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(xiàng)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(huì)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(gè)軸線，它貫穿地球南北兩個(gè)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(huì)圍繞著它旋轉(zhuǎn)起來。

地球儀

但實(shí)際情況比地球儀這種簡化模型要復(fù)雜很多，真實(shí)的地球自轉(zhuǎn)時(shí)，其自轉(zhuǎn)軸是會(huì)天然擺動(dòng)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(shí)候，陀螺也類似地球，會(huì)大致圍繞其中心的軸（這也是一個(gè)假想出來的軸）旋轉(zhuǎn)，但是在旋轉(zhuǎn)中其軸線會(huì)不斷左右搖晃。

地球的自轉(zhuǎn)軸就是這么一個(gè)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(shí)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(dòng)（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(dòng)，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(gè)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(shí)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(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(dǎo)致了極移現(xiàn)象。這個(gè)實(shí)驗(yàn)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，甚至嚼過的口香糖等，用膠帶纏在陀螺上，再去抽陀螺，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它轉(zhuǎn)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(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(gè)活動(dòng)著的星球，星球上各種活動(dòng)都會(huì)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(gè)圈層結(jié)構(gòu)，在地球外部，大氣圈，水圈都是不斷運(yùn)動(dòng)著的，這些運(yùn)動(dòng)往往會(huì)導(dǎo)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(yùn)動(dòng)，冬夏時(shí)節(jié)大氣層中氣流的相對運(yùn)動(dòng)（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(dòng)，無論是哪一個(gè)圈層的活動(dòng)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(huì)導(dǎo)致地球極移就很好理解了——人類活動(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(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(gè)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(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(dòng)已經(jīng)改變了極移，讓極移更大了，但那時(shí)候認(rèn)為的邏輯卻與地下水關(guān)系不大，而是人類活動(dòng)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(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(rèn)為人類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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)直接來自導(dǎo)致極移的兩個(gè)因素，冰蓋融化的后果不必多言，如果持續(xù)下去會(huì)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(huì)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?yàn)榈叵滤⒉皇且砸徽麄€(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，當(dāng)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。

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(shí)候，孔隙水實(shí)際上是巖石中的一個(gè)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(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(huì)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(jì)在海平面上升的疊加影響之下，其大部分區(qū)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(huì)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(huì)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(shí)間以十萬年甚至百萬年計(jì)，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(shí)，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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