Как дачник с ведром перекосил ось Земли

Лето — а значит, миллионы людей по всему миру начинают таскать из колодцев воду, чтобы полить грядки, и миллионы насосов качают воду на поля и в оросительные системы. Вся эта вода в итоге попадает в Мировой океан. Но в какой степени это влияет на его уровень? Кто опаснее: дачники с ведрами или тающие ледники? Ученые нашли способ ответить на эти вопросы: они измерили, как меняется движение оси вращения Земли под действием постепенного опустошения подземных хранилищ воды. «Холод» объясняет, как это работает.

Начать нужно с физики: ось, вокруг которой вращается любой объект — например, волчок, — стремится сохранять свое положение в пространстве, подчиняясь закону сохранения момента импульса — вы наверняка чувствовали его на себе, когда пытались перебраться поближе к центру вращающейся карусели и она сразу начинала крутиться быстрее. На этом принципе основаны все навигационные гироскопические приборы, этому закону подчиняется и планета Земля. Ее ось всегда ориентирована вдоль одной линии, которая проходит через точку рядом с Полярной звездой с одной стороны и через созвездие Южного Креста — с другой.

Точнее сказать, так было бы, если бы наша планета была идеальной — однородным сплошным шаром без океанов и атмосферы. К счастью, Земля от этого идеала далека, в ее недрах двигаются потоки магмы, на ее поверхности текут реки и тают ледники, выше двигаются атмосферные фронты и тропические циклоны; наконец, кто-то перевозит вещи на другую квартиру или перекатывает пианино из комнаты в комнату. На языке физики все это — перемещение массы, и любое такое перемещение меняет свойства нашего гироскопа, а значит, может вызывать смещение оси.

Ученые уже давно заметили смещения земной оси; самая заметная часть из них связана с воздействием гравитации Солнца и Луны. Но есть совсем небольшие колебания, связанные с движением оси вращения не относительно небесной сферы, а относительно поверхности Земли — с амплитудой всего в десяток метров. Их обнаружил и измерил во второй половине XIX века американский астроном Сет Чандлер. У этих колебаний оказалась сезонная периодичность, по всей видимости связанная с процессами в атмосфере и гидросфере, но были еще и многочисленные другие колебания, с периодами, например, в десятки лет, причина которых не вполне ясна до сих пор.

С высокой точностью предсказывать, как именно будет меняться положение оси нашей планеты, ученые не умеют до сих пор, поэтому за всеми этими параметрами следит Международная служба вращения Земли, и с ее измерениями согласуется и всемирное время, и сеть пространственных координат, от точности которых в свою очередь зависят все навигационные системы.

Для сотрудника Сеульского национального университета Ки-Вон Со областью научных интересов было не движение полюсов Земли. Он и его коллеги исследовали, как таяние ледников, полярных шапок и другие факторы влияют на подъем уровня Мирового океана. В последние десятилетия для измерения этих факторов и глобального среднего уровня океана появилось множество точных методов. Например, спутниковая альтиметрия (измерение уровня океана с помощью спутников) показала, что за период с 2005 по 2015 год уровень океана рос со скоростью 3,5 миллиметра в год, при этом данные с плавучих буев международного океанологического проекта Argo показывали, что 1,3 миллиметра в год следовало отнести на счет теплового расширения: средняя температура океана росла, а значит, рос и объем воды. Оставшиеся 2,2 миллиметра в год следовало отнести на счет дополнительной воды, попавшей в океан, — это удалось подтвердить с помощью гравиметрических спутников GRACE, которые с высокой точностью измеряют силу тяжести в каждой точке Земли и могут, например, «увидеть», как из-за таяния постепенно становится легче ледниковый щит Гренландии и как, наоборот, растет масса воды в океане.

