วิทยาศาสตร์พื้นพิภพ บทที่ 1

สึนามิ

Tsunami (สึนามิ) เป็นคลื่นชนิดหนึ่งที่มีความยาวคลื่นค่อนข้างมาก และช่วงห่างระยะเวลาของแต่ละลูกคลื่นยาวนาน เกิดจากการเคลื่อนตัวของพื้นทะเลในแนวดิ่ง จมตัวลงในแนวรอยเลื่อน หรือการที่มวลของน้ำ ถูกกระตุ้นหรือรบกวน โดยการแทนที่ทางแนวดิ่งของมวลวัตถุ สึนามิสัมพันธ์กันกับการเกิดแผ่นดินไหว (earthquakes) แผ่นดินถล่ม (submarine landslides) หรือการระเบิดของภูเขาไฟใต้ทะเล (submarine volcanic eruptions) หรือแม้กระทั่งการกระทบของอนุภาคขนาดใหญ่ เช่น อุกกาบาต ซึ่งเหตุการณ์ทั้งหมดนี้ สามารถก่อให้เกิดคลื่นสึนามิได้

สึนามิ เป็นคำมาจากภาษาญี่ปุ่น ซึ่งแปลเป็นภาษาอังกฤษได้ว่า harbor wave หรือคลื่นที่เข้าสู่อ่าว ฝั่ง หรือ ท่าเรือ โดยที่คำว่า Tsu หมายถึง harbor แปลว่า อ่าว ฝั่ง หรือ ท่าเรือ ส่วนคำว่า Nami หมายถึง คลื่น

เมื่อวันที่ 26 ธันวาคม 2547 ซึ่งมี epicenter ที่มหาสมุทรอินเดีย ทางตะวันตกของเกาะสุมาตราตอนเหนือ ในเวลา 07:58 (ประเทศไทย) ซึ่งมีความรุนแรงในระดับ 8.9 พร้อมกับ aftershock อีกหลายครั้ง ซึ่งมีความแรงในระดับ 6 ถึง 7 ในหลายพื้นที่ ต่อมา เวลาประมาณ 10:45 น. มีผู้รายงานว่าคลื่นขนาดความสูงไม่ต่ำกว่า 4-5 เมตร เข้าสู่ชายฝั่งของไทยและเกาะต่างๆในทะเลอันดามัน ส่งผลให้มีความสูญเสียทั้งชีวิตและทรัพย์สินจำนวนมาก โดยมีผู้รอดชีวิต วิ่งหนีเข้าฝั่งและขึ้นบนเนินที่สูงกว่าคลื่นได้ คลื่นยักษ์ใช้เวลาเดินทางมายังภูเก็ต ประมาณ 2 ชั่วโมง 45 นาที นับจากเวลาที่เกิดเหตุการณ์ครั้งแรก ซึ่งมีความสั่นสะเทีอนส่งไปถึงสถานีวัดต่างๆในสหรัฐอเมริกากว่า 30 สถานี ทำให้สามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำ ว่าจุดเริ่มของเหตุการณ์ (epicenter) อยู่ ณ ที่ใด ทั้งนี้ สถานีวัดความสั่นสะเทือนในสหรัฐส่วนใหญ่ ได้บันทึกความเคลื่อนไหวที่เวลาประมาณ 08:20 (เวลาประเทศไทย)

ส่วนด้านฝั่งตะวันตกของมหาสมุทรอินเดีย มีรายงานความเสียหายจากคลื่นยักษ์อย่างกว้างขวางตั้งแต่ศรีลังกา อินเดียตอนใต้ (รัฐทมิฬนาดู และอันตระประเทศ) ซึ่งมีความสูญเสียมากกว่าฝั่งประเทศไทยและมาเลเซีย ส่วนหมู่เกาะอันดามันและนิโคบาร์ ก็ได้รับรายงานว่ามีความสูญเสียอย่างมากเช่นเดียวกัน ดังภาพที่ 1.12

ภาพที่ 1.12 แสดงอาณาบริเวณที่เกิดแผ่นดินไหว
ที่มา : http://www.nectec.or.th/users/htk/20041226-quake/complete-picture.html

