บทที่ 1

โครงสร้างโลก. .  .

กำเนิดโลก 

เมื่อประมาณ 4,600 ล้านปีมาแล้ว กลุ่มก๊าซในเอกภพบริเวณนี้ ได้รวมตัวกันเป็นหมอกเพลิงมีชื่อว่า “โซลาร์เนบิวลา” (Solar แปลว่า สุริยะ, Nebula แปลว่า หมอกเพลิง) แรงโน้มถ่วงทำให้กลุ่มก๊าซยุบตัวและหมุนตัวเป็นรูปจาน ใจกลางมีความร้อนสูงเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิวชั่น กลายเป็นดาวฤกษ์ที่ชื่อว่าดวงอาทิตย์ ส่วนวัสดุที่อยู่รอบๆ มีอุณหภูมิต่ำกว่า รวมตัวเป็นกลุ่มๆ มีมวลสารและความหนาแน่นมากขึ้นเป็นชั้นๆ และกลายเป็นดาวเคราะห์ในที่สุด

กำเนิดระบบสุริยะ

โลกในยุคแรกเป็นของเหลวหนืดร้อน ถูกกระหน่ำชนด้วยอุกกาบาตตลอดเวลาองค์ประกอบซึ่งเป็นธาตุหนัก เช่น เหล็ก และนิเกิล จมตัวลงสู่แก่นกลางของโลก ขณะที่องค์ประกอบซึ่งเป็นธาตุเบา เช่น ซิลิกอน ลอยตัวขึ้นสู่เปลือกนอก ก๊าซต่างๆ เช่น ไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ พยายามแทรกตัวออกจากพื้นผิว ก๊าซไฮโดรเจนถูกลมสุริยะจากดวงอาทิตย์ทำลายให้แตกเป็นประจุ ส่วนหนึ่งหลุดหนีออกสู่อวกาศ อีกส่วนหนึ่งรวมตัวกับออกซิเจนกลายเป็นไอน้ำ เมื่อโลกเย็นลง เปลือกนอกตกผลึกเป็นของแข็ง ไอน้ำในอากาศควบแน่นเกิดฝน น้ำฝนได้ละลายคาร์บอนไดออกไซด์ลงมาสะสมบนพื้นผิว เกิดทะเลและมหาสมุทร สองพันล้านปีต่อมาการวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต ได้นำคาร์บอนไดออกไซด์มาผ่านการสังเคราะห์แสง เพื่อสร้างพลังงาน และให้ผลผลิตเป็นก๊าซออกซิเจน ก๊าซออกซิเจนที่ลอยขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศชั้นบน แตกตัวและรวมตัวเป็นก๊าซโอโซน ซึ่งช่วยป้องกันอันตรายจากรังสีอุลตราไวโอเล็ต ทำให้สิ่งมีชีวิตมากขึ้น และปริมาณของออกซิเจนมากขึ้นอีก ออกซิเจนจึงมีบทบาทสำคัญต่อการเปลี่ยนแปลงบนพื้นผิวโลกในเวลาต่อมา

https://www.youtube.com/watch?v=69GnJx6LT8M
 

โครงสร้างภายในของโลก

โลกมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 12,756 กิโลเมตร (รัศมี 6,378 กิโลเมตร) มีมวลสาร 6 x 10^24 กิโลกรัม และมีความหนาแน่นเฉลี่ย 5,520 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (หนาแน่นกว่าน้ำ 5,520 เท่า) นักธรณีวิทยาทำการศึกษาโครงสร้างภายในของโลก โดยศึกษาการเดินทางของ “คลื่นซิสมิค” (Seismic waves) ซึ่งมี 2 ลักษณะ คือ

1.คลื่นปฐมภูมิ (P wave)

- เป็นคลื่นตามยาวที่เกิดจากการไหวสะเทือนในตัวกลาง โดยอนุภาคของตัวกลางนั้นเกิดการเคลื่อนไหวแบบอัดขยายในแนวเดียวกับที่คลื่น ส่งผ่านไป

- เคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่เป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซ

- วัดแรงสั่นสะเทือนสามารถรับได้ก่อนชนิดอื่น

- มีความเร็วประมาณ 6 – 8 km/s

- ทำให้เกิดการอัดหรือขยายตัวของชั้นหิน

2.คลื่นทุติยภูมิ (S wave)

- เป็นคลื่นตามขวางที่เกิดจากความไหวสะเทือนในตัวกลาง โดยนุภาคของตัวกลางเคลื่อนไหวตั้งฉากกับทิศทางที่คลื่นผ่าน มีทั้งแนวตั้งและแนวนอน

