คลื่นไหวสะเทือน กุญแจไขปริศนาใต้โลก ตอนที่ 2

(ภาพจาก https://www.bgs.ac.uk/discoveringGeology/hazards/earthquakes/images/earthStructureDimensions.jpg)

บทความตอนที่แล้ว ผู้เขียนได้เล่าความเป็นมาของการสำรวจโครงสร้างใต้พื้นโลกและชนิดของคลื่นไหวสะเทือนเอาไว้ เพื่อไม่ให้เป็นการเสียเวลา เรามาเริ่มสำรวจอวัยวะภายในของโลกในตอนที่ 2 กันเลยครับ!
 

ในทางปฏิบัติ แม้นักธรณีฟิสิกส์จะทำการจุดระเบิดนิวเคลียร์บนพื้นโลก คลื่นไหวสะเทือนที่เกิดขึ้นก็ยังมีพลังงานไม่มากพอ การสำรวจโครงสร้างระดับลึกจึงต้องอาศัยคลื่น P กับคลื่น S ที่เกิดจากแผ่นดินไหวขนาดใหญ่เนื่องจากมีพลังงานมหาศาลจนคลื่นสามารถเดินทางผ่านแก่นโลกได้ อย่างไรก็ตาม...แผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นก็เปรียบเสมือนดาบสองคม เพราะมันอาจสร้างความเสียหายต่อชีวิตและทรัพย์สินได้เช่นกัน


คลื่นไหวสะเทือนที่เดินทางผ่านชั้นหินจะส่งแรงกระทำต่อตัวกลาง ส่งผลให้เกิดความเค้น(Stress) และความเครียด(Strain) ขึ้นในตัวกลางตามกฎของฮุค(Hooke's Law) หากแรงกระทำดังกล่าวมีค่ามากก็อาจทำให้ชั้นหินเกิดการเสียรูปอย่างถาวร การพิจารณาอย่างง่ายที่สุดจึงอาศัยทฤษฎีความยืดหยุ่น(Theory of Elasticity) โดยสมมติให้ชั้นหินสามารถคืนสภาพเดิมได้โดยไม่เกิดการเสียรูป คล้ายกับซูเปอร์แมนที่แม้จะโดนตัวร้ายต่อยมาอย่างหนักก็ยังกลับมาหล่อได้!


คลื่น P และคลื่น S สามารถเกิดการหักเห(Refraction) และสะท้อน(Reflection) ได้เมื่อตัวกลางมีคุณสมบัติแตกต่างกัน การหักเหจะเกิดขึ้นเมื่อความเร็วคลื่นในตัวกลางที่อยู่ลึกลงไปมีค่ามากกว่าความเร็วคลื่นในตัวกลางที่อยู่ด้านบน ส่วนการสะท้อนจะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นเดินทางไปกระทบกับรอยต่อของตัวกลางที่มีค่า Acoustic Impedance ต่างกัน (Acoustic Impedance คือผลคูณระหว่างความเร็วคลื่นกับความหนาแน่นของตัวกลาง)


ความเร็วของคลื่นทั้งสองจะเปลี่ยนแปลงไปขึ้นอยู่กับชนิดของตัวกลางที่คลื่นเดินทางผ่าน หากตัวกลางมีความหนาแน่นสูง ความเร็วคลื่นก็จะสูงตามไปด้วย ยกตัวอย่างเช่น หินบะซอลต์ที่มีความหนาแน่นประมาณ 2,800 ถึง 2,900 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร คลื่น P จะมีความเร็วประมาณ 5,000 ถึง 6,000 เมตรต่อวินาที คลื่น S จะมีความเร็วประมาณ 2,800 ถึง 3,400 เมตรต่อวินาที หากตัวกลางเป็นน้ำที่มีความหนาแน่น 1,000 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร คลื่น P จะมีความเร็วประมาณ 1,450 ถึง 1,500 เมตรต่อวินาที แต่คลื่น S กลับมีความเร็วเท่ากับ 0 !!!


ทุกคนคงสังเกตเห็นแล้วว่าคลื่น P และคลื่น S มีคุณสมบัติสำคัญข้อหนึ่งที่ต่างกันสุดขั้ว นั่นคือคลื่น P สามารถเดินทางผ่านตัวกลางที่เป็นของแข็งและของไหลได้ แต่คลื่น S ไม่สามารถเดินทางผ่านตัวกลางที่เป็นของไหลได้ สาเหตุที่เป็นเช่นนั้นเพราะความเร็วของคลื่น S ขึ้นอยู่กับมอดูลัสเฉือน (Shear Modulus) ซึ่งหมายถึงความสามารถในการทนทานต่อแรงเฉือน (Shear Force) ของตัวกลาง ของไหลเป็นตัวกลางที่ไม่สามารถทนทานต่อแรงเฉือนได้ คลื่น S จึงหายไปดื้อ ๆ เมื่อเดินทางผ่านแก่นโลกชั้นนอกที่เป็นของเหลวหนืดนั่นเอง


