出品:科普中國(guó)
作者:地星引力(科普創(chuàng)作者)
監(jiān)制:中國(guó)科普博覽
編者按:為拓展認(rèn)知邊界,科普中國(guó)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(shí)令人驚嘆的世界。
人類社會(huì)的快速發(fā)展,對(duì)地球的影響越來越大,環(huán)境污染和全球氣候變化對(duì)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(duì)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(shí)——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(jiǎn)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(cè)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(guó)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(duì)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(cè)到的全球極移(紅色)數(shù)值對(duì)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(duì)地球是沒多大影響的。但是這僅僅是從極移對(duì)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?cè)偻毓嗟叵滤?,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(duì)地球運(yùn)轉(zhuǎn)的方方面面都產(chǎn)生了重要影響,我們?cè)跒榇俗院赖耐瑫r(shí),可能也需要對(duì)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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