รังสีคอสมิกกับการเปลี่ยนแปลงความสูงของเทือกเขาแอลป์

          เทือกเขาแอลป์ (Alps) เป็นเทือกเขาที่ใหญ่สุดในทวีปยุโรป ครอบคลุมอาณาบริเวณตั้งแต่ประเทศออสเตรีย อิตาลี สโลวีเนีย สวิตเซอร์แลนด์ ลิกเตนสไตน์ เยอรมนี และฝรั่งเศส ยอดเขาที่สูงที่สุดในเทือกเขาแอลป์มีชื่อว่า มงบล็อง (Mont Blanc) ซึ่งมีความสูงประมาณ 4,808 เมตร จากความรู้วิชานิรุกติศาสตร์ (Etymology) คำว่า Alps ในภาษาอังกฤษมีรากศัพท์มาจากคำว่า Albus ในภาษาฝรั่งเศสและภาษาละตินซึ่งมีความหมายว่า “สีขาว” ชื่อดังกล่าวจึงแสดงภาพลักษณ์ของเทือกเขาที่ถูกปกคลุมด้วยหิมะสีขาวโพลน เทือกเขาแอลป์ถือกำเนิดจากการเคลื่อนที่มาชนกันของแผ่นเปลือกโลกระหว่างแผ่นทวีปแอฟริกากับแผ่นทวีปยูเรเซีย ความเค้น (Stress) ที่กระทำตามแนวรอยต่อของแผ่นเปลือกโลกจึงเป็นเหตุให้โครงสร้างทางธรณีวิทยาถูกแปรสภาพให้เสียรูป (Deformation) โดยการยกตัวเป็นเทือกเขา นักวิทยาศาสตร์เรียกกระบวนดังกล่าวว่า การก่อเทือกเขา (Orogeny หรือ Orogenesis)


         เมื่อเอ่ยถึงภูเขา ผู้อ่านหลายท่านอาจนึกถึงวิชาธรณีวิทยาเป็นอันดับแรก แต่ทราบไหมครับว่านักฟิสิกส์ก็มีวิธีสนุกๆ (แต่ล้ำลึก) ในการคำนวณความสูงของภูเขาเช่นกัน ซึ่งนักฟิสิกส์ท่านดังกล่าวก็มีวิถีชีวิตผูกพันและทำงานอยู่ไม่ใกล้ไม่งไกลจากเทือกเขาแอลป์ ชื่อของเขาคือ Victor Frederick Weisskopf ผู้ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีที่เชี่ยวชาญในสาขา Quantum Electrodynamics (QED) ซึ่งเคยดำรงตำแหน่งหัวหน้าภาควิชาฟิสิกส์ที่ Massachusetts Institute of Technology (MIT) และอดีตผู้อำนวยการของ the European Organization for Nuclear Research (CERN)           นอกจากจะเป็นนักวิจัยชั้นยอด Weisskopf ก็ยังเป็นครูชั้นเยี่ยมด้วยเช่นกัน เพราะเขามักจะสอนให้นักเรียนรู้จักการนำความรู้ฟิสิกส์พื้นฐานมาหาคำตอบของคำถามต่างๆ เกี่ยวกับสิ่งที่อยู่รอบตัว ซึ่งคำถามที่ว่า “ภูเขาจะสูงที่สุดได้เท่าไร?” ก็เป็นหนึ่งในนั้น โดยเขาได้ตีพิมพ์บทความชื่อ “Atoms, Mountains, and Stars: A Study in Qualitative Physics” ออกมาในเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ.1975 ในบทความดังกล่าว เขาเสนอมุมมองอย่างง่ายว่าภูเขามีลักษณะเป็นแท่งตรงที่แข็งและตัน, วัสดุที่ประกอบเป็นภูเขาและพื้นแข็งที่รองรับภูเขาทำจากแร่ควอตซ์ในกลุ่มแร่ซิลิกาหรือซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) ซึ่งเป็นแร่ที่แข็งและมีอยู่เป็นจำนวนมากบนแผ่นทวีป, กำหนดให้ H คือความสูงที่สุดที่สามารถเป็นไปได้ของภูเขา E คือพลังงานที่ทำให้โมเลกุลของซิลิกอนไดออกไซด์เกิดการหลอมเหลว m คือมวลของซิลิกอนไดออกไซด์ 1 โมเลกุล และ g คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง จากนั้นเขียนความสัมพันธ์ออกมาเป็นสมการ

