出品：科普中國

作者：地星引力（科普創(chuàng )作者）

監制：中國科普博覽

編者按：為拓展認知邊界，科普中國前沿科技項目推出“未知之境”系列文章，縱覽深空、深地、深海等領(lǐng)域突破極限的探索成果。讓我們一起走進(jìn)科學(xué)發(fā)現之旅，認識令人驚嘆的世界。

人類(lèi)社會(huì )的快速發(fā)展，對地球的影響越來(lái)越大，環(huán)境污染和全球氣候變化對地球的影響有目共睹，不過(guò)最近，科學(xué)家們還發(fā)現就連人類(lèi)抽取地下水的行為都對地球造成了顯著(zhù)影響——地球自轉軸在1993-2010年間因此偏移了大約80厘米！

自轉軸是什么？

要解釋人類(lèi)抽取地下水的行為是如何讓地球自轉軸偏移的，我們可能需要重新復習一下初中的地理知識——地球的自轉軸。

眾所周知，地球上的晝夜交替現象就是由地球不斷自轉而導致的，為了在科學(xué)觀(guān)察中定量描述和分析地球的自轉現象，科學(xué)家們假想出了有這么一個(gè)軸線(xiàn)，它貫穿地球南北兩個(gè)極點(diǎn)，大致來(lái)說(shuō)，地球就是圍繞著(zhù)這根軸線(xiàn)中心不斷自轉的。以地球儀為例，地球是斜躺著(zhù)的，其南北極點(diǎn)被一根軸線(xiàn)貫穿，稍微撥弄一下，地球儀就會(huì )圍繞著(zhù)它旋轉起來(lái)。

地球儀

但實(shí)際情況比地球儀這種簡(jiǎn)化模型要復雜很多，真實(shí)的地球自轉時(shí)，其自轉軸是會(huì )天然擺動(dòng)的。

這么說(shuō)可能有點(diǎn)抽象，我們可以用陀螺來(lái)類(lèi)比一下。大家在抽陀螺的時(shí)候，陀螺也類(lèi)似地球，會(huì )大致圍繞其中心的軸（這也是一個(gè)假想出來(lái)的軸）旋轉，但是在旋轉中其軸線(xiàn)會(huì )不斷左右搖晃。

地球的自轉軸就是這么一個(gè)情況，只不過(guò)地球的自轉速度遠慢于陀螺，且地球體積也極為巨大，這就導致地軸的實(shí)際偏移速度比較緩慢。

陀螺的自轉軸非常明顯

也正是由于地球自轉軸的這種不斷移動(dòng)（也就是極移），給科學(xué)家們的大地測量工作帶來(lái)了很大的不方便：坐標系本身都在動(dòng)，坐標系內的點(diǎn)自然也就沒(méi)辦法用固定的（X，Y）值來(lái)表示了。

為了解決這一點(diǎn)，他們根據1900年的極點(diǎn)平均位置人為規定了地球自轉軸的參考軸CIO（常規國際原點(diǎn)）。以這個(gè)參考自轉軸為標準，科學(xué)家們繪制了極移的大致情況。

以弧秒為單位的極移和以天為時(shí)間單位的函數

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

抽取地下水是怎么導致自轉軸偏移的？

自從發(fā)現了地球自轉軸會(huì )有周期性偏移以后，科學(xué)家們就分析了極移的原因，最概括的解釋就是地球上質(zhì)量分布的不均勻，導致了極移現象。這個(gè)實(shí)驗用陀螺我們自己就能做——隨便在陀螺上找個(gè)位置把小的配重塊，比如小木片，小鋼珠，甚至嚼過(guò)的口香糖等，用膠帶纏在陀螺上，再去抽陀螺，就會(huì )發(fā)現它轉的時(shí)候歪七扭八的了。

回到地球上，一方面，地球本身就不是一個(gè)形狀規則的物體，這導致了地球從結構上來(lái)說(shuō)，其質(zhì)量分布就是不均勻的。

另一方面，地球還是一個(gè)活動(dòng)著(zhù)的星球，星球上各種活動(dòng)都會(huì )導致質(zhì)量分布的不均一性。在地球內部有地殼-地幔-地核組成的三個(gè)圈層結構，在地球外部，大氣圈，水圈都是不斷運動(dòng)著(zhù)的，這些運動(dòng)往往會(huì )導致地球暫時(shí)性的質(zhì)量分布改變。比如地核和地幔中大型巖漿體的向上層運動(dòng)，冬夏時(shí)節大氣層中氣流的相對運動(dòng)（我們熟悉的西伯利亞冷空氣團就是其中之一），再比如隨著(zhù)氣候變暖導致的冰川冰蓋融化，大質(zhì)量的水體流入海洋中等等。

地球的內外圈層都在活動(dòng)，無(wú)論是哪一個(gè)圈層的活動(dòng)都有可能導致地球質(zhì)量分布不均

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

那么，抽取地下水會(huì )導致地球極移就很好理解了——人類(lèi)活動(dòng)從地層中抽取了大質(zhì)量的地下水，并在使用地下水后，讓這些地下水中的至少80%重新變成了地表水，并經(jīng)由各種途徑（比如農業(yè)灌溉后的蒸發(fā)，工業(yè)和生活上使用后的排污等）重回海中。這自然讓地球地表質(zhì)量重新分布了，而且這個(gè)重分布的力度極大。

