賈斌

    新聞背景

    日前有報道稱，世界地磁北極的位置正在由加拿大向西伯利亞方向快速移動，今年已經(jīng)掠過北極點附近，進入了東半球。地磁極的快速移動迫使科學(xué)家不得不提前發(fā)布新一代的地磁場參考模型，以消除實際應(yīng)用中的誤差，減少損失。那么地磁極為什么會突然加速移動呢？對我們又有什么樣的影響？

    地磁場的變化有周期性

    地磁場的來源有好幾個，但主要包括主磁場、地殼場、外部變化磁場等。主磁場就是由地核的運動形成的磁場，對地球磁場的貢獻在95%以上。地殼場是地殼各種巖石的磁性貢獻的磁場，大約占4%。而其他類型的場源，如來自太陽和外太空的輻射，大約貢獻了1%，可統(tǒng)稱為外源場。在未特別說明的情況下，我們這里說的地磁場特指主磁場。

    地球的磁場是一個磁偶極場，也就是說它也有南、北兩極。但是地磁的南北極與地球地理的南北極并不重合，而且每年都在移動，有時候會漂移到中緯度地區(qū)，甚至南、北極也會發(fā)生倒轉(zhuǎn)（即現(xiàn)在的地磁北極變成地磁南極，而地磁南極變成地磁北極）。這種變化往往是準(zhǔn)周期性的，時間并不確定。

    在本次地磁極的漂移加速之前，地磁北極已經(jīng)由西半球向東半球移動一百多年了，只是比較緩慢。在1900年，地磁極還位于加拿大，在北緯70°線上。之后一直到1990年之后，地磁北極在加拿大境內(nèi)持續(xù)向西北方向移動，漂移的速度大約為每年15公里。在上世紀(jì)90年代以后，突然加速向北半球漂去，在2015年后達到地理北極點附近，今年正式進入東半球，速度大約為每年55公里，預(yù)計最終到達俄羅斯的西伯利亞地區(qū)。

    在數(shù)百年前，人類就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種地磁極漂移現(xiàn)象。宋朝的時候，中國古代科學(xué)家沈括就意識到地磁北極和地理北極是不重合的，指南針并不指向正北。到了17世紀(jì)左右，一批地磁觀測站相繼在巴黎、倫敦等地設(shè)立，同時也隨著殖民者的腳步遍布全世界。這時候歐洲科學(xué)家就進一步發(fā)現(xiàn)，針狀的磁鐵指南針的指向與地理北極方向的夾角不是固定的，而是逐年發(fā)生著微小的變化。過去400年的記錄表明，地磁北極在向西運動，而且時快時慢，具有準(zhǔn)周期性。

    根據(jù)考古資料（如人類燒制的陶土）或者火山噴出的巖漿巖的記錄發(fā)現(xiàn)，在過去數(shù)千年里，這種形式的漂移已經(jīng)發(fā)生了多次，大約數(shù)千年會轉(zhuǎn)一周（地球是球體，一直朝著一個方向運動也會最終回到原點），但大多數(shù)時候北磁極都在北極點附近往復(fù)漂移，最靠南達到大約北緯70°。地磁南極也有變動，但幅度較北磁極要小很多。

    滾燙的地核是磁場變化主要原因

    我們知道，地球由外到內(nèi)依次是地殼、地幔和地核，地殼和地幔都是固態(tài)。而地核比較復(fù)雜，外核是液態(tài)，內(nèi)核是固態(tài)。而且，地核的成分主要是鐵，還有少量的鎳、硫等元素。在隨地球旋轉(zhuǎn)的過程中，這些磁性液態(tài)元素就會激發(fā)電流和磁性，這足以形成一個全球性的磁場。

    現(xiàn)代的理論認(rèn)為，地磁場變化的原因就是液態(tài)地核運動狀態(tài)的改變。

    地球內(nèi)部由地幔和地核形成的圈層結(jié)構(gòu)維持了液態(tài)外核的相對平穩(wěn)，進而給地球帶來了穩(wěn)定的磁場。但液態(tài)物質(zhì)遠(yuǎn)比固態(tài)物質(zhì)活躍，在外力的干擾下很容易發(fā)生運動方式的變化，尤其是在固、液的界面處，往往會出現(xiàn)渦流等多種形式的運動，也會相應(yīng)地影響地磁場?，F(xiàn)在正熱播的電影《流浪地球》中，人類強制停止了地球的自轉(zhuǎn)。但是，由于外核是液體，不能隨著地殼和地幔的停止轉(zhuǎn)動而馬上停止轉(zhuǎn)動，這必然會引起地核中液體流動的紊亂。雖然電影中沒有交待，但可以想象，流浪中的地球的磁場肯定不是現(xiàn)在這個樣子了，甚至?xí)А?/p>

    根據(jù)最新的研究，科學(xué)家認(rèn)為，地球的北磁極主要受到位于西伯利亞和加拿大之下的外地核表面的兩個渦流控制，它們向外噴射高速的鐵水，控制了地磁極的位置。但是現(xiàn)在加拿大之下的渦流強度正在減弱，導(dǎo)致地磁極向西伯利亞移動。

