地磁极为什么会漂移

    贾斌

    新闻背景

    日前有报道称，世界地磁北极的位置正在由加拿大向西伯利亚方向快速移动，今年已经掠过北极点附近，进入了东半球。地磁极的快速移动迫使科学家不得不提前发布新一代的地磁场参考模型，以消除实际应用中的误差，减少损失。那么地磁极为什么会突然加速移动呢？对我们又有什么样的影响？

    地磁场的变化有周期性

    地磁场的来源有好几个，但主要包括主磁场、地壳场、外部变化磁场等。主磁场就是由地核的运动形成的磁场，对地球磁场的贡献在95%以上。地壳场是地壳各种岩石的磁性贡献的磁场，大约占4%。而其他类型的场源，如来自太阳和外太空的辐射，大约贡献了1%，可统称为外源场。在未特别说明的情况下，我们这里说的地磁场特指主磁场。

    地球的磁场是一个磁偶极场，也就是说它也有南、北两极。但是地磁的南北极与地球地理的南北极并不重合，而且每年都在移动，有时候会漂移到中纬度地区，甚至南、北极也会发生倒转（即现在的地磁北极变成地磁南极，而地磁南极变成地磁北极）。这种变化往往是准周期性的，时间并不确定。

    在本次地磁极的漂移加速之前，地磁北极已经由西半球向东半球移动一百多年了，只是比较缓慢。在1900年，地磁极还位于加拿大，在北纬70°线上。之后一直到1990年之后，地磁北极在加拿大境内持续向西北方向移动，漂移的速度大约为每年15公里。在上世纪90年代以后，突然加速向北半球漂去，在2015年后达到地理北极点附近，今年正式进入东半球，速度大约为每年55公里，预计最终到达俄罗斯的西伯利亚地区。

    在数百年前，人类就已经发现了这种地磁极漂移现象。宋朝的时候，中国古代科学家沈括就意识到地磁北极和地理北极是不重合的，指南针并不指向正北。到了17世纪左右，一批地磁观测站相继在巴黎、伦敦等地设立，同时也随着殖民者的脚步遍布全世界。这时候欧洲科学家就进一步发现，针状的磁铁指南针的指向与地理北极方向的夹角不是固定的，而是逐年发生着微小的变化。过去400年的记录表明，地磁北极在向西运动，而且时快时慢，具有准周期性。

    根据考古资料（如人类烧制的陶土）或者火山喷出的岩浆岩的记录发现，在过去数千年里，这种形式的漂移已经发生了多次，大约数千年会转一周（地球是球体，一直朝着一个方向运动也会最终回到原点），但大多数时候北磁极都在北极点附近往复漂移，最靠南达到大约北纬70°。地磁南极也有变动，但幅度较北磁极要小很多。

    滚烫的地核是磁场变化主要原因

    我们知道，地球由外到内依次是地壳、地幔和地核，地壳和地幔都是固态。而地核比较复杂，外核是液态，内核是固态。而且，地核的成分主要是铁，还有少量的镍、硫等元素。在随地球旋转的过程中，这些磁性液态元素就会激发电流和磁性，这足以形成一个全球性的磁场。

    现代的理论认为，地磁场变化的原因就是液态地核运动状态的改变。

    地球内部由地幔和地核形成的圈层结构维持了液态外核的相对平稳，进而给地球带来了稳定的磁场。但液态物质远比固态物质活跃，在外力的干扰下很容易发生运动方式的变化，尤其是在固、液的界面处，往往会出现涡流等多种形式的运动，也会相应地影响地磁场。现在正热播的电影《流浪地球》中，人类强制停止了地球的自转。但是，由于外核是液体，不能随着地壳和地幔的停止转动而马上停止转动，这必然会引起地核中液体流动的紊乱。虽然电影中没有交待，但可以想象，流浪中的地球的磁场肯定不是现在这个样子了，甚至会消失。

    根据最新的研究，科学家认为，地球的北磁极主要受到位于西伯利亚和加拿大之下的外地核表面的两个涡流控制，它们向外喷射高速的铁水，控制了地磁极的位置。但是现在加拿大之下的涡流强度正在减弱，导致地磁极向西伯利亚移动。

