地磁極漂到東半球來了，為什麼？

新聞背景

日前有報道稱，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，今年已經掠過北極點附近，進入了東半球。地磁極的快速移動迫使科學家不得不提前發布新一代的地磁場參考模型，以消除實際應用中的誤差，減少損失。那麼地磁極為什麼會突然加速移動呢？對我們又有什麼樣的影響？

地磁場的變化是有周期性的

地磁場的來源有好幾個，但主要包括主磁場、地殼場、外部變化磁場等。主磁場就是由地核的運動形成的磁場，對地球磁場的貢獻在95%以上。地殼場是地殼各種岩石的磁性貢獻的磁場，大約佔4%。而其他類型的場源，如來自太陽和外太空的輻射，大約貢獻了1%，可統稱為外源場。在未特別說明的情況下，我們這裡說的地磁場特指主磁場。

地球的磁場是一個磁偶極場，也就是說它也有南、北兩極。但是地磁的南北極與地球地理的南北極並不重合，而且每年都在移動，有時候會漂移到中緯度地區，甚至南、北極也會發生倒轉（即現在的地磁北極變成地磁南極，而地磁南極變成地磁北極）。這種變化往往是准周期的，時間並不確定。

在本次地磁極的漂移加速之前，地磁北極已經由西半球向東半球移動一百多年了，只是比較緩慢。在1900年，地磁極還位於加拿大，在北緯70°線上。之後一直到1990年之後，地磁北極在加拿大境內持續向西北方向移動，漂移的速度大約為每年15公里。在上世紀90年代以後，突然加速向北半球飄去，在2015年後達到地理北極點附近，今年正式進入東半球，速度大約為每年55公里，預計最終達到俄羅斯的西伯利亞地區。

在數百年前，人類就已經發現了這種地磁極漂移現象。宋朝的時候，中國古代科學家沈括就意識到地磁北極和地理北極是不重合的，指南針並不指向正北。到了17世紀左右，一批地磁觀測站相繼在巴黎、倫敦等地設立，同時也隨著殖民者的腳步遍布全世界。這時候歐洲科學家就進一步發現，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，而是逐年發生著微小的變化。過去400年的記錄表明，地磁北極在向西運動，而且時快時慢，具有準周期性。

根據考古資料（如人類燒制的陶土）或者火山噴出的岩漿岩的記錄發現，在過去數千年里，這種形式的漂移已經發生了多次，大約數千年會轉一周（地球是球體，一直朝著一個方向運動也會最終回到原點），但大多數時候北磁極都在北極點附近往複漂移，最靠南達到大約北緯70°。地磁南極也有變動，但幅度較北磁極要小很多。

滾燙的地核是磁場變化主要原因

我們知道，地球由外到內依次是地殼、地幔和地核，地殼和地幔都是固態。而地核比較複雜，外核是液態，內核是固態。而且，地核的成分主要是鐵，還有少量的鎳、硫等元素。在隨地球旋轉的過程中，這些磁性液態元素就會激發電流和磁性，這足以形成一個全球性的磁場。

現代的理論認為，地磁場變化的原因就是液態地核運動狀態的改變。

地球內部由地幔和地核形成的圈層結構維持了液態外核的相對平穩，進而給地球帶來了穩定的磁場。但液態物質遠比固態物質活躍，在外力的干擾下很容易發生運動方式的變化，尤其是在固、液的界面處，往往會出現渦流等多種形式的運動，也會相應地影響地磁場。現在正熱播的電影《流浪地球》中，人類強制停止了地球的自轉。但是，由於外核是液體，不能隨著地殼和地幔的停止轉動而馬上停止轉動，這必然會引起地核中液體流動的紊亂。雖然電影中沒有交待，但可以想像，流浪中的地球的磁場肯定不是現在這個樣子了，甚至會消失。

根據最新的研究，科學家認為，地球的北磁極主要受到位於西伯利亞和加拿大之下的外地核表面的兩個渦流控制，它們向外噴射高速的鐵水，控制了地磁極的位置。但是現在加拿大之下的渦流強度正在減弱，導致地磁極向西伯利亞移動。

地磁場的變化會影響地磁導航

現代社會中的人都會感受到導航的重要性，從手機、汽車，到飛機、船舶等，都需要各種導航系統來確定自己的位置。我們最熟悉，也是用得最多的就是各種衛星導航系統，如GPS、北斗等。這種屬於被動導航系統，需要接收外源的信息來確定自己的位置，在某些特定的場景中，如戰爭、室內和水下（衛星信號無法在水下接收），信息源並不一定能得到保證。而地磁導航是對現代各種導航系統的一個很好的補充。