ข้อมูลจากกรมธรณีวิทยา สหรัฐ USGS

แผ่นดินไหวอย่างรุนแรงในวันที่ ๒๖ ธค. ที่ผ่านมานั้น เกิดจากการที่เปลือกโลกสองแผ่น คือแผ่นอินเดียและแผ่นพม่าเคลื่อนตัวเข้าหากัน โดยแผ่นอินเดีย ถูกผลักดันให้เบียดผ่านแผ่นพม่า เมื่อแรงกดดันมีสูงเหนือแรงเสียดทานที่แผ่นดินสองแผ่นครูดเข้าใส่กัน ก็สปริงตัวเคลื่อนไหวอย่างฉับพลัน เพื่อผ่อนคลายแรงเครียดที่สองแผ่นอั้นมานาน

แผ่นอินเดียมุดลงตรงแนวที่เรียกว่า Sunda trench ซึ่งอยู่ทางตะวันตกของจุดศูนย์กลางที่เกิดแผ่นดินไหว Sunda Trench คือแนวร่องที่เปลือกโลกสามแผ่นมาชนกัน คือ แผ่นอินเดียกับแผ่นออสเตรเลีย และแผ่นพม่า เกิดเป็นแนวร่องลึกยาวที่ภาษาทางธรณีวิทยาเรียกว่า trench

บริเวณที่เกิดแผ่นดินไหวนั้น แผ่นอินเดียเคลื่อนตัวด้วยความเร็ว 6 เซ็นติเมตรต่อปี หากถือให้แผ่นพม่าอยู่นิ่งๆ ผลก็คือตรงที่แผ่นเคลื่อนเข้าหากันนั้น ชนกันเป็นแนวเฉียงทแยงขึ้น แรงดันนั้นทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของเปลือกโลกที่แตกออก ห่างไปทางตะวันตก หลายร้อยกิโลเมตร ซึ่งแตกเป็นแนวยาวขนานกับ Sunda Trench การเกิดแผ่นดินไหวครั้งนี้เป็นกระบวนการที่เรียกว่า thrust-faulting ดังภาพที่ 1.13

ภาพที่ 1.13
ที่มา : web1.dara.ac.th/wimweb/general/
การเกิด%20สึนามิ.htm - 46k - 16 มี.ค. 2005

ในบริเวณมหาสมุทรทุกแห่งในโลก มีโอกาสเกิดคลื่นสึนามิได้ แต่ในมหาสมุทรแปซิฟิก และทะเลที่ใกล้ขอบทวีปมีโอกาสเกิดคลื่นสึนามิที่มีขนาดใหญ่ และมีพลังการทำลายสูงมากกว่า เนื่องจากในบริเวณดังกล่าวมีจุดที่เกิดแผ่นดินไหว และการระเบิดของภูเขาไฟบ่อยครั้งมาก โดยเฉพาะบริเวณขอบมหาสมุทรแปซิฟิกที่เรียกว่าวงแหวนไฟ ยกตัวอย่างประเทศที่เสี่ยงต่อการเกิดอันตรายจากสึนามิ ได้แก่ ญี่ปุ่น ฟิลิปปินส์ อินโดนีเซีย นิวซีแลนด์ เปรู เอกัวดอร์ โคลัมเบีย กัวเตมาลา เม็กซิโก คิวบา อลาสกา และแคลิฟอร์เนีย

ภาพที่ 1.14 วงแหวนไฟ (ring of fire) เป็นบริเวณที่มีโอกาสเกิดแผ่นดินไหว และภูเขาไฟระเบิดมากที่สุด
ที่มา : http://pubs.usgs.gov/publications/text/understanding.html#anchor19173262

ทำไมบริเวณใกล้ขอบทวีป จึงมีโอกาสเกิดคลื่นสึนามิมากกว่าบริเวณอื่น

ปัจจัยพื้นฐานที่อาจทำให้เกิดคลื่นสึนามิ มีดังต่อไปนี้

1.โลกของเรามีทั้งส่วนที่เป็นมหาสมุทร และ ทวีป ประกอบไปด้วยแผ่นเปลือกโลก/แผ่นธรณีภาค (plates) เป็นชิ้นๆ ต่อกันอยู่เหมือนจิ๊กซอว์ ดังนั้น plates เหล่านี้จึงมีทั้งแผ่นเปลือกโลกภาคพื้นมหาสมุทร (oceanic plates) และ แผ่นเปลือกโลกภาคพื้นทวีป (continental plates) ซึ่งมีความหนาตั้งแต่ 70 ถึง 250 กิโลเมตร

