กระบวนท่าที่ 4 (ตอนที่ 5) - ติดตามผลของการขุด Swale

ในช่วงต้นๆ หลังจากขุด swale ผลลัพธ์จะขึ้นอยู่กับลักษณะของดินในร่อง  ในร่องที่สัดส่วนของดินเหนียวมีมากก็จะสามารถอุ้มน้ำได้ดีมากๆ น้ำจะขังในร่องได้เป็นเดือน ทั้งๆ ที่ระดับ Table Table ในบริเวณนี้ไม่สูง ดูจากภาพตัวอย่างข้างล่างเราจะเห็นได้ชัดถือผลของ Capillary action ซึ่งจะทำให้น้ำที่อยู่ระดับต่ำกว่าถูกดึงขึ้นมาที่ระดับสูงขึ้น ดังนั้นน้ำที่อยู่ใต้ดินจะถูกดึงขึ้นมาด้วยแรง Capillary action เพื่อให้ใกล้รากพืชมากขึ้น ประเด็นคือ swale จะช่วยเราในการเอาน้ำที่เดิมจะเป็น run-off มาเก็บเป็นน้ำใต้ดินให้กับเรา และโดยปกติแรง Capillary action จะดึงน้ำใต้ดินขึ้นมาได้สูงประมาณ 50 เซนติเมตร

ส่วนที่เราจะเห็นส่วนใกล้ผิวดินแห้งเนื่องจากความร้อนจะทำให้น้ำใกล้ผิวดินระเหยออกไป เมื่อน้ำใกล้ผิวดินระเหยก็จะมีแรง Capillary action ดึงน้ำจากส่วนที่อยู่ติดกันขึ้นมาใกล้ผิวดิน ซึ่งก็จะโดนความร้อนที่ผิวทำให้ระเหยอีกจนสุดท้ายหากไม่มีฝน น้ำค้าง หรือการรดน้ำ ดินบริเวณ 30-50 เซนติเมตรแรกจะแห้งสนิท แต่น้ำที่อยู่ล่างลงกว่านั้นจะเกินที่ Capillary action ดึงน้ำขึ้นมา ทำให้น้ำที่อยู่ใต้ดินลึกกว่า 50 เซนติเมตรไม่โดนผลกระทบจากการระเหยเท่าไหร่  แต่หมายความว่าพืชที่จะนำน้ำส่วนนี้มาใช้งานได้จะต้องมีรากลึกมากกว่า 50 เซนติเมตร ซึ่งส่วนใหญ่พืชที่มีรากลึกแบบนั้นจะเป็นต้นไม้มากกว่าพืชล้มลุก



ในบริเวณที่มีดินเหนียวเป็นองค์ประกอบน้อยก็จะไม่ค่อยเก็บน้ำได้ (ส่วนใหญ่ swale ที่สวนขี้คร้านจะเป็นแบบนี้) เราจะเห็นน้ำค้างในร่องแบบนี้เฉพาะวันที่ฝนตกหนัก และนานจริงๆ หากมีน้ำเต็มร่องก็จะใช้เวลาซึมลงดินจนหมดแตกต่างกันไปตามลักษณะดิน จากผลทดลองที่สวนขี้คร้านจะมีทั้ง swale ที่แห้งภายใน 6 ชั่วโมง ภายใน 1 วัน และภายใน 3 วัน และภายใน 5 วัน




เมื่อดินมีน้ำใต้ดินมากขึ้นเราก็จะเริ่มเห็นวัชพืชประเภทหญ้าจำนวนมากผิดจากลักษณะเดิมของที่ดิน