根據研究，在1993-2010年之間，人類(lèi)抽取的地下水總量約為2.15萬(wàn)億噸，這些地下水排入海洋后已經(jīng)導致全球海平面上升了6mm。而且更重要的是，這些被抽取的地下水絕大部分都來(lái)自北半球——北美、印度、中東等，這些水最終可以看作是平均分布在了全球的海洋中，自然就導致了比較明顯的極移，其速度是平均每年4.36厘米，在這些年間極點(diǎn)已經(jīng)向東經(jīng)64.16°移動(dòng)了78.48厘米了。

全球地下水虧損（左）和海平面上升（右）分布圖

（圖片來(lái)源：參考文獻1）

雖然人類(lèi)從2016年以來(lái)就已經(jīng)知道人類(lèi)活動(dòng)已經(jīng)改變了極移，讓極移更大了，但那時(shí)候認為的邏輯卻與地下水關(guān)系不大，而是人類(lèi)活動(dòng)導致全球變暖，使得南北極冰蓋融化，一方面冰變成水，一方面原本壓在南北極地層之上的冰層融化后，導致地殼部分回彈（就好比彈簧被重物壓住，重物消失后彈簧會(huì )回彈一樣），這些都讓全球質(zhì)量分布改變。

但是這次的研究卻認為人類(lèi)抽取地下水的行為其實(shí)是僅次于冰蓋融化之后的重要控制因素。

理論計算中，不考慮地下水的極移（藍虛線(xiàn)），考慮地下水的極移（藍實(shí)線(xiàn)），以及觀(guān)測到的全球極移（紅色）數值對比

（圖片來(lái)源：參考文獻1）

極移有什么嚴重后果？

根據目前的研究，按照當前的極移程度，其實(shí)對地球是沒(méi)多大影響的。但是這僅僅是從極移對地球的影響來(lái)說(shuō)的，真正嚴重的后果其實(shí)直接來(lái)自導致極移的兩個(gè)因素，冰蓋融化的后果不必多言，如果持續下去會(huì )導致海平面上升，眾多人口密集、經(jīng)濟發(fā)達的大城市都會(huì )被海水淹沒(méi)。

至于過(guò)度抽取地下水，其危害則是更加深遠的——可能數十萬(wàn)乃至百萬(wàn)年都難以恢復的那種。這是因為地下水并不是以一整個(gè)水體的形式存在于地下的，而是以孔隙水的形式存在于地下巖層中的，也就是說(shuō)，當我們抽取地下水時(shí)，并不是從一個(gè)地下河或者地下湖中抽取的，而是從巖層孔隙中抽取的，這些孔隙中的水會(huì )富集到井中，然后被源源不斷抽取出來(lái)。

地下巖層以及巖層中的孔隙，這里才是地下水的來(lái)源

（圖片來(lái)源：BRGM-CO2GeoNet，根據CC協(xié)議使用）

在未被抽取的時(shí)候，孔隙水實(shí)際上是巖石中的一個(gè)支撐結構。一旦孔隙水消失，巖石就相當于損失了一個(gè)支撐點(diǎn)，然后會(huì )在上面巖層的重壓之下被壓實(shí)，其孔隙自然就會(huì )變小甚至消失，這時(shí)候，就算我們再往回灌地下水，也無(wú)法讓這些孔隙恢復了。

一方面，巖層由于失去了孔隙度，變得更致密了，就好像我們壓海綿，海綿變扁了。從宏觀(guān)上看，就會(huì )表現出地表沉降來(lái)。

放眼到全世界來(lái)看，印度尼西亞的首都雅加達，作為全球地表沉降最嚴重的城市（每年沉降17厘米），預計在海平面上升的疊加影響之下，其大部分區域可能會(huì )在2050年就完全處于海平面之下，目前印尼已經(jīng)著(zhù)手規劃遷都了（當然，地表沉降僅是遷都原因之一）。

雅加達沉降速度

（圖片來(lái)源：參考文獻2）

另一方面則是一旦臨海的城市中地下水被抽取后，孔隙變空，海水就會(huì )因此滲透到這些孔隙中補上原本淡水的位置，于是這些地方就會(huì )出現海水入侵的情況，這將在未來(lái)很多年內嚴重影響當地的供水情況。

此外，由于有些地下水位于地層深處，其水源來(lái)自地表水的緩慢下滲，一旦抽取之后，重新補充的時(shí)間以十萬(wàn)年甚至百萬(wàn)年計，而要是一旦被海水，或者是因抽取方式不適合等原因而污染，這就相當于我們幾乎永久性地失去了這一部分地下水。

人類(lèi)目前對地球運轉的方方面面都產(chǎn)生了重要影響，我們在為此自豪的同時(shí)，可能也需要對人類(lèi)和地球的未來(lái)表示一下?lián)鷳n(yōu)了。

參考文獻：

[1] Seo K W, Ryu D, Eom J, et al. Drift of Earth's pole confirms groundwater depletion as a significant contributor to global sea level rise 1993–2010[J]. Geophysical Research Letters, 2023, 50(12): e2023GL103509.

[2] Bott L M, Sch?ne T, Illigner J, et al. Land subsidence in Jakarta and Semarang Bay–The relationship between physical processes, risk perception, and household adaptation[J]. Ocean & Coastal Management, 2021, 211: 105775

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