地球はどんどん歪んできているのでしょうか？これは人間による過剰な地下水汲み上げが原因である可能性があります。

制作：中国科学普及協会

著者: Earth's Gravity (ポピュラーサイエンスクリエイター)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国の先端技術プロジェクトは、認識の限界を広げるために、「未知の領域」と題する一連の記事を立ち上げ、深宇宙、深地球、深海などの分野で限界を突破した探査結果を概観しています。科学的発見の旅に出て、驚くべき世界を知りましょう。

人間社会の急速な発展は、地球にますます大きな影響を及ぼしてきました。環境汚染と地球規模の気候変動が地球に与える影響は誰の目にも明らかです。しかし最近、科学者たちは、地下水を汲み上げるという人間の行為さえも地球に大きな影響を与えていることを発見しました。地球の自転軸は1993年から2010年の間に約80センチメートル移動したのです。

回転軸とは何ですか?

人間による地下水の汲み上げがどのようにして地球の自転軸の変化を引き起こすのかを説明するには、中学校で学んだ地理の知識、つまり地球の自転軸について復習する必要があるかもしれません。

ご存知のとおり、地球上の昼と夜の交替は、地球の継続的な自転によって引き起こされます。科学的観測において地球の自転現象を定量的に記述し分析するために、科学者は地球の北極と南極を通る軸の存在を想像してきました。一般的に言えば、地球はこの軸の周りを連続的に回転します。地球を例に挙げてみましょう。地球は、北極と南極を軸が貫く形で斜めに横たわっています。少し調整するだけで、地球儀が回転します。

グローブ

(画像出典: pickpik)

しかし、実際の状況は地球の単純化されたモデルよりもはるかに複雑です。実際の地球が回転すると、その回転軸は自然に揺れます。

これは少し抽象的に聞こえるかもしれないので、コマを例えとして使うことができます。人がコマを回すと、地球と同じようにコマの中心軸（これも仮想の軸）を中心に回転しますが、回転中に軸は左右に揺れ続けます。

これは地球の自転軸の場合も同様ですが、地球の自転速度はジャイロスコープよりもはるかに遅く、地球の体積も非常に大きいため、地球の軸の実際の偏差速度は比較的遅くなります。

ジャイロスコープの回転軸は非常に明白である

(画像出典: Wikipedia)

地球の自転軸が常に動いている（極移動とも呼ばれる）ため、科学者の測地学的研究に大きな不便が生じています。座標系自体が動いており、座標系内の点は当然ながら固定された（X、Y）値で表すことができないからです。

これを回避するために、科学者たちは、1900 年の極の平均位置に基づいて、地球の自転軸の基準軸である CIO (Conventional International Origin) を人為的に定義しました。この基準自転軸を基準として使用して、科学者たちは極移動のおおよその状況を地図に描きました。

極運動の秒数と日数による時間関数

(画像出典: Wikipedia)

地下水の汲み上げによって回転軸はどのように変化するのでしょうか?

地球の自転軸が周期的に変化していることが発見されて以来、科学者たちは極移動の原因を分析してきました。最も一般的な説明は、地球上の質量の不均一な分布が極移動現象を引き起こすというものです。この実験は、ジャイロスコープを使って自分で行うことができます。ジャイロスコープ上の場所を見つけて、小さな木片、小さな鋼球、または噛んだガムなどの小さなカウンターウェイトを置き、それをテープでジャイロスコープに巻き付けてから、ジャイロスコープを引き抜くと、曲がって回転しているのがわかります。

地球に戻ると、一方では、地球自体は規則的な形状の物体ではなく、そのため地球の質量分布は構造的に不均一であるという事実につながります。

一方、地球は今も活​​動的な惑星であり、惑星上のさまざまな活動によって質量の不均一な分布が生じます。地球の内部は、地殻、マントル、核からなる三層構造になっています。地球の外では、大気圏と水圏が絶えず動いており、これらの動きによって地球の質量分布が一時的に変化することがよくあります。たとえば、核やマントル内の巨大なマグマ体の上昇、冬と夏の間の大気中の気流の相対的な動き（おなじみのシベリアの寒気団もそのひとつ）、地球温暖化による氷河や氷床の融解、そして大量の水が海に流れ込むことなどが挙げられます。

地球の内層と外層は運動しており、いずれかの層の活動によって地球の質量の不均一な分布が生じる可能性があります。

(画像出典: Wikipedia)

そうすると、地下水の採取が地球の極移動を引き起こす理由は簡単に理解できます。人間の活動によって地層から大量の地下水が採取され、その地下水を使用した後、少なくとも 80% の地下水が表層水に戻り、さまざまな経路 (農業用灌漑後の蒸発、産業および日常生活での下水排出など) を通じて海に戻ります。これにより、地球表面の質量が自然に再分配され、この再分配の力は非常に大きくなります。

