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最近，地球正在发生一些奇怪的事情：地球磁场出现了超出人们此前预期的变化。 % B7 O5 U* }, V3 J) G+ H2 l- k1 |
近期，据 Nature 1 月 9 日报道，受到地核内液态铁的运动的影响，地磁北极正不断从加拿大向西伯利亚偏移，而且移动速度非常之快，快到全球地磁专家已经难以对此坐视不管——当务之急就是要更新世界地磁模型。
) L) m( S& A! W: T1 d7 j# i 因为，这个模型的重要意义不仅在于其描绘了地球磁场，更在于它是所有现代导航系统的基础之一，例如海上船只导航和智能手机上的谷歌地图。 7 z) f( ?# G1 @, v
Nature 称，磁极加速运动，以至于全球所有这方面的专家都进行了研究。然而，屋漏偏逢连夜雨，美国政府的停摆，让地磁专家全力“DeBug”的地磁模型无法在 1 月 15 日更新。
, |: x1 X% y% L; W' P% L 现在，如果你想要从美国方面访问关于世界地磁模型的一切——不论是下载模型软件还是了解相关信息，都会自动跳转到美国国家海洋和大气管理局一个域名为“政府关门”（http://governmentshutdown.noaa.gov）的网页上去。网页上写得很明白，除了保护生命和财产的任务以外，其它的他们都暂时管不了了。
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图 | 美国国家海洋和大气管理局网页截屏（来源：NOAA） : K" h8 b! l$ J( g: w( @/ t
如果简单来看的话，这次事件简直是一个硬核版本的“蝴蝶效应”：因为美国在墨西哥边境上建墙的事情悬而未决，美国政府停摆，科学家无法及时更新一个对于导航系统来说至关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。一连串的机缘巧合，让边境墙与手机导航这两个看似毫无关联的事物，产生了令人啼笑皆非的联系。而且，这个尴尬的情况，至少还会持续到这个月底（2019 年 1 月 30 日）才有望解决。 $ n) Y$ Y0 X' ]* U
意料之外又难以理解的磁场突变
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一切还得从地球的磁极情况说起。
7 @4 f8 K! w. B+ O 我们的地球可以比作一个巨大的磁铁。在靠近北极点和南极点的地方，分别分布着地磁北极和地磁南极。地球磁场的磁感线自地磁南极发出，指向地磁北极，便形成了所谓的磁子午线。在地球上的任何一个地方，只要知道了当地的地磁子午线和地理经线的夹角——“地磁偏角”，就可以用罗盘等设备来判断方向。不同的地方，地磁偏角的大小也不尽相同，比如中国各地的地磁偏角，相差就在 13°以上，而这与两个地磁极的位置息息相关。
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图 | 磁子午线（红线）与地理经线（蓝线）之间存在夹角——地磁偏角，地磁北极（红点）也和地理北极（蓝点）不重合。（来源：Wikipedia）
3 q( o# @( g. d, Y; T8 T 但地球的磁场又不是一成不变的。磁场的强度、地磁偏角、磁极的位置等，都会发生变化。以地磁北极的位置为例： ; w5 v: x; e% b' i- S m
1831 年首次实地确认的时候，地磁北极位于加拿大近北极地区的布西亚半岛 1 ]+ W$ g$ Q, m: b3 P, Y0 I
1903 年也还在不远处
$ F; d! h" \! u# N1 Y% T 1947 年已经移到了加拿大威尔士亲王岛，之后继续一路向北
" w' D* v; \/ Z% k& C 1990 年代中期，地磁北极迁移突然开始加速，从之前的每年 15 公里，“飙”到了现在的每年 55 公里，相当于每天前进 150 米 $ y t3 @ c/ P1 M0 W' A4 t
2001 年地磁北极离开大陆，进入到了北冰洋
" E9 q8 B% V/ Y& _# v 2018 年穿越了国际日期变更线，进入到了东半球，向着俄罗斯西伯利亚地区的方向“全速冲刺”……
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图 | 自然 绘制的地磁北极移动路径，从布西亚半岛开始一路向北，1990年代中期突然加速，原因未知（来源： 自然 ）
- w( w9 M* r9 B4 l 而科学家们却并不能对地磁北极的位置做出什么准确的预测。地磁北极为什么会出现迁移，又为什么会朝向这个方向，为什么会是这样的迁移速度，我们现在有的只是猜想，更不要说进行预测了。因此，地磁北极的突然加速，再加上其它的一些变化，让依赖地磁场导航的大到飞机轮船，小到手机手表，都有点措手不及。 " N" L2 d& h: A/ e7 f
别看地球磁场是人类最早发现、并加以利用的自然现象之一，但自指南针发明的千百年之后，在现代科学已经如此发达的今天，我们依然对它知之甚少。我们知道了是磁场保护了我们不受宇宙射线的侵袭，也阻止了生物赖以生存的大气层不被太阳风等“吹跑”，还在同宇宙带电粒子的“搏斗”中产生了地球表面最为壮美的自然景观——极光，但是，一些根本性的问题，比如，地球为什么会有磁场，我们就到现在还回答不了。
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图 | 地球磁场保护了我们不受宇宙射线侵害，也阻止了宇宙射线和太阳风摧毁我们的大气层（来源：麻省理工科技评论 / NASA）
& H) i3 j% @5 D$ ^- s5 q 关于这个问题，科学家们曾经提出过许多假说。从地球本身就是一块大磁铁，到地球里面有电荷在旋转，可谓是五花八门，不一而足。大多数这些理论都或多或少有些漏洞，但有一个理论却颇为可信，这就是所谓的“发电机理论”。 , Z) o7 p. D/ C* y% U
