กาลานุกรมต้นไม้

กาลานุกรมต้นไม้ ( มาจากภาษากรีกว่า , "dendron", "ต้นไม้"; , "khronos", "เวลา"; และ , "-logia") หรือ tree-ring dating เป็นวิธีการวัดหาอายุทางวิทยาศาสตร์โดยการวิเคราะห์รูปแบบวงเติบโตของต้นไม้ เทคนิคนี้ได้รับการพัฒนาขึ้นมาครั้งแรกระหว่างช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 20 จากความคิดแรกเริ่มของ A. E. Douglass นักดาราศาสตร์ผู้ก่อตั้งห้องปฏิบัติการวิจัยวงเติบโตของต้นไม้ที่มหาวิทยาลัยแอริโซนา Douglass ได้ค้นหาความเข้าใจในรอบของจุดดับบนดวงอาทิตย์และให้เหตุผลเอาไว้ได้อย่างถูกต้องว่าการเปลี่ยนแปลงในพฤติกรรมของดวงอาทิตย์จะมีผลต่อรูปแบบภูมิอากาศบนโลกซึ่งได้ถูกบันทึกไว้ในรูปแบบของวงเติบโตของต้นไม้ (กล่าวคือ จุดดับบนดวงอาทิตย์ → ภูมิอากาศ → วงเติบโตของต้นไม้) เทคนิคทางกาลานุกรมต้นไม้นี้สามารถหาอายุของวงเติบโตต้นไม้จากไม้หลายชนิดเป็นปีปฏิทินได้อย่างแม่นยำของปีที่วงเติบโตเกิดขึ้น

วงเติบโต (growth rings หรือ tree rings หรือ annual rings) สามารถสังเกตเห็นได้ในแนวระดับที่ตัดขวางกับลำต้นของต้นไม้ วงเติบโตเป็นผลมาจากการเติบโตใหม่ของวาสคิวล่าแคมเบียม (vascular cambium) เซลล์เนื้อไม้เมอริสเตมด้านข้างซึ่งเป็นการเติบโตทุติยภูมิ วงที่เห็นนั้นเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงความเร็วของการเติบโตตามฤดูกาลในปีหนึ่งๆ ดังนั้นวงเติบโตหนึ่งๆปรกติจะมีอายุหนึ่งปีของต้นไม้ วงเติบโตนี้จะสังเกตได้ชัดเจนกว่าในเขตอบอุ่น (temperate zone) เนื่องจากเป็นเขตที่มีความแตกต่างระหว่างฤดูกาลที่ชัดเจนกว่า

ส่วนทางด้านในของวงเติบโตจะเกิดขึ้นในช่วงต้นฤดูซึ่งจะมีอัตราการเจริญเติบโตที่สูงกว่าทำให้เนื้อไม้มีความหนาแน่นน้อยกว่าที่เรียกว่าเนื้อไม้ต้นฤดู (early wood หรือ spring wood หรือ late-spring wood) ส่วนทางด้านนอกของวงเติบโตจะเป็นเนื้อไม้ปลายฤดู (late wood หรือบางทีก็เรียกว่า summer wood) ซึ่งเนื้อไม้จะมีความหนาแน่นมากกว่า คำว่า early wood ดูจะมีความเหมาะสมกว่าคำว่า "spring wood" ด้วยศัพท์คำหลังอาจจะไม่สอดคล้องกับช่วงเวลาของปีในเขตภูมิอากาศที่เนื้อไม้ต้นฤดูเกิดขึ้นในช่วงฤดูร้อน (อย่างเช่นในแคนาดา) หรือฤดูใบไม้ร่วงในพืชบางชนิดในแถบเมดิเตอเรเนียน

