科学家发现：地球正变得越来越歪，原因可能是人类做的这件事

叶505

人类社会的快速发展对地球的影响越来越大，除了环境污染和全球气候变化等这些有目共睹的影响之外，最近，科学家们还发现，就连人类抽取地下水的行为都对地球造成了显著影响：在1993年至2010年间，地球自转轴偏移了大约80厘米！

自转轴是什么？

要解释人类抽取地下水的行为是如何让地球自转轴偏移的，我们可能需要重新复习一下初中地理知识——自转轴。


地球上的昼夜交替现象是由地球自转导致的，为了在科学观察中定量描述和分析地球自转现象，科学家们假想出一个轴线，它贯穿地球南北两个极点，大致来说，地球就是围绕这根轴线中心不断自转的。以地球仪为例，地球是斜躺着的，其南北极点被一根轴线贯穿，稍微拨弄一下，地球仪就会围绕它旋转。

地球仪。图片来源：图虫创意

但实际情况远比地球仪这种简化模型复杂很多，真实的地球在自转时，其自转轴是会天然摆动的。


这么说可能有点抽象，我们可以用陀螺来类比一下。大家在抽陀螺的时候，陀螺会大致围绕其中心轴（这也是一个假想出来的轴）旋转，在旋转中其轴线会不断左右摇晃。


地球的自转轴就是这样，只不过地球的自转速度远远慢于陀螺，且地球体积也极为巨大，这就导致地轴的实际偏移速度比较缓慢。

陀螺的自转轴非常明显。图片来源：维基百科

也正是由于地球自转轴的这种不断移动（也就是极移），给科学家的大地测量工作带来了很大不便：坐标系本身都在动，坐标系内的点自然也就没办法用固定的（X，Y）值来表示了。


为了解决这一点，科学家们根据1900年的极点平均位置，人为规定了地球自转轴的参考轴CIO（国际协议原点），并以这个参考自转轴为标准，绘制了极移的大致情况。

以弧秒为单位的极移和以天为时间单位的函数。图片来源：维基百科

抽取地下水导致自转轴偏移？

自从发现地球自转轴会周期性偏移，科学家们就分析了极移的原因，最概括的解释就是地球上质量分布不均匀，导致了极移现象。这个实验我们用陀螺就能做：在陀螺上随便找个位置，把小的配重块（比如小木片、小钢珠，甚至嚼过的口香糖等）用胶带缠在陀螺上，再去抽陀螺，就会发现它转的时候歪七扭八的了。


回到地球，一方面，地球本身就不是一个形状规则的物体，这导致了地球从结构上来说，其质量分布就是不均匀的。


另一方面，地球还是一个活动的星球，星球上各种活动都会导致质量分布的不均一性。在地球内部有“地壳-地幔-地核”组成的三个圈层结构，在地球外部，大气圈、水圈都是不断运动着的，这些运动往往会导致地球暂时性质量分布的变化。比如地核和地幔中大型岩浆体的向上层运动，冬夏时节大气层中气流的相对运动（我们熟悉的西伯利亚冷空气团就是其中之一）；再比如随着气候变暖导致的冰川冰盖融化，大质量的水体流入海洋等现象。

地球的内外圈层都在活动，无论是哪一个圈层的活动都有可能导致地球质量分布不均。图片来源：维基百科

这样一说，抽取地下水会导致地球极移就很好理解了：人类活动从地层中抽取了大质量的地下水，并在使用地下水后，让这些地下水中至少80%的水重新变成了地表水，并经由各种途径（比如农业灌溉后的自然蒸发，工业和生活用途后的排污渠道等）重回海中。这重新分布了地球地表质量，且分布力度极大。


根据研究，在1993年至2010年之间，人类抽取的地下水总量约为2.15万亿吨，这些地下水排入海洋后导致全球海平面上升6毫米。而且更重要的是，这些被抽取的地下水绝大部分都来自北半球地区——北美、印度、中东等，这些水最终可以看作是平均分布在了全球海洋中，自然就导致了比较明显的极移，其速度是平均每年4.36厘米，在这些年间，极点已经向东经64.16°移动了78.48厘米了。

全球地下水亏损（左）和海平面上升（右）分布图。图片来源：参考文献[1]

虽然人类从2016年以来就已经知道人类活动让极移更大，但那时认为该变化与地下水关系不大，而是人类活动导致全球变暖，使南北极冰盖融化。一方面冰变成水，另一方面原本压在南北极地层之上的冰层融化后，导致地壳部分回弹，就好比弹簧被重物压住，重物消失后弹簧会回弹一样，这些都让全球质量分布发生改变。


但是这次的研究却认为，人类抽取地下水的行为其实是仅次于冰盖融化之后的重要控制因素。

理论计算中，不考虑地下水的极移（蓝虚线），考虑地下水的极移（蓝实线），以及观测到的全球极移（红色）数值对比。图片来源：参考文献[1]

极移有什么严重后果？

根据目前的研究，按照当前的极移程度，其实对地球是没多大影响的。但这仅仅是从极移对地球的影响来说，真正严重的后果其实来自直接导致极移的两个因素，冰盖融化的后果不必多言，如果持续下去会导致海平面上升，众多人口密集、经济发达的大城市都会被海水淹没。


至于过度抽取地下水，其危害程度更加深远，可能数十万乃至百万年内都难以恢复。这是因为地下水并不是以一整个水体的形式存在于地下的，而是以孔隙水的形式存在于地下岩层中的，也就是说，当我们抽取地下水时，并不是从一个地下河或者地下湖中抽取的，而是从岩层孔隙中抽取的，这些孔隙中的水会富集到井中，然后被源源不断抽取出来。

地下岩层以及岩层中的孔隙，这里才是地下水的来源。图片来源：BRGM-CO2GeoNet（根据CC协议使用）

在未被抽取的时候，孔隙水实际上是岩石中的一个支撑结构。一旦孔隙水消失，岩石就相当于损失了一个支撑点，会在上面岩层的重压之下被压实，其孔隙自然就会变小甚至消失，这时候，就算我们再往回灌地下水，也无法让这些孔隙恢复了。


一方面，岩层由于失去了孔隙度，变得更致密了，就好像我们压海绵，海绵变扁了。从宏观上看，就会表现出地表沉降。


放眼到全世界来看，印度尼西亚的首都雅加达，作为全球地表沉降最严重的城市（每年沉降17厘米），预计在海平面上升的叠加影响之下，其大部分区域可能会在2050年就完全处于海平面之下，目前印尼已经着手规划迁都了（当然啦，地表沉降仅是迁都原因之一）。

雅加达沉降速度图示。图片来源：参考文献[2]

另一方面，临海城市中的地下水一旦被抽取后，孔隙变空，海水就会因此渗透到这些孔隙中补上原本淡水的位置，于是这些地方就会出现海水入侵的情况，这将在未来很多年内严重影响当地的供水情况。


此外，由于有些地下水位于地层深处，其水源来自地表水的缓慢下渗，一旦抽取之后，重新补充的时间以十万年甚至百万年计，要是一旦被海水，或者是因抽取方式不适合等原因而污染，就相当于我们几乎永久性地失去了这一部分的地下水。


人类行为对地球运转的方方面面产生了重要影响，我们在为人类文明感到自豪的同时，也需要担忧人类和地球未来的命运了。




参考文献

[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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责编丨董娜娜

审校丨徐来 林林