ส่วนประกอบของโลก

โลก (Earth) มีลักษณะกลมคล้ายผลส้ม ส่วนบนและส่วนล่างแบนเล็กน้อย ความยาวของเส้นผ่าศูนย์กลาง ประมาณ 12,755 km หรือ 7,927 ไมล์ ความตั้งแต่ขั้วเหนือถึงขั้วโลกใต้ ประมาณ 12,711 km หรือ 7,900 ไมล์ ความยาวเส้นรอบวง 25,000 ไมล์ แกนของโลกเอียง ประมาณ 23 1/2 องศา จากแนวดิ่ง หมุนรอบตัวเอง 24 ชั่วโมง หมุนรอบดวงอาทิตย์ 365.24 วัน ห่างจากดวงอาทิตย์ ประมาณ 93 ล้านไมล์ ในนวนิยายเรื่อง Journey to the Centre of the Earth ที่ Jules Verne ได้ประพันธ์ไว้ในปี 2407 ศาสตราจารย์ Hardwingg และหลานชายชื่อ Harry ได้เดินทางด้วยจรวดเข้าไปในโลกทางปากปล่องภูเขาไฟ คนทั้งสองได้พบเหตุการณ์ที่พิลึก และพิสดารมากมาย แต่จินตวิธีที่ Vern คิด กับวิธีการที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการศึกษาโครงสร้างของโลกนั้นแตกต่างกัน
จริงอยู่ที่ระยะทางจากกรุงเทพฯ ถึงจุดศูนย์กลางของโลก ใกล้กว่าระยะทางจากกรุงเทพฯ ถึงลอสแองเจลิส แต่การที่มนุษย์จะเดินทาง จากกรุงเทพฯ ถึงจุดศูนย์กลางของโลกนั้นยากลำบากยิ่งกว่าการเดินทางไปลอสแองเจลิสเป็นล้านล้านล้านเท่า ความยากลำบากนี้อาจจะ เปรียบได้กับความพยายามของมนุษย์ที่จะเดินทางสู่กาแล็กซีทีเดียว ทั้งนี้เพราะจากสถิติปัจจุบันมนุษย์ขุดเจาะโลกได้ลึกเพียง 12 กิโลเมตร เท่านั้นเอง ในขณะที่รัศมีของโลกยาวถึง 6,367 กิโลเมตร ถึงแม้มนุษย์ยังไม่ประสบความสำเร็จสูงในการขุดโลกก็ตาม แต่นั่นก็ไม่ได้ หมายความว่ามนุษย์จะไม่มีทางล่วงรู้โครงสร้างภายในโลกได้
เมื่อปี 2208 Athanasia Kircher เคยมีจินตนาการว่า ที่ศูนย์กลางของโลกมีลูกไฟขนาดใหญ่ และเวลาเปลวไฟจากลูกไฟลอยผ่าน ชั้นหินและดินจากใต้แผ่นดินขึ้นมา ภูเขาไฟก็จะระเบิด แต่ Edmond Halley กลับคิดว่าโลกประกอบด้วยลูกทรงกลมหนาที่เรียง ซ้อนกันเป็นชั้นๆ และเวลาก็าซที่แฝงอยู่ระหว่างชั้นเหล่านี้เล็ดลอดสู่ขั้วโลก เราก็จะเห็นแสงเหนือ (aurora borealis) นอกจากนี้ Halley ก็ยังคิดอีกว่าความหนาแน่นของหินและดินในโลกมีค่าสม่ำเสมอเท่ากันโดยตลอดทั่วทั้งโลก แต่เมื่อ Isaac Newton พบกฎแรงดึงดูดแบบโน้มถ่วง และนักวิทยาศาสตร์ได้ใช้กฎนี้คำนวณหาความหนาแน่นของโลก เขาก็ได้พบว่า ณ ที่ยิ่งลึก ความหนาแน่น ของหินและดินก็ยิ่งสูง ดังนั้นโครงสร้างโลกในมุมมองของ Halley จึงผิด Lord Kelvin เป็นนักวิทยาศาสตร์อีกคนหนึ่งที่สนใจ เรื่องโครงสร้างโลก เมื่อ Kelvin รู้ว่าโลกกำลังเย็นตัวลงตลอดเวลา