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。
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。
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。
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。
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。
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