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地球磁极偏移,对导航、勘测、石油开采等诸多领域造成影响

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发表时间:2019-04-24 15:49

北磁极的快速移动迫使科学家不得不紧急更新世界地磁场模型(World Magnetic Model,WMM),近日,新模型已经更新完成。事实上,这一模型本该到2019年底才更新。

世界地磁场模型

世界地磁场模型

  世界地磁场模型并非国际主流

  所谓世界地磁场模型,是描述地球主磁场及其长期变化的全球地磁场模型。它由美国国家地球物理数据中心(NGDC)和英国地质调查局(BGS)联合研制,主要为美国国防部、英国国防部、北大西洋公约组织以及国际海道测量组织提供导航及定向服务,同时在民用导航定位系统和航向姿态测量系统中也有着广泛应用。

  “按照场源的不同,地球磁场包括主磁场、地壳场、外部变化磁场及其在地球内部产生的感应场。各种场源对地球磁场的贡献也有所不同,其中主磁场占总磁场的95%以上,地壳场约占4%,外源场及其感应磁场只占总磁场的1%。世界地磁场模型的描述对象就是主磁场。”中国地震局地球物理研究所副研究员赵旭东讲到。

  为了描述地磁场的时空变化,自上世纪60年代起,世界各地的科学家和组织陆续发布了自己的地磁场模型。

  国际上通用的地磁场模型是国际参考地磁场(IGRF),由国际地磁与高空物理联合会(IAGA)成立专门工作组组织编制,从1969年推出的第一代国际参考地磁场到现在,已经推出了十二代国际参考地磁场。“国际地磁与高空物理联合会在每届新模型发布之前会征集各地区、组织和研究者各自的模型,然后按一定权重集成发布。而世界地磁场模型只是国际参考地磁场的候选模型之一。”中国地震局地球物理研究所副研究员焦立果表示。

  据了解,第一代世界地磁场模型从1990年开始发布,每5年更新一次,最新版本的世界地磁模型,是在2014年12月发布的2015版(WMM2015)。原本科学家们预计,这个版本的模型使用到2020年是没有问题的。

WMM2015版本地磁模型

WMM2015

  然而,这却是一个“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场就出现了一次地磁脉冲,让地磁场产生了科学家始料未及的变化,也让本来打算使用5年的模型,在一年后就误差陡增。与此同时,这两年的地磁北极加速移动,更是让2015版模型的准确度大幅下降。2018年9月,科学家们发布了第二版的2015版模型(WMM2015v2)。

  及时更新对所有导航系统至关重要

  事实上,地磁极与地理极接近但不重合,这导致磁力线同子午线之间存在着一定的夹角,被称为“磁偏角”。古人很早就意识到了磁偏角的存在,比如宋代的沈括在《梦溪笔谈》中就曾提到。

  根据地磁场模型,可以事先计算好任意空间位置的磁偏角;然后根据实测磁偏角,即可进行地磁定位及导航。结合地磁场其余分量,可以得到更为准确的定位信息。“地磁图对导航非常重要,是现代导航的基础。RTK测量导航等系统只能提供位置信息,无法确定方向,方向是由磁场(即地磁图)来确定的。因此地磁图不及时更新的话,会影响到所有的导航系统,特别是在极区北极圈以内。”焦立果说道。

  他表示,相比国际参考地磁场,世界地磁场模型的空间分辨率略低,但是部分中国学者对两个模型对比分析后发现,世界地磁场模型在我国拥有更高的精度。人们在导航时通常采用世界地磁场模型。

世界地磁模型

世界地磁模型

  赵旭东表示,精密地磁导航主要应用的是地壳磁场信息,地壳磁场最大的特点是空间结构极其复杂,而在时间上却非常稳定。获得地壳磁场信息就需要剥离掉其他场源的地磁场信息,而占总磁场95%以上的地球主磁场信息就是首先要剥离掉的部分。因此,地球主磁场信息的准确性对于地壳磁场信息的获得至关重要。

  在焦立果看来,准确的地磁导航取决于准确的地磁模型,以及对地磁变化的准确预测和及时校正。如果科学家无法及时更新一个对于导航系统来说非常重要的地球磁场模型,全世界的所有手机导航都会面临不准确的风险。

  此外,除了船只定向、手机定向和导航以外,地磁场模型在矿产资源勘探、地震火山监测预警、水下目标探测、卫星设计和运行、电网运行以及军事国防等领域都有重要应用。比如,在石油工业的定向钻井中,就会用到地磁偏角找正北方向,能够有效避免其他定向设备在钻井过程中因为高温高压而出现偏差,提高了钻井定向的准确度。

  修正周期可能会越来越短

  实际上,地磁场包括地磁极和磁力线等一直处于非线性运动变化之中。早在1831年,英国探险家詹姆斯·克拉克·罗斯就注意到地磁极在加拿大北极圈内难以预测的运动。1904年,北磁极(地磁南极)开始以每年大约15千米的速度向东北方向移动,但在1990年代,极移速度突然加快,由之前的每年约15千米增加到每年55千米。自1900年开始,北磁极从北纬70°的加拿大,一直向北移动;现在,磁极已经越来越靠近地理北极。

  那么,究竟为什么北磁极的移动速度会越来越快呢?

  焦立果表示,关于近来的快速极移,学术界现在有两种观点:一是来自地核深部的快速磁流体波;另一种是来自加拿大下方地核内的液态铁水的高速射流。后一种思路认为,在加拿大和西伯利亚地区分别存在一个磁场集中的磁斑区,两个磁斑区的竞争导致了磁极的移动。加拿大下方的高速射流导致该区域磁场减弱,在磁极竞争中输给了西伯利亚,从而导致磁极向西伯利亚方向移动。

  赵旭东也持有类似的观点,他表示,目前普遍认为地球主磁场产生于地球内部的地核磁流体发电机过程。由于地核具有液态的外核和固态的内核,在温度和密度差异的条件下,外核流体在地球自转系统中发生对流,从而产生了自激发电机过程。北磁极的快速运动可能与加拿大地下的液态铁高速射流有关。

  那么,随着北磁极的快速移动,世界地磁场模型的修正周期会不会越来越短呢?

  在赵旭东看来,地球主磁场模型的更新周期是基于地球主磁场的长期变化特征,以及观测技术、观测资料的处理周期而定的。“随着观测技术的发展,观测资料处理技术以及数据计算速度的提高,科学工作者对地磁场认知程度的加深,以及空间天气预报和人类生活的需要,我认为地球主磁场模型的更新周期将会缩短。”赵旭东说。

  焦立果也表示,经过此次“波折”,随着人们对定向和导航等应用中时变性需求的日益提高,相信地磁学家们会做出相应的调整,包括可能缩短模型发布周期,以及在地磁突发事件后及时发布最新模型等等。


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