การพัฒนาอย่างไม่หยุดยั้งส่งผลให้นักธรณีฟิสิกส์สามารถสร้างแบบจำลองแสดงความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างชั้นต่าง ๆ ของโลกกับความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนได้ แบบจำลองนี้มีชื่อว่า Preliminary Reference Earth Model หรือ PREM หากพิจารณาแบบจำลองดังกล่าวจะพบว่าที่ระดับพื้นผิวโลกจนถึงความลึกประมาณ 2,900 กิโลเมตรที่เราเรียกว่าชั้นแมนเทิล คลื่น P และคลื่น S จะมีค่ามากขึ้นเรื่อย ๆ แต่ที่ระดับความลึกตั้งแต่ 2,900 กิโลเมตรจนถึงประมาณ 5,140 กิโลเมตรซึ่งเป็นส่วนของแก่นโลกชั้นนอก คลื่น P จะลดความเร็วลงอย่างรวดเร็ว ในขณะที่คลื่น S จะไม่ปรากฏความเร็ว และที่ระดับความลึกมากกว่า 5,140 กิโลเมตรซึ่งเป็นแก่นโลกชั้นใน ความเร็วของคลื่นทั้งสองจะเพิ่มขึ้นอีกครั้ง โดยคลื่น S ที่ปรากฏที่ระดับความลึกนี้เกิดจากปรากฏการณ์ Mode Conversion ที่เปลี่ยนคลื่น P ไปเป็นคลื่น S ที่บริเวณรอยต่อของแก่นโลก

แบบจำลอง PREM แสดงความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนที่ระดับความลึกต่าง ๆ ของโลก
(ภาพจาก http://ds.iris.edu/spud/earthmodel/9991844)

ปัจจุบันมีสถาบันทางการศึกษาและหน่วยงานที่ทำหน้าที่ตรวจวัดคลื่นแผ่นดินไหวกระจัดกระจายอยู่ทั่วโลกเป็นจำนวนมาก ข้อมูลที่ได้จากการตรวจวัดคลื่นแผ่นดินไหวจึงมีมากตามไปด้วย ผลการศึกษาพบว่าคลื่น P และคลื่น S มีการเคลื่อนที่ที่ซับซ้อนหลายรูปแบบ เช่น
คลื่น P ที่เดินทางในชั้นแมนเทิล สะท้อนกับชั้นบนของแก่นโลกชั้นนอก เรียกว่า PcP
คลื่น P ที่เลี้ยวเบนบริเวณรอยต่อของแก่นโลกชั้นนอก เรียกว่า Pdiff
คลื่น P ที่เดินทางอยู่ในชั้นแมนเทิล เกิดการสะท้อนที่ใต้ชั้นพื้นผิวและเดินทางในชั้นแมนเทิลเป็นครั้งที่สองจะเรียกว่า PP หากรูปแบบการเคลื่อนที่นี้เกิดขึ้นกับคลื่น S ก็จะเรียกว่า SS
คลื่น P ที่เดินทางผ่านชั้นแมนเทิลและผ่านแก่นโลกชั้นนอก เรียกว่า PKP
คลื่น P ที่เดินทางผ่านชั้นแมนเทิล ผ่านแก่นโลกชั้นนอก และผ่านแก่นโลกชั้นใน เรียกว่า PKIKP
 

การเดินทางของคลื่น P ภายในโลก
(ภาพจาก https://eesc.columbia.edu/courses/v1011/topic3/PartThree.html)

ยังไม่หมดเพียงเท่านั้น บริเวณตรงข้ามกับจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวที่ระหว่างมุม 103 ถึง 142 องศาทั้งสองด้านเป็นบริเวณที่ไม่สามารถตรวจวัดคลื่น P ได้ จึงเรียกบริเวณนี้ว่า P-Wave Shadow Zone ส่วนบริเวณมุม 103 องศาทั้งสองด้านจะเป็นบริเวณที่ไม่สามารถตรวจวัดคลื่น S ได้ จึงเรียกบริเวณนี้ว่า S-Wave Shadow Zone นั่นเอง
 

ภาพแสดง Shadow Zone ของคลื่นไหวสะเทือน
(ภาพจาก https://www.bgs.ac.uk/discoveringGeology/hazards/earthquakes/structureOfEarth.html)

อ่านมาจนถึงบรรทัดนี้ ทุกท่านคงจะพอเห็นภาพแล้วว่านักธรณีฟิสิกส์สามารถรู้โครงสร้างภายในของโลกได้อย่างไรทั้งที่ไม่สามารถขุดลงไปสำรวจได้ การสำรวจด้วยคลื่นไหวสะเทือนไม่ได้เกิดขึ้นแค่บนโลกนะครับ เพราะมันยังถูกนำไปใช้บนดวงจันทร์ตั้งแต่สมัยโครงการอะพอลโลด้วย!


สุดท้ายนี้ คงต้องขอบคุณเอราทอสเทนีสที่ทำให้เรารู้ว่าโลกใบนี้กว้างใหญ่ขนาดไหน ขอบคุณนักธรณีวิทยาที่พยายามหาคำตอบว่าใต้โลกมีอะไร ขอบคุณนักฟิสิกส์ที่ค้นพบสมการซึ่งเป็นเครื่องมืออันทรงพลัง ขอบคุณความพยายาม...ที่ไม่เคยทำร้ายนักวิทยาศาสตร์ที่ตั้งใจ!


 

เรียบเรียงโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

• [1] เอกสาร Conceptual Overview of Rock and Fluid Factors that Impact Seismic Velocity and Impedance - Stanford Rock Physics Laboratory
• [2] เอกสาร Seismology - Purdue University
• [3] https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/events/1906calif/18april/earthwaves.php
• [4] http://ds.iris.edu/ds/products/emc-prem/
• [5] https://wiki.seg.org/wiki/Mathematical_foundation_of_elastic_wave_propagation