ต้นไม้ในเขตอบอุ่นจำนวนมากมีการสร้างวงเติบโตใหม่ล่าสุดหนึ่งวงในแต่ละปีอยู่ทางด้านนอกติดกับเปลือกไม้ สำหรับตลอดช่วงอายุขัยทั้งหมดของต้นไม้ต้นหนึ่งๆนั้นจะมีรูปแบบการบันทึกเป็นวงเติบโตอย่างต่อเนื่องปีต่อปีที่จะสะท้อนถึงสภาพของภูมิอากาศของการเจริญเติบโต ความชุ่มชื้นที่เหมาะสมและมีช่วงของการเติบโตที่ยาวนานเพียงพอจะทำให้วงเติบโตมีขนาดที่กว้าง ขณะที่ในปีที่แห้งแล้งจะส่งผลให้วงเติบโตแคบมากๆ สภาพที่เหมาะสมที่ถูกแทรกสลับด้วยสภาพที่แย่อาจยังผลทำให้เกิดวงเติบโตหลายวงในปีหนึ่งๆก็ได้ มีการพบวงเติบโตที่ผิดพลาดในต้นโอ๊คและต้นเอล์มได้น้อยมาก โดยมีการพบการเติบโตที่ผิดพลาดในต้นโอ๊คในปี 1816 ซึ่งรู้จักกันว่า ปีที่ปราศจากฤดูร้อน
ต้นไม้ในแถบภูมิภาคเดียวกันมีแนวโน้มที่จะเติบโตพัฒนารูปแบบของวงเติบโตในช่วงเวลาหนึ่งๆไปในลักษณะเดียวกัน ลักษณะรูปแบบวงเติบโตดังกล่าวสามารถนำไปเปรียบเทียบและทับซ้อนจากวงสู่วงของต้นไม้ที่เจริญเติบโตในแถบภูมิภาคเดียวกันและอยู่ภายใต้สภาพภูมิอากาศแบบเดียวกันได้ การเปรียบเทียบและการทับซ้อนในรูปแบบของวงเติบโตจากต้นไม้ที่มีชีวิตอยู่ในปัจจุบันย้อนหลังกลับไปในอดีตทำให้เราสามารถสร้างกาลานุกรมขึ้นมาสำหรับภูมิภาคต่างๆของโลกได้ ดังนั้นโครงสร้างไม้ในอดีตสามารถนำไปทับซ้อนเพื่อให้รู้กาลานุกรม ซึ่งเป็นเทคนิคที่เรียกว่าการเปรียบเทียบลักษณะโดยการเชื่อมโยง (cross-dating) และสามารถหาอายุของต้นไม้ได้อย่างแม่นยำ ในช่วงแรกๆของการเปรียบเทียบลักษณะโดยการเชื่อมโยงนั้นถูกนำมาใช้โดยการนำวงเติบโตไปเปรียบเทียบทับซ้อนด้วยสายตาซึ่งต่อมาได้มีการใช้คอมพิวเตอร์ทำการทับซ้อนด้วยวิธีการทางสถิติ

เพื่อที่จะกำจัดความแปรผันโดดๆที่ผิดปรกติในวงเติบโตของต้นไม้ นักกาลานุกรมต้นไม้จะทำการหาค่าเฉลี่ยในความกว้างของวงเติบโตต้นไม้จากหลายๆตัวอย่างเพื่อที่จะสร้างประวัติของวงเติบโต กระบวนการนี้เรียกว่าการสร้างจำลอง (replication) ประวัติของวงเติบโตหนึ่งๆที่ไม่ทราบเวลาเริ่มต้นและเวลาสิ้นสุดจะเรียกว่ากาลานุกรมลอย (floating chronology) ซึ่งสามารถยึดโยงได้ด้วยการเปรียบเทียบลักษณะโดยการเชื่อมโยงรูปแบบกับกาลานุกรมอื่นๆที่รู้ช่วงเวลา ได้มีการยึดโยงในกาลานุกรมอย่างเต็มรูปแบบย้อนหลังกลับไปได้มากกว่า 10,000 ปีสำหรับต้นโอ๊คแม่น้ำ (river oak) ในเยอรมนีใต้ (จากแม่น้ำเมนและแม่น้ำไรน์) ได้มีการยึดโยงในกาลานุกรมอย่างเต็มรูปแบบอีกตัวอย่างหนึ่งซึ่งย้อนหลังกลับไปได้ถึง 8,500 ปีสำหรับสนไพน์บริสเทิลโคนทางตะวันตกเฉียงใต้ของสหรัฐอเมริกา (ไวต์เมาเทนส์ แคลิฟอร์เนีย). นอกจากนี้ลำดับกาลานุกรมจากการศึกษากาลานุกรมต้นไม้ทั้งสองแห่งนี้ได้รับการศึกษาเปรียบเทียบยืนยันกับการหาอายุโดยวิธีเรดิคาร์บอนแล้ว
ในปี 2004 ได้มีการสร้างเส้นกราฟปรับชดเชยค่าอายุ (calibration curve) "INTCAL04" ขึ้นมาใหม่ ที่ถูกนำไปใช้ปรับชดเชยค่าอย่างเป็นสากลย้อนหลังกลับไปได้ถึง 26,000 ปีก่อนปัจจุบันจากค่าที่ได้รับการยอมรับทั่วโลกของชุดข้อมูลวงเติบโตต้นไม้และตะกอนทะเล