เขาจึงใช้ข้อมูลเรื่องอัตราการเย็นตัว คำนวณพบว่าโลกมีอายุระหว่าง 20-100 ล้านปี ซึ่งตัวเลขนี้ Charles Darwin คิดว่าเป็นตัวเลขที่น้อยผิดปกติ เพราะ Darwin เชื่อในทฤษฎีวิวัฒนาการของเขา ที่ทำนายว่าสิ่งมีชีวิตได้ถือกำเนิดบนโลกมานานกว่านั้น สำหรับแนวคิดของ Kelvin ที่ว่า โลกมีโครงสร้างเป็นทรงกลมตันนั้น Alfred Wegener ก็ไม่เห็นด้วย เพราะเขาคิดว่าพื้นแผ่นดินที่เป็นทวีป สามารถเลื่อนไหลไปบนผิวโลกได้ ถึงแม้ว่าจะเคลื่อนไปในอัตราช้า ประมาณ 2 เซนติเมตร/ปีก็ตาม และเมื่อ ประมาณ 40 ปีมานี้เอง ทฤษฎี plate tectonics ของ Wegener ก็ได้รับการพิสูจน์ยืนยัน แล้วว่าถูกต้องและเป็นจริง
ทุกวันนี้ ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ช่วยให้เรารู้ว่า โลกมีโครงสร้างที่ค่อนข้างซับซ้อน และบริเวณส่วนต่างๆ ของโลกมีการ เคลื่อนไหว เช่น ชนกัน แยกจากกัน เคลื่อนที่ซ้อนกันหรือไหลวนตลอดเวลา ข้อมูลที่ได้จากการสำรวจได้ช่วยให้นักธรณีวิทยาสามารถ แบ่งโครงสร้างภายในของโลกเป็นชั้นๆ ได้ ดังนี้ คือ ชั้นนอกสุดเป็นเปลือกโลก (crust) พื้นดินที่เป็นทวีปและพื้นน้ำที่เป็นมหาสมุทร จะอยู่ในบริเวณเปลือกโลกที่มีความหนาตั้งแต่ 15-120 กิโลเมตร ใต้เปลือกโลกลงไปเป็นชั้นกลางเรียก mantle โลกส่วนนี้มีความหนา ประมาณ 2,800 กิโลเมตร และมีความหนาแน่นสูง เพราะประกอบด้วยซิลิเกต เหล็ก และแมกนีเซียมเป็นส่วนใหญ่ ส่วนชั้นในสุดที่เรียก แกนกลาง (core) นั้น นักวิทยาศาสตร์ในสมัย Verne คิดว่าเป็นของเหลวประเภทลาวาภูเขาไฟ แต่ Verne ได้รับคำยืนยันโดย นักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันว่าถูก เพราะแกนกลางมีสองส่วน คือ แกนส่วนนอก (outer core) ที่เป็นเหล็กเหลว มีความหนาประมาณ 2,100 กิโลเมตรและแกนส่วนใน (inner core) ที่เป็นเหล็กแข็ง มีรัศมียาวประมาณ 1,200 กิโลเมตร นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อมูลโครงสร้างโลก เหล่านี้จากการใช้กระบวนการที่เรียกว่า seismic topography ซึ่งเป็นวิธีเดียวกับที่แพทย์ใช้ในการตรวจร่างกายคนไข้เพื่อค้นหา เนื้องอก โดยการรวบรวมข้อมูลการสั่นสะเทือนของแผ่นดินซึ่งเกิดขึ้นไม่ต่ำกว่า 1 ล้านครั้งในแต่ละปี จากสถานีสำรวจจำนวนกว่า 3,100 สถานีทั่วโลกมาประมวล แล้วใช้คอมพิวเตอร์ที่มีสมรรถภาพสูง สังเคราะห์ข้อมูลเหล่านั้น จนทำให้ได้ภาพสามมิติของโลกในที่สุด แสดงให้เห็นว่าแกนส่วนในของ โลกประกอบด้วยเหล็กเป็นส่วนใหญ่ แต่เมื่อแกนส่วนนี้มีอุณหภูมิสูงถึง 