นับเป็นเวลาหลายพันปีแล้วที่มนุษย์ได้เริ่มสนใจจะศึกษาธรรมชาติที่แท้จริงของโลก ด้วยการตั้งคำถามมากมาย เช่นว่า โลกถือกำเนิดได้อย่างไร ตั้งแต่เมื่อไร มีรูปทรงอย่างไร สิ่งมีชีวิตชนิดใดได้ถือกำเนิดบนโลกเป็นครั้งแรก และสิ่งมีชีวิตเหล่านั้น มีเส้นทางวิวัฒนาการอย่างไร ตลอดจนถึงความสงสัยที่ว่า โลกในอนาคตจะมีรูปร่างลักษณะอย่างไร
นอกจากนี้ .... ก็ใคร่จะรู้ว่าใต้โลกมีแร่ธาตุอะไรบ้าง และทรัพยากรเหล่านั้น มีปริมาณมากหรือน้อยเพียงใด และอยู่ ณ ที่ไหนใต้โลก รวมทั้งใคร่จะรู้เหตุผลว่า ปรากฏการณ์แผ่นดินไหวและภูเขาไฟระเบิดเกิดขึ้นได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์จะมีวิธีทำนายการเกิดเหตุการณ์มหันตภัยเหล่านั้นได้หรือไม่ และภัยพิบัติในแต่ละครั้งจะรุนแรงมากหรือน้อยเพียงใด รวมถึงต้องการจะรู้ผลกระทบที่เกิดตามมาว่า มหันตภัยธรรมชาติทั้งหลายนั้นมีผลกระทบทางเศรษฐกิจและสภาพจิตใจของผู้คนอย่างไรบ้าง เพราะมีคนหลายคนที่คิดว่า ตั้งแต่มนุษย์ถือกำเนิดเกิดขึ้นบนโลก มนุษย์ได้เปลี่ยนแปลงรูปพรรณสัณฐานของโลกไปมากมาย จนนี่อาจจะเป็นเหตุผลที่ทำให้โลกคิดจะเอาคืนมนุษย์ โดยการทำให้เกิดความหายนะทางธรรมชาติ เป็นการเตือนมนุษย์ไม่ให้ล่วงเกินธรรมชาติมากก็เป็นได้
ในส่วนที่เป็นธรรมชาติของ "สนามแม่เหล็กโลก" นักวิทยาศาสตร์ก็มีความสนใจว่า สนามแม่เหล็กโลกเกิดขึ้นได้อย่างไร ในขณะที่บนดวงจันทร์และดาวอังคาร แทบไม่มีสนามแม่เหล็กเลย นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ก็ใคร่จะรู้ว่า กลไกอะไรที่ทำให้โลกมีสนามแม่เหล็ก และในบางเวลา สนามก็มีการกลับทิศ ด้วยสาเหตุใด และต้องใช้เวลานานเท่าใดในการกลับทิศแต่ละครั้ง เพราะการที่โลกมีสนามแม่เหล็กในตัว ได้ทำให้สิ่งมีชีวิตต่าง ๆ สามารถดำรงชีพอยู่ได้ ด้วยการส่งอิทธิพลของสนามต่อต้านกระแสอนุภาค cosmic จากอวกาศ ดังนั้นถ้าโลกไม่มีสนามแม่เหล็กโลกเลย สิ่งมีชีวิตทุกชนิดก็จะเป็นอันตราย จนอาจจะถึงขั้นสูญพันธุ์
เหล่านี้เป็นปริศนาที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่มีคำตอบ ทั้งในเชิงคุณภาพและปริมาณ ที่แน่นอนชัดเจน ตามธรรมดาคนเราทุกคนต้องการจะรู้เหตุการณ์ที่จะเกิดขึ้นล่วงหน้า เช่น ต้องการจะรู้มากว่า เราจะร่ำรวยหรือตายเมื่อไร ด้วยโรคอะไร ในทำนองเดียวกับการต้องการจะรู้ว่า เหตุการณ์แผ่นดินไหวครั้งต่อไปจะเกิด ณ ที่ใดในประเทศไทย และเหตุการณ์นั้นจะรุนแรงเพียงใด ก็เป็นความรู้ที่เพียงพอจะทำให้คนไทยทุกคนสบายใจ
ตั้งแต่อดีตจนถึงเมื่อ 2,300 ปีก่อน มนุษย์ตั้งแต่สมัยดึกดำบรรพ์ได้เห็นและคิดว่า โลกของเรามีลักษณะเป็นพื้นแผ่นดินที่แบนราบ โดยมีทะเลและมหาสมุทรล้อมรอบ ดังนั้นการเดินทางไปสุดขอบฟ้า ก็จะทำให้ตกโลก นอกจากนี้โลกก็มีครึ่งวงกลมท้องฟ้าปกคลุมโลก โดยมีดาวทุกดวง แฝงอยู่บนโดมที่ครอบคลุมนั้น