Группа Ки-Вон Со смогла по данным GRACE рассчитать полный «бюджет» роста уровня океана: сколько следовало отнести на счет Гренландии, сколько — на счет Антарктиды, сколько — на счет таяния горных ледников, а сколько — на счет притока с суши. Однако с последним слагаемым оставались неясности. Сначала из-за ошибок в подсчетах его вклад в подъем уровня океана считали отрицательным: считалось, что в сумме вода на суше может задерживаться и возвращаться в океан не так быстро. Поэтому и уровень моря за счет этого рос не так быстро, как мог бы. Однако скорректированные измерения дали уже положительный вклад — около 0,3 миллиметра в год, но с деталями надо было разобраться, потому что в них скрывалось еще и прямое влияние человека.

Ученые разделили воду суши на три компонента: приток из поверхностных вод, из подземной воды и вклад созданных человеком искусственных водохранилищ. Поскольку строительство плотин и водохранилищ, наоборот, замедляло рост уровня океана, искусственно задерживая воду на материках, вклад суши должен был состоять из воды, которая извлекалась из естественных подземных резервуаров.

Но сколько именно воды оттуда попало в океан и как это подняло его уровень? Ученые не могли заглянуть достаточно далеко в прошлое, поскольку буи Argo у них появились только в 2005 году.

И здесь на помощь пришло смещение полюсов: ученые поняли, что динамика движения оси вращения Земли может помочь разграничить эффекты — поскольку, например, тепловое расширение не меняет массу воды.

Ки-Вон Со и его коллеги проанализировали все компоненты колебаний земной оси, сопоставили их с известными действующими факторами — вкладом таяния ледников и полярных шапок. Но в итоге у них получился заметный необъясненный остаток; не помог даже учет параметров водохранилищ. «Я почесал затылок и сказал: возможно, это эффект подземных вод», — цитирует слова ученого сайт Nature.

Во всем мире подземная вода интенсивно расходуется в оросительных системах. Часть ее, конечно, возвращается обратно, в естественные подземные резервуары, но часть испаряется, а часть попадает в реки и способствует росту уровня океана — и дополнительному отклонению оси вращения Земли.

По оценкам ученых, в период с 1993 по 2010 год подземной воды стало меньше на 2,2 триллиона тонн, что соответствует подъему уровня океана на 6,24 миллиметра. Большая часть потерь приходится на Индию и западную часть Северной Америки. В США скорость расходования подземной воды, по официальным данным, составляет около 25 миллионов тонн в год.

Зоны с наибольшим сокращением запасов подземной воды (a) и сопутствующие изменения локального уровня океана (b). Изображение: Geophysical Research Letters, AGU

Ученые построили модели движения полюсов с 1993 по 2010 год, учитывающие вклад всех факторов (таяния ледников, строительства водохранилищ и истощения подземных вод), а затем сравнили с наблюдениями. Оказалось, что если не учитывать вклад подземной воды, то земная ось отклонялась бы значительно западнее, чем в реальности. Если в модель добавить фактор сокращения запасов подземной воды, то масштаб смещения и его направление практически совпадают с реально наблюдаемыми.

Таким образом, получалось, что с 1993 по 2010 год опустошение подземных резервуаров воды заставляло полюс вращения Земли смещаться на 4,36 сантиметра в год в направлении 64,16 градуса восточной долготы (долгота архипелага Новая Земля).

За значительную часть этого опустошения отвечают люди. По оценкам ученых, подземная вода закрывает 42% воды, необходимой для орошения, 36% используемой в домашних хозяйствах, и 27% — в производстве. Причем на орошаемые земли приходится около 40% мирового производства пищи. Быстрый рост потребления подземной воды для ирригации может означать скорое исчерпание этого типа источников (а во многих регионах никакой другой воды нет), нехватку пищи и воды.

Попутная прибавка к скорости роста уровня моря и смещение земных полюсов не несут для нас серьезной угрозы, но еще раз показывают, что человек стал действительно геологической силой и, возможно, стоит еще раз осмыслить, насколько эта геологическая сила действует на благо планете.

Сообщение Как дачник с ведром перекосил ось Земли появились сначала на Журнал «Холод».