世界地磁場(chǎng)模型

地球出了點(diǎn)怪事。因地核內(nèi)液態(tài)鐵的運(yùn)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(guó)際日期變更線。

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)模型并非國(guó)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(zhǎng)期變化的全球地磁場(chǎng)模型。它由美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)和英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(BGS)聯(lián)合研制，主要為美國(guó)國(guó)防部、英國(guó)國(guó)防部、北大西洋公約組織以及國(guó)際海道測(cè)量組織提供導(dǎo)航及定向服務(wù)，同時(shí)在民用導(dǎo)航定位系統(tǒng)和航向姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中也有著廣泛應(yīng)用。

“按照?qǐng)鲈吹牟煌?，地球磁?chǎng)包括主磁場(chǎng)、地殼場(chǎng)、外部變化磁場(chǎng)及其在地球內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)場(chǎng)。各種場(chǎng)源對(duì)地球磁場(chǎng)的貢獻(xiàn)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(yīng)磁場(chǎng)只占總磁場(chǎng)的1%。世界地磁場(chǎng)模型的描述對(duì)象就是主磁場(chǎng)。”中國(guó)地震局地球物理研究所副研究員趙旭東告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

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

國(guó)際上通用的地磁場(chǎng)模型是國(guó)際參考地磁場(chǎng)(IGRF)，由國(guó)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(guó)際參考地磁場(chǎng)到現(xiàn)在，已經(jīng)推出了十二代國(guó)際參考地磁場(chǎng)。“國(guó)際地磁與高空物理聯(lián)合會(huì)在每屆新模型發(fā)布之前會(huì)征集各地區(qū)、組織和研究者各自的模型，然后按一定權(quán)重集成發(fā)布。而世界地磁場(chǎng)模型只是國(guó)際參考地磁場(chǎng)的候選模型之一。”中國(guó)地震局地球物理研究所副研究員焦立果表示。

據(jù)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(yù)計(jì)，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(xiàn)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(zhǔn)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(duì)所有導(dǎo)航系統(tǒng)至關(guān)重要

事實(shí)上，地磁極與地理極接近但不重合，這導(dǎo)致磁力線同子午線之間存在著一定的夾角，被稱(chēng)為“磁偏角”。古人很早就意識(shí)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(jù)地磁場(chǎng)模型，可以事先計(jì)算好任意空間位置的磁偏角;然后根據(jù)實(shí)測(cè)磁偏角，即可進(jìn)行地磁定位及導(dǎo)航。結(jié)合地磁場(chǎng)其余分量，可以得到更為準(zhǔn)確的定位信息。“地磁圖對(duì)導(dǎo)航非常重要，是現(xiàn)代導(dǎo)航的基礎(chǔ)。GPS系統(tǒng)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，會(huì)影響到所有的導(dǎo)航系統(tǒng)，特別是在極區(qū)北極圈以內(nèi)。”焦立果說(shuō)道。

他表示，相比國(guó)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(guó)學(xué)者對(duì)兩個(gè)模型對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，世界地磁場(chǎng)模型在我國(guó)擁有更高的精度。人們?cè)趯?dǎo)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(dǎo)航主要應(yīng)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(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，而在時(shí)間上卻非常穩(wěn)定。獲得地殼磁場(chǎng)信息就需要?jiǎng)冸x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?jiǎng)冸x掉的部分。因此，地球主磁場(chǎng)信息的準(zhǔn)確性對(duì)于地殼磁場(chǎng)信息的獲得至關(guān)重要。

在焦立果看來(lái)，準(zhǔn)確的地磁導(dǎo)航取決于準(zhǔn)確的地磁模型，以及對(duì)地磁變化的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和及時(shí)校正。如果科學(xué)家無(wú)法及時(shí)更新一個(gè)對(duì)于導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要的地球磁場(chǎng)模型，全世界的所有手機(jī)導(dǎo)航都會(huì)面臨不準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，除了船只定向、手機(jī)定向和導(dǎo)航以外，地磁場(chǎng)模型在礦產(chǎn)資源勘探、地震火山監(jiān)測(cè)預(yù)警、水下目標(biāo)探測(cè)、衛(wèi)星設(shè)計(jì)和運(yùn)行、電網(wǎng)運(yùn)行以及軍事國(guó)防等領(lǐng)域都有重要應(yīng)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(shè)備在鉆井過(guò)程中因?yàn)楦邷馗邏憾霈F(xiàn)偏差，提高了鉆井定向的準(zhǔn)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等一直處于非線性運(yùn)動(dòng)變化之中。早在1831年，英國(guó)探險(xiǎn)家詹姆斯·克拉克·羅斯就注意到地磁極在加拿大北極圈內(nèi)難以預(yù)測(cè)的運(yùn)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(xiàn)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(xiàn)在有兩種觀點(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(nèi)的液態(tài)鐵水的高速射流。后一種思路認(rèn)為，在加拿大和西伯利亞地區(qū)分別存在一個(gè)磁場(chǎng)集中的磁斑區(qū)，兩個(gè)磁斑區(qū)的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致了磁極的移動(dòng)。加拿大下方的高速射流導(dǎo)致該區(qū)域磁場(chǎng)減弱，在磁極競(jìng)爭(zhēng)中輸給了西伯利亞，從而導(dǎo)致磁極向西伯利亞方向移動(dòng)。

趙旭東也持有類(lèi)似的觀點(diǎn)，他表示，目前普遍認(rèn)為地球主磁場(chǎng)產(chǎn)生于地球內(nèi)部的地核磁流體發(fā)電機(jī)過(guò)程。由于地核具有液態(tài)的外核和固態(tài)的內(nèi)核，在溫度和密度差異的條件下，外核流體在地球自轉(zhuǎn)系統(tǒng)中發(fā)生對(duì)流，從而產(chǎn)生了自激發(fā)電機(jī)過(guò)程。北磁極的快速運(yùn)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(zhǎng)期變化特征，以及觀測(cè)技術(shù)、觀測(cè)資料的處理周期而定的。“隨著觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，觀測(cè)資料處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)計(jì)算速度的提高，科學(xué)工作者對(duì)地磁場(chǎng)認(rèn)知程度的加深，以及空間天氣預(yù)報(bào)和人類(lèi)生活的需要，我認(rèn)為地球主磁場(chǎng)模型的更新周期將會(huì)縮短。”趙旭東說(shuō)。

焦立果也表示，經(jīng)過(guò)此次“波折”，隨著人們對(duì)定向和導(dǎo)航等應(yīng)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(yīng)的調(diào)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。(記者 陸成寬)