ในปี 1965 ชาวนายูเครนคนหนึ่งได้พบจารึกที่ถูกแกะสลักเป็นภาพหมู่บ้านบนกระดูกของช้างแมมมอธ ณ ที่หมู่บ้าน Mezhyrich ในแคว้น Cherkasy ซึ่งแสดงบ้านสองหลังของมนุษย์โบราณ ที่ตั้งอยู่บนสองฝั่งของแม่น้ำ Risava นี่เป็นแผนที่หมู่บ้านแผ่นแรกของโลกที่มนุษย์ทำขึ้นเมื่อ 100,000 ปีก่อน Pythagoras (เมื่อ 570-490 ปีก่อนคริสตกาล) ซึ่งเป็นปราชญ์ชาวกรีกผู้เชื่อว่า โลกของเรามีรูปร่างลักษณะเป็นทรงกลม โดยใช้ตรรกะในการวิเคราะห์พบว่า ดาวต่างๆ ทุกดวงบนท้องฟ้า เช่น ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ ล้วนเป็นรูปทรงกลม ดังนั้นโลก ซึ่งเป็นสมาชิกดวงหนึ่งของจักรวาล ก็ย่อมมีลักษณะเป็นทรงกลมด้วย
ด้าน Aristotle (เมื่อ 384-322 ก่อนคริสตกาล) ก็เป็นบุคคลแรกที่ให้ความเห็นเพิ่มเติมเกี่ยวกับความกลมของโลกว่า เวลาคนเดินทางจากซีกโลกเหนือไปยังซีกโลกใต้ เขาจะมองไม่เห็นดาวที่อยู่ใกล้ขอบฟ้าทางซีกโลกเหนือ เพราะดาวเหล่านั้นถูกขอบโค้งของผิวโลกบดบัง และเมื่อทุกส่วนของผิวโลกมีลักษณะโค้ง ดังนั้นโลกจึงเป็นรูปทรงกลมด้วย นอกจากเหตุผลนี้แล้ว Aristotle ก็ยังให้เหตุผลอีกว่า เวลาเกิดจันทรุปราคา เงาของโลกที่ปรากฏทับดวงจันทร์ จะปรากฏเป็นผิวโค้งทุกครั้งไป ดังนั้นโลกจึงต้องมีลักษณะเป็นทรงกลม
ต่อจากนั้นปราชญ์ต่างๆ ก็ได้พยายามวัดขนาดของโลกบ้าง และปราชญ์คนแรกที่ได้วัดเส้นรอบวงของโลก ซึ่งเป็นทรงกลม คือ Eratosthenes (เมื่อ 276-194 ปีก่อนคริสตกาล) แห่งเมือง Cyrene ผู้ได้เคยศึกษาที่ Athens ในกรีซ และได้เดินทางไปศึกษาต่อที่เมือง Alexandria ในอียิปต์ ขณะมีอายุ 40 ปี เพื่อขึ้นครองตำแหน่งผู้อำนวยการแห่งห้องสมุด ณ เมือง Alexandria
Eratosthenes ได้พยายามวัดเส้นรอบวงของโลก โดยใช้เพียงเสาไม้ตรงท่อนหนึ่ง และไม้บรรทัดวัดความยาวของเงาแดดของเสาไม้นั้น เขาก็สามารถรู้รัศมีและความยาวเส้นรอบวงของโลก ด้วยการปักเสาไม้ในแนวดิ่ง ที่เมือง Alexandria ในขณะที่ดวงอาทิตย์อยู่เหนือศีรษะที่เมือง Cyrene ซึ่งอยู่ห่างจาก Alexandria ไปเป็นระยะทาง 5,000 stadia (1 stadia มีความยาวโดยประมาณเท่ากับ 185 เมตร) และได้พบว่า มุมที่ส่วนโค้งของวงกลมที่ลากต่อระหว่างเมือง Alexandria กับเมือง Cyrene รองรับที่จุดศูนย์กลางของโลกมีค่าประมาณ 7 องศา ค่านี้ได้ช่วยให้ Eratosthenes สามารถรู้ได้ในทันทีว่า โลกมีเส้นรอบวงยาว 25,000 stadia หรือประมาณ 47,600 กิโลเมตร ซึ่งแตกต่างไปจากค่าจริง 40,075 กิโลเมตร จึงนับว่าผิดพลาดไปเพียง 19% เท่านั้นเอง
นอกจากนี้ Eratosthenes ก็ยังมีผลงานสำคัญทางคณิตศาสตร์อีกด้วย เพราะเป็นคนคิดวิธีกรองจำนวนเฉพาะ (Eratosthenes’ sieve) (จำนวนเฉพาะ คือ จำนวนที่ไม่สามารถแยกเป็นตัวประกอบได้ เช่น 3, 5, 7, 11, …) และยังเป็นบุคคลที่บัญญัติคำว่า ภูมิศาสตร์ (geography) ขึ้นใช้เป็นครั้งแรกด้วย