ถ้าพวกเราศึกษาเรื่องดินจริงจังจะพบว่าอินทรีย์วัตถุ (organic matter) จะเป็นองค์ประกอบสำคัญของดินที่ดี โดยปกติ organic material เช่น รากพืช ใบไม้ กิ่งไม้เมื่อย่อยสลายแล้วจะเหลือเป็น organic matter เพียง 10% หมายความว่าถ้าเราต้องการเพิ่ม organic matter 1 ตัน เราจะต้องใช้ organic material มากถึง 10 ตัน คำถามคือเราจะใช้วิธีซื้อมาจากที่อื่นหรือเราจะให้ธรรมชาติเป็นคนสร้าง organic material ให้กับเรา?  (ลองไปอ่านเรื่องวัฏจักรของคาร์บอนที่ http://my-experimental-farm.blogspot.com/2014/04/CarbonCycle.html  จะพบมวลของต้นไม้ส่วนหนึ่งจะเกิดจากตรึงธาตุในอากาศให้กลายมาเป็นส่วนต่างๆ ของพืช )

เมื่อเราศึกษาในเชิงลึกลงไปเราจะพบว่าในบริเวณที่มีต้นไม้ขนาดใหญ่จะเป็นแหล่งของ organic material ได้น้อยกว่าบริเวณที่เป็นทุ่งหญ้าหรือไม้ล้มลุก เนื่องจากต้นไม้ขนาดใหญ่ใช้เวลานานกว่าที่รากจะตาย เราจึงจะได้ organic material จากใบที่ร่วงเท่านั้น แต่หากเป็นพืชล้มลุกมักจะตายในหน้าแล้งทุกปี และงอกขึ้นมาใหม่ในหน้าฝน จึงสามารถเพิ่ม organic material ให้กับพื้นดินมากกว่า การที่เราเห็นว่าพื้นที่ว่างเปล่าที่เสื่อมโทรมนั้นธรรมชาติจะเริ่มต้นการฟื้นฟูด้วยหญ้า และวัชพืชล้มลุกก่อนเพื่อเพิ่ม organic matter จากนั้นเราจึงจะเห็นไม้พุ่มขนาดเล็ก และตามมาด้วยต้นไม้ขนาดใหญ่ ดังนั้นเราอย่าไปมองว่าหญ้าเป็นศัตรู เนื่องจากหญ้าเป็นกลไกตามธรรมชาติที่จะช่วงฟื้นฟูสภาพดิน การเพิ่มปริมาณน้ำใต้ดินแล้วทำให้หญ้าและวัชพืชที่มีรากตื้นเหล่านี้เติบโตได้ดีจึงเรียกได้ว่าเป็น "ทรัพยากรที่ยังไม่ถูกใช้" (unused resources)

เพื่อเร่งให้มีการสร้าง organic material จำนวนมากขึ้น บางครั้งผมก็จะตัดวัชพืชในช่วงหน้าฝน การตัดเราไม่ได้ต้องการตัดให้ตาย เราต้องการตัดเพื่อให้วัชพืชสามารถงอกขึ้นมาใหม่อีกรอบ เพื่อให้เราได้ organic material ใน 1 ปีเพิ่มขึ้นมากว่าการไม่ตัด (แตกต่างกับการใช้ยาฆ่าหญ้าที่มีจุดมุ่งหมายจะฆ่าวัชพืชมากกว่าจะเพิ่มปริมาณ organic material จากวัชพืช) หรือเราอาจจะตัดเพื่อควบคุมให้ต้นไม้ได้มีโอกาสเติบโตเร็วกว่าการไม่ช่วยควบคุมวัชพืชเลย  ส่วนวัชพืชที่ตัดนั้นบางคร้งผมก็ทิ้งกองไว้ตรงนั้น  ถ้ามีเวลามากหน่อยก็เอามาสุมรวมๆ กันเพื่อทำปุ๋ย



