โครงสร้างของโลก ที่เราอาศัยอยู่ประกอบไปด้วยชั้นต่างๆ ที่อยู่ลึกลงไปจนถึงแกนกลาง เป็นเรื่องที่มนุษย์พยายามศึกษาต้นกำเนิดที่ความเป็นไปของดาวเคราะห์สีฟ้าดวงนี้
โครงสร้างของโลก
หลังการถือกำเนิดเมื่อกว่า 4,500 ล้านปีที่แล้ว โลก (Earth) ผ่านการปะทะและหลอมรวมกันของสสาร กลุ่มก๊าซ และธาตุต่างๆ มากมาย จากเศษซากการกำเนิดของดวงอาทิตย์ในระบบสุริยะ จนมีมวล ขนาดและรูปร่างอย่างที่เราเห็นอยู่ในปัจจุบัน แต่ความเคลื่อนไหวและการเปลี่ยนแปลงภายในดาวเคราะห์หินดวงนี้ไม่เคยหยุดนิ่ง
การเปลี่ยนแปลงที่ก่อให้เกิดทั้งประโยชน์และอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต ดังนั้น โครงสร้างของโลก และองค์ประกอบภายใน จึงยังคงเป็นหัวข้อสำคัญ สำหรับนักวิทยาศาสตร์ในการศึกษาและทำความเข้าใจต่อดาวเคราะห์ดวงเดียวในจักรวาล ณ ขณะนี้ ที่มีปัจจัยสมบูรณ์ต่อการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิต
การศึกษาโครงสร้างโลก
มนุษย์ทำการศึกษาโครงสร้างภายในของโลกผ่านการสังเกต การเก็บหลักฐาน และการทดลองทางวิทยาศาสตร์มากมาย เช่น การศึกษาผ่านหินแปลกปลอม (Xenolith) ซึ่งถูกนำพาขึ้นมาบนผิวโลกพร้อมกับลาวา จากการปะทุ หรือการระเบิดของภูเขาไฟ การขุดเจาะและการสำรวจใต้พิภพ และภายใต้พื้นดินที่ลึกลงไปนี้ องค์ประกอบบางส่วนของโลกยังคงเป็นหินหลอมเหลวอยู่ รวมถึงการศึกษาหินอุกกาบาต (Meteorite) ซึ่งเป็นวัตถุที่เหลือจากการกำเนิดของระบบสุริยะ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าส่วนหนึ่งของวัตถุก่อกำเนิดนี้ ทำให้โลกของเรามีเหล็ก (Fe) และนิกเกิล (Ni) เป็นองค์ประกอบหลัก
อ่านเพิ่มเติมเรื่อง ดาวฤกษ์
นอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังได้นำคลื่นไหวสะท้อน (Seismic waves) เพื่อศึกษาโครงสร้างภายในของโลก คลื่นไหวสะท้อน คือ คลื่นกลที่เกิดจากแรงสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหว รวมถึงแรงสั่นสะเทือนจากการระเบิด การเคลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลก และแรงสั่นสะเทือนที่มนุษย์สร้างขึ้น โดยที่คลื่นไหวสะท้อนนี้ สามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ
- คลื่นในตัวกลาง (Body wave) คือ คลื่นที่สามารถเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง หรือ คลื่นที่สามารถเดินทางผ่านเข้าไปในเนื้อโลกได้ในทุกทิศทาง ประกอบไปด้วย
- คลื่นปฐมภูมิ (Primary wave: P wave) คือ คลื่นตามยาวที่สามารถเคลื่อนผ่านตัวกลางได้ทุกสถานะ ทั้งตัวกลางที่เป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ คลื่นปฐมภูมิเป็นคลื่นไหวสะท้อนที่มีความเร็วสูงสุด (ราว 7 กิโลเมตร/วินาที) ส่งผลให้สถานีวัดแรงสั่นสะเทือนสามารถตรวจรับได้ก่อนคลื่นชนิดอื่น
- คลื่นทุติยภูมิ (Secondary wave: S wave) คือ คลื่นตามขวางที่สามารถเคลื่อนที่ผ่านได้เฉพาะตัวกลางที่เป็นของแข็ง มีความเร็วต่ำ (ราว 4 กิโลเมตร/วินาที)
- คลื่นพื้นผิว (Surface wave) เป็นคลื่นที่เคลื่อนที่บนพื้นผิวโลกเท่านั้น และเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่ำกว่าคลื่นในตัวกลาง