ในช่วงเวลาที่เป็นวาระสุดท้ายของชีวิต ตาทั้งสองข้างของ Eratosthenes บอดสนิท ทำให้ต้องดำรงชีวิตอย่างยากลำบาก จึงตัดสินใจอดอาหาร จนสิ้นใจตายในที่สุด
ในประเด็นที่เกี่ยวกับธรรมชาติของสรรพสิ่งที่อยู่ใต้โลกนั้นก็เป็นเรื่องที่คนทุกคนสนใจ ในปี 1692 Edmond Halley (1656-1742) ผู้พบดาวหาง Halley ได้เคยคิดว่า ใต้โลกประกอบด้วยทรงกลมกลวงซ้อนกันสองชั้น และในระหว่างชั้นมีบรรยากาศ โดยชั้นในสุด คือ แก่นโลกที่เป็นเหล็ก ซึ่งมีลักษณะเป็นทรงกลมที่หมุนรอบตัวเองได้ จึงมีผลทำให้ขั้วแม่เหล็กโลกเคลื่อนที่ได้ แก่นกลางนี้มีขนาดใหญ่ประมาณเท่าดาวพุธ นี่คือแบบจำลอง เรื่อง โครงสร้างภายในของโลกที่เกิดจากจินตนาการของ Halley ซึ่งมีผิดบ้างและถูกบ้าง เพราะในสมัยนั้น นักวิทยาศาสตร์ยังไม่มีเทคโนโลยีที่จะขุดเจาะโลกลงไปลึกได้
ด้านนักประพันธ์นวนิยายแนววิทยาศาสตร์ (Sci-fi) เช่น Jules Verne (1828–1905) ซึ่งเป็นนักประพันธ์ชาวฝรั่งเศสที่มีชื่อเสียงโด่งดัง ก็ได้เรียบเรียงนวนิยายเชิงวิทยาศาสตร์ชื่อ “Journey to the Center of the Earth” เมื่อปี 1864 ซึ่งได้กล่าวถึงศาสตราจารย์ Lidenbrock กับหลานชายชื่อ Axel และไกด์ชื่อ Hans ที่ได้ลงไปสำรวจดินแดนใต้โลก โดยลงไปในปล่องภูเขาไฟที่ดับแล้ว และตั้งอยู่ในประเทศ Iceland เพราะได้พบบันทึกที่นักโบราณคดีนาม Arne Saknussemm ซึ่งเป็นนักเล่นแร่แปรธาตุ และนักธรณีวิทยา ที่ได้จดบันทึกว่า เส้นทางที่จะเข้าสู่ใจกลางโลกได้ คือ ทางปากปล่องภูเขาไฟ Snæfellsjökull และเมื่อทีมสำรวจได้ลงไป ก็ได้พบสัตว์ดึกดำบรรพ์ พวกอสูรกายมากมายอาศัยอยู่ในทะเลดึกดำบรรพ์ เช่น ไดโนเสาร์ และเมื่อทุกคนกลับขึ้นมาที่ผิวโลกประสบการณ์ใต้โลก ได้ทำให้บุคลิกภาพ จิตใจ และวิสัยทัศน์ของคนทั้งสามเปลี่ยนไปมาก
คลื่นแผ่นดินไหว (seismic wave) เป็นคลื่นที่เกิดจากปรากฏการณ์แผ่นดินไหว ภูเขาไฟระเบิด การทดลองระเบิดนิวเคลียร์ใต้ดิน ทำให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานมหาศาลออกมา เป็นคลื่นที่สามารถเคลื่อนที่ไปได้ทุกหนทุกแห่ง ทั้งภายในโลก และที่ผิวโลก จึงสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ
1. คลื่นภายในโลก (body wave) มีสองชนิด คือ ชนิด P กับชนิด S
1.1 คลื่นชนิด P (primary wave) เป็นคลื่นตามยาว ที่อนุภาคในคลื่นเคลื่อนที่ในแนวขนานกับทิศของคลื่น ในทำนองเดียวกับคลื่นเสียง ทำให้ตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านมีการอัดตัว และขยายตัว คลื่น P สามารถเคลื่อนที่ผ่านทั้งของแข็ง ของเหลว และก๊าซได้ จึงมีความเร็วสูงสุดในบรรดาคลื่นแผ่นดินไหวทั้งหมด โดยมีความเร็วประมาณ 6 กิโลเมตร/วินาที