ตัวอย่างแท่งเจาะเนื้อไม้สำหรับวัดขนาดความกว้างของวงเติบโต โดยการนำตัวอย่างไม้จากต่างสถานที่กันและต่างลำดับชั้นตะกอนในพื้นที่ย่านเดียวกันทำให้นักวิจัยสามารถสร้างลำดับประวัติคร่าวๆที่กลายเป็นส่วนหนึ่งของบันทึกทางวิทยาศาสตร์ ตัวอย่างเช่น ไม้โบราณจากอาคารสามารถหาอายุและระบุได้ว่ามันเคยมีชีวิตอยู่เมื่อไรและทราบอายุแก่ที่สุดของมันได้ ต้นไม้บางสกุลมีความเหมาะสมในการวิเคราะห์ดังกล่างได้ดีกว่าต้นไม้บางสกุล ในลักษณะเดียวกันต้นไม้ที่พบเติบโตอยู่ในขอบพื้นที่เช่นในขอบพื้นที่แห้งแล้งหรือกึ่งแห้งแล้งจะวิเคราะห์ได้ผลดีกว่าในพื้นที่ชุ่มชื้น เทคนิคนี้มีความสำคัญในการหาอายุไม้ทางโบราณคดีที่เกิดเติบโตบริเวณหน้าผาของไม้พื้นเมืองอเมริกาในพื้นที่แห้งแล้งทางตะวันตกเฉียงใต้

ประโยชน์ของกาลานุกรมต้นไม้คือเป็นวัตถุที่ครั้งหนึ่งเคยมีชีวิตที่สามารถหาอายุได้อย่างแม่นยำที่จะบอกได้ถึงปีปฏิทินที่จะถูกใช้ในการปรับค่าชดเชยค่าอายุจากเรดิโอคาร์บอนจากการประมาณช่วงค่าอายุที่เกิดจากจุดตัดของเรดิโอคาร์บอนเป็นปีก่อนปัจจุบันหรือ'B'efore 'P'resent, เมื่อปัจจุบันเป็น 1950-01-01) และปีปฏิทิน สนไพน์บริสเติลโคนซึ่งมีอายุยืนมากและเจริญเติบโตช้าจะถูกนำมาใช้ในวัตถุประสงค์นี้ ด้วยการใช้ต้นที่ยังมีชีวิตอยู่และตัวอย่างไม้ที่ตายแล้วเพื่อให้ทราบถึงรูปแบบวงเติบโตย้อนหลังกลับไปนับเป็นพันๆปี ในบางพื้นที่สามารถหาค่าอายุย้อนหลังกลับไปได้มากกว่า 10,000 ปีทีเดียว

นักกาลานุกรมต้นไม้ต้องเผชิญกับอุปสรรคมากมาย ซึ่งรวมถึงมดบางชนิดที่อาศัยต้นไม้เป็นที่อยู่อาศัยและเข้าไปถึงเนื้อไม้ซึ่งไปทำลายโครงสร้างวงเติบโตของไม้ได้

