北磁極偏移 你我的手機導航都會(huì )受影響

　　地球出了點(diǎn)怪事。因地核內液態(tài)鐵的運動(dòng)，地球北磁極由加拿大不斷向西伯利亞偏移，最近它越過(guò)了國際日期變更線(xiàn)。

　　北磁極的快速移動(dòng)迫使科學(xué)家不得不緊急更新世界地磁場(chǎng)模型(World Magnetic Model，WMM)，近日，新模型已經(jīng)更新完成。事實(shí)上，這一模型本該到2019年底才更新。

　　世界地磁場(chǎng)模型

　　世界地磁場(chǎng)模型并非國際主流

　　所謂世界地磁場(chǎng)模型，是描述地球主磁場(chǎng)及其長(cháng)期變化的全球地磁場(chǎng)模型。它由美國國家地球物理數據中心(NGDC)和英國地質(zhì)調查局(BGS)聯(lián)合研制，主要為美國國防部、英國國防部、北大西洋公約組織以及國際海道測量組織提供導航及定向服務(wù)，同時(shí)在民用導航定位系統和航向姿態(tài)測量系統中也有著(zhù)廣泛應用。

　　“按照場(chǎng)源的不同，地球磁場(chǎng)包括主磁場(chǎng)、地殼場(chǎng)、外部變化磁場(chǎng)及其在地球內部產(chǎn)生的感應場(chǎng)。各種場(chǎng)源對地球磁場(chǎng)的貢獻也有所不同，其中主磁場(chǎng)占總磁場(chǎng)的95%以上，地殼場(chǎng)約占4%，外源場(chǎng)及其感應磁場(chǎng)只占總磁場(chǎng)的1%。世界地磁場(chǎng)模型的描述對象就是主磁場(chǎng)?！敝袊卣鹁值厍蛭锢硌芯克毖芯繂T趙旭東告訴科技日報記者。

　　為了描述地磁場(chǎng)的時(shí)空變化，自上世紀60年代起，世界各地的科學(xué)家和組織陸續發(fā)布了自己的地磁場(chǎng)模型。

　　國際上通用的地磁場(chǎng)模型是國際參考地磁場(chǎng)(IGRF)，由國際地磁與高空物理聯(lián)合會(huì )(IAGA)成立專(zhuān)門(mén)工作組組織編制，從1969年推出的第一代國際參考地磁場(chǎng)到現在，已經(jīng)推出了十二代國際參考地磁場(chǎng)?！皣H地磁與高空物理聯(lián)合會(huì )在每屆新模型發(fā)布之前會(huì )征集各地區、組織和研究者各自的模型，然后按一定權重集成發(fā)布。而世界地磁場(chǎng)模型只是國際參考地磁場(chǎng)的候選模型之一?！敝袊卣鹁值厍蛭锢硌芯克毖芯繂T焦立果表示。

　　據了解，第一代世界地磁場(chǎng)模型從1990年開(kāi)始發(fā)布，每5年更新一次，最新版本的世界地磁模型，是在2014年12月發(fā)布的2015版(WMM2015)。原本科學(xué)家們預計，這個(gè)版本的模型使用到2020年是沒(méi)有問(wèn)題的。

　　然而，這卻是一個(gè)“命途多舛”的版本。2015版模型投入使用一年之后，位于南美洲下面的地磁場(chǎng)就出現了一次地磁脈沖，讓地磁場(chǎng)產(chǎn)生了科學(xué)家始料未及的變化，也讓本來(lái)打算使用5年的模型，在一年后就誤差陡增。與此同時(shí)，這兩年的地磁北極加速移動(dòng)，更是讓2015版模型的準確度大幅下降。2018年9月，科學(xué)家們發(fā)布了第二版的2015版模型(WMM2015v2)。

　　及時(shí)更新對所有導航系統至關(guān)重要

　　事實(shí)上，地磁極與地理極接近但不重合，這導致磁力線(xiàn)同子午線(xiàn)之間存在著(zhù)一定的夾角，被稱(chēng)為“磁偏角”。古人很早就意識到了磁偏角的存在，比如宋代的沈括在《夢(mèng)溪筆談》中就曾提到。

　　根據地磁場(chǎng)模型，可以事先計算好任意空間位置的磁偏角;然后根據實(shí)測磁偏角，即可進(jìn)行地磁定位及導航。結合地磁場(chǎng)其余分量，可以得到更為準確的定位信息?！暗卮艌D對導航非常重要，是現代導航的基礎。GPS系統只能提供位置信息，無(wú)法確定方向，方向是由磁場(chǎng)(即地磁圖)來(lái)確定的。因此地磁圖不及時(shí)更新的話(huà)，會(huì )影響到所有的導航系統，特別是在極區北極圈以?xún)??！苯沽⒐f(shuō)道。

