โครงสร้างโลก

การศึกษาโครงสร้างโลก

การศึกษาโครงสร้างภายในของโลก โดยศึกษาการเดินทางของ “คลื่นซิสมิค” (Seismic waves) ซึ่งมี 2 ลักษณะ คือ

คลื่นปฐมภูมิ (P wave) เป็นคลื่นตามยาวที่เกิดจากความไหวสะเทือนในตัวกลาง โดยอนุภาคของตัวกลางนั้นเกิดการเคลื่อนไหวแบบอัดขยายในแนวเดียวกับที่คลื่น ส่งผ่านไป คลื่นนี้สามารถเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่เป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซ เป็นคลื่นที่สถานีวัดแรงสั่นสะเทือนสามารถรับได้ก่อนชนิดอื่น โดยมีความเร็วประมาณ 6 – 8 กิโลเมตร/วินาที คลื่นปฐมภูมิทำให้เกิดการอัดหรือขยายตัวของชั้นหิน ดังภาพที่ 3
คลื่นทุติยภูมิ (S wave) เป็น คลื่นตามขวางที่เกิดจากความไหวสะเทือนในตัวกลางโดยอนุภาคของตัวกลางเคลื่อน ไหวตั้งฉากกับทิศทางที่คลื่นผ่าน มีทั้งแนวตั้งและแนวนอน คลื่นชนิดนี้ผ่านได้เฉพาะตัวกลางที่เป็นของแข็งเท่านั้น ไม่สามารถเดินทางผ่านของเหลว คลื่นทุติยภูมิมีความเร็วประมาณ 3 – 4 กิโลเมตร/วินาที คลื่นทุติยภูมิทำให้ชั้นหินเกิดการคดโค้ง
ขณะที่เกิด แผ่นดินไหว (Earthquake) จะเกิดแรงสั่นสะเทือนหรือคลื่นซิสมิคขยายแผ่จากศูนย์เกิดแผ่นดินไหวออกไปโดย รอบทุกทิศทุกทาง เนื่องจากวัสดุภายในของโลกมีความหนาแน่นไม่เท่ากัน และมีสถานะต่างกัน คลื่นทั้งสองจึงมีความเร็วและทิศทางที่เปลี่ยนแปลงไปดังภาพที่ 4 คลื่นปฐมภูมิหรือ P wave สามารถเดินทางผ่านศูนย์กลางของโลกไปยังซีกโลกตรงข้ามโดยมีเขตอับ (Shadow zone) อยู่ระหว่างมุม 100 – 140 องศา แต่คลื่นทุติยภูมิ หรือ S wave ไม่สามารถเดินทางผ่านชั้นของเหลวได้ จึงปรากฏแต่บนซีกโลกเดียวกับจุดเกิดแผ่นดินไหว โดยมีเขตอับอยู่ที่มุม 120 องศาเป็นต้นไป

ภาพคลื่นปฐมภูมิ (P wave) และคลื่นทุติยภูมิ (S wave)

ภาพการเดินทางของ P wave

และ S wave ขณะเกิดแผ่นดินไหว

การแบ่งโครงสร้างโลก

โครงสร้างของโลกตามลักษณะมวลสารเป็นชั้นใหญ่ 3 ชั้น คือ ชั้นเปลือกโลก เนื้อโลก และแก่นโลก

