Wird die Erde immer schiefer? Dies kann auf eine übermäßige Grundwasserentnahme durch den Menschen zurückzuführen sein.

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Earth's Gravity (Popular Science Creator)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die Grenzen des Wissens zu erweitern, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Unbekanntes Gebiet“ gestartet, die einen Überblick über die Erkundungsergebnisse bietet, die die Grenzen im Weltraum, in der Tiefsee, in der Tiefsee und in anderen Bereichen durchbrochen haben. Begeben wir uns auf eine wissenschaftliche Entdeckungsreise und lernen wir die erstaunliche Welt kennen.

Die rasante Entwicklung der menschlichen Gesellschaft hat einen immer größeren Einfluss auf die Erde. Die Auswirkungen der Umweltverschmutzung und des globalen Klimawandels auf die Erde sind für alle offensichtlich. Doch haben Wissenschaftler vor kurzem auch herausgefunden, dass sogar die menschliche Nutzung von Grundwasser erhebliche Auswirkungen auf die Erde hatte: Zwischen 1993 und 2010 hat sich die Rotationsachse der Erde um etwa 80 Zentimeter verschoben!

Was ist die Rotationsachse?

Um zu erklären, wie die menschliche Grundwasserentnahme zu einer Verschiebung der Erdachse führt, müssen wir vielleicht einige Geographiekenntnisse aus der Mittelschule wiederholen – die Rotationsachse der Erde.

Wie wir alle wissen, wird der Wechsel von Tag und Nacht auf der Erde durch die kontinuierliche Rotation der Erde verursacht. Um das Rotationsphänomen der Erde in wissenschaftlichen Beobachtungen quantitativ zu beschreiben und zu analysieren, haben sich Wissenschaftler die Existenz einer Achse vorgestellt, die durch den Nord- und Südpol der Erde verläuft. Im Allgemeinen dreht sich die Erde kontinuierlich um diese Achse. Nehmen wir den Globus als Beispiel. Die Erde liegt schräg, wobei ihr Nord- und Südpol von einer Achse durchdrungen werden. Mit einer kleinen Änderung dreht sich der Globus darum.

Globus

(Bildquelle: pickpik)

Die tatsächliche Situation ist jedoch viel komplizierter als das vereinfachte Modell eines Globus. Wenn sich die reale Erde dreht, schwingt ihre Rotationsachse natürlich.

Das klingt vielleicht etwas abstrakt, daher können wir als Analogie einen Kreisel verwenden. Wenn Menschen einen Kreisel drehen, rotiert dieser ungefähr um seine Mittelachse (die ebenfalls eine imaginäre Achse ist), ähnlich wie die Erde, aber seine Achse wackelt während der Drehung ständig nach links und rechts.

Dies ist bei der Rotationsachse der Erde der Fall, mit der Ausnahme, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Erde viel langsamer ist als die eines Gyroskops und dass das Volumen der Erde außerdem extrem groß ist, was dazu führt, dass die tatsächliche Abweichungsgeschwindigkeit der Erdachse relativ langsam ist.

Die Drehachse des Gyroskops ist sehr deutlich

(Bildquelle: Wikipedia)

Gerade die ständige Bewegung der Erdrotationsachse (auch Polverschiebung genannt) stellt für die geodätische Arbeit der Wissenschaftler eine große Belastung dar: Das Koordinatensystem selbst bewegt sich, und die Punkte im Koordinatensystem können naturgemäß nicht durch feste (X, Y)-Werte dargestellt werden.

Um dies zu umgehen, definierten sie die Referenzachse für die Rotationsachse der Erde, den CIO (Conventional International Origin), künstlich auf Grundlage der durchschnittlichen Position der Pole im Jahr 1900. Mit dieser Referenzrotationsachse als Standard haben Wissenschaftler die ungefähre Situation der Polverschiebung kartiert.

Funktion der Polarbewegung in Bogensekunden und Zeit in Tagen

(Bildquelle: Wikipedia)

Wie kommt es durch die Grundwasserentnahme zu einer Verschiebung der Rotationsachse?

Seit der Entdeckung, dass es auf der Rotationsachse der Erde periodische Verschiebungen gibt, haben Wissenschaftler die Ursachen der Polverschiebung analysiert. Die allgemeinste Erklärung ist, dass die ungleichmäßige Verteilung der Masse auf der Erde zum Phänomen der Polverschiebung führt. Wir können dieses Experiment selbst mit einem Gyroskop durchführen – suchen Sie einfach eine Stelle auf dem Gyroskop und legen Sie ein kleines Gegengewicht darauf, beispielsweise ein kleines Stück Holz, eine kleine Stahlkugel oder sogar Kaugummi usw., wickeln Sie es mit Klebeband um das Gyroskop und ziehen Sie dann das Gyroskop heraus. Sie werden feststellen, dass es sich schief dreht.

