตกถึงท้องน้ำเร็วกว่าตะกอนขนาดเล็ก โดยความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วในการไหลของน้ำกับขนาดของตะกอนที่ถูกกัดเซาะ พัดพา และทับถมจะเป็นไปตามเส้นโค้งบนแผนภูมิ Hjulström-Sundborg ดังรูป

            จากกระบวนการทางตะกอนวิทยาดังกล่าว บริเวณต้นน้ำจึงมักมีตะกอนขนาดใหญ่ กลางน้ำมักมีตะกอนขนาดกลาง และปากแม่น้ำใกล้ชายฝั่งทะเลมักมีตะกอนขนาดเล็กเป็นหาดโคลน (Mudflat) แต่หากวันดีคืนดีหาดโคลนถูกคลื่นหรือพายุที่รุนแรงเข้าจู่โจม ตะกอนละเอียดบนหาดโคลนย่อมไม่อาจต้านทานจนต้องถูกพัดพาไปไม่มากก็น้อย แต่หาดโคลนหลายแห่งมีปราการธรรมชาติคอยปกป้องเอาไว้ สิ่งนั้นคือป่าชายเลน (Mangrove Forest) ซึ่งเป็นสังคมพืชที่มีความพิเศษเฉพาะตัว เพราะพืชในป่าชายเลนมีการพัฒนาโครงสร้างที่เรียกว่า รากอากาศ (Aerial Root) ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการชะลอความเร็วของคลื่นและกระแสน้ำ เมื่อคลื่นกับกระแสน้ำเคลื่อนที่ผ่านรากอากาศก็จะเกิดการเลี้ยวเบน (Diffraction) และกระแสปั่นป่วน (Turbulence Stream) เนื่องจากแรงเสียดทานระหว่างน้ำกับแขนงของรากอากาศส่งผลให้ตะกอนตกสู่พื้นน้ำได้ง่ายขึ้นและทำให้แผ่นดินค่อยๆ งอกออกไปพร้อมการขยายตัวของแนวป่าชายเลนจนเป็นที่มาของฉายา “ป่าเดินได้” นั่นเอง

