人類社會的快速發展，對地球的影響越來越大，環境汙染和全球氣候變遷對地球的影響有目共睹，不過最近，科學家們還發現就連人類抽取地下水的行為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？
要解釋人類抽取地下水的行為是如何讓地球自轉軸偏移的，我們可能需要重新復習一下初中的地理知識——地球的自轉軸。
眾所周知，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，科學家們假想出了有這麽一個軸線，它貫穿地球南北兩個極點，大致來說，地球就是圍繞著這根軸線中心不斷自轉的。以地球儀為例，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，地球儀就會圍繞著它旋轉起來。
地球儀
（圖片來源：pickpik）
但實際情況比地球儀這種簡化模型要復雜很多，真實的地球自轉時，其自轉軸是會天然擺動的。
這麽說可能有點抽象，我們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，會大致圍繞其中心的軸（這也是一個假想出來的軸）旋轉，但是在旋轉中其軸線會不斷左右搖晃。
地球的自轉軸就是這麽一個情況，只不過地球的自轉速度遠慢於陀螺，且地球體積也極為巨大，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
（圖片來源：Wikipedia）
也正是由於地球自轉軸的這種不斷移動（也就是極移），給科學家們的大地測量工作帶來了很大的不方便：座標系本身都在動，座標系內的點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，他們根據1900年的極點平均位置人為規定了地球自轉軸的參考軸CIO（常規國際原點）。以這個參考自轉軸為標準，科學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間單位的函式
（圖片來源：Wikipedia）
抽取地下水是怎麽導致自轉軸偏移的？
自從發現了地球自轉軸會有周期性偏移以後，科學家們就分析了極移的原因，最概括的解釋就是地球上品質分布的不均勻，導致了極移現象。這個實驗用陀螺我們自己就能做——隨便在陀螺上找個位置把小的配重塊，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，就會發現它轉的時候歪七扭八的了。
回到地球上，一方面，地球本身就不是一個形狀規則的物體，這導致了地球從結構上來說，其品質分布就是不均勻的。
另一方面，地球還是一個活動著的星球，星球上各種活動都會導致品質分布的不均一性。在地球內部有地殼-地幔-地核組成的三個圈層結構，在地球外部，大氣圈，水圈都是不斷運動著的，這些運動往往會導致地球暫時性的品質分布改變。比如地核和地幔中大型巖漿體的向上層運動，冬夏時節大氣層中氣流的相對運動（我們熟悉的西伯利亞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，大品質的水體流入海洋中等等。
地球的內外圈層都在活動，無論是哪一個圈層的活動都有可能導致地球品質分布不均
（圖片來源：Wikipedia）
那麽，抽取地下水會導致地球極移就很好理解了——人類活動從地層中抽取了大品質的地下水，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（比如農業灌溉後的蒸發，工業和生活上使用後的排汙等）重回海中。這自然讓地球地表品質重新分布了，而且這個重分布的力度極大。
根據研究，在1993-2010年之間，人類抽取的地下水總量約為2.15萬億噸，這些地下水排入海洋後已經導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份都來自北半球——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經64.16°移動了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1）
雖然人類從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，但那時候認為的邏輯卻與地下水關系不大，而是人類活動導致全球暖化，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後，導致地殼部份回彈（就好比彈簧被重物壓住，重物消失後彈簧會回彈一樣），這些都讓全球品質分布改變。
但是這次的研究卻認為人類抽取地下水的行為其實是僅次於冰蓋融化之後的重要控制因素。
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）
極移有什麽嚴重後果？
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。但是這僅僅是從極移對地球的影響來說的，真正嚴重的後果其實直接來自導致極移的兩個因素，冰蓋融化的後果不必多言，如果持續下去會導致海平面上升，眾多人口密集、經濟發達的大城市都會被海水淹沒。
至於過度抽取地下水，其危害則是更加深遠的——可能數十萬乃至百萬年都難以恢復的那種。這是因為地下水並不是以一整個水體的形式存在於地下的，而是以孔隙水的形式存在於地下巖層中的，也就是說，當我們抽取地下水時，並不是從一個地下河或者地下湖中抽取的，而是從巖層孔隙中抽取的，這些孔隙中的水會富集到井中，然後被源源不斷抽取出來。
地下巖層以及巖層中的孔隙，這裏才是地下水的來源
（圖片來源：BRGM-CO2GeoNet，根據CC協定使用）
在未被抽取的時候，孔隙水實際上是巖石中的一個支撐結構。一旦孔隙水消失，巖石就相當於損失了一個支撐點，然後會在上面巖層的重壓之下被壓實，其孔隙自然就會變小甚至消失，這時候，就算我們再往回灌地下水，也無法讓這些孔隙恢復了。
一方面，巖層由於失去了孔隙度，變得更致密了，就好像我們壓海綿，海綿變扁了。從宏觀上看，就會表現出地表沈降來。
放眼到全世界來看，印度尼西亞的首都雅加逹，作為全球地表沈降最嚴重的城市（每年沈降17厘米），預計在海平面上升的疊加影響之下，其大部份區域可能會在2050年就完全處於海平面之下，目前印尼已經著手規劃遷都了（當然，地表沈降僅是遷都原因之一）。
雅加逹沈降速度
（圖片來源：參考文獻2）
另一方面則是一旦臨海的城市中地下水被抽取後，孔隙變空，海水就會因此滲透到這些孔隙中補上原本淡水的位置，於是這些地方就會出現海水入侵的情況，這將在未來很多年內嚴重影響當地的供水情況。
此外，由於有些地下水位於地層深處，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年甚至百萬年計，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，這就相當於我們幾乎永久性地失去了這一部份地下水。
人類目前對地球運轉的方方面面都產生了重要影響，我們在為此自豪的同時，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.
出品：科普中國
作者：地星重力（科普創作者）
監制：中國科普博覽
