出品：科普中國

作者：地星引力（科普創作者）

監製：中國科普博覽

編者按：為(wei) 拓展認知邊界，科普中國前沿科技項目推出“未知之境”係列文章，縱覽深空、深地、深海等領域突破極限的探索成果。讓我們(men) 一起走進科學發現之旅，認識令人驚歎的世界。

人類社會(hui) 的快速發展，對地球的影響越來越大，環境汙染和全球氣候變化對地球的影響有目共睹，不過最近，科學家們(men) 還發現就連人類抽取地下水的行為(wei) 都對地球造成了顯著影響——地球自轉軸在1993-2010年間因此偏移了大約80厘米！

自轉軸是什麽(me) ？

要解釋人類抽取地下水的行為(wei) 是如何讓地球自轉軸偏移的，我們(men) 可能需要重新複習(xi) 一下初中的地理星空体育官网入口网站——地球的自轉軸。

眾(zhong) 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(wei) 了在科學觀察中定量描述和分析地球的自轉現象，科學家們(men) 假想出了有這麽(me) 一個(ge) 軸線，它貫穿地球南北兩(liang) 個(ge) 極點，大致來說，地球就是圍繞著這根軸線中心不斷自轉的。以地球儀(yi) 為(wei) 例，地球是斜躺著的，其南北極點被一根軸線貫穿，稍微撥弄一下，地球儀(yi) 就會(hui) 圍繞著它旋轉起來。

地球儀(yi)

但實際情況比地球儀(yi) 這種簡化模型要複雜很多，真實的地球自轉時，其自轉軸是會(hui) 天然擺動的。

這麽(me) 說可能有點抽象，我們(men) 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(hui) 大致圍繞其中心的軸（這也是一個(ge) 假想出來的軸）旋轉，但是在旋轉中其軸線會(hui) 不斷左右搖晃。

地球的自轉軸就是這麽(me) 一個(ge) 情況，隻不過地球的自轉速度遠慢於(yu) 陀螺，且地球體(ti) 積也極為(wei) 巨大，這就導致地軸的實際偏移速度比較緩慢。

陀螺的自轉軸非常明顯

也正是由於(yu) 地球自轉軸的這種不斷移動（也就是極移），給科學家們(men) 的大地測量工作帶來了很大的不方便：坐標係本身都在動，坐標係內(nei) 的點自然也就沒辦法用固定的（X，Y）值來表示了。

為(wei) 了解決(jue) 這一點，他們(men) 根據1900年的極點平均位置人為(wei) 規定了地球自轉軸的參考軸CIO（常規國際原點）。以這個(ge) 參考自轉軸為(wei) 標準，科學家們(men) 繪製了極移的大致情況。

以弧秒為(wei) 單位的極移和以天為(wei) 時間單位的函數

（圖片來源：Wikipedia）

抽取地下水是怎麽(me) 導致自轉軸偏移的？

自從(cong) 發現了地球自轉軸會(hui) 有周期性偏移以後，科學家們(men) 就分析了極移的原因，最概括的解釋就是地球上質量分布的不均勻，導致了極移現象。這個(ge) 實驗用陀螺我們(men) 自己就能做——隨便在陀螺上找個(ge) 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(hui) 發現它轉的時候歪七扭八的了。

回到地球上，一方麵，地球本身就不是一個(ge) 形狀規則的物體(ti) ，這導致了地球從(cong) 結構上來說，其質量分布就是不均勻的。

另一方麵，地球還是一個(ge) 活動著的星球，星球上各種活動都會(hui) 導致質量分布的不均一性。在地球內(nei) 部有地殼-地幔-地核組成的三個(ge) 圈層結構，在地球外部，大氣圈，水圈都是不斷運動著的，這些運動往往會(hui) 導致地球暫時性的質量分布改變。比如地核和地幔中大型岩漿體(ti) 的向上層運動，冬夏時節大氣層中氣流的相對運動（我們(men) 熟悉的西伯利亞(ya) 冷空氣團就是其中之一），再比如隨著氣候變暖導致的冰川冰蓋融化，大質量的水體(ti) 流入海洋中等等。

地球的內(nei) 外圈層都在活動，無論是哪一個(ge) 圈層的活動都有可能導致地球質量分布不均

（圖片來源：Wikipedia）

那麽(me) ，抽取地下水會(hui) 導致地球極移就很好理解了——人類活動從(cong) 地層中抽取了大質量的地下水，並在使用地下水後，讓這些地下水中的至少80%重新變成了地表水，並經由各種途徑（比如農(nong) 業(ye) 灌溉後的蒸發，工業(ye) 和生活上使用後的排汙等）重回海中。這自然讓地球地表質量重新分布了，而且這個(ge) 重分布的力度極大。