Zurück zur Erde: Einerseits ist die Erde selbst kein Objekt mit regelmäßiger Form, was dazu führt, dass die Massenverteilung der Erde ungleichmäßig aufgebaut ist.

Andererseits ist die Erde immer noch ein aktiver Planet und verschiedene Aktivitäten auf dem Planeten führen zu einer ungleichmäßigen Massenverteilung. Im Inneren der Erde befindet sich ein dreischichtiger Aufbau bestehend aus Kruste, Mantel und Kern. Außerhalb der Erde sind die Atmosphäre und die Hydrosphäre ständig in Bewegung, und diese Bewegungen führen oft zu vorübergehenden Änderungen der Massenverteilung der Erde. Beispiele hierfür sind die Aufwärtsbewegung großer Magmakörper im Erdkern und Erdmantel, die relative Bewegung der Luftströmungen in der Atmosphäre zwischen Winter und Sommer (die bekannte sibirische Kaltluftmasse ist eine davon), das durch die globale Erwärmung verursachte Abschmelzen der Gletscher und Eiskappen sowie der Abfluss großer Wassermassen in die Ozeane.

Die inneren und äußeren Schichten der Erde sind in Bewegung und die Aktivität einer beliebigen Schicht kann zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Erdmasse führen.

(Bildquelle: Wikipedia)

Dann ist es leicht zu verstehen, warum die Grundwasserentnahme zur Polverschiebung der Erde führt: Durch menschliche Aktivitäten werden große Mengen Grundwasser aus den Erdschichten entnommen und nach der Nutzung des Grundwassers werden mindestens 80 % dieses Grundwassers wieder in Oberflächenwasser umgewandelt und kehren über verschiedene Kanäle (wie etwa Verdunstung nach landwirtschaftlicher Bewässerung, Abwassereinleitung nach industrieller und alltäglicher Nutzung usw.) ins Meer zurück. Dadurch wird die Masse der Erdoberfläche auf natürliche Weise neu verteilt, und die Kraft dieser Umverteilung ist enorm.

Untersuchungen zufolge betrug die Gesamtmenge des von Menschen zwischen 1993 und 2010 entnommenen Grundwassers etwa 2,15 Billionen Tonnen. Nachdem dieses Grundwasser in den Ozean eingeleitet wurde, führte es zu einem Anstieg des globalen Meeresspiegels um 6 mm. Wichtiger noch ist, dass der Großteil des geförderten Grundwassers aus der nördlichen Hemisphäre stammt – aus Nordamerika, Indien, dem Nahen Osten usw. Dieses Wasser kann letztlich als gleichmäßig in den Ozeanen rund um die Welt verteilt betrachtet werden, was natürlich zu einer relativ deutlichen Polverschiebung mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 4,36 cm pro Jahr führt. In diesen Jahren hat sich der Pol um 78,48 cm auf 64,16° östlicher Länge verschoben.

Globale Verteilung des Grundwasserverlusts (links) und des Meeresspiegelanstiegs (rechts)

(Bildquelle: Referenz 1)

Obwohl man seit 2016 weiß, dass menschliche Aktivitäten die Polverschiebung verändert und verstärkt haben, ging man damals davon aus, dass dies wenig mit dem Grundwasser zu tun hatte. Vielmehr war es die vom Menschen verursachte globale Erwärmung, die wiederum das Abschmelzen der arktischen und antarktischen Eisschilde zur Folge hatte. Einerseits verwandelte sich das Eis in Wasser, und andererseits schmolz die Eisschicht, die ursprünglich auf die arktischen und antarktischen Schichten drückte, wodurch ein Teil der Erdkruste zurückfederte (genau wie eine Feder, die von einem schweren Gegenstand nach unten gedrückt wird, federt die Feder zurück, nachdem der schwere Gegenstand verschwunden ist). Diese haben die globale Massenverteilung verändert.

Allerdings geht diese Studie davon aus, dass das menschliche Verhalten bei der Grundwasserentnahme tatsächlich der wichtigste bestimmende Faktor nach dem Abschmelzen der Eisschilde ist.

Vergleich der theoretischen Berechnungen ohne Berücksichtigung der Grundwasserpolarverschiebung (gestrichelte blaue Linie), unter Berücksichtigung der Grundwasserpolarverschiebung (durchgezogene blaue Linie) und der beobachteten globalen Polarverschiebung (rot)

(Bildquelle: Referenz 1)

Was sind die schwerwiegenden Folgen einer Polverschiebung?