ถึงแม้นว่าเราจะตัดหรือไม่ตัดวัชพืช  การปลูกแนวธรรมชาติที่ไม่มีการให้น้ำที่ผิวดินนั้นวัชพืชมักจะแห้งตายเองในหน้าแล้ง  วัชพืชส่วนที่แห้งตายเองตามธรรมชาติก็ดี ส่วนที่เราตัดแล้วทิ้งไว้ให้แห้งก็ดีจะกลายเป็นวัสดุคลุมดิน (mulch) ซึ่งจะช่วยลดน้ำ run off และรักษาความชุ่มชื้นให้กับดิน   ความชุ่มชื้นนี่เองก็จะช่วยให้วัชพืชเติบโตได้ดีขึ้นในรอบปีถัด  เมื่อผ่านไปนานๆ เข้าชั้นของวัสดุคลุมดินก็จะหนาขึ้น  ดินเองก็จะมี organic matter มากขึ้นจนเอื้อให้ไม้พุ่ม หรือต้นไม้ขนาดใหญ่สามารถรอดแล้งและเติบโตได้ดีขึ้น  เป็นขบวนการฟื้นฟูป่าโดยธรรมชาติ   และเมื่อไม้ใหญ่มีมากขึ้นวัชพืชก็จะได้รับแสงแดดน้อยลง จนเริ่มมีจำนวนลดลงไปเอง

ฝนเอย..ทำไมจึงตก

"ฝนเอย ทำไมจึงตก ?      จำเป็นต้องตก เพราะว่ากบมันร้อง"
"กบเอย ทำไมจึงร้อง ?     จำเป็นต้องร้อง เพราะว่าท้องมันปวด"
"ท้องเอย ทำไมจึงปวด ?  จำเป็นต้องปวด เพราะว่ากินข้าวดิบ"
"ข้าวเอย ทำไมจึงดิบ ?     จำเป็นต้องดิบ เพราะว่าไฟมันดับ"
"ไฟเอย ทำไมจึงดับ ?      จำเป็นต้องดับ เพราะว่าฟืนมันเปียก"
"ฟืนเอย ทำไมจึงเปียก ?  จำเป็นต้องเปียก เพราะว่าฝนมันตก"
"ฝนเอย ทำไมจึงตก ? ....."

เราคงจะจำเพลงสมัยเรียนประถมเพลงนี้ได้ แต่แน่นอนว่าจริงๆ แล้วฝนไม่ได้ตกเพราะกบมันร้อง...เหมือนในเพลง แต่ฝนเกิดจากไอน้ำในอากาศ  ซึ่งไอน้ำเหล่านี้อาจจะระเหยจากความร้อน  ระเหยจากลมพัด หรือเป็นไอน้ำจากขบวนการหายใจของมนุษย์และสัตว์ รวมทั้งการคายน้ำจากพืช  ซึ่งไอน้ำในอากาศมักจะถูกวัดเป็นความชื้นสัมบูรณ์ (Absolute Humidity) คือ อัตราส่วนระหว่างมวลของไอน้ำในอากาศกับปริมาตรของอากาศนั้นหน่วยวัดความชื้นสัมบูรณ์คือ g/m^3 (กรัมต่อลบ.ม.) หรือ อาจจะวัดเป็น ความชื้นสัมพัทธ์ (Relative Humidity) คือ ปริมาณเปรียบเทียบระหว่างระหว่างมวลของไอน้ำที่มีอยู่จริงในอากาศขณะนั้นกับมวลของไอน้ำในอากาศอิ่มตัวที่อุณหภูมิและปริมาตรเดียวกัน พูดง่ายๆ ก็คือเปอร์เซ็นต์ความหนาแน่นของไอน้ำก่อนที่จะถึงจุดควบแน่นเป็นหยดน้ำ

โดยบริเวณที่มีไอน้ำมีอยู่ในอากาศมากจะเห็นเป็นก้อนเมฆ  ซึ่งปกติอากาศจะมีความสามารถในการจุไอน้ำก่อนจะอิ่มตัวและควบแน่นเป็นหยดน้ำแตกต่างกันตามอุณหภูมิของอากาศ  โดยอากาศที่ร้อนกว่าจะสามารถจุไอน้ำได้มากกว่าอากาศเย็น ดังนั้นวิธีการหนึ่งที่จะทำให้เมฆควบแน่นเป็นหยดน้ำฝนคือการทำให้เมฆเย็นลง ความสามารถในการจุไอน้ำก็ลดลง ทำให้ไอน้ำมีความหนาแน่นมากพอที่จะควบแน่นเป็นหยดน้ำฝน