其實，地磁導航利用的並不是主磁場（地核產生的磁場），而是地殼的磁場。和主磁場不同，地殼場非常複雜，但是異常穩定。而主磁場是一個磁偶極場，比較規則，可以通過模擬計算得到，稱為參考模型。利用電磁衛星、飛機等手段，我們可以得到總的地磁場，用總的地磁場減去主磁場，就是地殼的磁場。如果我們在汽車、飛機等儀器上安裝地磁測量設備，把測得的地磁場減去參考模型，然後和儲存在系統裡面的地殼場進行匹配，就可以得到位置信息。地磁導航還有一個好處就是可以直接得到方向信息。在物理學上，地磁場是一個矢量場，也就是說它不僅有強度，還有方向，這對於水下設備修訂航向是非常重要的。

本次地磁場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後得到的地磁場的精度。目前世界各國和國際組織發過了多個地磁場模型，如美國國家地球物理數據中心與英國地質調查局聯合發布世界地磁場模型和國際地磁與高空物理聯合會發布的國際參考地磁場等，分別應用於不同的場合和地區。考慮到地磁場每年都會有變化，這些參考模型隔幾年就會更新一次（如五年），以修訂誤差。如果未來北磁極仍快速移動，各種地磁模型的更新周期將會縮短。

雖然地磁導航具有不依賴外源信息、適用範圍廣等優點，但仍有不少短板。一方面，地磁導航的理論不完善，演算法滿足不了需求。另一方面，地磁導航的精度嚴重依賴於地殼磁場的精度，這個只能通過大規模的地磁調查來獲取。我國目前僅在境內有質量較高地磁場數據，這就大大限制了地磁導航的應用範圍。未來將會通過地磁衛星等手段獲取全球範圍內的高精度地磁場，為航空活動等提供導航。目前，應用地磁場導航仍舊處於研究階段，大多時候與其他導航手段（如衛星導航、慣性導航等）聯合使用。在純利用地磁導航的實驗報道中，地面和空中導航精度可達30米，水下導航精度高於500米，特定條件下飛機定位精度可達13米。而我們現在用的手機基本沒有地磁導航功能，本次地磁場的變化不會對我們的生活造成不便。

值得一提的是，目前在室內精確定位的研究中，地磁法是一個很有前景的方向，現在已有很多基於手機Android系統的地磁定位成果。預計未來即使在大樓內，我們也能夠利用手機獲取高精度的位置信息，這是對衛星定位的一個很好補充。

為什麼科幻片喜歡地磁場

在很多科幻災難大片中，開頭往往伴隨著諸多徵兆，如地震、氣候變化、火山噴發等。而地磁場的變化也是導演們很喜歡用到的一個。如前些年熱播的電影《2012》，地球物理學家就發現地球的磁場發生極不規律的變化，繼而預測了災難的降臨。《地心搶險記》中也是地核停止轉動，地磁場消失，地球災難頻頻。另外，在《日本沉沒》、《末日崩塌》等電影中也相繼出現了地磁場的情節，成為災難來臨的預兆。

其實，通過地磁場的突然變化來預測災難是有一定道理的，因為地磁場變化是地核活動的直接反映，而高度活動的地核也是地球上各種地質運動的能量來源之一。

地球上有火山，有地震，有板塊運動，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。而這些活動的能量來源，一半以上就是地核。地球外核的溫度在4500℃以上，而內核更是可能達到了6000℃。如此高的溫度，每年都會向地幔輸送大量的能量，這些能量隨著地幔的對流來到淺表，會誘發地幔岩石的熔融，形成岩漿。這些岩漿或噴出地表，或侵入地下，影響地球的環境或者推動地球上的板塊運動。這種影響有時候是非常嚴重的。比如在二疊紀的末期（2.5億年前），地球上有一次大規模的火山事件，一時間全球各地火山連連，嚴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。這種全球大範圍的火山活動很可能就是地核能量集中向外輸送的結果。

在諸多災難科幻片中，設定地磁變化作為災難的前兆是有道理的，相信越來越深入的研究能夠為導演提供更多的靈感。不過，畢竟地核對地表環境的影響是間接的，從地核開始異常活動到地表活動，可能需要千萬年時間，並不會像很多科幻片中表現的那麼快。

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