Откачка подземных вод сдвинула полюс вращения Земли почти на 80 сантиметров: так учёные проверили оценки истощения водоносных горизонтов
Вода, откачанная из подземного водоносного горизонта, может оросить поле или снабдить город. По всей планете такие изъятия перемещают достаточно массы, чтобы оставить измеримый след во вращении Земли. Исследователи связали истощение подземных вод в 1993–2010 годах с почти 80 сантиметрами дрейфа полюса вращения планеты.
Работу, опубликованную в Geophysical Research Letters, возглавил Ки-Вон Со из Сеульского национального университета. Его команда сравнила наблюдаемое движение полюса с расчётами того, как вода, лёд и другие процессы перераспределяют массу. Подземные воды помогли объяснить расхождение, которое без них оставалось.
Результат добавляет планетарную перспективу к потере подземных вод. Откачка также внесла примерно 6,24 миллиметра в глобальный подъём среднего уровня моря за период исследования. Вода, перенесённая с суши, присоединяется к другим вкладам, включая потерю полярных льдов, в повышении массы океана.
Цифру в 80 сантиметров нужно толковать осторожно. Она описывает положение полюса вращения относительно земной коры, а не крупное изменение угла, отвечающего за времена года. Она также не означает, что вся планета сдвинулась вбок в космосе. Сигнал касается меняющегося баланса вращающегося мира.
Земля вращается вокруг оси, и эта ось пересекает поверхность в полюсах вращения. Эти точки движутся относительно коры в процессе, называемом движением полюса. Перераспределение веса меняет баланс планеты — примерно как сдвиг небольшого груза может повлиять на вращающийся предмет. Вода — один из источников такого перераспределения. Подземные запасы могут сокращаться, когда изъятие превышает пополнение. После добычи вода проходит через фермы, реки, атмосферу и другие части водного цикла. Со временем часть воды, потерянной из континентальных запасов, достигает океанов, меняя глобальное расположение масс.
Другое исследование вращения Земли тоже изучает, как движущаяся вода и лёд влияют на планету. Однако разные измерения улавливают разные эффекты: изменение скорости вращения, выражаемое через длину суток, отличается от положения полюса вращения, которое рассматривается здесь.
Исследователи рассчитали, как изменения запасов подземных вод на суше вместе со связанным перераспределением в океаны должны влиять на движение полюса. Затем они объединили этот прогноз с другими вкладами. Цель была объяснить измеренный тренд с помощью независимо оценённых изменений воды и льда на планете.
Более раннее моделирование оценивало чистое истощение подземных вод в 2150 гигатонн за 1993–2010 годы, что эквивалентно примерно 2,15 триллиона метрических тонн. Это число отражает потерянные запасы подземных вод, а не общий объём добычи. Часть откачанной воды возвращается под землю, а пополнение восстанавливает часть того, что люди изымают.
Проверять такие оценки глобально трудно. Наблюдательные скважины покрывают лишь части мира, а доступность измерений различается. Спутниковые гравитационные наблюдения дают другой взгляд на запасы пресной воды, но миссия GRACE началась в 2002 году и не могла напрямую наблюдать весь более ранний период исследования. Поэтому команда Со использовала движение полюса как независимое ограничение. Их расчёты включали ледяные щиты, горные ледники, влажность почвы и воду, задержанную плотинами. Они также учитывали атмосферные и океанические эффекты и продолжающееся приспособление твёрдой Земли к прошлым изменениям ледяных щитов. Подземные воды были одной из частей большего баланса.
С учётом подземных вод смоделированный тренд гораздо лучше согласовался с наблюдениями. Их оценочный вклад составил около 4,36 сантиметра в год в направлении 64,16 градуса восточной долготы, всего примерно 78,5 сантиметра. Такое согласие укрепляет довод, что истощение водоносных горизонтов было достаточно большим, чтобы влиять и на вращение, и на уровень моря.