          หลายท่านอาจสงสัยว่า “เอ๊ะ ทำไมตัวเลขที่ได้ถึงสูงกว่ายอดเขาที่สูงที่สุดในโลกอย่างเอเวอเรสต์ (Everest) ซึ่งมีสูงประมาณ 8.8 กิโลเมตรเกือบ 3 เท่า?” คำตอบคือ Weisskopf แทนค่า E ด้วยพลังงานที่ทำให้ซิลิกอนไดออกไซด์เกิดการหลอมเหลว แต่ความจริงแล้วหากฐานของภูเขาไม่แข็งแรงพอก็จะเกิดการเสียรูปและพังทรุดลงมา ค่า E ตามความเป็นจริงจึงต่ำกว่าที่เขากำหนด นอกจากนี้ ค่า m ก็เกิดจากการประมาณ รวมถึงไม่ได้นำแร่อื่นๆ ในแผ่นทวีปมาร่วมพิจารณาด้วย ซึ่งหากทำการปรับเปลี่ยนตัวเลขให้ละเอียด ค่า H ก็จะลดต่ำลงมาจนใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากขึ้นนั่นเอง


          แม้เทือกเขาจะตั้งตระหง่านโดดเด่นอยู่บนผืนพิภพ แต่เมื่อเวลาผ่านไป ภูมิอากาศ (Climate) จะทำให้เปลือกนอกของก้อนหินยักษ์เหล่านี้เกิดการสึกกร่อนเนื่องจากการผุพังอยู่กับที่ (Weathering) ตะกอนที่เปรียบเสมือนหนังกำพร้าจะเกิดการกัดเซาะ (Erosion) โดยลม ฝน และน้ำแข็ง แล้วไหลลงสู่แผ่นดินเบื้องล่าง กล่าวโดยสรุปคือการแปรธรณีสัณฐาน (Plate Tectonics) เป็นสาเหตุที่ทำให้เทือกเขาค่อยๆ สูงขึ้น แต่ภูมิอากาศและแรงโน้มถ่วงก็เป็นสาเหตุที่ทำให้เทือกเขาค่อยๆ ต่ำลงด้วยอัตราที่ใกล้เคียงกัน เมื่อสังเกตจากระยะไกลด้วยสายตาของมนุษย์จึงพบว่าความสูงของเทือกเขามีค่าคงที่


          อย่างไรก็ตาม งานวิจัยของคณะวิจัยนานาชาตินำโดย ดร. Romain Delunel แห่ง Institute of Geological Sciences จาก University of Bern ที่เผยแพร่ในวารสาร Earth-Science Reviews เมื่อเดือนพฤศจิกายน ค.ศ.2020 ที่ผ่านมาได้เปิดเผยเป็นครั้งแรกว่าเทือกเขาแอลป์ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์กำลังยกระดับความสูงขึ้น โดยมีหลักฐานบ่งชี้เป็นตะกอนทรายที่เก็บรวบรวมมาจากแม่น้ำ 350 สายซึ่งปะปนไปด้วยไอโซโทป (Isotope) ของแร่ที่เกิดจากรังสีคอสมิก (Cosmic Ray)