ขบวนการที่จะทำให้เมฆเย็นลงจนถึงจุดควบแน่นแบ่งออกเป็น 4 วิธีคือ adiabatic cooling, conductive cooling, radiational cooling, และ evaporative cooling

1. Adiabatic Cooling เกิดขึ้นเมื่ออากาศยกตัวสูงขึ้น และขยายตัว โดยการยกตัวของเมฆอาจจะเกิดจากการพาความร้อน (convection) ซึ่งจะทำให้อากาศที่ร้อนกว่าลอยตัวสูงขึ้นตามธรรมชาติ  ซึ่งอากาศที่ด้านบนจะอุ่นกว่าอากาศบริเวณพื้นดิน   ฝนที่เกิดขึ้นในลักษณะนี้จะมักจะตกไม่นาน และตกในพื้นที่เล็กๆ มักจะพบได้บ่อยในเขตร้อนอย่างประเทศไทย



อีกสาเหตุหนึ่งคือการยกตัวของอากาศอย่างรุนแรงอย่างในพายุไซโคลน แต่ไม่ค่อยเกิดขึ้นในประเทศไทยบ่อยนัก



และอีกสาเหตุหนึ่งคือการยกตัวเมื่อเมฆลอยไปปะทะกับสิ่งขีดขวางขนาดใหญ่อย่างภูเขา ทำให้เกิดการยกตัวของเมฆ (orographic lift) ขึ้นสูงทำให้เมฆเย็นตัวลงจึงกลั่นเป็นฝน ฝนในลักษณะนี้มักจะพบในแนวเขาขวางลมมรสุมที่พัดผ่านทะเลมา เช่น แถบทะลฝั่งตะวันตกอย่างจังหวัดพังงา ระนอง หรือ ทะเลฝั่งตะวันออกอย่างจันทบุรี ตราด เป็นต้น ซึ่งฝนในลักษณะนี้มักจะตกหนักและตกนาน  ส่วนพื้นที่หลังเขาไม่ต้องพูดถึง จะกลายเป็นเขต "เงาฝน" เนื่องเมฆที่พัดผ่านส่วนใหญ่จะตกเป็นฝนไปที่ด้านหน้าของภูเขาแล้ว (ยกเว้นเมฆอยู่ในระดับสูงกว่าภูเขามากๆ จะลอยข้ามมาได้)



อีกปรากฎการณ์หนึ่งที่เรามักจะพบในปัจจุบันคือ Urban Heat Island ซึ่งเกิดจากการพัฒนาเมืองที่ผิดธรรมชาติไปอย่างมาก ทำให้มีต้นไม้น้อยลง และปรับเปลี่ยนมาเป็นวัสดุที่มีมักจะแผ่รังสีความร้อนออกมาได้มากกว่าต้นไม้ เช่น คอนกรีต ถนน กระจก เป็นต้น รวมทั้งการใช้แอร์กันอย่างกว้างขวางโดยการนำเอาความร้อนภายในอาคารมาปล่อยที่ด้านนอก และการใช้พลังต่างๆ ทั้งในเครื่องใช้ไฟฟ้า และรถยนต์ทำให้อากาศในเมืองมีอุณหภูมิสูงกว่าพื้นที่รอบนอกของเมือง