2. plates เหล่านี้มีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา เนื่องจากมีการหมุนเวียน หรือไหลวนของหินหลอมละลายภายในโลกที่รองรับ plates เหล่านี้อยู่

3. การเคลื่อนที่ของ plates เป็นต้นเหตุของการเกิดแผ่นดินไหวซึ่งยังไม่สามารถบอกล่วงหน้าได้ว่าจะเกิดที่ไหน เมื่อไร และด้วยความรุนแรงเท่าใด

4. บริเวณรอยต่อของ plates ทำให้เกิดภูเขาไฟและแผ่นดินไหวขึ้นบ่อยๆ เรียกว่า วงแหวนไฟ

5.ในมหาสมุทรแปซิฟิก จะถูกล้อมด้วยวงแหวนไฟแสดงว่าใต้พื้นโลกบริเวณดังกล่าวในระดับลึกมีมวลแมกมาจำนวนมากฝังตัวอยู่

การเกิดสึนามิ

คลื่นสึนามิ มักเกิดจากแผ่นดินไหวใต้ทะเล เมื่อเกิดแผ่นดินไหวใต้ทะเล อันเนื่องมาจากแผ่นเปลือกโลก/ธรณีภาค มีการเคลื่อนตัวเกิดรอยเลื่อนทำให้เกิดแรงกระเพื่อมอย่างรุนแรงตรงบริเวณจุดโฟกัสของการเคลื่อนที่ และแรงกระเพื่อมนี้ถูกถ่ายทอดไปสู่น้ำทะเล ทำให้น้ำทะเลเกิดคลื่นใต้น้ำ ซึ่งในระยะแรกในทะเลลึก คลื่นจะมีลักษณะความยาวช่วงคลื่นมาก ความสูงของคลื่นน้อยแพร่ออกไปเป็นวงทุกทิศทาง ด้วยความเร็วประมาณ 700 กิโลเมตร/ชั่วโมง เมื่อคลื่นดังกล่าวเคลื่อนเข้าหาชายฝั่งทะเลที่น้ำตื้นจะมีการเปลี่ยนแปลงความยาวช่วงคลื่นลดลง แต่ความสูงของคลื่นจะเพิ่มขึ้น ทำให้มีพลังทำลายล้างอย่างรุนแรง

ภาพที่1.15 แสดงการมุดตัว (subduction) ของเปลือกโลกภาคพื้นมหาสมุทรลง
ใต้เปลือกโลกภาคพื้นทวีป ทำให้เกิดแผ่นดินไหวในทะเล และเกิดคลื่นสึนามิตามมา

จากภาพจะสังเกตเห็นบริเวณที่เกิดแผ่นดินไหวอันเนื่องมาจาก subduction ซึ่งมีจุดศูนย์กลาง (focus) อยู่ในที่ลึกมาก (วงกลมสีแดง) ลึกปานกลาง (วงกลมสีม่วงเหลือง) และระดับตื้น (วงกลมสีเขียว)

ภาพที่1.16 จุดเริ่ม (trigger) ของการเกิดคลื่นสึนามิ
เนื่องจากเปลือกโลกภาคพื้นมหาสมุทรมุดตัวลงใต้เปลือกโลกภาคพื้นทวีป
ที่มา: http://www.prh.noaa.gov/pr/itic/library/pubs/great_waves/tsunami_great_waves_2.html

กล่าวคือน้ำทะเลเหนือจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวจะถูกดูดลงไปตามแนวมุดตัว แล้วจึงถูกดันขึ้นมาอีกทำให้เกิดการกระเพื่อมขึ้นลง
ของน้ำทะเลเกิดเป็นคลื่นกระจายออกไปทุกทิศทุกทาง

ลักษณะทางกายภาพของคลื่นสึนามิ (physical properties of tsunami)