รูปแบบการแปรผันเป็นฤดูกาลที่คล้ายๆกันนี้ก็พบได้ในแท่งตัวอย่างน้ำแข็งและชั้นตะกอนที่สะสมตัวในทะเลสาบ แม่น้ำ หรือท้องทะเล รูปแบบการสะสมตัวจากแท่งตัวอย่างจะแปรผันจากทะเลสาบที่น้ำแข็งตัวกลายเป็นน้ำแข็งกับที่ไม่แข็งตัวเป็นน้ำแข็งและรวมถึงลักษณะความละเอียดของตะกอน เหล่านี้จะถูกนำไปใช้หาอายุในลักษณะที่คล้ายกับวิธีการทางกาลานุกรมต้นไม้ และเทคนิคเหล่านี้จะถูกนำมาผสมผสานกันกับกาลานุกรมต้นไม้เพื่ออุดช่องว่างและขยายช่วงของข้อมูลฤดูกาลให้กับนักโบราณคดีได้

ขณะที่นักโบราณคดีก็อาจประสบความล้มเหลวในการนำตัวอย่างชิ้นไม้ไปหาอายุ มันอาจเป็นการยากที่จะหาอายุที่แท้จริงของอาคารหรือโครงสร้างที่มีไม้อยู่ ไม้เหล่านี้อาจถูกนำกลับมาใช้อีกครั้งจากโครงสร้างเก่าดั้งเดิม หรือมันอาจตกหล่นและถูกทิ้งร้างไว้นานหลายปีก่อนที่จะถูกนำมาใช้ หรืออาจจะถูกนำมาซ่อมแซมทดแทนชิ้นไม้ส่วนที่ผุพังเสียหายก็ได้

เป็นกฎพื้นฐานในการศึกษาใดๆที่เกี่ยวข้องกับอดีต คือ Principle of uniformity in the order of nature ที่เสนอขึ้นเป็นครั้งแรกโดย James Hutton ในปี 1785 และเป็นที่กล่าวกันโดยทั่วไปว่า “ปัจจุบันเป็นกุญแจไขไปสู่อดีต” เมื่อประยุกต์กฎข้อนี้ในทางกาลานุกรมต้นไม้แล้วกล่าวได้ว่า สภาวะต่างๆที่แปรผันในปัจจุบันสามารถนำไปทดแทนในอดีตได้ ซึ่งไม่ใช่หมายความว่าจะเหมือนกันไปเสียทุกอย่าง เพียงแต่สิ่งกระทบในลักษณะเดียวกันจะส่งผลในกระบวนการในลักษณะเดียวกัน กฎของกาลานุกรมต้นไม้ประกอบด้วยกฎย่อยๆดังนี้

กระบวนการทางกายภาพและชีวภาพที่เกี่ยวเนื่องกับกระบวนการทางสิ่งแวดล้อมในปัจจุบันกับรูปแบบการเติบโตของต้นไม้ในปัจจุบันต้องเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นในอดีต (after Fritts, 1976) อย่างไรก็ตามกาลานุกรมต้นไม้ได้เพิ่มเติมกฎข้อนี้ก็คือ “อดีตเป็นกุญแจไขไปสู่อนาคต” หรือกล่าวได้ว่า เมื่อรู้สภาพแวดล้อมในอดีต เราก็สามารถที่จะทำนายและจัดการสภาพแวดล้อมในอนาคตได้

กล่าวว่า - อัตราของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับพืชสามารถเกิดขึ้นได้เร็วเท่าที่จะยินยอมได้โดยปัจจัยที่มีลักษณะจำกัดที่สุดเท่านั้น ยกตัวอย่างเช่น ถ้าการตกของฝนเป็นปัจจัยที่มีลักษณะจำกัดที่สุด จำนวนเนื้อไม้ที่ต้นไม้จะผลิตขึ้นในปีหนึ่งๆก็จะเป็นไปตามปริมาณน้ำฝนที่ตกลงมาภายในปีนั้นๆ ค่าปริมาณน้ำฝนต่อปีเป็นปัจจัยที่จำกัดที่สุดของการเจริญเติบโตของพืชในเขตพื้นที่แห้งแล้งและกึ่งแห้งแล้ง ยิ่งมีปริมาณน้ำฝนมากวงปีก็จะกว้างมาก ในเขตละติจูดสูงอุณหภูมิจะเป็นปัจจัยที่จำกัดที่สุดที่จะมีผลต่อความกว้างของวงเติบโต