1.2 คลื่นชนิด S (secondary wave) เป็นคลื่นตามขวาง ซึ่งอนุภาคที่อยู่ในคลื่นนี้จะเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น คลื่น S สามารถผ่านได้เฉพาะในของแข็ง และผ่านในของเหลวไม่ได้เลย เพราะของเหลวไม่สามารถรับแรงเฉือน (shear force) คลื่น S มีความเร็วประมาณ 3.6 กิโลเมตร/วินาที
2. คลื่นที่ผิวโลก (surface wave) เป็นคลื่นที่เคลื่อนที่ไปบนผิวโลก จึงเป็นคลื่นที่เป็นอันตรายที่สุด เพราะสามารถทำลายสิ่งก่อสร้าง อาคาร ที่อยู่อาศัยได้อย่างราบรื่น คลื่นชนิดนี้ยังแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ
2.1 คลื่น Rayleigh โดยอนุภาคที่อยู่ในคลื่นชนิดนี้มีการเคลื่อนที่เป็นแบบวงรี โดยเกิดจากการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งและแนวนอน โดยมีทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นเป็นแกนเปรียบเทียบ คลื่นชนิดนี้ Lord Rayleigh (1842-1919) เป็นคนคำนวณพบในปี 1885
2.2 คลื่น Love เป็นคลื่นที่จากการเคลื่อนที่แบบเฉือน และมีทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น คลื่น Love มีความเร็วสูงกว่าคลื่น Rayleigh แต่น้อยกว่าคลื่น S Augustus Love (1863-1940) ชาวอังกฤษ เป็นผู้พบคลื่นชนิดนี้
ตามปกติคลื่น P จะเป็นคลื่นที่เตือนภัยแผ่นดินไหว เพราะจะเดินทางถึงผู้สังเกตก่อนคลื่นอื่นๆ
การรู้เวลาและความเร็วของคลื่นชนิดต่าง ๆ ได้ช่วยให้นักธรณีฟิสิกส์สามารถสร้างภาพ 3D แสดงโครงสร้างภายในของโลกได้ ในทำนองเดียวกับอุปกรณ์ CT scan ที่แพทย์ใช้ถ่ายภายอวัยวะภายในของร่างกายคน
การวิเคราะห์คลื่น Rayleigh ที่เคลื่อนที่ระหว่างรอยต่อของผิวที่มีความหนาแน่นต่างกัน เช่น บริเวณรอยต่อระหว่างของแข็งกับของเหลว และระหว่างของแข็งกับก๊าซ
ในความเป็นจริง วิธีการที่นักวิทยาศาสตร์จะศึกษาสภาพความเป็นไปและความเป็นอยู่ของธรรมชาติใต้โลก (scan) นั้น ได้จากการศึกษาลักษณะการเคลื่อนที่ของคลื่นแผ่นดินไหว ในเรื่องการสะท้อน การหักเห การแทรกสอด และการเลี้ยวเบน
เช่น ในเดือนพฤษภาคม ปี 1992 นักวิทยาศาสตร์จีน ได้ทดลองระเบิดนิวเคลียร์ในหลุมที่เจาะลึกลงไปใต้ผิวโลกประมาณ 1.5 กิโลเมตร ที่เมือง Lop Nor ซึ่งตั้งอยู่ทางทิศตะวันตกของจีน พลังระเบิดในครั้งนั้นรุนแรงยิ่งกว่าระเบิดปรมาณูที่เมือง Hiroshima ประมาณ 40 เท่า มีผลทำให้เกิดคลื่นเสียง คลื่นแผ่นดินไหว ผ่านไปในชั้นหินและดินใต้โลก และคลื่นนี้มีความเข้มสูงมาก อุปกรณ์วัดการสั่นสะเทือนของคลื่นแผ่นดินไหว (seismometer) ที่ติดตั้งอยู่ ณ ตำแหน่งต่าง ๆ ที่ผิวโลก เวลาได้รับคลื่นที่เกิดจากการระเบิดครั้งนี้ การรู้เวลาที่คลื่นเดินทางถึงอุปกรณ์รับคลื่น ด้วยความเร็วต่าง ๆ ทำให้เรารู้ข้อมูลความหนาแน่นของชั้นหิน ดิน และชนิดของแร่ที่อยู่ใต้โลก การวัดนี้จึงเปรียบเสมือนการถ่ายภาพเอกซเรย์ของสิ่งที่อยู่ใต้โลก เพราะเมื่อนักวิจัยได้ข้อมูลคลื่นแผ่นดินไหว แล้ววิเคราะห์ลักษณะของคลื่นที่เดินทางถึงเครื่องรับ ก็สามารถจะรู้โครงสร้างของเนื้อโลกได้
