20多年前地極漂移為何轉向？專家揭秘！

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劉蘇峽中國科學院地理科學與資源研究所劉蘇峽研究團隊近日在《地球物理研究快報》發表最新成果，揭示了全球冰川加速消融造成的陸地水儲量加速流失與發生在20世紀90年代中期地球極移加速向東漂移的聯系，國外多家知名媒體對此項研究成果進行了采訪報道。本報特約劉蘇峽研究員撰文向讀者揭秘這項研究。

1 努力求解神秘的地極漂移轉向

地球的轉動包括公轉和自轉。根據米蘭科維奇理論，地球繞太陽的轉動節律並不是亙古不變的，例如地球公轉軌道進行著由橢變圓，再由圓變橢的運動，周期約為10萬年。

地球由西向東的自轉，其速率和方向也處於變化之中。地球自轉方向的變化常用地球自轉軸的方位相對於地球參考框架的矢量變化來表示，即極移。極移也可以理解為我們通常所說的北極（南極）位置的變化。

長期的天文觀測和現代空間大地測量技術為人們認識極移提供了支撐。以0.05年為時間間隔的極移觀測記錄始於1900年。隨著科學技術水平的提高，極移的觀測精度不斷提高，迄今已達0.1毫弧秒，約等於赤道位置的3毫米弧長。

如果說地球轉動的大多數變化藏著地球環境萬年尺度變化的密碼離我們還十分遙遠，那麼地球極移的變化，則因為包含與當今全球變化脈搏一致的足跡，已經引起了人們越來越多的注意。

研究發現，地球自轉方位除了進行以周年和錢德勒頻率為周期的圓周運動外，北極的平均位置一直在沿著大約西經70°的方向緩慢地向南長期漂移（簡稱極移）。這一緩慢的長期漂移一般被認為是由於冰後回彈、板塊運動和其他固體地球內部的質量遷移所引起的。

如果只是這樣一個單純的南移，而且緣由已是如此清晰，那麼故事就沒有下文了。但非常有趣的是，極移在南移過程中，竟然出現了轉向。2013年美國科學家J.陳等發現，在2005年前後，北極漂移的方向發生了很大的變化，從原來沿西經約70°的向南方向突然轉向，開始向東方向漂移，而且平均每年的漂移速度也明顯加快。他們解釋這一突變有兩層科學意義。首先，固體地球內部質量遷移的時間尺度一般都很長（幾千年到上萬年），而北極漂移突然轉向的動因顯然不是由於固體地球內部的質量遷移，而更有可能是由於地球表面氣候系統（大氣、海洋、陸地水和冰圈）內的質量遷移。其次，這一轉向的時間（2005年前後）也非常特別。各種衛星觀測尤其是GRACE衛星重力觀測表明，由於全球氣候變暖，從2005年和2006年前後開始，格陵蘭島和南極冰川的融化明顯加速。但此轉折到底是什麼引起的呢？

根據GRACE衛星重力觀測資料，J.陳等人很欣喜地發現，這一北極漂移的向東轉向主要是由於南北兩極和山地冰川融化的加劇和相應的海平面上升所造成的。這項研究為觀測到的北極漂移的突變提供了一個合理的解釋，也推動了人們對極移轉向的更多研究。2016年，阿迪卡裏和伊文思獲得又一結論，他們采用GRACE衛星重力觀測資料反演的陸地水儲量數據，得出全球幹濕交替是2012年極移方向發生轉折的重要原因。

細心的讀者會發現，這些獲得解釋的極移方向轉折點都發生在2002年以後。這和2002年美國宇航局和德國航空航天中心聯合發射的GRACE衛星和後續衛星GRACE-FO的發射時間不無關系。GRACE為全球提供了陸地水儲量變化觀測數據，也為科學家們對2002年之後的兩次極移轉向解釋提供了有力的數據基礎。

事實上，在此之前極移已經曆過轉向。2009年，格羅斯和波塔寧注意到極移在20世紀90年代中期發生漂移轉向，羅伊和珀爾帖於2011年猜測這可能是由陸地水儲量變化引起。但因為此轉向發生在2002年之前，缺乏陸地水儲量觀測數據，此轉向的變化原因仍未定論。