6,000 องศาเซลเซียสและอยู่ใต้ความดันที่สูงถึง 300 ล้านบรรยากาศ ธรรมชาติที่แท้จริง ของแกนส่วนในซึ่งตกอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ไม่ธรรมดาจะเป็นเช่นไรจึงเป็นปริศนาที่นักวิทยาศาสตร์กำลังแสวง หาคำตอบอยู่ นอกจากคำถามประเด็นนี้ แล้ว ปริศนาอย่างอื่นๆ เช่น เหตุใดขั้ว เหนือ-ใต้ของแม่เหล็กโลกจึงกลับขั้วได้ ชั้นต่างๆ ของโลกเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน อย่างไร และเราจะรู้อุณหภูมิที่จุดศูนย์ กลางของโลกได้อย่างไร เหล่านี้คือปัญหา ที่นักธรณีวิทยาปัจจุบันกำลังศึกษาอยู่
เมื่อ 4,600 ล้านปีก่อนนี้ในขณะที่โลกกำลังถือกำเนิดจากการจับตัวกันของฝุ่นละอองในก๊าซร้อนที่อยู่รอบดวงอาทิตย์ แรงดึงดูด แบบโน้มถ่วงได้ทำให้เม็ดฝุ่นเกาะตัวรวมกันมีขนาดใหญ่ขึ้นๆ และเมื่อเม็ดฝุ่นที่มีขนาดใหญ่ชนกันปะทะกัน ความร้อนที่เกิดจากการ ปะทะกันอย่างรุนแรงได้ทำให้มันหลอมรวมกันจนมีขนาดใหญ่ขึ้นๆ ตามลำดับ องค์ประกอบส่วนที่เป็นเหล็กซึ่งมีความหนาแน่นสูง ก็จะจมตัวลงไปรวมกันที่แกน การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีในโลกและความดันที่มากมหาศาลได้ทำให้แกนมีอุณหภูมิสูง จนแกน ส่วนนอกมีสภาพเป็นของเหลว และแกนส่วนในมีสภาพเป็นของแข็ง และเมื่อโลกหมุนรอบตัวเองตลอดเวลา การหมุนของโลกทำให้ เหล็กเหลวในบริเวณแกนส่วนนอกไหลวนไปมาด้วย และการไหลวนของเหล็กเหลวนี้เองที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนคิดว่า คือสาเหตุที่ทำให้โลกมีสนามแม่เหล็กในตัว และถึงแม้ส่วนที่เป็นแกนกลางของโลกจะอยู่ไกลจากมนุษย์ถึง 2,800 กิโลเมตรก็ตาม แต่มันก็มีอิทธิพลต่อมนุษยชาติมาก เพราะการไหลของเหล็กเหลวที่อยู่ในบริเวณแกนส่วนนอกทำให้โลกมีสนามแม่เหล็กที่สามารถปกป้อง มิให้อนุภาคคอสมิกจากอวกาศหรือลมสุริยะจากดวงอาทิตย์พุ่งมาทำร้ายชีวิตทุกชนิดบนโลกได้ นอกจากนี้ลักษณะการไหลของ ของเหลวส่วนนี้ก็ยังมีอิทธิพลต่อการเคลื่อนที่ของทวีปที่ผิวโลก การระเบิดของภูเขาไฟ และความรุนแรงของเหตุการณ์แผ่นดินไหวด้วย ซึ่งปรากฏการณ์เหล่านี้จะร้ายแรงมากหรือน้อยเพียงใดก็ขึ้นกับว่า แกนกลางของโลกเรานั้นร้อนเพียงใดและปัญหานี้ก็คือปัญหาที่นักธรณี ฟิสิกส์ปัจจุบันกำลังสนใจ