(แลมดา) หรือ ความยาวคลื่น คือ ระยะห่างจากยอดคลื่นหนึ่ง ไปยังยอดคลื่นถัดไป

         P คือ คาบเวลาระหว่างยอดคลื่นหนึ่งเดินทางมาถึงที่ ที่ยอดคลื่นก่อนหน้าที่พึ่งผ่านไป

            แอมพลิจูด (amplitude) ของคลื่น คือ ความสูงของยอดคลื่นนับจากระดับน้ำทะเล

          คลื่นทะเลทั่วๆ ไปมีความเร็วประมาณ 90 กม./ชั่วโมง แต่คลื่นสึนามิ อาจจะมีความเร็วได้ถึง 950 กม./ชั่วโมง โดยจะขึ้นอยู่กับ
ความลึกที่เกิดแผ่นดินถล่มใต้ทะเล ถ้าแผ่นดินไหวยิ่งเกิดที่ก้นทะเลลึกเท่าไร ความเร็วของสึนามิก็จะสูงมากเท่านั้น เพราะปริมาตรน้ำ
ที่ถูกเคลื่อนออกจากที่เดิมจะมีมากขึ้นไปตามความลึก คลื่นสึนามิ จึงสามารถเคลื่อนที่ผ่านท้องทะเลอันกว้างใหญ่ได้ภายในเวลาไม่นาน

ภาพที่ 1.17 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความยาว และความสูงของคลื่น

ที่มา : http://www.stkc.go.th/redirect.php?id=2361&g=stportal&PHPSESSID
=820fe2405b47e11512cc7102905e27bf

        ลักษณะของคลื่นสึนามิ

         คลื่นสึนามิแตกต่างจากคลื่นธรรมดามาก ตัวคลื่นนั้นสามารถเดินทางได้เป็นระยะทางไกลๆ โดยไม่สูญเสียพลังงาน และสามารถเข้าทำลายชายฝั่งที่อยู่ห่างไกลจากจุดกำเนิดหลายพันกิโลเมตรได้ โดยทั่วไปแล้วคลื่นสึนามิซึ่งเป็นคลื่นในน้ำ จะเดินทางได้ช้ากว่าการสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหวที่เป็นคลื่นที่เดินทางในพื้นดิน ดังนั้น คลื่นอาจเข้ากระทบฝั่งภายหลังจากที่ผู้คนบริเวณนั้นรู้สึกว่าเกิดแผ่นดินไหวเป็นเวลาหลายชั่วโมง

         คลื่นโดยทั่วไปจะมีสมบัติสำคัญที่วัดได้อยู่สองประการคือ คาบ ซึ่งจะเป็นเวลาระหว่างลูกคลื่นสองลูก และ ความยาวคลื่น ซึ่งเป็นระยะห่างระหว่างลูกคลื่นสองลูก ในทะเลเปิด คลื่นสึนามิมีคาบที่นานมาก โดยเริ่มจากไม่กี่นาทีถึงชั่วโมง ในขณะเดียวกันก็มีความยาวคลื่นที่ยาวมาก โดยอาจยาวถึงหลายร้อยกิโลเมตร ในขณะที่คลื่นทั่วไปที่เกิดจากลมที่ชายฝั่งนั้นมีคาบประมาณ 10 วินาที และมีความยาวคลื่นประมาณ 150 เมตรเท่านั้น ความสูงของคลื่นในทะเลเปิดมักน้อยกว่าหนึ่งเมตร ซึ่งทำให้ไม่เป็นที่สังเกตของผู้คนบนเรือ คลื่นจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วตั้งแต่ 500 ถึง 1,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง อย่างไรก็ตาม เมื่อเข้าสู่ชายฝั่งที่มีความลึกลดลง คลื่นจะมีความเร็วที่ต่ำลงและเริ่มก่อตัวเป็นคลื่นสูง โดยอาจมีความสูงได้ถึง 30 เมตรหรือมากกว่านั้น