การวิเคราะห์โครงสร้างของคลื่นและตำแหน่งการรับคลื่นที่ถูกส่งออกมาจากแหล่งระเบิด ทำให้รู้โครงสร้างของเนื้อโลกที่คลื่นเดินทางผ่านมาได้ อุปกรณ์รับคลื่นจำนวน 1,062 เครื่อง ที่ติดตั้งอยู่ทั่วประเทศสหรัฐอเมริกาและแคนาดา ซึ่งได้รับคลื่นหลังการระเบิดตั้งแต่ 1-3 วินาที ก็ได้ช่วยในการยืนยันการมีโครงสร้างดังที่คำนวณได้นี้ การรู้เวลาที่แตกต่างกันระหว่างคลื่นสองคลื่นที่อยู่ ณ สองตำแหน่ง ทำให้รู้ตำแหน่งแหล่งเกิดของคลื่นปฐมภูมิที่พุ่งมาตรงจากแหล่งกำเนิด และคลื่นทุติยภูมิที่เกิดจากการสะท้อน ข้อมูลเหล่านี้ ทำให้รู้ว่าบริเวณนั้นมีแหล่งแร่อะไรบ้าง และมีความหนามากหรือน้อยเพียงใด
ณ ที่ลึกลงไปใต้โลกอีก จนถึงแก่นกลางของโลก นักวิทยาศาสตร์ได้พบว่าแก่นของโลกยังมีโครงสร้างภายในที่น่าสนใจอีกด้วย คือ แก่นกลางมิได้เป็นทรงกลมที่มีความหนาแน่นสม่ำเสมอทั่วทั้งก้อน แต่มีโรงสร้างภายในที่แบ่งออกเป็นชั้น และโครงสร้างภายในนี้ให้ข้อมูลสำคัญที่ทำให้เรารู้ว่า โลกถือกำเนิดและเติบโตอย่างไร
จากเดิมที่เคยคิดว่าโครงสร้างภายในของโลกถูกแบ่งออกเป็นสี่ชั้น ซึ่งได้แก่ เปลือกโลก (crust) ที่หนา 5-30 กิโลเมตร, เนื้อโลก (mantle) ที่หนา 2,900 กิโลเมตร, แก่นนอก (outer core) ที่หนา 2,300 กิโลเมตร และ แก่นใน (inner core) ที่มีรัศมี 1,220 กิโลเมตร เมื่อปี 2020 ที่ผ่านมานี้ Joanne Stephenson แห่ง Australian National University (ANU) ในออสเตรเลียได้รายงานในวารสาร Journal of Geophysical Research: Solid Earth DOI: 10.1029/2020JBO2054 ภายใต้ชื่อว่า “Evidence for the Innermost Inner Core: Robust Parameter Search for Radially Varying Anisotropy Using the Neighborhood Algorithm” และพบว่า ที่แก่นในยังมีโครงสร้างของแก่นที่อยู่ภายในเพิ่มอีกด้วย จึงนับเป็นชั้นที่ห้า
ในปี 1936 นักแผ่นดินไหววิทยา (seismologist) ชาวเดนมาร์ก ชื่อ Inge Lehmann (1888–1993) ได้พบแก่นกลางของโลกอยู่ภายในแก่นนอกของโลกที่เป็นของเหลว จากการศึกษาลักษณะของคลื่นแผ่นดินไหวที่เคลื่อนที่ผ่านสองบริเวณ และโครงสร้างนี้ได้เป็นที่ยอมรับมาเป็นเวลานานกว่า 90 ปี
แก่นภายในของโลก เป็นทรงกลมตันที่มีความหนาแน่นสูงมาก เพราะเนื้อแก่นประกอบด้วยเหล็กและนิกเกิล เป็นส่วนใหญ่ และมีอุณหภูมิสูงกว่า 5,000 องศาเซลเซียส แม้ว่าแก่นในนี้จะมีปริมาตรน้อยกว่า 1% ของปริมาตรโลกก็ตาม แต่มันก็มีบทบาทมากในการบอกให้เรารู้ประวัติตั้งต้นของโลก แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะไม่มีวันเห็นแก่นในด้วยตาก็ตาม แต่ก็สามารถใช้คลื่นแผ่นดินไหวมาวิเคราะห์โครงสร้างทั้งหมดของแก่นในได้ เพราะคลื่นแผ่นดินไหวเดินทางด้วยความเร็วต่างๆ กัน ขึ้นกับว่ามันเคลื่อนที่ผ่านเนื้อโลกที่มีความหนาแน่นแตกต่างกันอย่างไร