ในวารสาร Nature ฉบับที่ 401 ประจำวันที่ 30 กันยายน พ.ศ. 2543 D. Alfè และคณะได้รายงานว่า เขามีวิธีวัด อุณหภูมิของแกนกลางโลก โดยอาศัยความรู้ที่ว่าเวลาเราลงไปในบ่อเหมือง เราจะรู้สึกว่าอุณหภูมิที่ก้นบ่อสูงกว่าอุณหภูมิที่ปากบ่อ สาเหตุที่เป็นเช่นนี้เพราะโลกกำลังกำจัดความร้อนออกจากตัวในอัตรา 4.2 x 1013 จูล/วินาที (1 จูลคือพลังงานที่มวล 2 กิโลกรัม มีขณะที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 1 เมตร/วินาที) ดังนั้นสถานที่ใดที่อยู่ใกล้จุดศูนย์กลางของโลกก็ย่อมร้อนกว่าสถานที่ที่อยู่ไกลจาก จุดศูนย์กลางของโลกเป็นธรรมดา แต่ถ้า Alfè ใช้ข้อมูลอุณหภูมิที่แตกต่างกันตั้งแต่ 20-30 องศา ของบ่อเหมืองที่ลึก 1 กิโลเมตร เขาก็จะพบว่า ภายในระยะทางที่ลึกเพียง 200 กิโลเมตร อุณหภูมิจะสูงมากจนหินทั้งหลายละลายกลายเป็นไอหมด แต่ความจริงก็มีว่า ในชั้นที่เป็น mantle นั้น โลกใช้กระบวนการกำจัดความร้อนภายในโลก โดยวิธีการพาความร้อน (convection) ทำให้อุณหภูมิของหินชั้นต่างๆ ในโลกไม่สูงมากอย่างที่คิด
เมื่อ Alfè สังเคราะห์ข้อมูลทางธรณีฟิสิกส์และธรณีเคมีเขาก็ได้พบว่า บริเวณรอยต่อระหว่าง mantle กับแกนกลางมี อุณหภูมิสูงประมาณ 2,500-3,00 องศาเคลวิน (2,227-2,727 องศาเซลเซียส) และเมื่อเขารู้ว่าแกนกลางส่วนในของโลกประกอบ ด้วยเหล็ก 90% และธาตุเบา เช่น กำมะถัน ออกซิเจน และไฮโดรเจนอีก 10% การมีธาตุอื่นผสมอยู่ด้วยเช่นนี้ ทำให้จุดหลอมเหลว ของเหล็กลดต่ำลง ผลการคำนวณที่ได้จากการพิจารณาของผสมที่มีทั้งเหล็กเหลวและเหล็กแข็งนี้ ทำให้เขารู้ว่าอุณหภูมิที่บริเวณรอยต่อ ระหว่างแกนส่วนในกับแกนส่วนนอก เท่ากับ 6,670 ± 600 องศาเคลวิน (6,399 ± 327 องศาเซลเซียส) อุณหภูมิที่บริเวณรอยต่อระหว่างแกนส่วนนอกกับ mantle สูงประมาณ 4,000 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิระหว่าง mantle กับเปลือกโลก มีค่าประมาณ 1,500 องศาเซลเซียส
นอกจากประเด็นอุณหภูมิที่นักวิทยาศาตร์สนใจแล้วลักษณะการเคลื่อนไหวของแกนส่วนในของโลกก็ป็นปริศนาที่นักวิทยาศาสตร์ กำลังทุ่มเทความพยายามศึกษาเช่นกัน เพราะข้อมูลที่ได้จากการศึกษาคลื่นแผ่นดินไหว ได้ชี้บอกให้นักธรณีฟิสิกส์รู้ว่า แกนส่วนใน ที่เป็นเหล็กแข็งนั้นกำลังเพิ่มขนาดของมันตลอดเวลา ในอัตรา 2-3 ลูกบาศก์เมตร/วินาที ซึ่งกระบวนการเพิ่มขนาดของแกนกลางนี้ ได้เริ่มต้นเมื่อประมาณ 2,000 ล้านปีมาแล้ว นอกจากนี้ในปี 2539 X. Song และ P.G. Richards แห่ง Lamont Doherty Earth Observatory ที่ Palisades ในรัฐนิวยอร์กได้ทำให้โลกตะลึง เมื่อเขาทั้งสองรายงานว่า แกนกลางที่เป็นเหล็กแข็งสามารถ หมุนรอบตัวเองได้อย่างอิสระ โดยเฉพาะบริเวณศูนย์สูตรของมันสามารถเคลื่อนได้เร็วกว่าเปลือกโลกถึง 1 แสนเท่าและด้วยความเร็วเช่นนี้ มันจะสามารถหมุนได้ครบหนึ่งรอบภายในเวลาประมาณ 400 ปี โดยนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองได้ข้อสรุปนี้จากการเปรียบเทียบความเร็ว ของคลื่นแผ่นดินไหวที่เกิดในบริเวณ South Sandwich Islands แล้วเคลื่อนที่ทะลุผ่านแกนกลางของโลกสู่เครื่องรับสัญญาลักษณ์ ที่อะแลสกาในระหว่างปี 2510-2538 และ Song กับ Richards ก็ได้พบว่า ในบรรดาคลื่นแผ่นดินไหว 38 ลูกที่เขาตรวจพบนั้น คลื่นในปี 2538 ใช้เวลาเดินทางน้อยกว่าคลื่นปี 2510 ถึง 0.3 วินาที ซึ่งตัวเลขความแตกต่างนี้ Song อธิบายว่า เป็นผลที่เกิดจาก การที่แกนเหล็กของโลกได้หมุนไป ทำให้ความเร็วของคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านแกนเหล็กเปลี่ยนแปลงไปด้วย และอัตราการหมุนรอบตัวเอง ของแกนเหล็กเท่ากับ 0.2 องศา/ปี
ล่าสุด ในวารสาร Nature ฉบับที่ 405 หน้า 445 ประจำวันที่ 25 พฤษภาคม ปี พ.ศ. 2544 J.E. Vidale ได้รายงานการใช้ คลื่นแผ่นดินไหวที่เกิดจากการทดสอบระเบิดปรมาณูของรัสเซียในไซบีเรียเหนือ ระหว่างปี 2514 กับปี 2517 และใช้สถานีรับ สัญญาณคลื่นดังกล่าวที่มอนทานาในสหรัฐอเมริกา การวิเคราะห์คลื่นแผ่นดินไหวที่เดินทางจากสถานีทดลองปรมาณูลงสู่แกนกลาง ที่เป็นเหล็กแข็งแล้วสะท้อนกลับสู่สถานีรับสัญญาณ ทำให้เขารู้ว่า แกนกลางโลกหมุนด้วยความเร็วเพียง 0.15 องศา/ปี เท่านั้นเอง
โลกมิใช่เป็นดาวเคราะห์ดวงเดียวเท่านั้นที่มีแกนกลางเป็นเหล็กกลม ดาวอังคาร ดาวศุกร์ ดาวพุธ ก็มีแกนกลางที่เป็นเหล็กเช่นกัน แต่ก็มีเฉพาะโลกกับดาวพุธเท่านั้นที่มีสนามแม่เหล็กในตัว ทั้งนี้เพราะโลกกับดาวพุธมีแกนส่วนนอกที่เป็นเหล็กเหลว ซึ่งการไหลหมุน วนของเหล็กเหลวนี้เองที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก แต่ลักษณะการไหลของเหล็กเหลวจะเป็นรูปแบบใดจึงสามารถ ทำให้ขั้วแม่เหล็ก โลกกลับทิศได้ในทุก 2,000-3,000 ปีนั้น เรายังไม่มีคำตอบ
ปริศนาไต้บาดาลประเด็นนี้จึงยังคงเป็นปริศนาฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่ปริศนาหนึ่งที่ควรค่าแก่การสนใจ เพราะเมื่อ 65 ล้านปีมาแล้ว อุกกาบาตได้พุ่งชนโลกและภูเขาไฟทั่วโลกได้ระเบิดอย่างรุนแรง ฝุ่นละอองและเถ้าถ่านถูกพ่นออกมาบดบังแสงอาทิตย์นานเป็นปี ทำให้อุณหภูมิของโลกเย็นลง จนในที่สุดไดโนเสาร์ต้องสูญพันธุ์ ทั้งหลายทั้งปวงนี้เป็นผลที่เกิดจากการเคลื่อนไหวของหินเหลวใต้โลก