จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อความเอียงของแกนหมุนของโลกกำลังลดลง
นิพนธ์ ทรายเพชร

บทคัดย่อ

แกนหมุนรอบตัวเองของโลกเอียงจากแนวตั้งฉากของระนาบทางโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นมุม ε สันนิษฐานว่าเกิดขึ้นเพราะดาวขนาดใหญ่เท่าดาวอังคารชนโลกจนทำให้เกิดดวงจันทร์ ด้วย ε มีค่าไม่คงที เพราะแรงรบกวนจากภายนอก โดยเฉพาะจากดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ซึ่งทำให้แกนโลกส่ายรอบละ 25,800 ปี ทั้งนี้เพราะโลกโป่งออกบริเวณแถบศูนย์สูตร ดวงอาทิตย์และดวงจันทร์จึงช่วยกันดึงให้แกนโลกตั้งตรง นอกจากนี้ยุงมีแรงรบกวนจากดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ ทำให้วงโคจรของโลกส่ายรอบละ 71,000 ปี การส่ายของแกนหมุนและการส่ายของวงโคจรของโลกคือสาเหตุที่ทำให้ ε มีคาบประมาณ 41,000 ปี โดยมีค่าเฉลี่ย 23.3 องศา ค่าต่ำสุด 22.6 องศา ค่าสูงสุด 24.2 องศา ปัจจุบัน ε มีค่า 23.4 องศา อยู่ในช่วงกำลังลดลงในอัตรา 0.475″ ต่อปี หากคิดเป็นระยะทางจะได้ 14.7 เมตรต่อปี หรือ 1.47 กิโลเมตรต่อศตวรรษ นั่นคือเส้นที่แบ่งเขตร้อนกำลังเคลื่อนที่เข้าหาเส้นศูนย์สูตรของโลกด้วยความเร็วสูงอย่างไม่น่าเชื่อ 14.7 เมตรต่อปี สูงกว่าอัตราการเลื่อนของเพลตเทคโทนิกซึ่งเลื่อนเพียงปีละ 13 เซนติเมตรเป็นอย่างมาก เมื่อเขตร้อนลดลงเขตหนาวก็ต้องเพิ่มขึ้น นั่นคือแกนโลกเอียงลดลงกำลังพาโลกไปสู่ยุคน้ำแข็ง และแกนโลกเอียงน้อยที่สุด 22.6 องศาในอีก 10,200 ปี

บทนำ

โลกไม่อยู่นิ่ง ๆ แต่มีการเคลื่อนที่สำคัญ 2 ประการ คือ หมุนรอบตัวเองรอบละ 1 วัน และเคลื่อนรอบดวงอาทิตย์รอบละ 1 ปี โดยพาดวงจันทร์ซึ่งเคลื่อนรอบโลกรอบละ 1 เดือนไปด้วย แกนที่โลกหมุนรอบไม่ตั้งฉากกับระนาบทางโคจรขอบโลกรอบดวงอาทิตย์ แต่เอียงจากแนวตั้งฉากเป็นมุมประมาณ 23.5 องศา โลกจึงไม่อยู่โดดเดี่ยว เพราะมีดวงจันทร์และดวงอาทิตย์อยู่ใกล้ ๆ แม้ว่าระยะห่างระหว่างโลกกับดวงจันทร์และระยะระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์จะเปลี่ยนแปลงบ้าง แต่เปลี่ยนแปลงไม่มาก นอกจากนี้ยังมีดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ระยะห่างระหว่างดาวเคราะห์กับโลกเปลี่ยนแปลงค่อนข้างมาก ดังนั้นจึงมีแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อโลกในสัดส่วนที่ค่อนข้างมากตลอดเวลาจากดวงจันทร์และดวงอาทิตย์ และแรงที่กระทำต่อโลกในสัดส่วนที่ค่อนข้างน้อยจากดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อโลกจากดวงจันทร์ ดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์จึงไม่คงที่ แรงเหล่านี้เองที่ทำให้ความเอียงของแกนหมุนของโลกเปลี่ยนแปลง โดยมีคาบของการเปลี่ยนแปลงประมาณ 41,000 ปี ปัจจุบันความเอียงของแกนหมุนของโลกเท่ากับ 23 องศา 26 ลิปดา 11 พิลิปดา มุมนี้มีค่าน้อยลงเรื่อย ๆ การลดลงหรือเพิ่มขึ้นของความเอียงของแกนหมุนของโลก ส่งผลกระทบมาถึงตำแหน่งของดวงอาทิตย์ในวันที่อยู่เหนือสุด (21 มิถุนายน) และในวันที่อยู่ใต้สุด (22 ธันวาคม)

