Земля наклонилась на 80 сантиметров из-за человека: как обычный полив полей изменил вращение планеты

Географические полюса Земли не находятся в статичном положении. Точки, в которых воображаемая ось вращения планеты пересекает ее поверхность, непрерывно перемещаются. Это явление ученые называют движением полюсов. В течение долгого времени считалось, что за этот процесс отвечают исключительно масштабные природные явления: сезонные колебания атмосферного давления, движение тектонических плит, океанические течения и таяние полярных льдов.

Однако данные последних геофизических исследований показывают, что человеческая деятельность достигла таких масштабов, при которых она начинает напрямую влиять на вращение планеты. Массовое извлечение подземных вод для нужд сельского хозяйства и промышленности привело к физическому наклону земной оси.

Как устроено движение полюсов

Чтобы понять физику этого процесса, необходимо рассмотреть Землю как вращающееся тело. Ее вращение зависит от того, как распределена масса по всей площади планеты. Если весомая часть массы перемещается из одной точки в другую, положение оси вращения неизбежно меняется, чтобы компенсировать этот сдвиг и сохранить равновесие. Это фундаментальный закон физики, определяющий поведение любого вращающегося объекта.

В обычных условиях распределение массы на Земле меняется естественным образом. Например, зимой в Северном полушарии скапливаются колоссальные объемы снега и льда, а летом они тают и возвращаются в океан. Существуют и более медленные процессы. Земная кора в некоторых регионах до сих пор постепенно поднимается после того, как тысячи лет назад с нее сошли тяжелые древние ледники.

До недавнего времени считалось, что антропогенное воздействие слишком мало, чтобы его можно было зафиксировать на уровне глобальной физики планеты. Однако за последние десятилетия человечество перераспределило такие объемы воды, что это изменило общие параметры вращения Земли.

Истощение подземных резервуаров

Основным источником пресной воды для многих засушливых регионов планеты служат подземные водоносные горизонты. Это естественные резервуары, расположенные глубоко под землей, где пресная вода накапливалась на протяжении тысяч, а иногда и миллионов лет. С ростом населения Земли и развитием сельского хозяйства нагрузка на эти резервуары многократно возросла.

Воду извлекают из глубоких скважин для полива полей и снабжения крупных городов. После использования эта вода попадает на поверхность суши, испаряется в атмосферу, а затем выпадает в виде осадков и стекает в реки, которые несут ее в Мировой океан. Таким образом происходит глобальный перенос массы: вещество, которое веками находилось в фиксированном положении под материками в средних широтах, переходит в жидкое состояние и распределяется по всей площади океанов.

Наиболее интенсивно этот процесс происходит в регионах с развитым орошаемым земледелием. Главными зонами забора подземных вод на планете признаны северо-западная часть Индии и западные штаты США. Именно отсюда колоссальные объемы массы были перенесены в океаническую систему.

Данные за период с 1993 по 2010 год

Группа геофизиков под руководством Ки-Вон Со из Сеульского национального университета провела детальное исследование, чтобы выяснить, как именно этот перенос массы повлиял на земную ось. Климатологи давно зафиксировали, что уровень Мирового океана поднимается быстрее, чем прогнозировали модели, учитывавшие только таяние ледников Гренландии и Антарктиды.

Ученые рассчитали общий объем извлеченной из-под земли воды за период с 1993 по 2010 год. Он составил примерно 2150 гигатонн (или 2150 миллиардов тонн). Такое количество воды эквивалентно подъему уровня Мирового океана на 6,24 миллиметра.

Чтобы подтвердить гипотезу, исследователи сопоставили эти данные с точными астрономическими измерениями положения полюсов Земли за те же годы. Расчеты показали следующее:

• Без учета перемещения подземных вод теоретические модели вращения Земли не совпадали с практическими наблюдениями.
• Когда в математическую модель заложили перемещение 2150 миллиардов тонн воды с суши в океан, расчетная траектория движения полюса совпала с фактической.
• Перераспределение этих водных масс привело к тому, что географический Северный полюс Земли начал смещаться на восток (в направлении 64,16° восточной долготы) со скоростью 4,36 сантиметра в год.

За девятнадцать лет из-за деятельности человека земная ось наклонилась почти на 80 сантиметров. Это исследование впервые предоставило прямое геодезическое доказательство того, что опустошение подземных водных резервуаров имеет планетарные физические последствия.