รูปแสดงโครงสร้างทั้งชั้นนอกและชั้นใน

เปลือกโลก (crust) เป็นชั้นนอกสุดของโลกที่มีความหนาประมาณ 60-70 กิโลเมตร ซึ่งถือว่าเป็นชั้นที่บางที่สุดเมื่อเปรียบกับชั้นอื่นๆ เสมือนเปลือกไข่ไก่หรือเปลือกหัวหอม เปลือกโลกประกอบไปด้วยแผ่นดินและแผ่นน้ำ ซึ่งเปลือกโลกส่วนที่บางที่สุดคือส่วนที่อยู่ใต้มหาสมุทร ส่วนเปลือกโลกที่หนาที่สุดคือเปลือกโลกส่วนที่รองรับทวีปที่มีเทือกเขาที่ สูงที่สุดอยู่ด้วย นอกจากนี้เปลือกโลกยังสามารถแบ่งออกเป็น 2 ชั้นคือ
* ชั้นที่หนึ่ง: ชั้นหินไซอัล (sial) เป็นเปลือกโลกชั้นบนสุด ประกอบด้วยแร่ซิลิกาและอะลูมินาซึ่งเป็นหินแกรนิตชนิดหนึ่ง สำหรับบริเวณผิวของชั้นนี้จะเป็นหินตะกอน ชั้นหินไซอัลนี้มีเฉพาะเปลือกโลกส่วนที่เป็นทวีปเท่านั้น ส่วนเปลือกโลกที่อยู่ใต้ทะเลและมหาสมุทรจะไม่มีหินชั้นนี้
* ชั้นที่สอง: ชั้นหินไซมา (sima) เป็นชั้นที่อยู่ใต้หินชั้นไซอัลลงไป ส่วนใหญ่เป็นหินบะซอลต์ประกอบด้วยแร่ซิลิกา เหล็กออกไซด์และแมกนีเซียม ชั้นหินไซมานี้ห่อหุ้มทั่วทั้งพื้นโลกอยู่ในทะเลและมหาสมุทร ซึ่งต่างจากหินชั้นไซอัลที่ปกคลุมเฉพาะส่วนที่เป็นทวีป และยังมีความหนาแน่นมากกว่าชั้นหินไซอัล

ชั้นเนื้อโลก (mantle) อยู่ถัดลงไปจากชั้นเปลือกโลก ส่วนมากเป็นของแข็ง มีความลึกประมาณ 2,900 กิโลเมตรนับจากฐานล่างสุดของเปลือกโลกจนถึงตอนบนของแก่นโลก เป็นหินหนืด ร้อนจัด ประกอบด้วยธาตุเหล็ก ซิลิคอน และอะลูมิเนียม แบ่งเป็น 3 ชั้น คือ
1) ชั้นเนื้อโลกส่วนบน เป็นหินที่เย็นตัวแล้ว บางส่วนมีรอยแตก เนื่องจากความเปราะ ชั้นเนื้อโลก ส่วนบนกับชั้นเปลือกโลกรวมกันเรียกว่า ธรณีภาค (lithosphere) ซึ่งมีรากศัพท์มาจากภาษากรีกที่แปลว่า ชั้นหิน ชั้น
ธรณีภาคมีความหนาประมาณ 100 กิโลเมตรนับจากผิวโลกลงไป
2) ชั้นฐานธรณีภาค (asthenosphere) มีความลึก 1002350 กิโลเมตร เป็นชั้นที่มีแมกมา ซึ่งเป็นหินหนืดหรือหินหลอมละลายร้อน หมุนวนอยู่ภายในโลกอย่างช้าๆ
3) ชั้นเนื้อโลกชั้นล่างสุด อยู่ที่ความลึก 35022,900 กิโลเมตร เป็นชั้นที่เป็นของแข็งร้อนแต่แน่นและหนืดกว่าตอนบน มีอุณหภูมิสูงประมาณ 2,25024,500 องศาเซลเซียส

แมนเทิล
แมนเทิล (mantle หรือ Earth’s mantle) คือชั้นที่อยู่ถัดจากเปลือกโลกลงไป มีความหนาประมาณ 3,000 กิโลเมตร บางส่วนของหินอยู่ในสถานะหลอมเหลวเรียกว่าหินหนืด (Magma) ทำให้ชั้นแมนเทิลนี้มีความร้อนสูงมาก เนื่องจากหินหนืดมีอุณหภูมิประมาณ 800 – 4300°C ซึ่งประกอบด้วยหินอัคนีเป็นส่วนใหญ่ เช่นหินอัลตราเบสิก หินเพริโดไลต์

ชั้นแก่นโลก(core)
ความหนาแน่นของดาวโลกโดยเฉลี่ยคือ 5,515 กก./ลบ.ม. ทำให้มันเป็นดาวเคราะห์ที่หนาแน่นที่สุดในระบบสุริยะ แต่ถ้าวัดเฉพาะความหนาแน่นเฉลี่ยของพื้นผิวโลกแล้ววัดได้เพียงแค่ 3,000 กก./ลบ.ม. เท่านั้น ซึ่งทำให้เกิดข้อสรุปว่า ต้องมีวัตถุอื่นๆ ที่หนาแน่นกว่าอยู่ในแก่นโลกแน่นอน ระหว่างการเกิดขึ้นของโลก ประมาณ 4.5 พันล้านปีมาแล้ว การหลอมละลายอาจทำให้เกิดสสารที่มีความหนาแน่นมากกว่าไหลเข้าไปในแกนกลางของ โลก ในขณะที่สสารที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าคลุมเปลือกโลกอยู่ ซึ่งทำให้แก่นโลก (core) มีองค์ประกอบเป็นธาตุเหล็กถึง 80%, รวมถึงนิกเกิลและธาตุที่มีน้ำหนักที่เบากว่าอื่นๆ แต่ในขณะที่สสารที่มีความหนาแน่นสูงอื่นๆ เช่นตะกั่วและยูเรเนียม มีอยู่น้อยเกินกว่าที่จะผสานรวมเข้ากับธาตุที่เบากว่าได้ และทำให้สสารเหล่านั้นคงที่อยู่บนเปลือกโลก แก่นโลกแบ่งได้ออกเป็น 2 ชั้นได้แก่