ทีมวิจัยของ ANU ได้วิเคราะห์คลื่นแผ่นดินไหว โดยใช้อัลกอริทึมขั้นสูง ทดสอบแบบจำลองโครงสร้างภายในของโลกจำนวนนับพันรูปแบบ แต่แทนที่จะเฉลี่ยข้อมูลทั้งหมด ซึ่งอาจจะทำให้พลาดรายละเอียด ทีมวิจัยได้ศึกษารูปแบบของคลื่นอย่างละเอียดแทน และพบว่าลึกลงไปใต้โลกที่ระดับ 650 กิโลเมตร จากจุดศูนย์กลางของโลก มีชั้นของเนื้อ ซึ่งมีโครงสร้างที่เป็นชั้นแตกต่างกันออกไป
ข้อสรุปนี้ ได้มาจากการรู้ความเร็วของคลื่นที่ขึ้นกับทิศทาง (anisotropy) ซึ่งหมายความว่า ความเร็วของคลื่นในแต่ละทิศจะไม่เท่ากัน คือ ขึ้นอยู่กับทิศที่มันเคลื่อนที่ เพราะถ้าคลื่นเคลื่อนที่ไปในแนวแกนหมุน คลื่นจะมีความเร็วสูงกว่าคลื่นที่เคลื่อนที่ในแนวเส้นศูนย์สูตร และคลื่นที่มีความเร็วน้อยที่สุด จะเคลื่อนที่ไปในทิศที่ทำมุม 54 องศา กับแกนหมุน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าในแนว 54 องศานี้ ผลึกเหล็กมีรูปร่างแตกต่างจากผลึกในแนวอื่น ๆ ข้อมูลนี้จึงแสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของผลึกเหล็กที่มีอยู่ในโลก ขึ้นอยู่กับประวัติในการถือกำเนิดของโลก
ล่วงมาถึงในปี 2023 การวิจัยที่เผยแพร่ในวารสาร Nature Communications โดยใช้เทคนิคการวัดความเร็วคลื่นแผ่นดินไหวที่มีค่าแตกต่างกัน ทีมวิจัยได้วิเคราะห์สัญญาณที่เกิดจากการสะท้อนไป-มาภายในโลก ซึ่งผ่านแก่นกลางของโลกหลายครั้ง ทำให้ได้ข้อมูลที่ละเอียดยิ่งขึ้นไปอีก และข้อมูลเหล่านี้แสดงให้เห็นความแตกต่างของความเร็วคลื่นที่ขึ้นกับทิศการเคลื่อนที่ โดยได้ยืนยันว่าคลื่นที่มีความเร็วน้อยที่สุด จะเคลื่อนที่ในแนวทำมุม 150 องศากับแกนหมุน
นักวิทยาศาสตร์ได้สงสัยมาเป็นเวลานานแล้วว่า ลึกลงไปถึงแก่นในของโลก มีผลึกเหล็กที่มีโครงสร้างแตกต่างไปจากผลึกในบริเวณอื่น ซึ่งเป็นเรื่องที่ต้องศึกษา แต่การจะรู้ข้อมูลทั้งหมดอย่างละเอียดนั้น นักวิทยาศาสตร์จะต้องมีเครื่องรับคลื่นที่ติดตั้งเป็นจำนวนมากทั่วโลก
การศึกษาเรื่องนี้ในอนาคต สามารถจะเติมเต็มข้อมูลที่พร่องหายไปได้ และข้อมูลเหล่านี้จะบอกเราได้ว่า เมื่อโลกเริ่มถือกำเนิดใหม่ ๆ นั้น โลกมีรูปร่างหน้าตา ลักษณะความหนาแน่นเป็นอย่างไร
และได้พบว่าที่ระยะลึกลงไป 5,100 กิโลเมตรจากผิวโลก ก็จะถึงบริเวณที่เรียกว่าแก่นใน อุณหภูมิของแก่นมีค่าตั้งแต่ 5,000-6,000 องศาเซลเซียส ซึ่งนับว่าใกล้เคียงกับอุณหภูมิที่ผิวของดวงอาทิตย์อันเป็นพลาสมาร้อน แต่ผิวแก่นในของโลกกลับเป็นของแข็ง ความแตกต่างนี้เกิดจากการที่ภายในโลกมีความดันสูงมาก ดังนั้นอุณหภูมิจึงไม่ใช่ตัวกำหนดสถานะของเหล็กที่เป็นองค์ประกอบของแก่นว่า เป็นของแข็งหรือของเหลว การที่มันอยู่ในสถานะของแข็งได้ เพราะความดันที่นั้นมีค่าสูงมากนั่นเอง