ทั้งนี้ การศึกษาโครงสร้างของโลกนั้น ใช้คุณสมบัติของคลื่นในตัวกลางเป็นหลัก ซึ่งเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างชนิดกันที่มีความหนาแน่นต่างกัน จะทำให้คลื่นเกิดการเปลี่ยนแปลง ทั้งอัตราเร็ว การหักเหและการสะท้อน ดังนั้น หากโลกเป็นเนื้อเดียวกันทั้งหมด คลื่นจะมีความเร็วคงที่และเป็นเส้นตรง แต่จากการใช้คลื่นไหวสะท้อนสำรวจโครงสร้างของโลก คลื่นไม่ได้เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง และมีบางพื้นที่ที่ไม่สามารถรับคลื่นทั้ง 2 นี้ได้ หรือ ที่เรียกว่า “เขตอับคลื่น” (Shadow zone) ซึ่งเป็นผลจากการสะท้อนและหักเหของคลื่น ทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อสรุปว่า โลกไม่ได้เป็นเนื้อเดียวกันและไม่ได้เป็นของแข็งทั้งหมด
การแบ่งชั้นโครงสร้างของโลก
จากการศึกษาหลักฐานทางธรณีวิทยาและผลของคลื่นไหวสะท้อน ทำให้นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าโลกสามารถแบ่งโครงสร้างออกเป็นชั้น ตามคุณสมบัติทางกายภาพและองค์ประกอบทางเคมี รวมถึงองค์ประกอบของธาตุและสารประกอบ ซึ่งแยกอยู่ในแต่ละชั้นใต้ผิวโลกตามความหนาแน่นที่แตกต่างกัน โดยมีธาตุที่หนักกว่าจมอยู่ลึกลงไปในแก่นโลก เช่น เหล็ก (Fe) และนิกเกิล (Ni) ส่วนธาตุที่เบากว่า เช่น ออกซิเจน (O) ซิลิคอน (Si) และแมกนีเซียม (Mg) กลายเป็นองค์ประกอบหลักในพื้นผิวชั้นนอกของโลก นักวิทยาศาสตร์จึงใช้องค์ประกอบนี้ แบ่งโครงสร้างภายในของโลกออกเป็น 3 ชั้นหลัก ได้แก่
1. เปลือกโลก (Crust) คือ พื้นผิวด้านนอกสุด มีความหนาราว 5 ถึง 70 กิโลเมตร ตามลักษณะภูมิประเทศ เช่น พื้นที่ราบ และเทือกเขาสูง เปลือกโลกเป็นชั้นที่บางที่สุดในชั้นโครงสร้างของโลก มีองค์ประกอบหลัก คือ ซิลิคอน (Si) และอะลูมิเนียม (Al) โดยเปลือกโลกนั้น ประกอบไปด้วย เปลือกโลกทวีป (Continental crust) และเปลือกโลกมหาสมุทร (Oceanic crust) หรือ ส่วนพื้นผิวโลกที่อยู่ใต้ท้องทะเล ซึ่งมีความหนาเพียง 5 ถึง 10 กิโลเมตร แต่เปลือกโลกมหาสมุทรมีความหนาแน่นมากกว่าเปลือกโลกทวีป ส่งผลให้เมื่อเปลือกโลกทั้ง 2 ชนกัน เปลือกโลกมหาสมุทรจะจมลง
2. เนื้อโลก (Mantle) คือ ชั้นใต้เปลือกโลกจนถึงที่ระดับความลึก 2,900 กิโลเมตร มีองค์ประกอบหลักเป็น ซิลิคอน (Si) แมกนีเซียม (Mg) และเหล็ก (Fe) โดยระหว่างเนื้อโลก มีชั้นการเปลี่ยนแปลง (Transition Zone) แทรกอยู่ ซึ่งทำให้เนื้อโลกแยกออกเป็น 2 ส่วน ได้แก่
- เนื้อโลกชั้นบน (Upper mantle) แบ่งออกเป็น 2 ส่วนย่อย คือ หินเนื้อแข็งในเนื้อโลกชั้นบนตอนบน ซึ่งเป็นฐานรองรับเปลือกโลกส่วนทวีป ที่เรียกรวมกันว่า ธรณีภาค (Lithosphere) แต่มีหินหลอมเหลวหรือหินหนืด (Magma) ในเนื้อโลกชั้นบนตอนล่าง ที่เรียกกันว่า ฐานธรณีภาค (Asthenosphere)
- เนื้อโลกชั้นล่าง (Lower mantle) มีสถานะเป็นของแข็ง หรือที่เรียกว่า มัชฌิมภาค (Mesosphere) ที่ระดับความลึก 700 ถึง 2,900 กิโลเมตร
อ่านเพิ่มเติมเรื่อง องค์ประกอบหลักของโลก
3. แก่นโลก (Core) คือ โครงสร้างโลกชั้นในสุดอยู่ที่ระดับความลึก 2,900 กิโลเมตร จนถึงใจกลางโลก หรือ แก่นโลกชั้นใน (Inner core) โดยมีเหล็ก (Fe) และนิกเกิล (Ni) เป็นองค์ประกอบหลัก แก่นโลกมีรัศมีประมาณ 3,485 กิโลเมตร และมีอุณหภูมิราว 6,000 องศาเซลเซียส ซึ่งสามารถหลอมเหล็ก (Fe) และนิกเกิล (Ni) เป็นของเหลวได้ แต่ด้วยแรงดันมหาศาล ทำให้ใจกลางของโลกเป็นของแข็ง โดยมีเหล็ก (Fe) ในสถานะของเหลวเคลื่อนที่ล้อมรอบในบริเวณแก่นโลกชั้นนอก (Outer core) ซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าด้วยการพาความร้อน และการเคลื่อนที่นี้ ยังก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กโลก (Magnetic field) อีกด้วย