แก่นโลกชั้นนอก (outer core) มีความหนาจากผิวโลกประมาณ 2,900 – 5,000 กิโลเมตร ประกอบด้วยธาตุเหล็กและนิกเกิลในสภาพที่หลอมละลาย และมีความร้อนสูง มีอุณหภูมิประมาณ 6200 – 6400 มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ 12.0 และส่วนนี้มีสถานะเป็นของเหลว

แก่นโลกชั้นใน (inner core) เป็นส่วนที่อยู่ใจกลางโลกพอดี มีรัศมีประมาณ 1,000 กิโลเมตร มีอุณหภูมิประมาณ 4,300 – 6,200 และมีความกดดันมหาศาล ทำให้ส่วนนี้จึงมีสถานะเป็นของแข็ง ประกอบด้วยธาตุเหล็กและนิกเกิลที่อยู่ในสภาพที่เป็นของแข็ง มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ 17.0

โครงสร้างภายในของโลกแบ่งตามคุณสมบัติทางกายภาพ

นักธรณีวิทยา แบ่งโครงสร้างภายในของโลกออกเป็น 5 ส่วน โดยพิจารณาจากคุณสมบัติทางกายภาพ ดังนี้

ลิโทสเฟียร์ (Lithosphere) คือ ส่วนชั้นนอกสุดของโลก ประกอบด้วย เปลือกโลกและแมนเทิลชั้นบนสุด ดังนี้
                    o เปลือกทวีป (Continental crust) ส่วนใหญ่เป็นหินแกรนิตมีความหนาเฉลี่ย 35 กิโลเมตร ความหนาแน่น 2.7 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร
                    o เปลือกสมุทร (Oceanic crust) เป็นหินบะซอลต์ความหนาเฉลี่ย 5 กิโลเมตร ความหนาแน่น 3 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร (มากกว่าเปลือกทวีป)
                    o แมนเทิลชั้นบนสุด (Uppermost mantle) เป็นวัตถุแข็งซึ่งรองรับเปลือกทวีปและเปลือกสมุทรอยู่ลึกลงมาถึงระดับลึก 100 กิโลเมตร

แอสทีโนสเฟียร์ (Asthenosphere) เป็นแมนเทิลชั้นบนซึ่งอยู่ใต้ลิโทสเฟียร์ลงมาจนถึงระดับ 700 กิโลเมตร เป็นวัสดุเนื้ออ่อนอุณหภูมิประมาณ 600 – 1,000ฐC เคลื่อนที่ด้วยกลไกการพาความร้อน (Convection) มีความหนาแน่นประมาณ 3.3 กรัม/เซนติเมตร

เมโซสเฟียร์ (Mesosphere) เป็นแมนเทิลชั้นล่างซึ่งอยู่ลึกลงไปจนถึงระดับ 2,900 กิโลเมตร มีสถานะเป็นของแข็งอุณหภูมิประมาณ 1,000 – 3,500ฐC มีความหนาแน่นประมาณ 5.5 กรัม/เซนติเมตร

แก่นชั้นนอก (Outer core) อยู่ลึกลงไปถึงระดับ 5,150 กิโลเมตร เป็นเหล็กหลอมละลายมีอุณหภูมิสูง 1,000 – 3,500ฐC เคลื่อนตัวด้วยกลไกการพาความร้อนทำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลก มีความหนาแน่น 10 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร

แก่นชั้นใน (Inner core) เป็นเหล็กและนิเกิลในสถานะของแข็งซึ่งมีอุณหภูมิสูงถึง 5,000

องศาเซลเซียส ความหนาแน่น 12 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร จุดศูนย์กลางของโลกอยู่ที่ระดับลึก 6,370 กิโลเมตร

