世界地磁場模型

地球出了點怪事。因地核內液態鐵的運動，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據中心(NGDC)和英國地質調查局(BGS)聯合研制，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航及定向服務，同時在民用導航定位系統和航向姿態測量系統中也有著廣泛應用。

“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部產生的感應場。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，世界各地的科學家和組織陸續發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在，已經推出了十二代國際參考地磁場。“國際地磁與高空物理聯合會在每屆新模型發布之前會征集各地區、組織和研究者各自的模型，然后按一定權重集成發布。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。

據了解，第一代世界地磁場模型從1990年開始發布，每5年更新一次，最新版本的世界地磁模型，是在2014年12月發布的2015版(WMM2015)。原本科學家們預計，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了一次地磁脈沖，讓地磁場產生了科學家始料未及的變化，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版模型的準確度大幅下降。2018年9月，科學家們發布了第二版的2015版模型(WMM2015v2)。

及時更新對所有導航系統至關重要

事實上，地磁極與地理極接近但不重合，這導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;然后根據實測磁偏角，即可進行地磁定位及導航。結合地磁場其余分量，可以得到更為準確的定位信息。“地磁圖對導航非常重要，是現代導航的基礎。GPS系統只能提供位置信息，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，會影響到所有的導航系統，特別是在極區北極圈以內。”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，但是部分中國學者對兩個模型對比分析后發現，世界地磁場模型在我國擁有更高的精度。人們在導航時通常采用世界地磁場模型。

趙旭東表示，精密地磁導航主要應用的是地殼磁場信息，地殼磁場最大的特點是空間結構極其復雜，而在時間上卻非常穩定。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確性對于地殼磁場信息的獲得至關重要。

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

此外，除了船只定向、手機定向和導航以外，地磁場模型在礦產資源勘探、地震火山監測預警、水下目標探測、衛星設計和運行、電網運行以及軍事國防等領域都有重要應用。比如，在石油工業的定向鉆井中，就會用到地磁偏角找正北方向，能夠有效避免其他定向設備在鉆井過程中因為高溫高壓而出現偏差，提高了鉆井定向的準確度。

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難以預測的運動。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;現在，磁極已經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，關于近來的快速極移，學術界現在有兩種觀點：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的液態鐵水的高速射流。后一種思路認為，在加拿大和西伯利亞地區分別存在一個磁場集中的磁斑區，兩個磁斑區的競爭導致了磁極的移動。加拿大下方的高速射流導致該區域磁場減弱，在磁極競爭中輸給了西伯利亞，從而導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生于地球內部的地核磁流體發電機過程。由于地核具有液態的外核和固態的內核，在溫度和密度差異的條件下，外核流體在地球自轉系統中發生對流，從而產生了自激發電機過程。北磁極的快速運動可能與加拿大地下的液態鐵高速射流有關。

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、觀測資料的處理周期而定的。“隨著觀測技術的發展，觀測資料處理技術以及數據計算速度的提高，科學工作者對地磁場認知程度的加深，以及空間天氣預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，經過此次“波折”，隨著人們對定向和導航等應用中時變性需求的日益提高，相信地磁學家們會做出相應的調整，包括可能縮短模型發布周期，以及在地磁突發事件后及時發布最新模型等等。(記者 陸成寬)

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