ปรากฎการณ์ Urban Heat Island ทำให้เกิดการยกตัวของอากาศร้อนในกลางเมือง เมื่อเมฆเคลื่อนตัวผ่านเมืองก็จะถูกแรงยกให้ขึ้นสูงขึ้น ทำให้อุณหภูมิของเมฆเย็นลงและตกมาเป็นฝน ลักษณะของฝนแบบนี้มักจะโดนยกตัวจากความร้อนสูงในช่วงบ่ายๆ และมักจะตกเป็นฝนในช่วงเลิกงาน  ซึ่งฝนลักษณะนี้มีส่วนทำให้เกิดปัญหาภัยแล้งในประเทศไทย  เนื่องจากถ้าไม่มีปรากฎการณ์นี้เมฆจะเคลื่อนตัวเข้ามาในแผ่นดินลึกมากขึ้นโดยไม่ตกเป็นฝนในกรุงเทพฯ ก่อน  ส่วนฝนที่ตกในกรุงเทพฯ กลับไม่ค่อยได้ถูกใช้งานเนื่องจากแทบไม่มีพื้นที่เกษตรกรรมเหลือแล้ว  และฝนที่ตกในกรุงเทพฯ ซึ่งอยู่ใกล้ทะเลมาก และไม่มีพื้นดินจะให้น้ำซึมลงใต้ดินเท่าไหร่ (เราห่มดินด้วยคอนกรีต และยางมะตอยหมดแล้ว) น้ำก็จะไหลเป็นน้ำ Run off ลงแม่น้ำไปสู่ทะเลแทบทั้งหมด (อ่านเพิ่มเติมใน "น้ำฝนหายไปไหน?" และใน "ต้นไม้สายฝน")   น้ำฝนจึงไม่ได้ผ่านพื้นที่เกษตรกรรมอื่นๆ ให้สามารถใช้ประโยชน์หรือจัดเก็บน้ำจากฝนที่ตกซักเท่าไหร่  ผมคิดเล่นๆ ว่าถ้าเราสามารถย้ายเมืองหลวงขึ้นไปทางเหนือขึ้นมาสัก 300-500 กิโลเมตรก็น่าจะทำให้ฝนตกเข้ามาในแผ่นดินมากขึ้นกว่านี้  ถ้าจะมีใครคิดย้ายเมืองหลวงผมคงจะยกมือสนับสนุนให้หนึ่งเสียง



อีกหนึ่งลักษณะที่จะเกิด Adiabatic Cooling คือการยกตัวเมื่อคลื่นอากาศร้อนมาปะทะกับอากาศเย็น โดยจะเราจะแบ่งออกได้เป็น 2 ลักษณะคือ :



แบบแรกคลื่นอากาศอุ่น (Warm Front) เคลื่อนตัวไปยังบริเวณที่มีมวลอากาศเย็นกว่า โดยมวลอากาศเย็นจะยังคงตัวบริเวณพื้นดิน มวลอากาศอุ่นจะลอยตัวสูงขึ้น ซึ่งแนวของอากาศอุ่นจะมีความลาดชันน้อยกว่าแนวอากาศเย็น ซึ่งจากปรากฏการณ์แนวปะทะมวลอากาศอุ่นดังกล่าวนี้ลักษณะอากาศจะอยู่ในสภาวะทรงตัว แต่ถ้าลักษณะของมวลอากาศอุ่นมีการลอยตัวขึ้นในแนวดิ่ง (มีความลาดชันมาก) จะก่อให้เกิดฝนตกหนักและพายุฝนฟ้าคะนอง สังเกตได้จากการเกิดเมฆฝนเมฆนิมโบสเตรตัส หรือการเกิดฝนซู่ หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าฝนไล่ช้าง และหากยกตัวขึ้นไปสูงมากจนเมฆเจออากาศเย็นจนกลายเป็นน้ำแข็ง ตกลงมาเป็นลูกเห็บ มักจะเกิดขึ้นในช่วงปลายฤดูร้อนต้นฤดูฝน