นักวิทยาศาสตร์ตระหนักดีว่า เราไม่มีวันจะได้เนื้อโลกส่วนที่อยู่ในแก่นโลกขึ้นมาศึกษาได้ เพราะหลุมลึกที่สุดที่มนุษย์ได้เคยเจาะลงไป มีความลึกเพียง 12.262 กิโลเมตรเท่านั้นเอง ซึ่งเป็นหลุมที่ Kola Superdeep Borehole โดยนักวิทยาศาสตร์รัสเซียได้เคยขุดหลุมในพื้นที่ของคาบสมุทร Kola ในช่วงปี 1970-1989 จนลึกยิ่งกว่าความสูงของยอดภูเขา Everest และลึกยิ่งกว่าร่องลึก Mariana Trench ในมหาสมุทรแปซิฟิกเสียอีก โดยทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางของหลุม Kola มีค่าเท่ากับ 23 เซนติเมตร
ดังนั้นองค์ความรู้ทุกสิ่งทุกอย่างที่จะกล่าวถึงต่อไปนี้ เป็นเพียงข้อมูลที่ได้จากการอนุมาน เพราะนักธรณีฟิสิกส์จะไม่มีวันได้ตัวอย่างจริง ขึ้นมาวัดและศึกษา
ประเด็นเรื่องอุณหภูมิที่แก่นกลางของโลก ก็เป็นเรื่องที่วัดได้ยากยิ่งกว่าการพยายามวิเคราะห์ลักษณะธรรมชาติของคลื่นแผ่นดินไหว เพราะแก่นในประกอบด้วยเหล็กเป็นส่วนใหญ่ มีนิกเกิลบ้างเล็กน้อย และแก่นนอกที่เป็นของเหลวประกอบด้วยเหล็ก นิกเกิล กัมมะถัน ออกซิเจน คาร์บอน และซิลิกอน คำถามที่เป็นประเด็นสำคัญ คือ เหล็ก ที่มีสารเจือเป็นนิกเกิลและธาตุอื่น ๆ บ้างเล็กน้อยนั้น เมื่อตกอยู่ในความดันที่มากมหาศาล จะมีจุดหลอมเหลวที่อุณหภูมิเท่าไร
นักวิทยาศาสตร์จึงได้พยายามสร้างสถานการณ์ในห้องปฏิบัติการที่มีความดันสูงมาก โดยใช้หลอดทดลองที่ผนังทำด้วยเพชร แล้วใช้คลื่นกระแทก (shock wave) อัด เหล็กที่สารอื่นผสม จากนั้นก็วัดอุณหภูมิ เมื่อเหล็กผสมละลาย และพบว่าอุณหภูมิหลอมเหลวจะมีค่าตั้งแต่ 4,500-7,500 องศาสัมบูรณ์ ซึ่งเป็นช่วงอุณหภูมิที่ค่อนข้างกว้างมาก ทำให้มีความไม่แน่นอนในการรู้อุณหภูมิหลอมเหลวที่แท้จริง นอกจากนี้ก็รู้ว่า อุณหภูมิที่ผิวรอยต่อระหว่างแก่นในกับแก่นนอก มีค่า 4,850 ± 200 องศาสัมบูรณ์
การวิเคราะห์ตัวเลขในห้องทดลอง ในเวลาต่อมาได้พบว่า จุดหลอมเหลวของเหล็กภายใต้ความดัน 2 ล้านบรรยากาศโลก คือ อุณหภูมิ 5,400 องศาเซลเซียส
ในปี 1993 Reinhard Boehler ได้เผยแพร่งานวิจัยในวารสาร Nature ว่า ผลการคำนวณทางทฤษฎีที่มีการสร้างสถานการณ์จำลองแสดงว่า อุณหภูมิหลอมเหลวของเหล็กมีค่าประมาณ 6,000 องศาสัมบูรณ์ ข้อมูลนี้จึงใกล้เคียงกับอุณหภูมิที่ผิวของดวงอาทิตย์
ประเด็นที่ต้องศึกษาต่อไป คือ เหตุใดความดันที่สูงมาก จึงทำให้เหล็กที่ร้อนมาก คงสภาพเป็นของแข็งอยู่ได้ เพราะความร้อนตามธรรมดาจะทำให้วัสดุของแข็งหลอมเหลว แต่ความดันจะทำงานในแนวย้อนกลับ โดยทำให้ของเหลวกลายเป็นของแข็ง เพราะเหตุว่าความดันได้อัดอะตอมเข้ามาให้อยู่ใกล้กันมากขึ้น มันจึงไม่เคลื่อนที่ ความดันนี้จะมีค่าประมาณ 330 gigapascals (1 gigapascal เท่ากับพันล้าน pascal) และยิ่งที่จุดศูนย์กลางของโลกจะมีความดันประมาณสามล้านเท่าของความดันบรรยากาศโลก และนั่นคือคำตอบว่า เหตุใดแก่นกลางของโลก แม้มีอุณหภูมิสูง ก็ยังเป็นของแข็งอยู่ได้