กล่าวว่า - ชุดลำดับของการเจริญเติบโตของต้นไม้ต้นหนึ่งๆสามารถแตกแยกย่อยไปเป็นองค์ประกอบอันหนึ่งของปัจจัยสิ่งแวดล้อมต่างๆทั้งที่เกิดขึ้นโดยมนุษย์และโดยธรรมชาติที่จะมีผบกระทบต่อรูปแบบการเจริญเติบโตของต้นไม้ตามกาลเวลา ยกตัวอย่างเช่น การเกิดวงเติบโตของต้นไม้ในปีหนึ่งๆเป็นหน้าที่ของผลรวมของปัจจัยดังนี้:
ดังนั้น เพื่อเป็นการเพิ่มสิ่งกระตุ้นทางสิ่งแวดล้อมตามที่ต้องการ ควรจะลดปัจจัยอื่นๆลงไป ตัวอย่างเช่น เพื่อเพิ่มสิ่งกระตุ้นสูงสุดทางภูมิอากาศ ควรจะกำจัดแนวโน้มที่เกี่ยวข้องกับอายุ และต้นไม้และพื้นที่ที่ถูกคัดเลือกเพื่อที่จะลดความเป็นไปได้สูงสุดของกระบวนการทางนิเวศวิทยาทั้งจากภายในและภายนอกที่ส่งผลกระทบต่อการเจริญเติบโตของต้นไม้

กล่าวว่า - สิ่งมีชีวิตทั้งหลายอาจเจริญเติบโต สืบพันธุ์ และแพร่ขยายออกไปอย่างกว้างขวางหรือแคบหรืออาจจะอยู่ในขอบเขตถิ่นอาศัยที่จำกัดได้ ตัวอย่างเช่น สนไพน์พอนเดอโรซ่า (Pinus ponderosa) มีการแผ่ขยายปกคลุมไปกว้างขวางเป็นอย่างมากในอเมริกาเหนือ โดยสามารถเจริญเติบโตอยู่ได้ในถิ่นอาศัยที่หลากหลาย (แห้งแล้ง ชุ่มชื้น ในระดับพื้นที่ต่ำ และที่สูง) ดังนั้นสนไพน์พอนเดอโรซ่านี้จึงมีช่วงความทนทานทางนิเวศวิทยาที่กว้างขวาง ในทางกลับกัน ต้นเรดวู้ดยักษ์ (Sequoiadendron giganteum) เจริญเติบโตได้เฉพาะในพื้นที่จำกัดอยู่ทางพื้นที่ด้านตะวันตกของป่าเซียร่าเนวาดาของแคลิฟอร์เนียเท่านั้น ดังนั้นสนเรดวู้ดยักษ์นี้จึงมีช่วงความทนทานทางนิเวศวิทยาที่แคบ กฎข้อนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเพราะว่าชนิดพืชที่มีประโยชน์ในทางกาลานุกรมต้นไม้ปกติแล้วจะพบอยู่ใกล้บริเวณขอบของช่วงธรรมชาติของมันเหล่านั้น อย่างเช่น สนสปรูซขาว (Picea glauca)

กล่าวว่า - สถานที่ที่เหมาะสมที่จะเป็นแหล่งศึกษากาลานุกรมต้นไม้นั้น สามารถถูกกำหนดและเลือกได้ทั้งนี้อยู่บนพื้นฐานแนวคิดที่ว่า ควรเป็นบริเวณที่มีต้นไม้ที่มีชุดของวงเติบโตที่ตอบสนองต่อความแปรผันของสภาพสิ่งแวดล้อมที่จะศึกษา ยกตัวอย่างเช่น ต้นไม้ที่จะตอบสนองเป็นการเฉพาะต่อสภาวะที่แห้งแล้งปกติจะพบได้ในที่ที่มีปริมาณน้ำฝนจำกัด ตัวอย่างเช่น บริเวณพื้นที่หินโผล่ หรือบนสันเขา ดังนั้นนักกาลานุกรมต้นไม้ผู้ที่สนใจสภาพภูมิอากาศที่แห้งแล้งในอดีตควรเสนอเก็บตัวอย่างต้นไม้ที่มีการเจริญเติบโตในพื้นที่ที่รู้ว่ามีความจำกัดในแหล่งน้ำ ต้นไม้ที่เจริญเติบโตในพื้นที่ต่ำหรือพื้นที่มีความชุ่มชื้นสูงจะให้ชุดของวงเติบโตที่ตอบสนองต่อปริมาณน้ำฝนที่ตกน้อย นักกาลานุกรมต้นไม้ต้องเลือกพื้นที่ที่จะตอบสนองสูงสุดต่อสิ่งกระตุ้นทางสิ่งแวดล้อมที่กำลังจะศึกษา

