出品：科普中國

作者：地星引力（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為拓展認(rèn)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(xiàn)之旅，認(rèn)識令人驚嘆的世界。

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

自轉(zhuǎn)軸是什么？

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

眾所周知，地球上的晝夜交替現(xiàn)象就是由地球不斷自轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的，為了在科學(xué)觀察中定量描述和分析地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，科學(xué)家們假想出了有這么一個軸線，它貫穿地球南北兩個極點(diǎn)，大致來說，地球就是圍繞著這根軸線中心不斷自轉(zhuǎn)的。以地球儀為例，地球是斜躺著的，其南北極點(diǎn)被一根軸線貫穿，稍微撥弄一下，地球儀就會圍繞著它旋轉(zhuǎn)起來。

地球儀

但實際情況比地球儀這種簡化模型要復(fù)雜很多，真實的地球自轉(zhuǎn)時，其自轉(zhuǎn)軸是會天然擺動的。

這么說可能有點(diǎn)抽象，我們可以用陀螺來類比一下。大家在抽陀螺的時候，陀螺也類似地球，會大致圍繞其中心的軸（這也是一個假想出來的軸）旋轉(zhuǎn)，但是在旋轉(zhuǎn)中其軸線會不斷左右搖晃。

地球的自轉(zhuǎn)軸就是這么一個情況，只不過地球的自轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)慢于陀螺，且地球體積也極為巨大，這就導(dǎo)致地軸的實際偏移速度比較緩慢。

陀螺的自轉(zhuǎn)軸非常明顯

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

為了解決這一點(diǎn)，他們根據(jù)1900年的極點(diǎn)平均位置人為規(guī)定了地球自轉(zhuǎn)軸的參考軸CIO（常規(guī)國際原點(diǎn)）。以這個參考自轉(zhuǎn)軸為標(biāo)準(zhǔn)，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間單位的函數(shù)

（圖片來源：Wikipedia）

抽取地下水是怎么導(dǎo)致自轉(zhuǎn)軸偏移的？

自從發(fā)現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)軸會有周期性偏移以后，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(dǎo)致了極移現(xiàn)象。這個實驗用陀螺我們自己就能做——隨便在陀螺上找個位置把小的配重塊，比如小木片，小鋼珠，甚至嚼過的口香糖等，用膠帶纏在陀螺上，再去抽陀螺，就會發(fā)現(xiàn)它轉(zhuǎn)的時候歪七扭八的了。

回到地球上，一方面，地球本身就不是一個形狀規(guī)則的物體，這導(dǎo)致了地球從結(jié)構(gòu)上來說，其質(zhì)量分布就是不均勻的。

另一方面，地球還是一個活動著的星球，星球上各種活動都會導(dǎo)致質(zhì)量分布的不均一性。在地球內(nèi)部有地殼-地幔-地核組成的三個圈層結(jié)構(gòu)，在地球外部，大氣圈，水圈都是不斷運(yùn)動著的，這些運(yùn)動往往會導(dǎo)致地球暫時性的質(zhì)量分布改變。比如地核和地幔中大型巖漿體的向上層運(yùn)動，冬夏時節(jié)大氣層中氣流的相對運(yùn)動（我們熟悉的西伯利亞冷空氣團(tuán)就是其中之一），再比如隨著氣候變暖導(dǎo)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(nèi)外圈層都在活動，無論是哪一個圈層的活動都有可能導(dǎo)致地球質(zhì)量分布不均

（圖片來源：Wikipedia）

那么，抽取地下水會導(dǎo)致地球極移就很好理解了——人類活動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(nóng)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，而且這個重分布的力度極大。

根據(jù)研究，在1993-2010年之間，人類抽取的地下水總量約為2.15萬億噸，這些地下水排入海洋后已經(jīng)導(dǎo)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(dǎo)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

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

雖然人類從2016年以來就已經(jīng)知道人類活動已經(jīng)改變了極移，讓極移更大了，但那時候認(rèn)為的邏輯卻與地下水關(guān)系不大，而是人類活動導(dǎo)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(dǎo)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(rèn)為人類抽取地下水的行為其實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(lán)虛線），考慮地下水的極移（藍(lán)實線），以及觀測到的全球極移（紅色）數(shù)值對比

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

極移有什么嚴(yán)重后果？

根據(jù)目前的研究，按照當(dāng)前的極移程度，其實對地球是沒多大影響的。但是這僅僅是從極移對地球的影響來說的，真正嚴(yán)重的后果其實直接來自導(dǎo)致極移的兩個因素，冰蓋融化的后果不必多言，如果持續(xù)下去會導(dǎo)致海平面上升，眾多人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大城市都會被海水淹沒。

至于過度抽取地下水，其危害則是更加深遠(yuǎn)的——可能數(shù)十萬乃至百萬年都難以恢復(fù)的那種。這是因為地下水并不是以一整個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，當(dāng)我們抽取地下水時，并不是從一個地下河或者地下湖中抽取的，而是從巖層孔隙中抽取的，這些孔隙中的水會富集到井中，然后被源源不斷抽取出來。

地下巖層以及巖層中的孔隙，這里才是地下水的來源

（圖片來源：BRGM-CO2GeoNet，根據(jù)CC協(xié)議使用）

在未被抽取的時候，孔隙水實際上是巖石中的一個支撐結(jié)構(gòu)。一旦孔隙水消失，巖石就相當(dāng)于損失了一個支撐點(diǎn)，然后會在上面巖層的重壓之下被壓實，其孔隙自然就會變小甚至消失，這時候，就算我們再往回灌地下水，也無法讓這些孔隙恢復(fù)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。從宏觀上看，就會表現(xiàn)出地表沉降來。

放眼到全世界來看，印度尼西亞的首都雅加達(dá)，作為全球地表沉降最嚴(yán)重的城市（每年沉降17厘米），預(yù)計在海平面上升的疊加影響之下，其大部分區(qū)域可能會在2050年就完全處于海平面之下，目前印尼已經(jīng)著手規(guī)劃遷都了（當(dāng)然，地表沉降僅是遷都原因之一）。

雅加達(dá)沉降速度

（圖片來源：參考文獻(xiàn)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，海水就會因此滲透到這些孔隙中補(bǔ)上原本淡水的位置，于是這些地方就會出現(xiàn)海水入侵的情況，這將在未來很多年內(nèi)嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐墓┧闆r。

此外，由于有些地下水位于地層深處，其水源來自地表水的緩慢下滲，一旦抽取之后，重新補(bǔ)充的時間以十萬年甚至百萬年計，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(dāng)于我們幾乎永久性地失去了這一部分地下水。

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

參考文獻(xiàn)：

[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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