ทำไมแกนโลกจึงเอียง

แกนโลกเอียงเพราะในยุคต้น ๆ ของกำเนิดดาวเคราะห์ มีดาวขนาดดาวอังคารวิ่งเข้าชนโลก ทำให้ชิ้นส่วนของโลกที่หลุดออกมาและส่วนที่เหลือของดาวที่มาชนหลอมรวมกันกลายเป็นดวงจันทร์โคจรรอบโลก ส่วนโลกถูกชนจนแกนเอียงและหมุนรอบแกนด้วยความเร็วสูงรอบละ 1 วัน

กำเนิดของดาวเคราะห์ชั้นในได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ โลก ดาวอังคาร เกิดจากเนบิวลาเดียวกันกับที่ให้กำเนิดเป็นดวงอาทิตย์และดาวเคราะดวงอื่น แต่ในยุคต้น ๆ บริเวณดาวเคราะห์ชั้นในจะมีดาวขนาดเล็กจำนวนมากที่ถูกดวงใหญ่ดึงให้ตกลงสู่ดาวเคราะห์เหล่านั้น จนดาวเคราะห์นั้นในมีขนาดใหญ่ขึ้น ในขณะที่จำนวนวัตถุขนาดเล็กลดลง และพลังงานของการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์จะพลักดันโมเลกุลหรือสารที่ระเหยได้ง่าย รวมทั้งก๊าซที่เบาให้หลุดลอยออกจากดาวเคราะห์ชั้นในไปอยู่ ณ ชั้นนอกของระบบสุริยะ ทำให้ดาวเคราะห์ชั้นในเป็นดาวเคราะห์ที่เป็นหินแข็ง มีความหนาแน่นสูง ส่วนดาวเคราะห์ชั้นนอกเป็นดาวเคราะห์ก๊าซมีความหนาแน่นต่ำ

ดาวเคราะห์ทุกดวงมีแกนเอียงต่าง ๆ กัน ดาวเคราะห์ที่มีแกนเอียงคล้ายโลกที่สุดคือ ดาวอังคาร ซึ่งมีแกนหมุนเอียงจากแนวดิ่งของระนาบทางโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นมุมประมาณ 25 องศา

แกนโลกเอียงเท่าใด

ความเอียงของแกนหมุนของโลกคือ มุมระหว่างแกนหมุนรอบตัวเองของโลก และแกนที่ผ่านขั้วทั้งสองของทรงกลมฟ้าที่มีเส้นสุริยวิถีเป็นเส้นแบ่งครึ่ง ซึ่งเท่ากับมุมระหว่างระนาบสุริยวิถีกับระนาบเส้นศูนย์สูตรของโลก ตรงกับภาษาอังกฤษว่า obliquity มีสัญลักษณ์ว่า ε

ปัจจุบัน ε มีค่าประมาณ 23° 26′ และกำลังอยู่ในช่วงลดลงด้วยอัตราประมาณ 0.475″ ต่อปี มุมนี้จะลงไปต่ำสุดที่ 22.6° ในอีก 10,200 ปี หลังจากนั้นจะเพิ่มขึ้นทีละน้อยอีกครั้งหนึ่งจนกระทั่งถึงค่าสูงสุด 24.2° ค่าสูงสุดนี้เกิดขึ้นมาแล้วก่อนหน้าปัจจุบันประมาณ 10,000 ปี

การเปลี่ยนแปลงของ ε ในระยะเวลา 700,000 ปีที่ผ่านมา ปรากฏดังรูป

ในเวลา 700,000 ปี ε เปลี่ยนแปลงไป 17 รอบ ดังนั้น 1 รอบของการเปลี่ยน ε จะยาวนานประมาณ 41,000 ปี ซึ่งเรียกว่า คาบของการเปลี่ยนแปลงของ ε