แบบที่สองคลื่นอากาศเย็น (Cold Front) เคลื่อนตัวลงมายังบริเวณที่มีละติจูดต่ำ มวลอากาศเย็นจะหนัก จึงมีการเคลื่อนตัวติดกับผิวดิน และจะดันให้มวลอากาศอุ่นที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า ลอยตัวขึ้นตามความลาดเอียง ซึ่งมีความลาดชันมาก ซึ่งปรากฏการณ์ดังกล่าวตามแนวปะทะอากาศเย็นจะมีสภาพอากาศแปรปรวนมาก มวลอากาศร้อนถูกดันให้ลอยตัวยกสูงขึ้น เป็นลักษณะการก่อตัวของเมฆ คิวมูโลนิมบัส (Cumulonimbus) ท้องฟ้าจะมืดครึม เกิดพายุฝนฟ้าคะนองอย่างรุนแรง เราเรียกบริเวณดังกล่าวว่า “แนวพายุฝน” (Squall Line) จึงมักจะทำให้ฝนตกในปริมาณมากกว่าแบบ warm front ปรากฏการณ์ลักษณะนี้มักจะพบในช่วงปลายฤดูฝนต้นฤดูหนาว

2. Conductive cooling เกิดขึ้นเมื่ออากาศสัมผัสกับผิวโลกที่เย็นกว่า  มักจะเกิดขึ้นเมื่อเมฆถูกลมพัดจากผิวน้ำเข้ามาในแผ่นดินที่เย็นกว่า โดยเฉพาะในตอนกลางคืน การเย็นตัวในลักษณะนี้จะชัดเจนในตอนเหนือมากกว่า เราจึงมักพบปรากฎการณ์ฝนตกในตอนกลางคืนในประเทศที่อยู่เหนือเส้นศูนย์สูตรบ่อยกว่า

3. Radiational cooling เกิดขึ้นเมื่อมีการแผ่รังสีความร้อน (รังสีอินฟราเรด) จากเมฆในอากาศ มักจะเกิดขึ้นในตอนกลางคืน

4. Evaporative cooling เกิดขึ้นเมื่อความชื้นในเมฆถูกเพิ่มขึ้นจากการระเหยทำให้อากาศเย็นตัวลง หรือมีความื้นสูงมากจนเกิดการควบแน่นเป็นหยดน้ำ


ฝนเทียม

การทำฝนเทียม คือ กรรมวิธีดัดแปรสภาพอากาศเพื่อให้เกิดฝน เป็นกรรมวิธีเลียนแบบธรรมชาติ โดยทำจากเมฆซึ่งมีลักษณะพอเหมาะที่จะเกิดฝนได้ จากนั้นจึงเร่งให้เกิดการควบแน่นของเมฆโดยการโปรยสารเคมีที่ทำให้เมฆเย็นลง เร่งให้เกิดการควบแน่นการเป็นฝน สารเคมีที่มักจะใช้ได้แก่ silver iodide, potassium iodide, liquid propane, น้ำแข็งแห้ง(CO₂) หรือเกลือ(NaCl)



อีกปัจจัยหนึ่งซึ่งทำให้เกิดฝนคืออิออนลบ ซึ่งในสภาวะปกติอิออนลบจะเกิดจากแบคทีเรียซึ่งอยู่ร่วมกับต้นไม้อยู่แล้ว ( http://activeremedy.org.uk/pages/files/other/Ice_nucleation_active_bacteria.pdf ) โดยแบคทีเรียตามต้นไม้จะทำให้ฝุ่นในอากาศรอบๆ ต้นไม้กลายเป็นประจุลบ เมื่อลมพัดพาฝุ่นจากบริเวณผิวดินตามอากาศร้อนขึ้นไปหาก้อนเมฆก็จะเร่งให้เกิดการจับตัวของไอน้ำได้มากขึ้น ทำให้มีโอกาสที่จะควบแน่นกลายเป็นฝนมากขึ้น ดังนั้นเมฆฝนซึ่งลอยตัวอยู่เหนือบริเวณที่มีต้นไม้ขึ้นหนาแน่นมากจึงมีโอกาสที่จะมีฝนตกมากกว่าบริเวณที่มีต้นไม้น้อยกว่า เหมือนที่ปู่ฟูเคยบอกไว้ว่า "คนมักจะพูดว่าไม่ค่อยมีต้นไม้แถบนี้เพราะไม่ค่อยมีฝน แต่ความจริงแล้วการไม่มีต้นไม้มากพอต่างหากที่ทำให้ไม่ค่อยมีฝน"

