地球磁極偏移,對導航、勘測、石油開采等諸多領域造成影響
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(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
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)和英國地質調查局(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航及定向服務,同時在民用導航定位系統(tǒng)和航向姿態(tài)測量系統(tǒng)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(nèi)部產(chǎn)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?!敝袊卣鹁值厍蛭锢硌芯克毖芯繂T趙旭東講到。
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(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?!皣H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?!敝袊卣鹁值厍蛭锢硌芯克毖芯繂T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)。原本科學家們預計,這個版本的模型使用到2020年是沒有問題的。
WMM2015
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(fā)布了第二版的2015版模型(WMM2015v2)。
及時更新對所有導航系統(tǒng)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(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(xiàn)代導航的基礎。GPS測量導航等系統(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,會影響到所有的導航系統(tǒng),特別是在極區(qū)北極圈以內(nèi)?!苯沽⒐f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(fā)現(xiàn),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。
世界地磁模型
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(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(tǒng)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(chǎn)資源勘探、地震火山監(jiān)測預警、水下目標探測、衛(wèi)星設計和運行、電網(wǎng)運行以及軍事國防等領域都有重要應用。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,關于近來的快速極移,學術界現(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)的競爭導致了磁極的移動。加拿大下方的高速射流導致該區(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。
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(fā)展,觀測資料處理技術以及數(shù)據(jù)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(jīng)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(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。
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