        คลื่นจะมีพฤติกรรมเป็น "คลื่นน้ำตื้น" เมื่ออัตราส่วนระหว่างความลึกของน้ำและความยาวคลื่นนั้นมีค่าต่ำ ดังนั้น เนื่องจากมีความยาวคลื่นที่สูงมาก คลื่นสึนามิจึงมีสมบัติเป็นคลื่นน้ำตื้นแม้อยู่ในทะเลลึกก็ตาม คลื่นน้ำตื้นนั้นมีความเร็วเท่ากับรากที่สองของผลคูณระหว่างความเร่งจากสนามแรงโน้มถ่วง (9.8 เมตร/วินาที2) และความลึกของน้ำ ตัวอย่างเช่น ในมหาสมุทรแปซิฟิกที่มีความลึกประมาณ 4,000 เมตร คลื่นจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 200 เมตรต่อวินาที หรือ 720 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ส่วนที่ชายฝั่งที่มีความลึก 40 เมตร คลื่นจะมีความเร็วช้าลงเหลือ 20 เมตรต่อวินาที หรือ 72 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

        คลื่นสึนามิจะเคลื่อนตัวออกจากแหล่งกำเนิด ดังนั้น ชายฝั่งที่ถูกกำบังโดยแผ่นดินส่วนอื่นๆ มักปลอดภัยจากคลื่น อย่างไรก็ตาม ยังมีโอกาสที่คลื่นจะสามารถเลี้ยวเบนไปกระทบได้ นอกจากนี้ คลื่นไม่จำเป็นต้องมีความแรงเท่ากันในทุกทิศทุกทาง โดยความแรงจะขึ้นกับแหล่งกำเนิดและลักษณะของภูมิประเทศแถบนั้น

ภาพที่ 1.18 แสดงให้เห็นว่าเมื่อคลื่นสึนามิเข้าใกล้ฝั่ง
ความยาวคลื่นลดลง ความสูงของคลื่นจะเพิ่มขึ้น

           คลื่นสึนามิ ถูกจัดว่าเป็น คลื่นน้ำตื้น คือ คลื่นที่มีอัตราส่วน ระหว่างความลึกของน้ำ และความยาวคลื่นต่ำมาก

           อัตราการสูญเสียพลังงานของคลื่น จะผกผันกับความยาวคลื่น (ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น) ยกกำลังสอง เนื่องจากสึนามิ มีความยาวคลื่นมากๆ ยิ่งยกกำลังสองเข้าไปอีก จึงสูญเสียพลังงานไปน้อยมากๆ ในขณะที่มันเคลื่อนตัวผ่านผืนสมุทร และเนื่องจาก
สึนามิเป็นคลื่นน้ำตื้น มีสูตรหาความเร็วดังนี้คือ g คือ อัตราเร่งของแรงโน้มถ่วงโลก ซึ่งมีค่า 9.8 เมตร/วินาที² d คือ ความลึก
ของพื้นทะเล

          เมื่อ สึนามิ เดินทางมาถึงชายฝั่ง ก้นทะเลที่ตื้นขึ้นก็จะทำให้ความเร็วของคลื่นลดลง เพราะความเร็วของคลื่นสัมพันธ์กับค่า
ความลึกโดยตรง แต่คาบยังคงที่ พลังงานรวมที่มีค่าคงที่จะถูกถ่ายเทไปดันตัวให้คลื่นสูงขึ้น

จาก ค่าความเร็ว
          ค่า V ลดลง P คงที่ ค่า ก็ต้องลดลง ผลก็คือ น้ำทะเลถูกอัดเข้ามาทำให้คลื่นสูงขึ้น ขึ้นอยู่กับสภาพชายฝั่งว่าเป็นอ่าวแคบ หรือกว้าง ในชายฝั่งที่แคบ คลื่นสึนามิ จะมีความสูงได้หลายๆ เมตรทีเดียว