ค่าเฉลี่ยของ ε คือ 23.3° ในปัจจุบันโลกจึงอยู่ในจังหวะที่ ε ลดลงเข้าใกล้ค่าเฉลี่ย

สาเหตุของการเปลี่ยนแปลงของ ε

ความเอียงของแกนหมุนของโลกคือ มุมระหว่างแกนหมุนรอบตัวเองของโลก และแกนที่ผ่านขั้วทั้งสองของทรงกลมฟ้าที่มีเส้นสุริยวิถีเป็นเส้นแบ่งครึ่ง ซึ่งเท่ากับมุมระหว่างระนาบสุริยวิถีกับระนาบเส้นศูนย์สูตรของโลก ตรงกับภาษาอังกฤษว่า obliquity มีสัญลักษณ์ว่า ε

ε มีค่าไม่คงที่เพราะสาเหตุ 2 ประการ คือ

(ก.) การส่ายของแกนหมุนของโลกอันเกิดจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์ที่พยายามดึงแกนโลกให้ตั้งตรง ทำให้แกนโลกส่ายรอบละ 25,800 ปี ดาวเหนือในแต่ละยุคจึงไม่ใช่ดาวดวงเดียวกัน เช่น ในปัจจุบันดาวเหนือคือ ดาวแอลฟา-หมีเล็ก เมื่อ 4,000 ปีมาแล้ว ดาวเหนือคือ ดาวทูแบน ในอนาคตอีก 10,000 ปี ดาววีกา จะเป็นดาวเหนือที่สว่างโชติช่วง

เนื่องจากโลกโป่งออกบริเวณเส้นศูนย์สูตร แรงลัพธ์ที่ดวงจันทร์หรือดวงอาทิตย์กระทำต่อโลกจึงไม่ผ่านจุดศูนย์กลางโลก แต่ผ่านใต้จุดนี้ ผลที่เกิดขึ้นคือ มีแรงที่พยายามดึงแกนโลกให้ตั้งตรงดังกล่าวแล้ว แกนโลกจึงส่ายในทิศทางตรงข้ามกับทิศทางของการหมุนแทนที่จะส่ายในทิศทางเดียวกันกับทิศทางการหมุนของลูกข่าง

เปรียบเทียบการส่ายของแกนหมุนของโลกและของลูกข่าง

(ข.) การส่ายของทางโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์อันเนื่องมาจากแรงรบกวนจากดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ ในระบบสุริยะ คาบของการส่ายของทางโคจรของโลกยาวนานประมาณ 71,000 ปี การส่ายของแกนหมุนและการส่ายของทางโคจรของโลก ทำให้ ε มีคาบประมาณ 41,000 ปี

แกนโลกเอียงคือสาเหตุของการเกิดฤดูกาลของโลก

ในปัจจุบันขั้วโลกเหนือหันเข้าหาดวงอาทิตย์ในเดือนมิถุนายน ทำให้ซีกโลกเหนือเป็นฤดูร้อน แต่ในเดือนธันวาคมขั้วโลกเหนือหันออกจากดวงอาทิตย์ซีกโลกเหนือได้รับความร้อนลดลงจึงเป็นฤดูหนาว

ในระยะยาวอีกประมาณ 12,000 ปีจากปัจจุบัน ขั้วโลกเหนือหันเข้าหาดวงอาทิตย์ในเดือนธันวาคมและหันออกในเดือนมิถุนายน ดังนั้นฤดูกาลจึงกลับกันกับในปัจจุบัน คือซีกโลกเหนือเป็นฤดูร้อนในเดือนธันวาคมและเป็นฤดูหนาวในเดือนมิถุนายน ปรากฏการณ์เช่นนี้เกิดขึ้นเพราะการส่ายของแกนหมุนของโลกรอบละ 25,800 ปี

ทิศทางที่แสงแดดตกกระทบผิวโลกจะช่วยบอกให้ทราบว่าโลกบริเวณนั้นมีอุณหภูมิสูงหรือต่ำ หากแสงอาทิตย์ส่องมาตรง ๆ หรือตั้งฉากกับผิวโลกจะทำให้ผิวโลกบริเวณนั้นร้อนกว่า เมื่อแสงอาทิตย์ส่องมาเฉียง ๆ ทั้งนี้เพราะเมื่อแสงส่องมาเฉียงความร้อนจะแผ่กระจายเป็นบริเวณกว้าง อุณหภูมิเฉลี่ยต่อหน่วยพื้นที่จึงน้อยกว่าเมื่อแสงส่องมาตรง ๆ ซึ่งความร้อนแผ่กระจายเป็นบริเวณแคบ ทำให้อุณหภูมิเฉลี่ยต่อหน่วยพื้นที่มีค่าสูง