หลังจากที่มนุษย์ค้นพบความจริงเรื่องนี้เจ้าชายของประเทศสหรัฐอาหรับเอมิเรตส์ ทุ่มเงินจำนวนมหาศาลให้นักวิทยาศาสตร์ทำโครงการลับ สร้างหอคอยผลิตอิออนขนาดมหึมาเพื่อจะสามารถบังคับให้เมฆตกลงมาเป็นฝนได้ ต่อมาความลับนี้ถูกเปิดเผย จีน และรัสเซียก็พากันสร้างเทคโนโลยีเดียวกันในการทำฝนเทียมด้วยประจุไฟฟ้า โดยแนวคิดนี้มีการประยุกต์ใช้ 2 แบบคือในบริเวณที่พอจะมีต้นไม้อยู่บ้างแล้ว ก็จะมีการสร้างหอคอยเหล่านี้เสริมเข้าไป เพื่อเพิ่มปริมาณอิออนลบให้มีฝนตกมากยิ่งขึ้น



ในแบบที่ 2 คือพื้นที่ที่มีต้นไม้น้อยมาก อย่างเช่นในบริเวณทะเลทรายก็จะต้องสร้างหอคอยแบบนี้อย่างน้อย 5 -10 หอคอยในการเร่งให้ฝนตกถ้ามีความชื้นสัมพัทธ์มากกว่า 30 %



ฝนตกเป็นเพียงหนึ่งในกระบวนการเปลี่ยนแปลงในวัฏจักรน้ำ สนใจอ่านรายละเอียดเรื่องกระบวนการอื่นๆ ในวัฏจักรน้ำได้ที่ http://my-experimental-farm.blogspot.com/2013/11/WaterCycle.html

วัฏจักรของหิน ( Rock Cycle )

วัฏจักรของหิน เป็นแนวคิดพื้นฐานในธรณีวิทยาที่อธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงของหินหลัก 3 ชนิด คือ หินอัคนี, หินตะกอน และหินแปร ตามภาพด้านล่างหินแต่ละชนิดจะถูกเปลี่ยนแปลงหรือทำลายเมื่อถูกแรงกระทำให้ออกจากสภาวะสมดุล หินอัคนีอย่างหินบะซอลต์อาจจะผุพังและถูกละลายเมื่อสัมผัสกับอากาศ หรือหลอมละลายเมื่อถูกดันลงไปใต้ดิน ดังนั้นหินทั้งสามชนิดนี้มีการเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาทางธรณีกาล อาจมีการเปลี่ยนจากหินชนิดหนึ่งไปเป็นหินอีกชนิดหนึ่ง หรืออาจเปลี่ยนกลับไปเป็นหินชนิดเดิมก็ได้ ขึ้นกับอุณหภูมิและความดันที่เป็นปัจจัยทำให้หินเกิดการผุพัง การกัดกร่อนและการแปรสภาพกลายเป็นหินชนิดใหม่ขึ้นมา



ประวัติการเรียนรู้วัฏจักรของหิน

ต้นกำเนิดของแนวคิดวัฏจักรหินเกิดขึ้นในศตวรรษที่ 18 โดย เจสส์ ฮัตตัน บิดาแห่งธรณีวิทยา วัฎจักรของหินนี้เป็นส่วนหนึ่งของแนวคิดหลักแห่งความเป็นเอกภาพ (Uniformitarianism) และจากความคิดของเขาที่ว่า “no vestige of a beginning, and no prospect of an end” ที่นำมาประยุกต์ใช้ในวัฏจักรของหินร่วมกับกระบวนการทางธรณีวิทยา เมื่อมีทฤษฎีธรณีแปรสัณฐาน ในช่วงศตวรรษที่ 1960 จึงมีการพัฒนาเป็น Wilson cycle โดย J. Tuzo Wilson ที่นำเอาทฤษฎีแปรสัณฐานมาใช้ร่วมด้วย