- คลื่นชนิดนี้ผ่านได้พาะตัวกลางที่เป็นของแข็งเท่านั้น

- ความเร็วประมาณ 3 – 4 km/s

- ทำให้ชั้นหินเกิดการคดโค้ง

earth_waves

การเดินทางของ P wave และ S wave ขณะเกิดแผ่นดินไหว

     ขณะที่เกิดแผ่นดินไหว (Earthquake) จะเกิดแรงสั่นสะเทือนหรือคลื่นซิคมิสขยายแผ่จากศุนย์เกิดแผ่นดินไหวออกไปโดย รอบทุกทิศทางทุกทาง เนื่องจากวัสดุภายในของโลกมีความหนาแน่นไม่เท่ากัน และมีสถานะต่างกัน คลื่นทั้งสองจึงมีความเร็วและทิศทางที่เปลี่ยนแปลงไปดังภาพ คลื่นปฐมภูมิหรือ P wave สามารถเดินทางผ่านศูนย์กลางโลกไปยังซีกโลกตรงข้ามโดยมีเขตอับ (Shadow zone) อยู่ระหว่างมุม 100 – 140 องศา แต่คลื่นทุติยภูมิหรือ S wave ไม่สามารถเดินทางผ่านชั้นของเหลวได้จึงปรากฏแต่บนซีกโลกเดียวกับจุดเกิดแผ่น ดินไหว โดยมีจุดอับอยู่ที่มุม 120 องศาเป็นต้นไป

 นักธรณีวิทยา แบ่งโครงสร้างภายในของโลกออกเป็น 3 ส่วน โดยพิจารณาจากองค์ประกอบทางเคมี ดังนี้ 

เปลือกโลก (Crust)

         เป็นผิวโลกชั้นนอกมีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นซิลิกอนไดออกไซด์ และอะลูมิเนียมออกไซด์

แมนเทิล (Mantle) คือ ส่วนซึ่งอยู่อยู่ใต้เปลือกโลกลงไปจนถึงระดับความลึก 2,900 กิโลเมตร มีองค์ประกอบหลักเป็นซิลิคอนออกไซด์ แมกนีเซียมออกไซด์ และเหล็กออกไซด์

แก่นโลก (Core) คือส่วนที่อยู่ใจกลางของโลก มีองค์ประกอบหลักเป็นเหล็ก และนิเกิล

  

การแบ่งโครงสร้างโลกโดยใช้สมบัติของคลื่นไหวสะเทือน

1. ธรณีภาค (lithosphere) เป็นชั้นนอกสุดของโลก พบว่าคลื่น P และคลื่น S จะเคลื่อนที่ผ่านธรณีภาคด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในช่วง 6.4 -8.4 กิโลเมตรต่อวินาที และ 3.7 - 4.8 กิโลเมตรต่อวินาที ตามลำดับ โดยทั่วไปชั้นนี้มีความลึกประมาณ 100 กิโลเมตร จากผิวโลก ประกอบด้วยหินที่มีสมบัติ     เป็นของแข็ง

 

2. ฐานธรณีภาค (asthenosphere) เป็นบริเวณที่คลื่นไหวสะเทือนมีความเร็วไม่สม่ำเสมอ แบ่งออกได้เป็น 2 บริเวณ คือ

 

2.1 เขตที่คลื่นไหวสะเทือนมีความเร็วลดลง (low velocity zone) เป็นบริเวณที่คลื่นไหวสะเทือน P และ S มีความเร็วลดลง เกิดขึ้นในระดับความลึกประมาณ 100 – 400 กิโลเมตร จากผิวโลก และเนื่องจากบริเวณนี้ประกอบด้วยหินที่มีสมบัติเป็นพลาสติก (อุณหภูมิและความดันบริเวณนี้ทำให้แร่บางชนิดที่อยู่ในหินเกิดการหลอมตัว เล็กน้อย) และวางตัวอยู่ส่วนล่างของธรณีภาค

2.2 เขตที่มีการเปลี่ยนแปลง (transitional zone) เป็นบริเวณที่คลื่นไหวสะเทือนมีความเร็วเพิ่มขึ้นในอัตราที่ไม่สม่ำเสมอ เกิดขึ้นในระดับความลึกประมาณ 400 – 660 กิโลเมตร จากผิวโลก เนื่องจากหินบริเวณส่วนล่างของฐานธรณีภาคเป็นของแข็งที่แกร่ง และมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของแร่

3. มีโซสเฟียร์ (mesosphere) เป็นชั้นที่อยู่ใต้ฐานธรณีภาค และเป็นบริเวณที่คลื่นไหวสะเทือนมีความเร็วเพิ่มขึ้นสม่ำเสมอ เนื่องจากหิน หรือสาร บริเวณส่วนล่างของมีโซสเฟียร์มีสถานะเป็นของแข็ง มีความลึกประมาณ 660-2,900 กิโลเมตร จากผิวโลก