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

แกนแม่เหล็กโลก

อย่างไรก็ตามแกนแม่เหล็กโลกและแกนหมุนของโลกมิใช่แกนเดียวกัน แกนแม่เหล็กโลกมีขั้วเหนืออยู่ทางด้านใต้ และมีแกนใต้อยู่ทางด้านเหนือ แกนแม่เหล็กโลกเอียงทำมุมกับแกนเหนือ-ใต้ทางภูมิศาสตร์ (แกนหมุนของโลก) 12 องศา

สนามแม่เหล็กโลก

สนามแม่เหล็กโลกก็มิใช่เป็นรูปทรงกลม (ภาพที่ 8) อิทธิพลของลมสุริยะทำให้ด้านที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มีความกว้างน้อยกว่าด้านตรงข้ามดวงอาทิตย์ สนามแม่เหล็กโลกไม่ใช่สิ่งคงที่ แต่มีการเปลี่ยนแปลงความเข้มและสลับขั้วเหนือ-ใต้ ทุกๆ หนึ่งหมื่นปี ในปัจจุบันสนามแม่เหล็กโลกอยู่ในช่วงที่มีกำลังอ่อน สนามแม่เหล็กโลกเป็นสิ่งที่จำเป็นที่เอื้ออำนวยในการดำรงชีวิต หากปราศจากสนามแม่เหล็กโลกแล้ว อนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์และอวกาศ จะพุ่งชนพื้นผิวโลก ทำให้สิ่งมีชีวิตไม่สามารถดำรงอยู่ได้

สภาพบรรยากาศ

สภาพอากาศของโลก คือ การถูกห่อหุ้มด้วยชั้นบรรยากาศ ซึ่งมีทั้งหมด 5 ชั้น ได้แก่

โทรโพสเฟียร์ เริ่มตั้งแต่ 0-10 กิโลเมตรจากผิวโลก บรรยกาศมีไอน้ำ เมฆ หมอกซึ่งมีความหนาแน่นมาก และมีการแปรปรวนของอากาศอยู่ตลอดเวลา
สตราโตสเฟียร์ เริ่มตั้งแต่ 10-35 กิโลเมตรจากผิวโลก บรรยากาศชั้นนี้แถบจะไม่เปลื่ยนแปลงจากโทรโพสเฟียร์ยกเว้นมีผงฟุ่นเพิ่มมา เล็กน้อย
เมโสสเฟียร์ เริ่มตั้งแต่35-80 กิโลเมตร จากผิวโลก บรรยากาศมีก๊าซโอโซนอยู่มากซึ่งจะช่วยสกัดแสงอัลตร้า ไวโอเรต (UV) จาก ดวงอาทิตย์ไม่ให้มาถึงพื้นโลกมากเกินไป
ไอโอโนสเฟียร์ เริ่มตั้งแต่ 80-600 กิโลเมตร จากผิวโลก บรรยากาศมีออกซิเจน จางมากไม่เหมาะกับมนุษย์
เอกโซสเฟียร์ เริ่มตั้งแต่ 600กิโลเมตรขึ้นไปจากผิวโลก บรรยากาศมีออกซิเจนจางมากๆ และมีก๊าซฮีเลียมและไฮโดรเจนอยู่เป็นส่วนมาก โดยมีชั้นติดต่อกับอวกาศ

โลกมีอุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียส โดยเฉลี่ย

รูปร่าง

โลกมีรูปทรงกระบอกแบนขั้ว หมายความว่ามีรูปทรงกระบอกแต่บริเวณขั้วโลกทั้งสองแบนเล็กน้อย และโป่งออกทางเส้นศูนย์สูตร ความยาวรอบโลกประมาณ 40,000 กิโลเมตร มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 12,700 กิโลเมตร จุดที่สูงที่สุดบนพื้นโลกคือ ยอดเขาเอเวอร์เรสต์ ซึ่งมีความสูง 8,848 เมตรจากระดับน้ำทะเล ส่วนจุดที่ลึกที่สุดในโลกคือ ร่องลึกก้นสมุทรมาเรียนา ซึ่งมีความลึก 10,911 เมตรจากระดับน้ำทะเล เนื่องจากโลกมีลักษณะโป่งออกทางตอนกลางคือเส้นศูนย์สูตร ทำให้จุดที่ห่างไกลจากจุดศูนย์กลางโลกคือยอดเขาชิมโบราโซ ในประเทศเอกวาดอร์