    地磁場的變化會影響地磁導(dǎo)航

    現(xiàn)代社會中的人都會感受到導(dǎo)航的重要性，從手機、汽車，到飛機、船舶等，都需要各種導(dǎo)航系統(tǒng)來確定自己的位置。我們最熟悉，也是用得最多的就是各種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如GPS、北斗等。這種屬于被動導(dǎo)航系統(tǒng)，需要接收外源的信息來確定自己的位置，在某些特定的場景中，如戰(zhàn)爭、室內(nèi)和水下（衛(wèi)星信號無法在水下接收），信息源并不一定能得到保證。而地磁導(dǎo)航是對現(xiàn)代各種導(dǎo)航系統(tǒng)的一個很好的補充。

    其實，地磁導(dǎo)航利用的并不是主磁場（地核產(chǎn)生的磁場），而是地殼的磁場。和主磁場不同，地殼場非常復(fù)雜，但是異常穩(wěn)定。而主磁場是一個磁偶極場，比較規(guī)則，可以通過模擬計算得到，稱為參考模型。利用電磁衛(wèi)星、飛機等手段，我們可以得到總的地磁場，用總的地磁場減去主磁場，就是地殼的磁場。如果我們在汽車、飛機等儀器上安裝地磁測量設(shè)備，把測得的地磁場減去參考模型，然后和儲存在系統(tǒng)里面的地殼場進行匹配，就可以得到位置信息。地磁導(dǎo)航還有一個好處就是可以直接得到方向信息。在物理學(xué)上，地磁場是一個矢量場，也就是說它不僅有強度，還有方向，這對于水下設(shè)備修訂航向是非常重要的。

    本次地磁場突然的漂移加速就是影響到了參考模型的精度，也因此影響到了剝離主磁場后得到的地磁場的精度。目前世界各國和國際組織發(fā)過了多個地磁場模型，如美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心與英國地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合發(fā)布世界地磁場模型和國際地磁與高空物理聯(lián)合會發(fā)布的國際參考地磁場等，分別應(yīng)用于不同的場合和地區(qū)?？紤]到地磁場每年都會有變化，這些參考模型隔幾年就會更新一次（如五年），以修訂誤差。如果未來北磁極仍快速移動，各種地磁模型的更新周期將會縮短。

    雖然地磁導(dǎo)航具有不依賴外源信息、適用范圍廣等優(yōu)點，但仍有不少短板。一方面，地磁導(dǎo)航的理論不完善，算法滿足不了需求。另一方面，地磁導(dǎo)航的精度嚴(yán)重依賴于地殼磁場的精度，這個只能通過大規(guī)模的地磁調(diào)查來獲取。我國目前僅在境內(nèi)有質(zhì)量較高的地磁場數(shù)據(jù)，這就大大限制了地磁導(dǎo)航的應(yīng)用范圍。而我們現(xiàn)在用的手機基本沒有地磁導(dǎo)航功能，本次地磁場的變化不會對我們的生活造成不便。

    延伸閱讀

    為什么科幻片喜歡地磁場

    在很多科幻災(zāi)難大片中，開頭往往伴隨著諸多征兆，如地震、氣候變化、火山噴發(fā)等。而地磁場的變化也是導(dǎo)演們很喜歡用到的。如前些年熱播的電影《2012》，地球物理學(xué)家就發(fā)現(xiàn)地球的磁場發(fā)生極不規(guī)律的變化，繼而預(yù)測了災(zāi)難的降臨。《地心搶險記》中也是地核停止轉(zhuǎn)動，地磁場消失，地球災(zāi)難頻頻。另外，在《日本沉沒》《末日崩塌》等電影中也相繼出現(xiàn)了地磁場的情節(jié)，成為災(zāi)難來臨的預(yù)兆。

    其實，通過地磁場的突然變化來預(yù)測災(zāi)難是有一定道理的，因為地磁場變化是地核活動的直接反映，而高度活動的地核也是地球上各種地質(zhì)運動的能量來源之一。

    地球上有火山，有地震，有板塊運動，這是地球作為一顆活躍的行星的證明，也是地球上生命繁茂的條件之一。而這些活動的能量來源，一半以上就是地核。地球外核的溫度在4500℃以上，而內(nèi)核更是可能達到了6000℃。如此高的溫度，每年都會向地幔輸送大量的能量，這些能量隨著地幔的對流來到淺表，會誘發(fā)地幔巖石的熔融，形成巖漿。這些巖漿或噴出地表，或侵入地下，影響地球的環(huán)境或者推動地球上的板塊運動。這種影響有時候是非常嚴(yán)重的。比如在二疊紀(jì)的末期（2.5億年前），地球上有一次大規(guī)模的火山噴發(fā)事件，一時間全球各地火山噴發(fā)連連，嚴(yán)重污染了大氣和海洋，造成了地球歷史上最大的一次生物滅絕事件，大約90%以上的物種從此消失。這種全球大范圍的火山活動很可能就是地核能量集中向外輸送的結(jié)果。

    在諸多災(zāi)難科幻片中，設(shè)定地磁變化作為災(zāi)難的前兆是有道理的，相信越來越深入的研究能夠為導(dǎo)演提供更多的靈感。不過，畢竟地核對地表環(huán)境的影響是間接的，從地核開始異?；顒拥降乇砘顒?，可能需要千萬年時間，并不會像很多科幻片中表現(xiàn)的那么快。