          ถ้ายอดคลื่นเข้าถึงฝั่งก่อน ก็จะเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า dragdown คือ ดูเหมือนระดับน้ำจะลดลงอย่างกระทันหันขอบน้ำ
ทะเลจะหดตัวออกจากฝั่งไปเป็นร้อยๆ เมตร อย่างฉับพลัน และในทันทีที่ยอดคลื่นต่อมาไล่มาถึง ก็จะเป็นกำแพงคลื่นสูงมากขึ้นกับ
โครงร่างของชายหาด จะมีความสูงของคลื่นต่างกัน ดังนั้น คลื่นสึนามิ จากแหล่งเดียวกัน จะเกิดผลที่ต่างกันกับชายหาดที่ไม่เหมือนกัน
ได้ น้ำที่ท่วมเข้าฝั่งอย่างกระทันหัน อาจไปไกลได้ถึง 300 เมตร แต่คลื่น สึนามิ สามารถเดินทางขึ้นไปตามปากแม่น้ำ หรือลำคลองที่ไหล
ลงทะเลตรงนั้นได้ด้วย หากรู้ตัวว่าจะมีคลื่นสึนามิ ผู้คนเพียงแต่อพยพออกไปจากฝั่งเพียงแค่เดิน 15 นาที และให้อยู่ห่างจากแหล่งน้ำ
ที่ไหลลงทะเลเข้าไว้ ก็จะปลอยภัยแล้ว

ภาพที่ 1.19 จำลองการเกิดคลื่นสึนามิที่น้ำตื้นเข้าใกล้ฝั่ง

ที่มา : http://www.stkc.go.th/redirect.php?id=2361&g=stportal&PHPSESSID
=820fe2405b47e11512cc7102905e27bf

การเกิดแผ่นดินถล่มใต้ท้องทะเลลึก มักจะมาจากการเคลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลกสองแผ่นที่ดันเข้าหากัน แรงเสียดทานจะ
เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนเมื่อถึงจุดที่แรงปะทะจากแผ่นเปลือกโลกมีเหนือค่าแรงเสียดทานแล้ว ก็จะเกิดการเคลื่อนตัวอย่างฉับพลัน การเคลื่อน
ตัวที่แผ่นหนึ่งมุดเข้าใต้อีกแผ่น เรียกว่า subduction ทำให้เปลือกโลกตรงรอยต่อ ถูกหนุนสูงขึ้น หรือทรุดตัวลง น้ำทะเลเหนือส่วนนั้น
ก็จะถูกดัน หรือถูกดูดเข้ามาแทนที่อย่างฉับพลัน การเคลื่อนตัวของน้ำในปริมาตรหลายๆ ล้านตัน ทำให้เกิดคลื่นสะท้อนออกไปทุกทิศทาง เป็นแหล่งกำเนิดของคลื่นสึนามิ นั่นเอง (ภาพที่ 1.20)

ภาพที่ 1.20 การมุดตัวลง (subduction) ของเปลือกโลก
ภาคพื้นมหาสมุทรลงใต้เปลือกโลกภาคพื้นทวีป

ที่มา : http://www.stkc.go.th/redirect.php?id=2361&g=stportal&PHPSESSID
=820fe2405b47e11512cc7102905e27bf

เว็บไซต์เพิ่มเติม

    http://www.stkc.go.th/stportalContent.php?id=106.3
    http://www.sunamithai.com/
    http://www.dmr.go.th/
    http://www.ess.washington.edu/tsunami/index.html
    http://serc.carleton.edu/NAGTWorkshops/visualization/collections/tsunami.html
    http://www.pmel.noaa.gov/tsunami-hazard/links.html
    http://www.ess.washington.edu/tsunami/general/physics/physics.html
    http://www.vcharkarn.com/include/article/showarticle.php?Aid=268
    http://www.nectec.or.th/users/htk/20041226-quake/20050116-US-Tsunami-Warning-System.html
    http://www.nectec.or.th/users/htk/20041226-quake/complete-picture.html
    http://www.sct.ac.th/harbour/harbour_wave3.htm
    th.wikipedia.org/wiki/คลื่นสึนามิ - 101k -
    http://talk.sanook.com/hot/hot_01198.php
    http://www.thairath.co.th/thairath1/2547/hotnews/tsunami47/tsunami.php

- สึนามิต่างจากคลื่นในท้องทะเลอย่างไร
- เมื่อคลื่นสึนามิขึ้นฝั่งจะเกิดอะไรขึ้น
- คลื่นกระแสน้ำ (tidal waves) กับคลื่นสึนามิแตกต่างกันอย่างไร