賈斌

    新聞背景

    日前有報(bào)道稱(chēng)，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(dòng)，今年已經(jīng)掠過(guò)北極點(diǎn)附近，進(jìn)入了東半球。地磁極的快速移動(dòng)迫使科學(xué)家不得不提前發(fā)布新一代的地磁場(chǎng)參考模型，以消除實(shí)際應(yīng)用中的誤差，減少損失。那么地磁極為什么會(huì)突然加速移動(dòng)呢？對(duì)我們又有什么樣的影響？

    地磁場(chǎng)的變化有周期性

    地磁場(chǎng)的來(lái)源有好幾個(gè)，但主要包括主磁場(chǎng)、地殼場(chǎng)、外部變化磁場(chǎng)等。主磁場(chǎng)就是由地核的運(yùn)動(dòng)形成的磁場(chǎng)，對(duì)地球磁場(chǎng)的貢獻(xiàn)在95%以上。地殼場(chǎng)是地殼各種巖石的磁性貢獻(xiàn)的磁場(chǎng)，大約占4%。而其他類(lèi)型的場(chǎng)源，如來(lái)自太陽(yáng)和外太空的輻射，大約貢獻(xiàn)了1%，可統(tǒng)稱(chēng)為外源場(chǎng)。在未特別說(shuō)明的情況下，我們這里說(shuō)的地磁場(chǎng)特指主磁場(chǎng)。

    地球的磁場(chǎng)是一個(gè)磁偶極場(chǎng)，也就是說(shuō)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(dòng)，有時(shí)候會(huì)漂移到中緯度地區(qū)，甚至南、北極也會(huì)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(shí)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(dòng)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(dòng)，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(dá)到地理北極點(diǎn)附近，今年正式進(jìn)入東半球，速度大約為每年55公里，預(yù)計(jì)最終到達(dá)俄羅斯的西伯利亞地區(qū)。

    在數(shù)百年前，人類(lèi)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種地磁極漂移現(xiàn)象。宋朝的時(shí)候，中國(guó)古代科學(xué)家沈括就意識(shí)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(cè)站相繼在巴黎、倫敦等地設(shè)立，同時(shí)也隨著殖民者的腳步遍布全世界。這時(shí)候歐洲科學(xué)家就進(jìn)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(guò)去400年的記錄表明，地磁北極在向西運(yùn)動(dòng)，而且時(shí)快時(shí)慢，具有準(zhǔn)周期性。

    根據(jù)考古資料（如人類(lèi)燒制的陶土）或者火山噴出的巖漿巖的記錄發(fā)現(xiàn)，在過(guò)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(huì)轉(zhuǎn)一周（地球是球體，一直朝著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)也會(huì)最終回到原點(diǎn)），但大多數(shù)時(shí)候北磁極都在北極點(diǎn)附近往復(fù)漂移，最靠南達(dá)到大約北緯70°。地磁南極也有變動(dòng)，但幅度較北磁極要小很多。

    滾燙的地核是磁場(chǎng)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(guò)程中，這些磁性液態(tài)元素就會(huì)激發(fā)電流和磁性，這足以形成一個(gè)全球性的磁場(chǎng)。

    現(xiàn)代的理論認(rèn)為，地磁場(chǎng)變化的原因就是液態(tài)地核運(yùn)動(dòng)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(duì)平穩(wěn)，進(jìn)而給地球帶來(lái)了穩(wěn)定的磁場(chǎng)。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(yùn)動(dòng)方式的變化，尤其是在固、液的界面處，往往會(huì)出現(xiàn)渦流等多種形式的運(yùn)動(dòng)，也會(huì)相應(yīng)地影響地磁場(chǎng)。現(xiàn)在正熱播的電影《流浪地球》中，人類(lèi)強(qiáng)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(dòng)而馬上停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這必然會(huì)引起地核中液體流動(dòng)的紊亂。雖然電影中沒(méi)有交待，但可以想象，流浪中的地球的磁場(chǎng)肯定不是現(xiàn)在這個(gè)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(gè)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(qiáng)度正在減弱，導(dǎo)致地磁極向西伯利亞移動(dòng)。

    地磁場(chǎng)的變化會(huì)影響地磁導(dǎo)航

    現(xiàn)代社會(huì)中的人都會(huì)感受到導(dǎo)航的重要性，從手機(jī)、汽車(chē)，到飛機(jī)、船舶等，都需要各種導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)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(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，需要接收外源的信息來(lái)確定自己的位置，在某些特定的場(chǎng)景中，如戰(zhàn)爭(zhēng)、室內(nèi)和水下（衛(wèi)星信號(hào)無(wú)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(duì)現(xiàn)代各種導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)很好的補(bǔ)充。