ปัจจุบันโลกมีบริเวณต่าง ๆ ที่แบ่งตามภูมิอากาศคือ เขตร้อน เขตอบอุ่น และเขตหนาว
เขตร้อน อยู่ระหว่างละติจูด 23.5° ใต้ ถึง 23.5° เหนือ
เขตอบอุ่นเหนือ อยู่ระหว่างละติจูด 23.5° เหนือ ถึง 66.5° เหนือ
เขตอบอุ่นใต้ อยู่ระหว่างละติจูด 23.5° ใต้ ถึง 66.5° ใต้
เขตหนาวเหนือ อยู่ระหว่างละติจูด 66.5° เหนือ ถึงขั้วโลกเหนือ
เขตหนาวใต้ อยู่ระหว่างละติจูด 66.5° ใต้ ถึงขั้วโลกใต้

แกนโลกเอียงน้อยลงทำให้เขตร้อนเคลื่อนที่เข้าหาเส้นศูนย์สูตรโลก

ละติจูด 23.5 องศา คือขอบของเขตร้อนที่อยู่ระหว่างละติจูด 23.5 องศาใต้กับละติจูด 23.5 องศาเหนือ มุม 23.5 องศาคือ ความเอียงของแกนหมุนของโลกจากแนวตั้งฉากกับระนาบทางโคจรรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งแทนด้วย ε ถ้า ε ลดลง เขตร้อนของโลกก็ต้องลดลงด้วย ปัจจุบัน ε ลดลงในอัตราประมาณ 0.475″ ต่อปี หรือ 47.5″ ต่อศตวรรษ หากคิดเป็นระยะทางจะได้ 14.7 เมตรต่อปี หรือ 1.47 กิโลเมตรต่อศตวรรษ นั่นคือ เส้นที่แบ่งเขตร้อนซึ่งตรงกับภาษาอังกฤษว่าเส้นทรอปิก (tropics) กำลังเคลื่อนเข้าหาเส้นศูนย์สูตรของโลกด้วยความเร็วสูงอย่างไม่น่าเชื่อ 14.7 เมตรต่อปี สูงกว่าอัตราการเลื่อนของเพลตเทกโทนิก ซึ่งเลื่อนเพียงปีละ 13 เซนติเมตรเป็นอย่างมาก

หากคิดเป็นพื้นที่เขตร้อนจะลดลงปีละประมาณ 1,080 ตารางกิโลเมตร ส่วนใหญ่จะเป็นบริเวณที่เป็นทะเลเป็นมหาสมุทร บริเวณที่เป็นพื้นดินประมาณ 330 ตารางกิโลเมตรเท่านั้น และทวีปแอฟริกาเป็นผืนแผ่นดินผืนใหญ่ที่เส้นแบ่งเขตร้อนทั้งสองผ่าน

เมื่อเขตร้อนลดลง เขตหนาวก็ต้องเพิ่มขึ้น นั่นคือ แกนโลกเอียงลดลงกำลังพาโลกไปสู่ยุคน้ำแข็ง แกนโลกเอียงน้อยที่สุด 22.6 องศา ในอีก 10,200 ปีซึ่งเป็นช่วงที่เขตร้อนเหลือน้อยที่สุด หลังจากนั้นแกนโลกจะเริ่มเอียงมากขึ้นทีละน้อย เขตร้อนเพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์โลกร้อนขึ้นเพราะแกนโลกเอียงมากขึ้นก็จะตามมา กลายเป็นโลกเข้าสู่ยุคน้ำแข็งละลายเนื่องจากเขตหนาวลดลง

การส่ายของแกนหมุนของโลกทำให้เส้นศูนย์สูตรฟ้าเลื่อนไปตัดกับสุริยวิถีทางทิศตะวันตกของจุดเดิมปีละ 50″