2 尋找二十多年前地極漂移顯著轉向的原因

准確識別轉折點是探索的第一步。根據角動量守恒原理，由日月引力造成的海潮和大地變形、洋流和風的運動、大氣壓變化、陸地水儲量變化、冰川消融、地震和洋底壓力變化等等都會引起極移，這也導致了極移的軌跡糾纏交錯，難以辨析。我們通過專業的方法解析，判斷出在1981年1月至2020年6月期間，最顯著的極移轉向其實是發生在20世紀90年代中期的轉折。

這麼重要的轉折，是不是仍然是陸地水儲量變化引起的呢？

如前所述，此轉向發生在GRACE衛星發射之前，我們不能和2002年之後發生的那兩次地極漂移轉向一樣，直接采用GRACE反演的實測陸地水儲量來分析和解釋。那該如何破解這道“無米之炊”的難題？

這是典型的缺資料條件下如何開展預測的全球性難題。國際水文科學協會曾於2012年啟動了一個名為無（缺）資料流域水文預測的國際水文十年計劃，花了整整十年全力攻堅。根據巧婦在無米困境下如何做炊的類比，我們提出了“借”“替”和“種”三元方法論。

根據複雜的專業計算方法，我們遴選出計算陸地水儲量的相對較優方法，並通過訂正，計算得到了GRACE之前的陸地水儲量數據。

然而如何判斷這套校正的陸地水儲量結果正確與否呢？

我們產生了一個重要的想法——極移！采用極移來驗證重構的陸地水儲量，這想法迄今還沒有人嘗試過。需要首先對複雜的極移進行分離。通過從觀測極移激發中分離出大氣、海洋、固體地球變化獲得剩餘激發，發現我們重構的陸地水儲量的激發在20世紀90年代中期之後與剩餘激發方向非常一致。但是在這之前方向不一致。

通過觀察，不一致發生的區域多數落在全球的冰川所在區域，我們采用全球主要冰川的消融數據，進一步校正我們重構的陸地水儲量數據，研究結果令人十分鼓舞。這套再校正後的陸地水儲量變化表現優異，它和大氣、海洋、固體地球變化一起完美激發了1981年以來的觀測極移。

3 冰川加速消融“激發”極移東漂

美國地質調查局的科學家調查發現，氣候變暖導致阿拉斯加州基奈山脈的金剛狼冰川體積持續下降，其融化速度已經超過了新形成冰雪的積累速度。

這個研究結果具有“一箭雙雕”作用。一方面，極移被創新性地用來完成對重構的陸地水儲量進行驗證的任務，解決了“巧婦”面臨的“無米還要做炊”的無實測資料怎樣做驗證的難題。

另一方面，它給出了20世紀90年代中期極移發生突然東漂的解釋。結果顯示，全球主要冰川區，包括格陵蘭島、南極洲、阿拉斯加、南安第斯山脈、高加索等地區的冰川加速消融和在20世紀90年代中期發生的極移轉向存在緊密聯系。上述冰川地區的陸地水儲量在此轉折點後較其平均的下降趨勢更平均額外減少48毫米/年，推動極移約向東經26°方向漂移，漂移速度為3.28毫弧秒/年。

相對來說，人們從氣壓、風、洋流和大洋底部壓力等研究地球自轉變化的成果相對豐富，而質量再分布，特別是陸地水儲量再分布對地球自轉變化（主要是極移）的作用在早期研究較少，得到的初步結論是作用不顯著。在前人對GRACE衛星發射之後發生的極移轉向的解釋基礎上，這項研究進一步發現陸地水儲量變化也是極移在20世紀90年代中期從南移改為東漂的主要原因，證明水文對極移的激發作用不可忽視。

迄今人們對水質量變化與極移關系的認識主要是通過全球陸地水儲量變化對地極變化的激發實現的。這項研究再現全球各大冰川加速消融區的水儲量變化對極移趨勢轉折的顯著貢獻。結合我們之前的關於亞馬遜流域的水質量變化指標和極移在突變點、趨勢和周期方面都存在密切聯系的研究結果，表明區域水質量變化與極移的關系值得進一步探索。

這項研究展示了氣候變化驅動的陸地水質量變化與極移的聯系，也展示了氣候變化和極移的關系的研究前景，有助於深入理解氣候變化影響，更好地預測和應對未來氣候變化。

原標題：20多年前地極漂移為何轉向

來源：北京日報（作者為中國科學院地理科學與資源研究所研究員、博士生導師，中國科學院大學資源與環境學院/中丹學院崗位教授）

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