    其實(shí)，地磁導(dǎo)航利用的并不是主磁場(chǎng)（地核產(chǎn)生的磁場(chǎng)），而是地殼的磁場(chǎng)。和主磁場(chǎng)不同，地殼場(chǎng)非常復(fù)雜，但是異常穩(wěn)定。而主磁場(chǎng)是一個(gè)磁偶極場(chǎng)，比較規(guī)則，可以通過(guò)模擬計(jì)算得到，稱(chēng)為參考模型。利用電磁衛(wèi)星、飛機(jī)等手段，我們可以得到總的地磁場(chǎng)，用總的地磁場(chǎng)減去主磁場(chǎng)，就是地殼的磁場(chǎng)。如果我們?cè)谄?chē)、飛機(jī)等儀器上安裝地磁測(cè)量設(shè)備，把測(cè)得的地磁場(chǎng)減去參考模型，然后和儲(chǔ)存在系統(tǒng)里面的地殼場(chǎng)進(jìn)行匹配，就可以得到位置信息。地磁導(dǎo)航還有一個(gè)好處就是可以直接得到方向信息。在物理學(xué)上，地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)，也就是說(shuō)它不僅有強(qiáng)度，還有方向，這對(duì)于水下設(shè)備修訂航向是非常重要的。

    本次地磁場(chǎng)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(chǎng)后得到的地磁場(chǎng)的精度。目前世界各國(guó)和國(guó)際組織發(fā)過(guò)了多個(gè)地磁場(chǎng)模型，如美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心與英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合發(fā)布世界地磁場(chǎng)模型和國(guó)際地磁與高空物理聯(lián)合會(huì)發(fā)布的國(guó)際參考地磁場(chǎng)等，分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)合和地區(qū)?？紤]到地磁場(chǎng)每年都會(huì)有變化，這些參考模型隔幾年就會(huì)更新一次（如五年），以修訂誤差。如果未來(lái)北磁極仍快速移動(dòng)，各種地磁模型的更新周期將會(huì)縮短。

    雖然地磁導(dǎo)航具有不依賴(lài)外源信息、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但仍有不少短板。一方面，地磁導(dǎo)航的理論不完善，算法滿(mǎn)足不了需求。另一方面，地磁導(dǎo)航的精度嚴(yán)重依賴(lài)于地殼磁場(chǎng)的精度，這個(gè)只能通過(guò)大規(guī)模的地磁調(diào)查來(lái)獲取。我國(guó)目前僅在境內(nèi)有質(zhì)量較高的地磁場(chǎng)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(jī)基本沒(méi)有地磁導(dǎo)航功能，本次地磁場(chǎng)的變化不會(huì)對(duì)我們的生活造成不便。

    延伸閱讀

    為什么科幻片喜歡地磁場(chǎng)

    在很多科幻災(zāi)難大片中，開(kāi)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(chǎng)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(chǎng)發(fā)生極不規(guī)律的變化，繼而預(yù)測(cè)了災(zāi)難的降臨?！兜匦膿岆U(xiǎn)記》中也是地核停止轉(zhuǎn)動(dòng)，地磁場(chǎng)消失，地球?yàn)?zāi)難頻頻。另外，在《日本沉沒(méi)》《末日崩塌》等電影中也相繼出現(xiàn)了地磁場(chǎng)的情節(jié)，成為災(zāi)難來(lái)臨的預(yù)兆。

    其實(shí)，通過(guò)地磁場(chǎng)的突然變化來(lái)預(yù)測(cè)災(zāi)難是有一定道理的，因?yàn)榈卮艌?chǎng)變化是地核活動(dòng)的直接反映，而高度活動(dòng)的地核也是地球上各種地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的能量來(lái)源之一。

    地球上有火山，有地震，有板塊運(yùn)動(dòng)，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(dòng)的能量來(lái)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(dá)到了6000℃。如此高的溫度，每年都會(huì)向地幔輸送大量的能量，這些能量隨著地幔的對(duì)流來(lái)到淺表，會(huì)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(dòng)地球上的板塊運(yùn)動(dòng)。這種影響有時(shí)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(shí)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(dòng)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(lái)越深入的研究能夠?yàn)閷?dǎo)演提供更多的靈感。不過(guò)，畢竟地核對(duì)地表環(huán)境的影響是間接的，從地核開(kāi)始異?；顒?dòng)到地表活動(dòng)，可能需要千萬(wàn)年時(shí)間，并不會(huì)像很多科幻片中表現(xiàn)的那么快。