          เมื่อรังสีคอสมิกจากอวกาศเคลื่อนที่ผ่านบรรยากาศลงมากระทบพื้นผิวโลก อะตอมของออกซิเจนภายในแร่ควอตซ์ (Quartz) ก็จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แล้วเกิดเป็นไอโซโทปของธาตุเบริลเลียม-10 (Beryllium-10 หรือ 10Be) จากหลักการดังกล่าวจึงสรุปได้ว่าแร่ควอตซ์ที่มีธาตุเบริลเลียม-10 ปริมาณมาก แปลว่าแร่ควอตซ์นั้นสัมผัสกับรังสีคอสมิกมาเป็นเวลานานและมีอายุมาก แต่หากแร่ควอตซ์มีธาตุเบริลเลียม-10 ปริมาณน้อย แปลว่าแร่ควอตซ์นั้นสัมผัสกับรังสีคอสมิกมาไม่นานและมีอายุน้อย ด้วยเหตุนี้ เมื่อทำการวิเคราะห์ปริมาณไอโซโทปของธาตุเบริลเลียม-10 ภายในตะกอนของแร่ควอตซ์ที่ถูกกัดเซาะและพัดพาลงมาตามแม่น้ำลำธารก็จะสามารถคำนวณหาอัตราการกัดเซาะ (Erosion Rate) บนเทือกเขาได้           จากผลการศึกษาพบว่าเขตอัลไพน์ (Alpine Region) มีอัตราการกัดเซาะที่ผันผวนประมาณ 400 มิลลิเมตรต่อสหัสวรรษ โดยอัตราการกัดเซาะที่เร็วที่สุดพบที่รัฐ Valais โดยเฉพาะอย่างยิ่งบริเวณแอ่ง Illgraben ซึ่งมีอัตราการกัดเซาะประมาณ 7,500 มิลลิเมตรต่อสหัสวรรษ ส่วนพื้นที่ที่มีอัตราการกัดเซาะช้าที่สุดอยู่ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ บริเวณภูมิประเทศทางตะวันออกของแม่น้ำ Thur ซึ่งถูกกัดเซาะเพียง 14 มิลลิเมตรต่อสหัสวรรษ ในเทือกเขาแอลป์ตอนกลางความแตกต่างระหว่างการยกขึ้นและการกัดเซาะนั้นมีมากถึง 800 มิลลิเมตรต่อสหัสวรรษ แสดงให้เห็นว่าเทือกเขาแอลป์ตอนกลางยังคงมีการเติบโตอย่างรวดเร็วจนน่าประหลาดใจ ขณะที่เทือกเขาแอลป์ทางตะวันตกมีอัตราการกัดเซาะและการยกระดับอยู่ในระดับสมดุล ส่วนเทือกเขาแอลป์ทางตะวันออกมีอัตราการกัดเซาะเร็วกว่าการยกระดับ


          นอกจากนี้ ผลการตรวจสอบของคณะสำรวจยังแสดงให้เห็นว่าอิทธิพลของของไหลอย่างลมและน้ำ รวมถึงของแข็งที่ไหลได้อย่างน้ำแข็งแทบจะไม่มีผลต่ออัตราการกัดเซาะเลย แต่ความลาดชันกลับมีผลต่อการกัดเซาะมากกว่า อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์นี้อาจแตกต่างออกไปในภูมิประเทศที่มีความสูงชันบางแห่ง เนื่องจากมีการพบว่าหินแกรนิตและหินปูนของภูเขาบางแห่งมีอัตราการสึกกร่อนช้ากว่าปกติ ซึ่งเป็นเรื่องที่น่าประหลาด เพราะโดยทั่วไปแล้วภูมิประเทศที่มีความสูงชันมากจะถูกกัดเซาะอย่างรวดเร็ว คณะวิจัยยังไม่ทราบแน่ชัดว่าเหตุใดจึงไม่เป็นเช่นนั้น ทำให้ต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมต่อไปในอนาคต


          ไม่น่าเชื่อเลยนะครับ ว่ารังสีคอสมิกจากอวกาศอันไกลโพ้นและแร่ควอตซ์ขนาดจิ๋วที่ปะปนอยู่ในเม็ดทรายจะกลายเป็น “ตัวช่วย” ที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาอัตราการกัดเซาะในปัจจุบันและในอดีตอันไกลโพ้นของเทือกเขาที่สูงเสียดฟ้าได้

 

อ้างอิง

• บทความ Atoms, Mountains, and Stars: A Study in Qualitative Physics โดย Victor Frederick Weisskopf
• https://www.nap.edu/read/10992/chapter/20#375
• https://www.worldwildlife.org/ecoregions/pa0501
• https://sites.uwm.edu/mtharris/courses/history-of-geological-thought-fall-2016/history-of-geological-thought-schedule/reading-notes-19-late-19th-century-tectonics/outline-of-the-geology-of-the-alps/
• https://phys.org/news/2020-11-swiss-alps-evidence-cosmic-rays.html?fbclid=IwAR0pcIcizKciloocaCaxpxr_HjSCq9tLss_v9Lu_ukp07kEnwJbWyHOQoiE