ส่วนแก่นนอก เมื่อมีความดันต่ำกว่าก็จะไม่หลอมเหลว และนั่นก็คือคำตอบสำหรับคำถามที่ว่า เหตุใดแก่นในของโลก จึงเป็นของแข็งที่อยู่ภายในชั้นที่เป็นของเหลวได้ แทนที่ทุกส่วนจะเป็นของเหลวทั้งหมด และของแข็งทั้งหมด
แต่แก่นในของโลก ก็ใช่ว่าจะเป็นของแข็งที่อยู่นิ่ง แต่มันกลับเป็นของแข็งทรงกลมที่หมุนรอบตัวเองได้
ในปี 2024 ในวารสาร Nature Wei Wang กับทีมวิจัยแห่งสถาบัน Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences ได้พบว่า แกนหมุนของแก่นในมีการเปลี่ยนทิศทางด้วย ข้อสรุปนี้ได้มาจากการทดลองศึกษาคลื่นแผ่นดินไหวที่เกิดใกล้หมู่เกาะ South Sandwich ซึ่งนักทดลองได้บันทึกในช่วงปี 1991-2023 และข้อมูลนี้ได้รับการยืนยันโดยนักทดลองกลุ่มอื่นด้วยว่า แก่นในหมุนค่อนข้างเร็วในช่วงปี 2003-2008 แต่จากปี 2008-2023 แก่นในได้หมุนกลับทิศ นั่นคือ แก่นในมีการหมุนแบบกลับไปกลับมา
การรายงานการวิจัยในวารสาร Nature Geoscience ในปี 2025 โดยทีมวิจัยของ Wei Wang เดียวกันนี้ ได้พบว่า แก่นกลางไม่เพียงแต่จะหมุนรอบตัวเองเท่านั้น แต่ผิวของแก่นกลางก็ยังไม่กลมดิก คือ มีการบิดเบี้ยวที่ผิวด้วย โดยเฉพาะที่บริเวณรอยต่อระหว่างผิวของแข็งกับผิวของเหลว เมื่อเหล็ก ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของแก่นกลางมีการแข็งตัวและมีการหลอมตัว ณ เวลาต่างกัน ดังนั้นทีมนักวิจัยจึงได้เสนอให้ความเห็นว่า การเปลี่ยนรูปทรงของแก่นกลางที่เรารู้ ได้จากการศึกษารูปลักษณะของคลื่นแผ่นดินไหว แสดงให้เห็นอีกว่าผิวของแก่นกลางมิได้คงรูป คือ มีการละลายและแข็งตัวแบบยุบหนอ พองหนอ ตามกาลเวลา
กระนั้นก็ตาม ข้อมูลทั้งหมดก็ตอกย้ำว่า แก่นกลางในภาพรวมเป็นของแข็ง โดยอุณหภูมิที่ผิวของแก่นกลางมีค่าสูงเท่ากับอุณหภูมิที่ผิวของดวงอาทิตย์ และอุณหภูมิที่มากมหาศาลนี้ ก็คือเหตุผลเดียวที่ทำให้ผิวของแก่นกลางเป็นของแข็งอยู่ได้ โดยสัมผัสติดกับผิวของของเหลวที่แก่นกลางภายนอก
ดังนั้นข้อมูลเหล่านี้ จึงยังขาดรายละเอียด เช่น อุณหภูมิและพฤติกรรมที่แท้จริง ณ บริเวณรอยต่อระหว่างผิวที่เป็นของแข็งกับของเหลว และนั่นคือเรื่องที่นักธรณีฟิสิกส์ต้องศึกษาต่อไปในอนาคต
อ่านเพิ่มเติมจาก Stixrude, Lars; Cohen, R.E. (January 15, 1995). "Constraints on the crystalline structure of the inner core: Mechanical instability of BCC iron at high pressure". Geophysical Research Letters. 22 (2): 125–28. Bibcode:1995GeoRL..22..125S. doi:10.1029/94GL02742. Archived from the original on August 8, 2022. Retrieved January 2, 2019
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ,นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน,ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