Равные массы не дают равного эффекта, где бы они ни перемещались: влияние зависит от того, где они начали и закончили движение относительно оси вращения. В исследовании перераспределение подземных вод в средних широтах особенно сильно влияло на дрейф полюса. Западная часть Северной Америки и северо-запад Индии выделялись как крупные районы истощения за период анализа. Их расположение придало подземным водам заметную ротационную подпись. Находки связывают региональное водопользование с глобальным измерением и показывают, почему одного мирового итога недостаточно для полного описания физических последствий.
Эти региональные давления входят в более широкую дискуссию о нехватке воды. Но движение полюса не может определить изъятие из отдельной скважины или заменить местный мониторинг. Оно проверяет крупномасштабные закономерности после того, как исследователи оценили вклады других движущихся масс.
Реакция уровня моря тоже географически неравномерна. Потеря воды на суше меняет гравитационное притяжение и деформирует Землю, влияя на ближние уровни океана иначе, чем на далёкие. Оценка в 6,24 миллиметра — глобальное среднее, а не равномерный подъём у всех берегов.
Полюс вращения естественно смещается на несколько метров примерно за год. Меньший вклад подземных вод проявляется через тщательный анализ долгосрочного дрейфа. Его научное значение — в том, что он говорит о перераспределении воды, а не в свидетельстве того, что обычные сезонные условия вот-вот изменятся. Сезонный цикл Земли связан с её ориентацией и орбитой относительно Солнца; это исследование не выявило изменений под действием подземных вод, способных перестроить этот цикл. Оно также не измерило сопоставимого изменения магнитного полюса, который относится к другой физической системе.
Крупные сдвиги, обсуждаемые на геологических временных масштабах, касаются других величин и историй. Их не следует путать с этим десятилетним расчётом. Здесь подземные воды заняли второе место среди смоделированных вкладов в тренд движения полюса — после приспособления твёрдой Земли к древней потере льда.
У расчёта есть и ограничения. Авторы не включили изменения запасов естественных озёр, конвекцию мантии и эффекты землетрясений. Эти процессы могли бы помочь объяснить оставшиеся расхождения. Но проверка нескольких альтернативных оценок потери льда и приспособления Земли сохранила главный вывод: без подземных вод согласие ухудшалось.
Непосредственная польза в том, что появляется второй способ проверять трудные оценки подземных вод. Наблюдаемое движение полюса записывает совокупный отклик на множество меняющихся масс. Когда правдоподобный водный баланс воспроизводит этот отклик, это даёт исследователям дополнительную уверенность сверх того, что может дать любая отдельная система измерений. Согласие особенно ценно для лет, когда спутниковые гравитационные измерения были недоступны, а прямые наблюдения водоносных горизонтов — редки.
Результаты также связывают истощение подземных вод с изменениями океана. «С другой стороны, как житель Земли и отец, я обеспокоен и удивлён, что откачка подземных вод — ещё один источник подъёма уровня моря», — сказал Со. Откачка переносит существующую воду между резервуарами; тепловое расширение морской воды поднимает уровень, увеличивая её объём при нагревании. Со предположил, что устойчивое сокращение истощения, особенно в чувствительных регионах, теоретически могло бы изменить вклад в дрейф за десятилетия. Это не немедленный способ управлять осью Земли. Более широкая практическая ценность остаётся в защите водных запасов и сокращении потерь, отражающихся в иссушении континентов.
Более длинные исторические записи дают ещё одну возможность. Измерения движения полюса восходят к концу XIX века и потенциально могут помочь учёным восстановить прошлые изменения континентальных вод. Отделять разные влияния по-прежнему необходимо. И всё же едва заметное покачивание Земли хранит запись о человеческом водопользовании, выходящую за пределы мест, где происходит откачка.
Остаётся вопрос: если откачка воды из скважин уже сдвинула полюс вращения почти на 80 сантиметров, — можно ли по этому сдвигу восстановить, сколько воды мы забрали из земли за десятилетия, и не окажется ли, что подземные воды влияют на планету сильнее, чем показывает любой местный мониторинг?