Aktuellen Forschungsergebnissen zufolge hat der derzeitige Grad der Polverschiebung tatsächlich nur geringe Auswirkungen auf die Erde. Dies gilt jedoch nur aus der Perspektive der Auswirkungen der Polverschiebung auf die Erde. Die wirklich schwerwiegenden Folgen sind tatsächlich direkt auf die beiden Faktoren zurückzuführen, die die Polverschiebung verursachen. Über die Folgen schmelzender Eismassen muss man nicht viel sagen. Wenn dieser Trend anhält, wird der Meeresspiegel steigen und viele dicht besiedelte und wirtschaftlich entwickelte Städte werden vom Meerwasser überflutet.

Bei einer übermäßigen Grundwasserentnahme sind die Schäden sogar noch weitreichender: Es kann Hunderttausende oder sogar Millionen von Jahren dauern, bis sich die Folgen erholt haben. Denn Grundwasser kommt nicht in Form eines ganzen Gewässers im Untergrund vor, sondern als Porenwasser in unterirdischen Gesteinsformationen. Das heißt, wenn wir Grundwasser fördern, gewinnen wir es nicht aus einem unterirdischen Fluss oder See, sondern aus den Poren der Gesteinsformationen. Das in diesen Poren enthaltene Wasser wird im Brunnen angereichert und anschließend kontinuierlich gefördert.

Die unterirdischen Gesteinsschichten und die Poren in den Gesteinsschichten sind die Quelle des Grundwassers.

(Bildquelle: BRGM-CO2GeoNet, verwendet unter CC-Lizenz)

Wenn Porenwasser nicht gefördert wird, dient es als Stützstruktur im Gestein. Sobald das Porenwasser verschwindet, verliert das Gestein seinen Stützpunkt und wird dann unter dem starken Druck der darüber liegenden Gesteinsschicht verdichtet. Die Poren werden auf natürliche Weise kleiner oder verschwinden sogar. Selbst wenn wir derzeit das Grundwasser zurückpumpen, können wir diese Poren nicht wiederherstellen.

Einerseits wird die Gesteinsschicht dichter, indem sie an Porosität verliert, ähnlich wie wenn wir auf einen Schwamm drücken, dieser flacher wird. Aus makroskopischer Sicht wird es sich als Oberflächenabsenkung äußern.

Weltweit betrachtet ist Jakarta, die Hauptstadt Indonesiens, die Stadt mit der weltweit größten Bodensenkung (17 cm pro Jahr). Es wird erwartet, dass aufgrund der kombinierten Auswirkungen des steigenden Meeresspiegels die meisten Gebiete des Landes bis 2050 vollständig unter dem Meeresspiegel liegen könnten. Indonesien hat bereits mit der Planung einer Verlegung seiner Hauptstadt begonnen (natürlich ist die Bodensenkung nur einer der Gründe für die Verlegung).

Jakarta-Abrechnungsrate

(Bildquelle: Referenz 2)

Wenn andererseits in Küstenstädten das Grundwasser entnommen wird, leeren sich die Poren und Meerwasser dringt in diese Poren ein und füllt den ursprünglichen Süßwasservorrat wieder auf. Infolgedessen wird es an diesen Orten zu einem Eindringen von Meerwasser kommen, was die örtliche Wasserversorgung auf viele Jahre hinaus ernsthaft beeinträchtigen wird.

Da sich ein Teil des Grundwassers tief in der Erde befindet, entsteht es zudem durch die langsame Versickerung von Oberflächenwasser. Ist es erst einmal abgebaut, dauert es Hunderttausende oder sogar Millionen von Jahren, bis es wieder aufgefüllt ist. Eine Verunreinigung durch Meerwasser oder durch ungeeignete Fördermethoden kommt einem nahezu dauerhaften Verlust dieses Grundwasseranteils gleich.

Der Mensch hat gegenwärtig einen erheblichen Einfluss auf alle Aspekte der Funktionsweise der Erde. Obwohl wir darauf stolz sein sollten, müssen wir möglicherweise auch unsere Besorgnis über die Zukunft der Menschheit und der Erde zum Ausdruck bringen.

Quellen:

[1] Seo KW, Ryu D, Eom J, et al. Die Drift des Erdpols bestätigt, dass die Erschöpfung des Grundwassers maßgeblich zum globalen Anstieg des Meeresspiegels zwischen 1993 und 2010 beiträgt[J]. Geophysical Research Letters, 2023, 50(12): e2023GL103509.

[2] Bott LM, Schöne T, Illigner J, et al. Bodenabsenkung in Jakarta und der Bucht von Semarang – Die Beziehung zwischen physikalischen Prozessen, Risikowahrnehmung und Anpassung der Haushalte [J]. Ozean- und Küstenmanagement, 2021, 211: 105775

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