4. แก่นโลกชั้นนอกและแก่นโลกชั้นใน

4.1 แก่นโลกชั้นนอก (outer core) เป็นชั้นที่อยู่ใต้มีโซสเฟียร์มีความลึกประมาณ 2,900-5,140กิโลเมตร จากผิวโลว คลื่น P มีความเร็วเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ ในขณะที่คลื่น S ไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านชั้นดังกล่าวได้

4.2 แก่นโลกชั้นใน (inter core) อยู่ที่ระดับความลึกประมาณ 5,140 กิโลเมตร จนถึงจุดศูนย์กลางของโลก คลื่น P และ S มีอัตราเร็วค่อนข้างคงที่ เนื่องจากแก่นโลกชั้นในเป็นของแข็งที่มีเนื้อเดียวกัน

นักธรณีวิทยาแบ่งโครงสร้างภายในของโลกออกเป็น 5 ส่วน โดยพิจารณาจากความเร็วของคลื่น P wave และ S wave ดังนี้

1.ธรณีภาค (Lithosphere) คือ ประกอบด้วยเปลือกโลกทวีป (Continental crust) และ เปลือกโลกมหาสมุทร (Oceanic crust) คลื่น P wave และ S wave เคลื่อนที่ช้าลงจนถึง แนว แบ่งเขตโมโฮโรวิซิก(Mohorovicic discontinuity) ซึ่งอยู่ที่ระดับลึกประมาณ 100 กิโลเมตร

2.ฐานธรณีภาค (Asthenosphere) อยู่ใต้แนวแบ่่งเขตโมโฮโรวิซิกลงไปจนถึงระดับ 700 กิโลเมตร เป็นบริเวณที่คลื่นไหวสะเทือนมีความเร็วเพิ่มขึ้นตามระดับลึก โดยแบ่งออกเป็น 2 เขต ดังนี้

•เขตที่คลื่นไหวสะเทือนมีความเร็วต่ำ (Low velocity zone หรือ LVZ) ที่ระดับลึก 100 - 400 กิโลเมตร P wave และ S wave มีความเร็วเพิ่มขึ้นอย่างไม่คงที่ เนื่องจากบริเวณนี้เป็นของแข็งเนื้ออ่อน อุณหภูมิที่สูงมากทำให้แร่บางชนิดเกิดการหลอมละลายเป็นหินหนืด (Magma)

•เขตที่มีการเปลี่ยนแปลง (Transitional zone) อยู่บริเวณเนื้อโลกตอนบน (Upper mentle) ระดับลึก 400 - 700 กิโลเมตร P wave และ S wave มีความเร็วเพิ่มขึ้นมาก ในอัตราไม่สม่ำเสมอ เนื่องจากบริเวณนี้มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของแร่

3.เมโซสเฟียร์ (Mesosphere) อยู่บริเวณเนื้อโลกชั้นล่าง (Lower Mantle) ที่ความลึก 700 - 2,900 กิโลเมตร เป็นบริเวณที่คลื่นไหวสะเทือนมีความเร็วสม่ำเสมอ เนื่องจากเป็นของแข็ง

4.แก่นชั้นโลกนอก (Outer core) ทึ่ระดับลึก 2,900 - 5,150 กิโลเมตร P wave ลดความเร็วลงฉับพลัน ขณะที่ S wave ไม่ปรากฏ ทั้งนี้เนื่องจากบริเวณนี้เป็นเหล็กหลอมละลาย

5.แก่นโลกชั้นใน (Inner core) ที่ระดับลึก 5,150 กิโลเมตร จนถึงความลึก 6,371 กิโลเมตร ที่จุดศูนย์กลางของโลก P wave ทวีความเร็วขึ้น เนื่องจากความกดดันแรงกดดันภายในทำให้เหล็กเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง 

สนามแม่เหล็กโลก

แก่นโลกมีองค์ประกอบหลักเป็นเหล็ก แก่นโลกชั้นใน (Inner core) มีความกดดันสูงจึงมีสถานะเป็นของแข็ง ส่วนแก่นชั้นนอก (Outer core) มีความกดดันน้อยกว่าจึงมีสถานะเป็นของเหลวหนืด แก่นชั้นในมีอุณหภูมิสูงกว่าแก่นชั้นนอก พลังงานความร้อนจากแก่นชั้นใน จึงถ่ายเทขึ้นสู่แก่นชั้นนอกด้วยการพาความร้อน (Convection) เหล็กหลอมละลายเคลื่อนที่หมุนวนอย่างช้าๆ ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า และเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลก (The Earth’s magnetic field)

 

https://www.youtube.com/watch?v=53EsXPVmPOk