調査によると、1993年から2010年の間に人類が汲み上げた地下水の総量は約2兆1500億トンでした。この地下水が海に排出された結果、世界の海面は6mm上昇しました。さらに重要なのは、抽出された地下水のほとんどが北半球、つまり北米、インド、中東などから来ているということです。これらの水は最終的に世界中の海に均等に分布しているとみなすことができ、当然、年間平均 4.36 cm の速度で比較的明らかな極移動につながります。この間、極は 78.48 cm 移動し、東経 64.16 度になりました。

地下水損失（左）と海面上昇（右）の世界分布

（画像出典：参考1）

人類は2016年以降、人間の活動によって極移動が変化し、それが拡大していることを知っていましたが、当時の論理では、それは地下水とはほとんど関係がないと考えられていました。むしろ、人間の活動が地球温暖化を引き起こし、北極と南極の氷床が溶けたのだ。一方では氷が水に変わり、他方ではもともと北極と南極の地層を圧迫していた氷層が溶けて、地殻の一部が反発しました（バネが重い物に押し下げられているように、重い物がなくなるとバネは反発します）。これらにより、地球規模の質量分布が変化しました。

しかし、この研究では、氷床の融解後、地下水を汲み上げるという人間の行動が実際には最も重要な制御要因であると考えています。

地下水の極移動を考慮しない理論計算（青の破線）、地下水の極移動を考慮した理論計算（青の実線）、および観測された地球全体の極移動（赤）の比較

（画像出典：参考1）

ポールシフトの深刻な結果は何ですか?

現在の研究によれば、現在の極移動の程度は実際には地球にほとんど影響を与えない。しかし、これは地球に対する極移動の影響の観点からのみのものです。本当に深刻な結果は、実は極移動を引き起こす 2 つの要因から直接生じます。氷床が溶けることによる結果については多くを語る必要はない。この状態が続けば海面上昇につながり、人口密度が高く経済的に発展した多くの都市が海水に浸かることになるだろう。

地下水の過剰汲み上げに関しては、被害はさらに広範囲に及び、回復には数十万年、あるいは数百万年もかかる可能性がある。これは、地下水が地下に水塊の形で存在するのではなく、地下の岩層の間隙水の形で存在するためです。つまり、地下水を汲み上げる場合、地下の川や地底湖から汲み上げるのではなく、岩石層の隙間から汲み上げるのです。これらの孔内の水は井戸の中で濃縮され、その後継続的に抽出されます。

地下の岩石層と岩石層の空隙が地下水の源です。

(画像出典: BRGM-CO2GeoNet、CC ライセンスに基づいて使用)

抽出されていない場合、間隙水は実際には岩石内の支持構造となります。間隙水がなくなると、岩石は支持点を失ったのと同じことになり、上部の岩石層の強い圧力によって圧縮されてしまいます。毛穴は自然に小さくなったり、消えたりするでしょう。現時点では、地下水を汲み戻しても、これらの空隙を復元することはできません。

一方では、スポンジを押すと平らになるのと同じように、岩石層は多孔性が失われることで密度が高くなります。マクロ的な視点から見ると、それは地表沈下として現れます。

世界を見渡すと、インドネシアの首都ジャカルタは世界で最も深刻な地盤沈下（年間17cm）に見舞われている都市です。海面上昇との複合的な影響により、2050年までにインドネシアのほとんどの地域が完全に海面下になる可能性があると予想されています。インドネシアはすでに首都移転の計画を開始しています（もちろん、地表沈下は移転の理由の1つにすぎません）。

ジャカルタ決済率

（画像出典：参考資料2）

一方、沿岸都市の地下水は汲み上げられると空洞となり、海水が浸透して元の淡水の位置を埋めることになります。その結果、これらの地域では海水の浸入が発生し、今後何年にもわたって地元の水供給に深刻な影響を及ぼすことになります。

さらに、地下水の一部は地中深くに位置しているため、その水源は地表水がゆっくりと浸透してできたものです。一度抽出されると、それを補充するには数十万年、あるいは数百万年もかかります。海水によって汚染されていたり、不適切な抽出方法によって汚染されていたりすると、地下水のこの部分がほぼ永久に失われることになります。

人間は現在、地球の活動のあらゆる側面に大きな影響を与えています。私たちはこのことを誇りに思うべきですが、同時に人類と地球の将来について懸念を表明する必要もあるかもしれません。

参考文献:

[1] Seo KW、Ryu D、Eom J、et al.地球の極の移動は、地下水の枯渇が1993年から2010年にかけての世界的な海面上昇の大きな要因であったことを裏付けている[J]。地球物理学研究レターズ、2023年、50(12):e2023GL103509。

[2] Bott LM、Schöne T、Illigner J、他。ジャカルタとスマラン湾の地盤沈下 - 物理的プロセス、リスク認識、世帯の適応の関係[J]。海洋・沿岸管理、2021年、211: 105775

。