Столетний анализ движения оси

Для того чтобы оценить масштаб этого явления в более долгосрочной перспективе, исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, Университета Вены и Потсдамского центра геофизических исследований проанализировали данные за более длительный период — с 1901 по 2019 год. Ученые использовали комплексную гидрологическую модель WaterGAP v2.2e, которая отслеживает изменения во всех ключевых водных резервуарах планеты.

Исследование позволило разложить общее смещение земной оси на несколько составляющих и оценить вклад каждого процесса:

1. Таяние ледников Гренландии: это наиболее влиятельный фактор. Из-за повышения глобальной температуры ледниковый щит Гренландии теряет массу быстрее других регионов. Это приводит к смещению оси вращения Земли со скоростью около 15 сантиметров в год в восточном направлении.
2. Опустошение подземных вод: этот техногенный фактор стабильно смещает ось вращения планеты примерно на 0,5 сантиметра в год к востоку. Несмотря на то что скорость кажется небольшой по сравнению с таянием ледников Гренландии, этот тренд носит постоянный и ускоряющийся характер.
3. Строительство водохранилищ: создание крупных искусственных морей позади плотин во второй половине XX века привело к обратному эффекту. Человечество заблокировало огромные объемы воды на суше, не дав им стечь в океан. Это вызвало смещение оси в противоположном направлении — в сторону Западного полушария (примерно на 0,18 сантиметра в год).

Сопоставление этих факторов показывает, что техногенная активность человека (строительство плотин и выкачивание подземных вод) оказывает на вращение Земли влияние, сопоставимое по порядку величины с крупнейшими природными процессами.

Почему это важно для практической деятельности

На первый взгляд, смещение земной оси на несколько сантиметров в год не может оказать заметного влияния на повседневную жизнь людей. Оно не способно изменить смену времен года или повлиять на продолжительность дня так, чтобы это почувствовал человек. Однако эти изменения критически важны для работы высокоточных технических систем.

Современные системы спутниковой навигации (такие как GPS или ГЛОНАСС) рассчитывают координаты объектов на поверхности Земли с точностью до сантиметров и даже миллиметров. Для этого навигационные спутники должны постоянно соотносить свои орбиты с точным положением оси вращения планеты. Если ось смещается, а в алгоритмы навигации не вносятся своевременные поправки, точность определения координат на земной поверхности быстро снижается. Это может привести к сбоям в работе автономного транспорта, авиации и систем точного позиционирования.

Кроме того, знание точного положения оси необходимо для управления космическими аппаратами и телескопами, исследующими дальний космос. Ошибка в расчете наклона Земли даже на доли секунды дуги может привести к тому, что отправленный к другой планете зонд промахнется мимо цели на тысячи километров.

Новый метод изучения климатического прошлого

Помимо прикладных задач навигации, открытие связи между вращением Земли и объемами воды на континентах дает ученым уникальный метод изучения истории климата.

Прямые спутниковые измерения распределения массы на планете начались относительно недавно. До запуска специализированных гравиметрических спутников в начале 2000-х годов у науки не было надежных инструментов для точной оценки того, сколько воды находится в подземных резервуарах в масштабе всей планеты.

Однако астрономические наблюдения за движением полюсов ведутся непрерывно с конца XIX века с помощью оптических телескопов. Точность этих исторических записей очень высока.

Теперь, зная физические формулы связи между перемещением водных масс и наклоном земной оси, исследователи могут использовать исторические данные о колебаниях полюсов для обратного расчета. Это позволяет определить, в какие десятилетия XX века человечество наиболее активно расходовало подземную воду и как менялся баланс влаги на континентах в докосмическую эпоху. Такой метод существенно повысит точность долгосрочных климатических прогнозов.

Заключение

Влияние человеческой цивилизации на Землю вышло за рамки локальных изменений ландшафта или состава атмосферы. Перемещение триллионов тонн воды из подземных резервуаров в океаны изменило баланс массы планеты. Наблюдаемый дрейф географических полюсов подтверждает, что извлечение грунтовых вод является глобальным геофизическим процессом, напрямую меняющим механические характеристики вращения Земли. Эти данные заставляют пересмотреть представления о масштабах антропогенного воздействия на планетарную систему и требуют более ответственного подхода к использованию водных ресурсов в глобальном масштабе.

Источник: Authorea