กล่าวว่า - รูปแบบการทับซ้อนในความกว้างของวงเติบโตหรือลักษณะของวงเติบโตอื่นๆ (อย่างเช่น รูปแบบความหนาแน่นของวงเติบโต) ในบรรดาลำดับชุดของวงเติบโตของไม้หลายๆชุดทำให้สามารถวินิจฉัยปีปฏิทินที่ชัดเจนแน่นอนในที่ซึ่งวงเติบโตแต่ละวงเกิดขึ้น ตัวอย่างอันหนึ่งที่สามารถหาอายุอาคารที่ก่อสร้าง อย่างเช่น โกดังหรือ pueblo ของชาวอินเดีย โดยการทับซ้อนรูปแบบของวงเติบโตของไม้ที่ได้มาจากอาคารกับวงเติบโตของไม้ที่ได้มาจากต้นไม้ในปัจจุบัน

กล่าวว่า - สิ่งกระตุ้นทางสิ่งแวดล้อมที่กำลังจะศึกษาสามารถเพิ่มขึ้นได้และลดจำนวนสิ่งรบกวน (noise) ลง ได้โดยการเก็บตัวอย่างชิ้นไม้จากต้นไม้หนึ่งๆมากกว่าหนึ่งชิ้นของลำต้นและมากกว่าหนึ่งต้นต่อหนึ่งพื้นที่ การเก็บตัวอย่างไม้มากกว่าหนึ่งแท่งตัวอย่างจากต้นไม้ต้นหนึ่งๆจะลดจำนวนความแปรผันภายในของต้นไม้ หรือกล่าวได้อีกอย่างหนึ่งว่า จำนวนสิ่งกระตุ้นทางสิ่งแวดล้อมที่ไม่ปรารถนาก่อให้เกิดความผิดปกติกับต้นไม้เพียงต้นเดียวเท่านั้น การเก็บชิ้นตัวอย่างไม้หลายๆชิ้นจากแหล่งหนึ่งๆทำให้มั่นใจได้ว่าจะลดจำนวนของลักษณะที่ถูกรบกวนลง (ปัจจัยสิ่งแวดล้อมที่ยังไม่ได้รับการศึกษาอย่างเช่นมลพิษทางอากาศ)

กาลานุกรมในยุโรปที่ได้จากการวิเคราะห์โครงสร้างไม้พบว่าประสบความยุ่งยากในการเชื่อมต่อช่องว่างของเหตุการณ์ในศตวรรษที่ 14 เมื่อพบว่ามีการหยุดการก่อสร้างอาคารในช่วงที่มีการระบาดของกาฬโรค

ในหลายพื้นที่ที่สามารถพยากรณ์ภูมิอากาศได้อย่างน่าเชื่อถือ ต้นไม้ได้พัฒนาวงเติบโตด้วยคุณสมบัติที่แตกต่างกันไปตามดินฟ้าอากาศ ปริมาณน้ำฝน อุณหภูมิ ฯลฯ ในปีที่ต่างกัน ความแปรผันเหล่านี้อาจถูกนำไปใช้ในการอนุมานความแปรผันของภูมิอากาศในอดีตได้

ตัวอย่างไม้หนึ่งๆความแปรผันในวงเติบโตไม่ได้บอกแค่การทับซ้อนเรื่องเวลาเป็นปี มันยังสามารถทับซ้อนเกี่ยวกับตำแหน่งที่มันเคยเจริญเติบโต ด้วยภูมิอากาศในภูมิภาคหนึ่งๆไม่เหมือนกันโดยตลอด นี้ทำให้เป็นไปได้ที่จะหาแหล่งของเรือรวมถึงชิ้นงานที่ทำจากไม้ที่ถูกเคลื่อนย้ายออกไปด้วยระยะทางไกล อย่างเช่นแท่นไม้สำหรับวาดระบายภาพสี เป็นต้น