地球越来越歪了？这可能因为人类过量抽取地下水

出品：科普中国

作者：地星引力（科普创作者）

监制：中国科普博览

编者按：为拓展认知边界，科普中国前沿科技项目推出“未知之境”系列文章，纵览深空、深地、深海等领域突破极限的探索成果。让我们一起走进科学发现之旅，认识令人惊叹的世界。

人类社会的快速发展，对地球的影响越来越大，环境污染和全球气候变化对地球的影响有目共睹，不过最近，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——地球自转轴在1993-2010年间因此偏移了大约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的地理知识——地球的自转轴。

众所周知，地球上的昼夜交替现象就是由地球不断自转而导致的，为了在科学观察中定量描述和分析地球的自转现象，科学家们假想出了有这么一个轴线，它贯穿地球南北两个极点，大致来说，地球就是围绕着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，地球仪就会围绕着它旋转起来。

地球仪

（图片来源：pickpik）

但实际情况比地球仪这种简化模型要复杂很多，真实的地球自转时，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，陀螺也类似地球，会大致围绕其中心的轴（这也是一个假想出来的轴）旋转，但是在旋转中其轴线会不断左右摇晃。

地球的自转轴就是这么一个情况，只不过地球的自转速度远慢于陀螺，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：Wikipedia）

也正是由于地球自转轴的这种不断移动（也就是极移），给科学家们的大地测量工作带来了很大的不方便：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，他们根据1900年的极点平均位置人为规定了地球自转轴的参考轴CIO（常规国际原点）。以这个参考自转轴为标准，科学家们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：Wikipedia）

抽取地下水是怎么导致自转轴偏移的？

自从发现了地球自转轴会有周期性偏移以后，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的不均匀，导致了极移现象。这个实验用陀螺我们自己就能做——随便在陀螺上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。

回到地球上，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，地球还是一个活动着的星球，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的质量分布改变。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中等等。

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：Wikipedia）

那么，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，让这些地下水中的至少80%重新变成了地表水，并经由各种途径（比如农业灌溉后的蒸发，工业和生活上使用后的排污等）重回海中。这自然让地球地表质量重新分布了，而且这个重分布的力度极大。

根据研究，在1993-2010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已经导致全球海平面上升了6mm。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——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的海洋中，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已经改变了极移，让极移更大了，但那时候认为的逻辑却与地下水关系不大，而是人类活动导致全球变暖，使得南北极冰盖融化，一方面冰变成水，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。但是这仅仅是从极移对地球的影响来说的，真正严重的后果其实直接来自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，其危害则是更加深远的——可能数十万乃至百万年都难以恢复的那种。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，然后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来。

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，地表沉降仅是迁都原因之一）。

雅加达沉降速度

（图片来源：参考文献2）

另一方面则是一旦临海的城市中地下水被抽取后，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，而要是一旦被海水，或者是因抽取方式不适合等原因而污染，这就相当于我们几乎永久性地失去了这一部分地下水。

人类目前对地球运转的方方面面都产生了重要影响，我们在为此自豪的同时，可能也需要对人类和地球的未来表示一下担忧了。

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, 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

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