根據研究，在1993-2010年之間，人類抽取的地下水總量約為(wei) 2.15萬(wan) 億(yi) 噸，這些地下水排入海洋後已經導致全球海平麵上升了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(dong) 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，在這些年間極點已經向東(dong) 經64.16°移動了78.48厘米了。

全球地下水虧(kui) 損（左）和海平麵上升（右）分布圖

（圖片來源：參考文獻1）

雖然人類從(cong) 2016年以來就已經知道人類活動已經改變了極移，讓極移更大了，但那時候認為(wei) 的邏輯卻與(yu) 地下水關(guan) 係不大，而是人類活動導致全球變暖，使得南北極冰蓋融化，一方麵冰變成水，一方麵原本壓在南北極地層之上的冰層融化後，導致地殼部分回彈（就好比彈簧被重物壓住，重物消失後彈簧會(hui) 回彈一樣），這些都讓全球質量分布改變。

但是這次的研究卻認為(wei) 人類抽取地下水的行為(wei) 其實是僅(jin) 次於(yu) 冰蓋融化之後的重要控製因素。

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

（圖片來源：參考文獻1）

極移有什麽(me) 嚴(yan) 重後果？

根據目前的研究，按照當前的極移程度，其實對地球是沒多大影響的。但是這僅(jin) 僅(jin) 是從(cong) 極移對地球的影響來說的，真正嚴(yan) 重的後果其實直接來自導致極移的兩(liang) 個(ge) 因素，冰蓋融化的後果不必多言，如果持續下去會(hui) 導致海平麵上升，眾(zhong) 多人口密集、經濟發達的大城市都會(hui) 被海水淹沒。

至於(yu) 過度抽取地下水，其危害則是更加深遠的——可能數十萬(wan) 乃至百萬(wan) 年都難以恢複的那種。這是因為(wei) 地下水並不是以一整個(ge) 水體(ti) 的形式存在於(yu) 地下的，而是以孔隙水的形式存在於(yu) 地下岩層中的，也就是說，當我們(men) 抽取地下水時，並不是從(cong) 一個(ge) 地下河或者地下湖中抽取的，而是從(cong) 岩層孔隙中抽取的，這些孔隙中的水會(hui) 富集到井中，然後被源源不斷抽取出來。

地下岩層以及岩層中的孔隙，這裏才是地下水的來源

（圖片來源：BRGM-CO2GeoNet，根據CC協議使用）

在未被抽取的時候，孔隙水實際上是岩石中的一個(ge) 支撐結構。一旦孔隙水消失，岩石就相當於(yu) 損失了一個(ge) 支撐點，然後會(hui) 在上麵岩層的重壓之下被壓實，其孔隙自然就會(hui) 變小甚至消失，這時候，就算我們(men) 再往回灌地下水，也無法讓這些孔隙恢複了。

一方麵，岩層由於(yu) 失去了孔隙度，變得更致密了，就好像我們(men) 壓海綿，海綿變扁了。從(cong) 宏觀上看，就會(hui) 表現出地表沉降來。

放眼到全世界來看，印度尼西亞(ya) 的首都雅加達，作為(wei) 全球地表沉降最嚴(yan) 重的城市（每年沉降17厘米），預計在海平麵上升的疊加影響之下，其大部分區域可能會(hui) 在2050年就完全處於(yu) 海平麵之下，目前印尼已經著手規劃遷都了（當然，地表沉降僅(jin) 是遷都原因之一）。

雅加達沉降速度

（圖片來源：參考文獻2）

另一方麵則是一旦臨(lin) 海的城市中地下水被抽取後，孔隙變空，海水就會(hui) 因此滲透到這些孔隙中補上原本淡水的位置，於(yu) 是這些地方就會(hui) 出現海水入侵的情況，這將在未來很多年內(nei) 嚴(yan) 重影響當地的供水情況。

此外，由於(yu) 有些地下水位於(yu) 地層深處，其水源來自地表水的緩慢下滲，一旦抽取之後，重新補充的時間以十萬(wan) 年甚至百萬(wan) 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汙染，這就相當於(yu) 我們(men) 幾乎永久性地失去了這一部分地下水。

人類目前對地球運轉的方方麵麵都產(chan) 生了重要影響，我們(men) 在為(wei) 此自豪的同時，可能也需要對人類和地球的未來表示一下擔憂了。

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, Schöne 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

歡迎掃碼關(guan) 注深i科普！

我們(men) 將定期推出

公益、免費、優(you) 惠的科普活動和科普好物！