世界地磁場模型
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，最近它越過了國際日期變更線。
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(shí)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(xiàn)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(bào)記者。
為了描述地磁場的時(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(huì)（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(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(jì)，這個(gè)版本的模型使用到2020年是沒有問題的。
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(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(jì)算好任意空間位置的磁偏角；然后根據(jù)實(shí)測磁偏角，即可進(jìn)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(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(gè)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(shí)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(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。獲得地殼磁場信息就需要?jiǎng)冸x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?jiǎng)冸x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(shí)校正。如果科學(xué)家無法及時(shí)更新一個(gè)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(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(jì)和運(yùn)行、電網(wǎng)運(yùn)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(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)越來越短
實(shí)際上，地磁場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)測的運(yùn)動(dòng)。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(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(diǎn)：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(rèn)為，在加拿大和西伯利亞地區(qū)分別存在一個(gè)磁場集中的磁斑區(qū)，兩個(gè)磁斑區(qū)的競爭導(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(dòng)。
趙旭東也持有類似的觀點(diǎn)，他表示，目前普遍認(rèn)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(jī)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(jī)過程。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)，世界地磁場模型的修正周期會(huì)不會(huì)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(jì)算速度的提高，科學(xué)工作者對地磁場認(rèn)知程度的加深，以及空間天氣預(yù)報(bào)和人類生活的需要，我認(rèn)為地球主磁場模型的更新周期將會(huì)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(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）