วัฎจักรของหิน

การเปลี่ยนแปลงเป็นหินอัคนี

เมื่อหินได้จมตัวลงสู่ใต้ผิวโลกจะเกิดการหลอมละลายกลายเป็นหินหนืด เมื่อปัจจัยสภาพแวดล้อมเปลี่ยนไปเกิดการเย็นตัวของระบบ หินหนืดจะเกิดการเย็นตัวอย่างช้า ๆ กลายเป็นหินอัคนีบาดาล ได้เนื้อหินเป็นผลึกหยาบ หรือถ้าหากหินหนืดมีการแทรกดันออกมานอกผิวโลก (หินหนืดที่ปะทุออกมานอกผิวโลกว่า ลาวา) จะเกิดการเย็นตัวอย่างรวดเร็วเกิดเป็นหินอัคนีพุ เนื้อหินที่ได้จะมีผลึกที่ละเอียด หรือในบางครั้งหากมีการเย็นตัวอย่างรวดเร็วมากจะได้เนื้อหินเป็นเนื้อแก้ว เช่น หินออบซิเดียน หินทุกชนิดทั้งหินอัคนี หินตะกอน และหินแปรสามารถหลอมละลายกลายเป็นหินหนืดและกลายเป็นหินอัคนีได้ทั้งสิ้น



A = โพรงแมกม่า (batholith); B = พนังหินอัคนี(dyke/dike); C = หินอัคนีรูปเห็ด(laccolith); D = หินเพกมาไทต์(pegmatite) เป็นหินอัคนีแทรกซอนมักปรากฏอยู่เป็นสายแร่; E = พนังแทรกชั้น(sill); F = กรวยภูเขาไฟสลับชั้น (stratovolcano);

ขบวนการหลอมละลาย: 1 = ความร้อนจากหินหนืดหลอมละลายเปลือกโลกที่ถูกดันลงใต้ผิวดิน; 2 = หินชั้นซึ่งเกิดจากหินที่ถูกดันลงไปในหินหลอมละลายแต่ยังไม่ถูกละลาย(roof pendant) เมื่อเย็นตัวลงจะเป็นหินที่มีลักษณะไม่เหมือนหินอัคนีที่อยู่รอบๆ บางครั้งเรียกว่า หินแปลกปลอม(xenolith); 3 = หินแปรที่เกิดจากสภาพสัมผัสของหินหลอมละลายกับเปลือกโลก; 4 = เมื่อมีแรงดันมากพอก็หินหลอมละลายก็จะถูกดันออกทางปากปล่องภูเขาไฟ

การเปลี่ยนแปลงเป็นหินตะกอน

เนื่องจากหินที่มีการโผล่ขึ้นมาบนผิวโลกจะมีความเสถียรลดลง จึงเกิดการผุพังและกัดกร่อนของหินได้ง่ายด้วยกระบวนการจากลมฟ้าอากาศ สารละลาย การกระทำของต้นไม้ รวมไปถึงแบคทีเรีย กระบวนการผุพังและกัดกร่อนจะทำให้หินดั้งเดิมแตกหักจนกลายเป็นตะกอนและสามารถพัดพาไปยังที่ต่าง ๆ โดยลม น้ำ หรือธารน้ำแข็ง เมื่อเกิดการสะสมเป็นจำนวนมากในบริเวณหนึ่ง ๆ และเกิดการทับถมกลายเป็นหินตะกอนเนื้อเม็ด แต่ถ้าเกิดจากการระเหยของแร่จะเรียกว่าหินตะกอนเคมี เช่น หินปูน หินเชิร์ต ถ้าตะกอนเหล่านั้นเกิดจากการทับถมของสิ่งมีชีวิตจะเรียกว่าหินตะกอนอินทรีย์