เมื่อสังเกตตำแหน่งของดวงอาทิตย์บนฟ้าจะพบว่า ดวงอาทิตย์เลื่อนไปทางทิศตะวันออกวันละประมาณเกือบ 1 องศา พอครบปีก็กลับมาที่เก่า ทั้งนี้เป็นเพราะโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ เส้นทางที่ดวงอาทิตย์ผ่านไปเรียกว่า สุริยวิถี ซึ่งเอียงกับระนาบเส้นศูนย์สูตรเป็นมุม ε จุดตัดกันของสุริยวิถีและเส้นศูนย์สูตรฟ้ามี 2 จุดคือ จุดที่ดวงอาทิตย์อยู่ในวันที่ 21 มีนาคม และ 23 กันยายน ตำแหน่งดวงอาทิตย์ในวันที่ 21 มีนาคม เรียกว่า วสันตวิษุวัต ซึ่งควรเรียกว่า วิษุวัตในเดือนมีนาคม สุริยวิถีผ่านกลุ่มดาวจักรราศี 12 กลุ่มและกลุ่มดาวเหล่านี้อยู่คงที่บนฟ้า เป็นกลุ่มดาวที่ใช้อ้างอิงซึ่งไทยเรานำมาตั้งเป็นชื่อเดือนสุริยคติ เช่น กลุ่มดาวแมงป่อง เป็นที่มาของเดือนพฤศจิกายน พฤศจิก แปลว่า แมงป่อง อายน แปลว่า มาถึง หรือ มาแล้ว สิ่งที่มาถึงกลุ่มดาวแมงป่องก็คือดวงอาทิตย์ ในอดีตเมื่อกว่า 2,000 ปีมาแล้ว ดวงอาทิตย์อยู่ในกลุ่มดาวแมงป่องตลอดเดือนพฤศจิกายน แต่ในปัจจุบันดวงอาทิตย์จะเข้าสู่กลุ่มดาวแมงป่องตั้งแต่ปลายเดือนพฤศจิกายน โดยช่วงต้นเดือนพฤศจิกายนดวงอาทิตย์อยู่ในกลุ่มดาวคันชั่งซึ่งอยู่ถัดกลุ่มดาวแมงป่องในทิศตะวันตก สาเหตุที่เป็นเช่นนี้เพราะการส่ายของแกนหมุนของโลกทำให้จุดวสันตวิษุวัตเลื่อนไปทางทิศตะวันตกของจุดเดิมปีละ 50" ในเวลา 2,000 ปี จุดวสันตวิษุวัตเลื่อนไปทางทิศตะวันตกเกือบ 28 องศา จุดวสันตวิษุวัตคือจุดตั้งต้นของราศีเมษ ซึ่งเกี่ยวข้องกับเดือนเมษายนและกลุ่มดาวแกะ ปัจจุบันนี้จุดนี้อยู่ในกลุ่มดาวปลา ต้องรอถึงปลายเดือนเมษายน ดวงอาทิตย์จึงจะเข้าไปสู่กลุ่มดาวแกะ เช่นเดียวกันกับต้องรอถึงปลายเดือนพฤศจิกายน ดวงอาทิตย์จึงจะเข้าสู่กลุ่มดาวแมงป่อง

เส้นแบ่งเขตร้อนเหนือกับเขตอบอุ่นเหนือที่เรียกว่า Tropic of Cancer นั้นปัจจุบันไม่ได้อยู่ในกลุ่มดาวปู (Cancer) แต่อยู่ในกลุ่มดาวคนคู่ (Gemini) ดังนั้นจึงควรเรียกว่า Tropic of Gemini ในทำนองเดียวกัน เส้นแบ่งเขตร้อนใต้กับเขตอบอุ่นใต้ต้องเปลี่ยนจาก Tropic of Capricorn เป็น Tropic of Sagittarius (คนยิงธนู)

บทสรุป

ความเอียงของแกนหมุนของโลกเป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้เกิดฤดูกาลต่าง ๆ ขึ้นบนโลก ความเอียงนี้ไม่คงที่ แต่เปลี่ยนแปลงเป็นรอบ ๆ รอบละประมาณ 41,000 ปี สาเหตุของการเปลี่ยนแปลงเกิดจากการส่ายของแกนหมุนและการส่ายของวงโคจรของโลก ปัจจุบันมุมเอียงของแกนโลกลดลงทำให้เขตร้อนลดลง เส้นแบ่งเขตร้อนเคลื่อนที่เข้าหาเส้นศูนย์สูตรด้วยความเร็วสูงอย่างไม่น่าเชื่อ 14.7 เมตรต่อปี เขตต้อนลดลงเขตหนาวต้องเพิ่มขึ้น ดังนั้นแกนโลกเอียงลดลงกำลังพาโลกไปสู่ยุคน้ำแข็ง

* บรรยายในการประชุมราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ เมื่อวันที่ 17 มกราคม 2544