เจาะลึกแก่นโลกชั้นใน “เย็นตัว-หยุดหมุน-เปลี่ยนทิศ” ได้อย่างไร

โครงสร้างทางธรณีวิทยาภายในโลกของเรานั้น แทบไม่ต่างจากหอมหัวใหญ่ที่สามารถลอกเปลือกและเนื้อในออกมาได้เป็นชั้น ๆ แต่โครงสร้างที่ลึกลับเป็นปริศนามากที่สุด เห็นจะได้แก่แก่นโลกชั้นใน (inner core) ซึ่งอยู่ลึกลงไปใต้พื้นผิวโลกประมาณ 5,000 - 6,000 กิโลเมตร

ล่าสุดทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยปักกิ่งของจีน ได้ตีพิมพ์ผลวิเคราะห์ข้อมูลจากบันทึกคลื่นสั่นสะเทือนหรือคลื่นแผ่นดินไหวในอดีตหลายสิบปีก่อน ลงในวารสาร Nature Geoscience โดยพบว่าเมื่อไม่นานมานี้แก่นโลกชั้นในได้หยุดหมุนลงและเริ่มกลับทิศการหมุนไปในทางตรงกันข้าม เหมือนกับเหตุการณ์ในภาพยนตร์แนววันสิ้นโลกซึ่งเกิดหายนะครั้งใหญ่เมื่อแก่นโลกหยุดเคลื่อนไหว

นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ทราบแน่ชัดว่า ปรากฏการณ์ที่ไม่คาดฝันนี้จะส่งผลสะเทือนต่อโครงสร้างโดยรวมของโลก รวมทั้งธรรมชาติและสิ่งแวดล้อมบนพื้นผิวโลก ซึ่งมีความสำคัญยิ่งยวดต่อการดำรงชีวิตของมนุษย์เราอย่างไรบ้าง

รู้จักแก่นโลกชั้นใน

แก่นโลกชั้นในเป็นลูกเหล็กร้อนทรงกลมที่มีส่วนผสมของนิกเกิล (Ni) ปนอยู่ด้วย มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1,220 กิโลเมตร ตรงรอยต่อระหว่างแก่นโลกชั้นนอกที่เป็นโลหะหลอมเหลวกับผิวของแก่นโลกชั้นในที่แข็งกว่า มีอุณหภูมิสูงถึง 6,000 องศาเซลเซียส ร้อนแรงเทียบเท่าพื้นผิวด้านนอกของดวงอาทิตย์เลยทีเดียว

ความร้อนภายในแก่นโลกนี้ มาจากการสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสีเช่นโพแทสเซียม-40, ทอเรียม-232, ยูเรเนียม-235, และยูเรเนียม-238 ซึ่งโลกได้รับมาในปริมาณมหาศาล ขณะเริ่มก่อตัวขึ้นจากเศษหินและฝุ่นในห้วงอวกาศเมื่อหลายพันล้านปีก่อน

การที่แก่นโลกทั้งชั้นนอกและชั้นในร้อนจัด ทำให้เกิดการถ่ายโอนความร้อนไปสู่เนื้อโลก (mantle) ซึ่งมีทั้งหินหลอมละลายและหินแข็งอยู่ปะปนกัน จนเกิดกระแสไหลเวียนที่ผลักดันให้เปลือกโลกขยับเขยื้อน เกิดเป็นแผ่นดินไหวและการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาที่ส่งผลต่อสภาพภูมิประเทศของผืนทวีปและมหาสมุทร

สนามแม่เหล็กโลกที่ห่อหุ้มคุ้มครองสิ่งมีชีวิตจากรังสีอันตรายในห้วงอวกาศ ยังเกิดขึ้นจากการไหลเวียนของเหล็กหลอมเหลวในแก่นโลกชั้นนอก รวมทั้งการหมุนของแก่นโลกชั้นในที่หมุนได้อย่างอิสระแทบไร้แรงเสียดทาน โดยจะหมุนเร็วกว่าชั้นเนื้อโลกและเปลือกโลกเล็กน้อย ทำให้ใน 1 ปี ตำแหน่งการหมุนของมันจะล้ำหน้าไปไกลกว่าพื้นผิวโลกด้านบนที่เราอาศัยอยู่ราว 1 องศาลองจิจูด

ความเปลี่ยนแปลงที่ชาวโลกห่วงกังวล

แม้แก่นโลกที่ร้อนแรงจะต้องเย็นตัวลงตามธรรมชาติ เมื่อกาลเวลาผ่านไปหลายพันล้านปีนับแต่โลกได้ถือกำเนิดขึ้น แต่หลายคนก็อดที่จะเป็นห่วงไม่ได้ว่า ปรากฏการณ์ที่แก่นโลกหยุดหมุนจนนิ่งสนิทเนื่องจากขาดความร้อนมาขับเคลื่อน จะเกิดขึ้นเร็วกว่าที่คาดการณ์ไว้

เหตุการณ์ดังกล่าวจะทำให้สนามแม่เหล็กที่เป็นเกราะคุ้มกันโลกหายไป ส่วนเสถียรภาพของอุณหภูมิรวมทั้งวงจรคาร์บอนของโลกก็จะถูกทำลาย โดยเมื่อปีที่แล้วสถาบัน ETH Zurich ของสวิตเซอร์แลนด์ ชี้ว่าอัตราการสูญเสียความร้อนจากแก่นโลกสู่เนื้อโลกในปัจจุบัน สูงขึ้นกว่าประมาณการเดิมอย่างน้อย 1.5 เท่า