            นอกจากป่าชายเลนจะมีบทบาทสำคัญในการดักตะกอนและสร้างแผ่นดินริมทะเลให้งอกออกไปแล้ว ป่าชายเลนยังเป็นที่อยู่อาศัยของสัตว์หน้าดินอย่างปลาตีน ปู กุ้ง หอย รวมถึงนกนานาชนิด เป็นแหล่งกักเก็บคาร์บอนสีน้ำเงิน (Blue Carbon) และเป็นเกราะป้องกันทางธรรมชาติที่คอยปกป้องแผ่นดินชายฝั่งจากน้ำขึ้นจากพายุ (Storm Surge) และสึนามิ (Tsunami) เพราะเมื่อสึนามิเคลื่อนตัวเข้าสู่เขตน้ำตื้น คลื่นจะเกิดการยกตัวให้สูงขึ้นและไหลหลากเข้าท่วมบนแผ่นดิน (Run-Up and Inundation) และสร้างความเสียหายอย่างใหญ่หลวง นักสึนามิวิทยาสามารถอธิบายการไหลหลากเข้าท่วมของสึนามิบนแผ่นดินโดยใช้สมการดังต่อไปนี้ เมื่อ Xmax คือระยะทางที่มากที่สุดที่สึนามิไหลหลากเข้าท่วมบนแผ่นดิน (เมตร), h คือความสูงของคลื่นบริเวณชายฝั่ง (เมตร) และ n คือสัมประสิทธิ์ความขรุขระบนพื้นผิวของแมนนิ่ง (Manning’s Roughness Coefficient)           หลายปีที่ผ่านมา ประเทศที่อยู่ในเขตเสี่ยงภัยสึนามิมักจะนิยมสร้างกำแพงป้องกันสึนามิ (Tsunami Defence Wall) อาคารหลบภัยสึนามิ รวมถึงออกแบบอาคารและผังเมืองริมทะเลเพื่อลดโอกาสการเกิดความเสียหายจากสึนามิ แต่กำแพงป้องกันสึนามิขนาดใหญ่จะบดบังทัศนียภาพทางการท่องเที่ยว ทำลายระบบนิเวศริมทะเล ทำให้เกิดการกัดเซาะชายฝั่ง และมีราคาที่สูงมาก การบรรเทาความเสียหายทางวิศวกรรมสึนามิ (Tsunami Engineering) ในปัจจุบันจึงเป็นการสร้างป่าชายเลนเทียม (Artificial Mangrove Forest) ซึ่งเป็นการปลูกต้นโกงกางและพืชพรรณที่คล้ายกันในโครงสร้างบรรเทาการกัดเซาะชายฝั่งที่เรียกว่า เททระพ็อต (TetraPOT) เพื่อทำให้พลังงานของคลื่นที่แปรผันตรงกับความสูงของคลื่นมีค่าลดลงเนื่องจากการเข้าปะทะ การเลี้ยวเบน และการแทรกสอดแบบหักล้าง (Destructive Interference) ระหว่างกลุ่มต้นไม้จนคลื่นสลายตัวไปในที่สุด           จากข้อดีหลายประการที่กล่าวมาอาจทำให้ผู้อ่านรู้สึกว่าการมีป่าชายเลนเยอะๆ เป็นเรื่องดี แต่ความจริงแล้วการปลูกต้นไม้ในป่าชายเลนสามารถส่งผลเสียบางประการเช่นเดียวกับการปลูกต้นไม้ในป่าธรรมชาติบนบก โดยเฉพาะการปลูกต้นไม้บนหาดโคลนที่ไม่เคยเป็นป่าชายเลนมาก่อนสามารถส่งผลเสียต่อระบบนิเวศเนื่องจากเป็นการ “ขโมยบ้าน” ของนกและสัตว์หน้าดินในบริเวณนั้น นอกจากนี้ หากป่าชายเลนที่ปลูกมีความหนาแน่นของจำนวนต้นไม้มากเกินไป ต้นไม้ในป่าชายเลนที่เบียดเสียดกันจะมีลักษณะคล้ายกำแพงแข็งๆ ที่แทบไม่มีช่องว่างและอาจทำให้เกิดการกัดเซาะชายฝั่งเสียเอง ดังนั้น การอนุรักษ์ป่าชายเลนธรรมชาติให้อยู่คู่กับชายฝั่งทะเลจึงเป็นวิธีที่ยั่งยืนและต้องให้ความสำคัญอย่างที่สุด


          ในบทความตอนหน้า ผู้เขียนจะพาผู้อ่านไปสำรวจว่าการพัฒนาทางวิศวกรรมเพื่อตอบสนองความต้องการของมนุษย์ตลอดเวลานับศตวรรษที่ผ่านมาได้ส่งผลกระทบต่อแม่น้ำและชายฝั่งทะเลอย่างไร รวมถึงมีเทคโนโลยีใดบ้างที่เข้ามามีบทบาทในการบรรเทาปัญหาเหล่านั้น โปรดติดตามตอนต่อไปครับ

  อ้างอิง

• วิทยานิพนธ์ ระบบรากพืชและอัตราการตกตะกอนในป่าชายเลนหลังแนวไม้ไผ่ชะลอคลื่น จังหวัดสมุทรสาคร โดย สายใจ สโมสร ภาควิชาพฤกษศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
• เอกสาร คลื่นสึนามิทะเลอันดามัน โดย ภูเวียง ประคํามินทร์ กรมอุตุนิยมวิทยา
• https://www.fondriest.com/environmental-measurements/parameters/hydrology/sediment-transport-deposition/?fbclid=IwAR3l_Gh_QG0AQqzMlUpIfJBbUvVeYQLwg_1UEX0oGoJsJVcQ1-pkNwFOZYA
• http://stormwaterbook.safl.umn.edu/appendices/importance-particle-size-distribution-performance-sedimentation-practices
• https://www.researchgate.net/publication/319427064_A_Question_of_Scale_How_Turbulence_Around_Aerial_Roots_Shapes_the_Seabed_Morphology_in_Mangrove_Forests_of_the_Mekong_Delta
• https://talkingphysics.wordpress.com/2011/09/08/how-high-can-mountains-be/
• https://www.geol.umd.edu/~jmerck/geol342/lectures/04.html
• https://phys.org/news/2019-05-hydropower-coastal-areas-downstream.html
• https://inhabitat.com/tetrapot-uses-mangroves-to-grow-a-greener-sea-defense-system/