    地磁场的变化会影响地磁导航

    现代社会中的人都会感受到导航的重要性，从手机、汽车，到飞机、船舶等，都需要各种导航系统来确定自己的位置。我们最熟悉，也是用得最多的就是各种卫星导航系统，如GPS、北斗等。这种属于被动导航系统，需要接收外源的信息来确定自己的位置，在某些特定的场景中，如战争、室内和水下（卫星信号无法在水下接收），信息源并不一定能得到保证。而地磁导航是对现代各种导航系统的一个很好的补充。

    其实，地磁导航利用的并不是主磁场（地核产生的磁场），而是地壳的磁场。和主磁场不同，地壳场非常复杂，但是异常稳定。而主磁场是一个磁偶极场，比较规则，可以通过模拟计算得到，称为参考模型。利用电磁卫星、飞机等手段，我们可以得到总的地磁场，用总的地磁场减去主磁场，就是地壳的磁场。如果我们在汽车、飞机等仪器上安装地磁测量设备，把测得的地磁场减去参考模型，然后和储存在系统里面的地壳场进行匹配，就可以得到位置信息。地磁导航还有一个好处就是可以直接得到方向信息。在物理学上，地磁场是一个矢量场，也就是说它不仅有强度，还有方向，这对于水下设备修订航向是非常重要的。

    本次地磁场突然的漂移加速就是影响到了参考模型的精度，也因此影响到了剥离主磁场后得到的地磁场的精度。目前世界各国和国际组织发过了多个地磁场模型，如美国国家地球物理数据中心与英国地质调查局联合发布世界地磁场模型和国际地磁与高空物理联合会发布的国际参考地磁场等，分别应用于不同的场合和地区。考虑到地磁场每年都会有变化，这些参考模型隔几年就会更新一次（如五年），以修订误差。如果未来北磁极仍快速移动，各种地磁模型的更新周期将会缩短。

    虽然地磁导航具有不依赖外源信息、适用范围广等优点，但仍有不少短板。一方面，地磁导航的理论不完善，算法满足不了需求。另一方面，地磁导航的精度严重依赖于地壳磁场的精度，这个只能通过大规模的地磁调查来获取。我国目前仅在境内有质量较高的地磁场数据，这就大大限制了地磁导航的应用范围。而我们现在用的手机基本没有地磁导航功能，本次地磁场的变化不会对我们的生活造成不便。

    延伸阅读

    为什么科幻片喜欢地磁场

    在很多科幻灾难大片中，开头往往伴随着诸多征兆，如地震、气候变化、火山喷发等。而地磁场的变化也是导演们很喜欢用到的。如前些年热播的电影《2012》，地球物理学家就发现地球的磁场发生极不规律的变化，继而预测了灾难的降临。《地心抢险记》中也是地核停止转动，地磁场消失，地球灾难频频。另外，在《日本沉没》《末日崩塌》等电影中也相继出现了地磁场的情节，成为灾难来临的预兆。

    其实，通过地磁场的突然变化来预测灾难是有一定道理的，因为地磁场变化是地核活动的直接反映，而高度活动的地核也是地球上各种地质运动的能量来源之一。

    地球上有火山，有地震，有板块运动，这是地球作为一颗活跃的行星的证明，也是地球上生命繁茂的条件之一。而这些活动的能量来源，一半以上就是地核。地球外核的温度在4500℃以上，而内核更是可能达到了6000℃。如此高的温度，每年都会向地幔输送大量的能量，这些能量随着地幔的对流来到浅表，会诱发地幔岩石的熔融，形成岩浆。这些岩浆或喷出地表，或侵入地下，影响地球的环境或者推动地球上的板块运动。这种影响有时候是非常严重的。比如在二叠纪的末期（2.5亿年前），地球上有一次大规模的火山喷发事件，一时间全球各地火山喷发连连，严重污染了大气和海洋，造成了地球历史上最大的一次生物灭绝事件，大约90%以上的物种从此消失。这种全球大范围的火山活动很可能就是地核能量集中向外输送的结果。

    在诸多灾难科幻片中，设定地磁变化作为灾难的前兆是有道理的，相信越来越深入的研究能够为导演提供更多的灵感。不过，毕竟地核对地表环境的影响是间接的，从地核开始异常活动到地表活动，可能需要千万年时间，并不会像很多科幻片中表现的那么快。