สำหรับงานวิจัยล่าสุดจากมหาวิทยาลัยปักกิ่ง ซึ่งเผยผลวิเคราะห์คลื่นแผ่นดินไหวที่เคลื่อนผ่านทะลุโครงสร้างชั้นในของโลกนั้น ได้บ่งชี้ถึงความเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญ โดยข้อมูลการหักเหและความเร็วของคลื่นสั่นสะเทือนตลอดช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา แทบจะไม่ปรากฏร่องรอยการเปลี่ยนตำแหน่งของแก่นโลกชั้นในเลยนับตั้งแต่ปี 2009

นอกจากนี้ คลื่นแผ่นดินไหวชนิดที่เกิดซ้ำสองครั้งหรือ doublets ซึ่งเดินทางผ่านด้านในของโลกจากแถบมหาสมุทรแอตแลนติกตอนใต้ไปยังอะแลสกา ระหว่างปี 1967-1995 ยังชี้ว่าแก่นโลกชั้นในมีแนวโน้มหมุนช้าลงเรื่อย ๆ และอาจหยุดหมุนไปชั่วคราวในช่วงเวลาราวสิบปีหลังจากนั้น

ทีมผู้วิจัยคาดว่าปรากฏการณ์ดังกล่าวเป็นส่วนหนึ่งของวัฏจักรตามธรรมชาติ ที่แก่นโลกชั้นในจะค่อย ๆ หมุนช้าลงจนนิ่งสนิทไประยะหนึ่ง ก่อนจะเริ่มเปลี่ยนทิศทางการหมุนโดยเพิ่มความเร็วขึ้นอีกครั้งไปในฝั่งตรงกันข้าม ซึ่งวงจรการเปลี่ยนแปลงทิศทางในแต่ละด้านจะเกิดขึ้นสลับกันไป โดยแต่ละครั้งจะดำเนินไปจนครบรอบทุก 60-70 ปี

ผลคำนวณของทีมผู้วิจัยชี้ว่า ความเปลี่ยนแปลงข้างต้นเกิดจากการเสียสมดุลเล็กน้อย ระหว่างแรงบิดของแม่เหล็กไฟฟ้าจากแก่นโลกชั้นนอกกับแรงโน้มถ่วงจากชั้นเนื้อโลก ซึ่งต่างก็เป็นแรงในธรรมชาติที่มากระทำต่อแก่นโลกชั้นในให้เกิดการหมุนขึ้น

แม้วัฏจักรการหมุนของแก่นโลกชั้นในจะเคยเกิดความผันผวนมาแล้วหลายครั้งในอดีต แต่ก็ยังไม่เคยปรากฏหลักฐานที่ชัดเจนว่ามีเหตุหายนะล้างโลกเกิดขึ้นติดตามมาแต่อย่างใด

อย่างไรก็ตามทีมผู้วิจัยของมหาวิทยาลัยปักกิ่งพบว่า วัฏจักรใต้พิภพดังกล่าวสอดคล้องกับวงจรความเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นบนพื้นโลกหลายอย่าง เช่นความสั้นยาวของวันและความเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กโลก ซึ่งจะเวียนมาครบรอบในทุก 60-70 ปีเช่นกัน

ส่วนวงจรความเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศที่ผ่านมา ซึ่งรวมถึงอุณหภูมิเฉลี่ยของโลกและการเพิ่มสูงขึ้นหรือลดต่ำลงของระดับน้ำทะเล ก็ดูจะสอดคล้องกับวัฏจักรการหมุนของแก่นโลกชั้นในอย่างน่าประหลาด

ทีมผู้วิจัยกล่าวสรุปว่า ผลการศึกษาของพวกเขาในครั้งนี้ชี้ถึงการมีอยู่ของ “ระบบการสั่นพ้องที่เกิดขึ้นโดยสอดประสานกันทั่วโครงสร้างทุกชั้น เสมือนว่าโลกทั้งใบกำลังฮัมเพลงด้วยท่วงทำนองเดียวกัน”

องค์ความรู้ใหม่เกี่ยวกับแก่นโลกชั้นใน

เมื่อช่วงต้นปี 2021 ทีมนักธรณีฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย (ANU) ค้นพบหลักฐานที่พิสูจน์ถึงการมีอยู่ของโครงสร้างโลกชั้นที่ 5 ซึ่งเป็นโครงสร้างใหม่ที่ซ่อนอยู่ลึกลงไปภายใต้แก่นโลกชั้นใน

แก่นโลกชั้นในสุดที่ค้นพบใหม่นี้ มีองค์ประกอบเป็นโลหะที่แตกต่างออกไปจากแก่นโลกชั้นในเดิม โดยสันนิษฐานว่าอาจเป็นเหล็กที่มีการจัดเรียงตัวของผลึกโลหะแตกต่างไปจากแก่นโลกชั้นอื่น ๆ

ส่วนผลการศึกษาเมื่อปี 2022 โดยสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน (CAS) ชี้ว่าเหล็กบางส่วนของแก่นโลกชั้นในมีสถานะพิเศษที่ไม่ได้เป็นทั้งของแข็งหรือของเหลว แต่เป็นเหล็กอัลลอยในสถานะ “ซูเปอร์ไอออนิก” (superionic state) ซึ่งเป็นสถานะกึ่งกลางระหว่างสสารสองสถานะข้างต้น

ความพิเศษดังกล่าวทำให้แก่นโลกชั้นในมีเนื้อนิ่มกว่าที่ก้อนเหล็กแข็งล้วนควรจะเป็น ทั้งมีความหนาแน่นต่ำกว่าที่เคยคาดกันเอาไว้ อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถอธิบายได้ว่า เหตุใดแก่นโลกชั้นในจึงไม่เป็นเนื้อเดียวกันอย่างสม่ำเสมอทั้งหมด