世界地磁場模型

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

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

世界地磁場模型并非國際主流

所謂世界地磁場模型，是描述地球主磁場及其長期變化的全球地磁場模型。它由美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)和英國地質(zhì)調(diào)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(dǎo)航及定向服務(wù)，同時在民用導(dǎo)航定位系統(tǒng)和航向姿態(tài)測量系統(tǒng)中也有著廣泛應(yīng)用。

“按照場源的不同，地球磁場包括主磁場、地殼場、外部變化磁場及其在地球內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)場。各種場源對地球磁場的貢獻也有所不同，其中主磁場占總磁場的95%以上，地殼場約占4%，外源場及其感應(yīng)磁場只占總磁場的1%。世界地磁場模型的描述對象就是主磁場。”中國地震局地球物理研究所副研究員趙旭東告訴科技日報記者。

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

國際上通用的地磁場模型是國際參考地磁場(IGRF)，由國際地磁與高空物理聯(lián)合會(IAGA)成立專門工作組組織編制，從1969年推出的第一代國際參考地磁場到現(xiàn)在，已經(jīng)推出了十二代國際參考地磁場。“國際地磁與高空物理聯(lián)合會在每屆新模型發(fā)布之前會征集各地區(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。而世界地磁場模型只是國際參考地磁場的候選模型之一。”中國地震局地球物理研究所副研究員焦立果表示。

據(jù)了解，第一代世界地磁場模型從1990年開始發(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，這個版本的模型使用到2020年是沒有問題的。

然而，這卻是一個“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就出現(xiàn)了一次地磁脈沖，讓地磁場產(chǎn)生了科學(xué)家始料未及的變化，也讓本來打算使用5年的模型，在一年后就誤差陡增。與此同時，這兩年的地磁北極加速移動，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)。

及時更新對所有導(dǎo)航系統(tǒng)至關(guān)重要

事實上，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《夢溪筆談》中就曾提到。

根據(jù)地磁場模型，可以事先計算好任意空間位置的磁偏角;然后根據(jù)實測磁偏角，即可進行地磁定位及導(dǎo)航。結(jié)合地磁場其余分量，可以得到更為準(zhǔn)確的定位信息。“地磁圖對導(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，無法確定方向，方向是由磁場(即地磁圖)來確定的。因此地磁圖不及時更新的話，會影響到所有的導(dǎo)航系統(tǒng)，特別是在極區(qū)北極圈以內(nèi)。”焦立果說道。

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

趙旭東表示，精密地磁導(dǎo)航主要應(yīng)用的是地殼磁場信息，地殼磁場最大的特點是空間結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，而在時間上卻非常穩(wěn)定。獲得地殼磁場信息就需要剝離掉其他場源的地磁場信息，而占總磁場95%以上的地球主磁場信息就是首先要剝離掉的部分。因此，地球主磁場信息的準(zhǔn)確性對于地殼磁場信息的獲得至關(guān)重要。

在焦立果看來，準(zhǔn)確的地磁導(dǎo)航取決于準(zhǔn)確的地磁模型，以及對地磁變化的準(zhǔn)確預(yù)測和及時校正。如果科學(xué)家無法及時更新一個對于導(dǎo)航系統(tǒng)來說非常重要的地球磁場模型，全世界的所有手機導(dǎo)航都會面臨不準(zhǔn)確的風(fēng)險。

此外，除了船只定向、手機定向和導(dǎo)航以外，地磁場模型在礦產(chǎn)資源勘探、地震火山監(jiān)測預(yù)警、水下目標(biāo)探測、衛(wèi)星設(shè)計和運行、電網(wǎng)運行以及軍事國防等領(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)備在鉆井過程中因為高溫高壓而出現(xiàn)偏差，提高了鉆井定向的準(zhǔn)確度。

修正周期可能會越來越短

實際上，地磁場包括地磁極和磁力線等一直處于非線性運動變化之中。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(nèi)難以預(yù)測的運動。1904年，北磁極(地磁南極)開始以每年大約15千米的速度向東北方向移動，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年開始，北磁極從北緯70°的加拿大，一直向北移動;現(xiàn)在，磁極已經(jīng)越來越靠近地理北極。

那么，究竟為什么北磁極的移動速度會越來越快呢?

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

趙旭東也持有類似的觀點，他表示，目前普遍認為地球主磁場產(chǎn)生于地球內(nèi)部的地核磁流體發(fā)電機過程。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)生對流，從而產(chǎn)生了自激發(fā)電機過程。北磁極的快速運動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，世界地磁場模型的修正周期會不會越來越短呢?

在趙旭東看來，地球主磁場模型的更新周期是基于地球主磁場的長期變化特征，以及觀測技術(shù)、觀測資料的處理周期而定的。“隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，觀測資料處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)計算速度的提高，科學(xué)工作者對地磁場認知程度的加深，以及空間天氣預(yù)報和人類生活的需要，我認為地球主磁場模型的更新周期將會縮短。”趙旭東說。

焦立果也表示，經(jīng)過此次“波折”，隨著人們對定向和導(dǎo)航等應(yīng)用中時變性需求的日益提高，相信地磁學(xué)家們會做出相應(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)事件后及時發(fā)布最新模型等等。(記者 陸成寬)

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