　　他表示，相比國際參考地磁場(chǎng)，世界地磁場(chǎng)模型的空間分辨率略低，但是部分中國學(xué)者對兩個(gè)模型對比分析后發(fā)現，世界地磁場(chǎng)模型在我國擁有更高的精度。人們在導航時(shí)通常采用世界地磁場(chǎng)模型。

　　趙旭東表示，精密地磁導航主要應用的是地殼磁場(chǎng)信息，地殼磁場(chǎng)最大的特點(diǎn)是空間結構極其復雜，而在時(shí)間上卻非常穩定。獲得地殼磁場(chǎng)信息就需要剝離掉其他場(chǎng)源的地磁場(chǎng)信息，而占總磁場(chǎng)95%以上的地球主磁場(chǎng)信息就是首先要剝離掉的部分。因此，地球主磁場(chǎng)信息的準確性對于地殼磁場(chǎng)信息的獲得至關(guān)重要。

　　在焦立果看來(lái)，準確的地磁導航取決于準確的地磁模型，以及對地磁變化的準確預測和及時(shí)校正。如果科學(xué)家無(wú)法及時(shí)更新一個(gè)對于導航系統來(lái)說(shuō)非常重要的地球磁場(chǎng)模型，全世界的所有手機導航都會(huì )面臨不準確的風(fēng)險。

　　此外，除了船只定向、手機定向和導航以外，地磁場(chǎng)模型在礦產(chǎn)資源勘探、地震火山監測預警、水下目標探測、衛星設計和運行、電網(wǎng)運行以及軍事國防等領(lǐng)域都有重要應用。比如，在石油工業(yè)的定向鉆井中，就會(huì )用到地磁偏角找正北方向，能夠有效避免其他定向設備在鉆井過(guò)程中因為高溫高壓而出現偏差，提高了鉆井定向的準確度。

　　修正周期可能會(huì )越來(lái)越短

　　實(shí)際上，地磁場(chǎng)包括地磁極和磁力線(xiàn)等一直處于非線(xiàn)性運動(dòng)變化之中。早在1831年，英國探險家詹姆斯·克拉克·羅斯就注意到地磁極在加拿大北極圈內難以預測的運動(dòng)。1904年，北磁極(地磁南極)開(kāi)始以每年大約15千米的速度向東北方向移動(dòng)，但在1990年代，極移速度突然加快，由之前的每年約15千米增加到每年55千米。自1900年開(kāi)始，北磁極從北緯70°的加拿大，一直向北移動(dòng);現在，磁極已經(jīng)越來(lái)越靠近地理北極。

　　那么，究竟為什么北磁極的移動(dòng)速度會(huì )越來(lái)越快呢?

　　焦立果表示，關(guān)于近來(lái)的快速極移，學(xué)術(shù)界現在有兩種觀(guān)點(diǎn)：一是來(lái)自地核深部的快速磁流體波;另一種是來(lái)自加拿大下方地核內的液態(tài)鐵水的高速射流。后一種思路認為，在加拿大和西伯利亞地區分別存在一個(gè)磁場(chǎng)集中的磁斑區，兩個(gè)磁斑區的競爭導致了磁極的移動(dòng)。加拿大下方的高速射流導致該區域磁場(chǎng)減弱，在磁極競爭中輸給了西伯利亞，從而導致磁極向西伯利亞方向移動(dòng)。

　　趙旭東也持有類(lèi)似的觀(guān)點(diǎn)，他表示，目前普遍認為地球主磁場(chǎng)產(chǎn)生于地球內部的地核磁流體發(fā)電機過(guò)程。由于地核具有液態(tài)的外核和固態(tài)的內核，在溫度和密度差異的條件下，外核流體在地球自轉系統中發(fā)生對流，從而產(chǎn)生了自激發(fā)電機過(guò)程。北磁極的快速運動(dòng)可能與加拿大地下的液態(tài)鐵高速射流有關(guān)。

　　那么，隨著(zhù)北磁極的快速移動(dòng)，世界地磁場(chǎng)模型的修正周期會(huì )不會(huì )越來(lái)越短呢?

　　在趙旭東看來(lái)，地球主磁場(chǎng)模型的更新周期是基于地球主磁場(chǎng)的長(cháng)期變化特征，以及觀(guān)測技術(shù)、觀(guān)測資料的處理周期而定的?！半S著(zhù)觀(guān)測技術(shù)的發(fā)展，觀(guān)測資料處理技術(shù)以及數據計算速度的提高，科學(xué)工作者對地磁場(chǎng)認知程度的加深，以及空間天氣預報和人類(lèi)生活的需要，我認為地球主磁場(chǎng)模型的更新周期將會(huì )縮短?！壁w旭東說(shuō)。

　　焦立果也表示，經(jīng)過(guò)此次“波折”，隨著(zhù)人們對定向和導航等應用中時(shí)變性需求的日益提高，相信地磁學(xué)家們會(huì )做出相應的調整，包括可能縮短模型發(fā)布周期，以及在地磁突發(fā)事件后及時(shí)發(fā)布最新模型等等。