是什么驱动了20世纪的极移？

一、研究的背景与进展

极移（Polar motion）是指地球自转轴相对于地球的固定部分发生的周期性变化或漂移。地球的自转轴并不是永久不变的，而是会随着时间发生微小的变化，这些变化可能由多种因素引起，包括地球内部的物质重新分布、大规模的气候现象、海洋和大气的运动等。这种极移现象通常被测量和监测，以便科学家能够更好地了解地球自转的变化和影响。极移的研究对于导航、地理测量和地球科学等领域具有重要意义。（地球定向参数EOP - 哔哩哔哩 (bilibili.com)）

引自维基百科

极移由三个主要成分组成。其一是周期约435天的自由摆动，也被称为钱德勒摆动，其方向为逆时针，幅度平均为0.15秒。其二是由空气和水团的季节性分布变化所引起的受迫摆动，其周期为一年，方向亦为逆时针，幅度平均为0.10秒。其三是朝西经80°方向的不规则漂移，平均速率为每年约0.0035秒。前两个成分都与圆周运动近似，它们的叠加使得瞬时极的轨迹呈现出具有明显特征跳动形状。除了上述三个主要成分外，极移还存在着由海洋潮汐和由引力矩引起的周期性变化，前者的周期不足一日，后者的周期不足两日。

下图展示了一些在主要驱动极移的地区（即(a) 阿拉斯加、(b) 格陵兰岛、(c) 南安第斯山脉、(d) 南极洲、(e) 高加索地区和中东）上，1990年代冰川融化加速的证据。

​引自 Deng et al., 2021,GRL

下图展示了全球水文激发的极移：

引自 Deng et al., 2021,GRL

长期以来，已经观测到了南北极移动（PM）的漂移现象，已经有一个多世纪了，而冰川均衡调整（GIA，GIA研究进展 - 哔哩哔哩 (bilibili.com)）被认为是一个重要的原因。先前关于1900年至1978年期间的GIA PM趋势的估计指向西经79.90°，速度为3.53毫角秒/年（10.91厘米/年）。我们对GIA趋势的新估计是朝西经61.77°的方向，速度为2.18毫角秒/年（6.74厘米/年），与20世纪初期观测到的PM趋势相似。

引自Seo et al., 2021

此外有学者（Seo et al., 2023）发现在许多对极移激发趋势的贡献者者中，地下水储存变化被估计为第二大（4.36厘米/年），指向东经64.16°。下图展示1993年至2010年的X1（a）和X2（b）变化。红线表示观测到的极移激发，蓝线表示各类所有已知质量变化来源估计得出的极移激发，大气压力、海底压力、大气风和海洋流的贡献也包括在内。黑线显示由于地下水抽采引起的估计PM激发。

引自Seo et al., 2023

下图展示了(a) 极移激发趋势的各个贡献因素。(b) 极移激发趋势的贡献因素之和，包括地下水抽采（实线蓝色）和不包括地下水抽采（虚线蓝色）。红色箭头表示观测到的PM激发。

引自Seo et al., 2023

二、极移研究的原理与方法

极移的成因是地球的刚体的旋转，基本的方法是欧拉运动方程：（贴上维基百科的内容）

在研究中，为了计算各类成分产生的极移激发，一般采用以下的方法：首先在地表的质量变化球谐展开，得到二阶项C21、S21。而极移激发与二阶项有以下的关系：

​

或者

下面给出了由于全球水储量变化产生的极移激发：采用的水文模型为：https://arxiv.org/abs/2211.17138

​单位：mas

参考资料：

https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E6%A5%B5%E7%A7%BB

Deng, S., Liu, S., Mo, X., Jiang, L., & Bauer-Gottwein, P. (2021). Polar drift in the 1990s explained by terrestrial water storage changes. Geophysical Research Letters, 48, e2020GL092114. https://doi. org/10.1029/2020GL092114

Seo, K. W., et al. (2021). "Secular polar motion observed by GRACE." J Geod 95(4): 40.

Seo, K.-W., Ryu, D., Eom, J., Jeon, T., Kim, J.-S., Youm, K., et al. (2023). Drift of Earth's pole confirms groundwater depletion as a significant contributor to global sea level rise 1993–2010. Geophysical Research Letters, 50, e2023GL103509. https://doi. org/10.1029/2023GL103509

Ivins, S. A. a. E. R. (2016). "Climate-driven polar motion: 2003–2015." Sci. Adv.