发电机理论于上世纪四五十年代提出。这个理论认为，地球也好，其它有磁场的天体也罢，之所以产生了磁场，都是由天体内部的铁、镍流体的流动造成的。所谓变化的电场产生磁场，地球内部带电的液态铁流体的非稳态对流，导致了地磁场的出现。这是目前研究最多、最为自洽、也最站得住脚的理论。 - a7 t! i7 |1 s4 {$ T
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图 | 地磁场磁感线模拟图（来源：Wikipedia）
; j$ e+ O) C: X3 u 发电机理论对于地球磁场变化的解释，便也就来源于此——是地球内部液态铁流体的流动变化所导致的。比如，最近的地磁北极的快速迁移，就被解释为“位于加拿大地区下面的高速液铁射流”。这股喷射出来的液态铁流体，让加拿大附近的磁场变弱，从而使得地磁北极向着磁场更强的俄罗斯西伯利亚地区移动。科学家认为，地磁北极的位置，可能是由北极附近的两块大的磁场的相互强弱决定的：加拿大磁场弱了，西伯利亚就会把地磁北极“抢”过去。现在加拿大磁场越来越弱，地磁北极也就一路狂奔投入俄罗斯的怀抱。 - p E- C. ]$ ^8 v2 g& Z9 ^
听到这里你可能也意识到了，这些理论几乎没有什么直接的实验测量数据支持，有的只是理论计算和在地表以及通过卫星进行的间接的观测数据。我们对地球磁场的认识，也远不足以支撑我们像预测天体轨迹一样准确计算出地磁场的变化规律。
8 l- V$ s+ R5 B6 R% U “解铃”——世界地磁模型; F! [8 l9 P; Y" s8 q
虽然准确计算我们做不到，我们对磁场的成因也知之甚少，但这并不妨碍我们利用磁场进行精确的导航。 8 W& g0 S9 o& ~% E4 c2 C1 h
在古代，古人们早就意识到了地磁偏角的存在，比如宋代的沈括就曾在《梦溪笔谈》里提到了它。到了现代，我们有了更加精确的磁场模型，它不止包括世界各地的准确的地磁偏角数值，还包括地磁场强度等一系列参数，更有对这些参数在短期内的变化进行的相当准确的估计。
# H0 `$ g8 W# {" f6 X 其中，应用最为广泛的模型之一，就是由美国国家地球物理学数据中心（U.S. National Geophysical Data Center，NGDC）和英国地质调查局（British Geological Survey，BGS）开发的“世界地磁模型（World Magnetic Model，WMM）”。
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图 | 世界地磁模型（2015.0版）——从北极望去的世界地磁偏角分布（来源：英国地质调查局）
( O, G# W$ z9 ^ ~* r0 K d( y 这个模型被广泛用于美英两国的国防部门、北约组织、世界卫生组织的定向，也是全世界民用部门定向的首选。不论是许多飞机上的航空磁罗盘、不少轮船的磁罗经，还是安卓或苹果手机里的电子罗盘，都依赖于这个模型进行定向后的校正。
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9 A- e# u: }1 g, u( y 图 | 手机指南针（来源：Pexel） $ j0 C% r3 I. N+ J
因此，世界地磁模型的准确度必须得到保证。由于地球磁场变化很快，而且无法预测，世界地磁模型每 5 年就会更新一次，来保证足够的精度。最新版本的世界地磁模型，是在 2014 年 12 月发布的 2015 版（WMM2015）。本来科学家们预计，这个版本的模型使用到 2020 年是没有问题的。然而，这却是一个十分“命途多舛”的版本。
5 r- F" U* Y& o/ [. B: i9 _ ` 2015 版模型投入使用仅一年之后的 2016 年，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，也让本来打算用 5 年的模型，在一年后就误差陡增。而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。尤其是在北极地区，今年地磁北极还在西半球，明年就到了东半球直奔俄罗斯而去了，让利用世界地磁模型计算出来的方向结果完全不可靠。
: o. u* d+ w1 V 不得已，科学家们于 2018 年 9 月份发布了第二版的 2015 版模型——WMM2015v2。他们进一步计划在 2019 年 1 月 15 日再发布一个版本的模型进行修正，这样 2015 版模型就可以成功续命到 2019 年年底，撑到下一个版本——2020 版的发布了。
9 Y/ v9 c# a0 i% L) } 然而，1 月 15 日已经过去，原计划进行的更新却并没有发生。这是因为，负责更新的部门之一——美国国家海洋和大气管理局（US National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）由于美国政府停摆，除了威胁到美国人民生命和财产安全的事情以外，其它的一切服务都暂停了。世界地磁模型的更新也因此被推迟到了 1 月 30 日。 & o, j! s/ q) F+ T" a
科学家们除了没能预测出地球磁场的突发情况，也没能预测出人类社会的突发情况。2015 版的世界地磁模型，可谓是“天灾”和“人祸”一个都没躲过。 ' E0 s1 @2 e% @8 }! { B/ @
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（来源：麻省理工科技评论）
, [- V' J# n3 r* U! S “祸”起边境墙1 l8 N% X/ U8 F" Y6 [
由于特朗普总统在美国和墨西哥的边境上修筑隔离墙的 56 亿美元预算，无法在美国国会获得通过，导致美国政府从 2018 年 12 月 22 日 0 时开始关门至今，并还在持续刷新着美国历史上政府停摆的天数纪录。 ; l, i" M( X" o" R& C! @/ ^0 b
这本来是一个纯政治事件，却导致了许多政府部门无法及时履行职责，造成的损失也已经超过了特朗普希望国会批准的建墙费用。这其中，就包括负责更新地球磁场模型的国家海洋和大气管理局。美国驴象两党胆敢频繁让政府关门，也和关门期间大量关键岗位上的工作人员依然会无薪、但坚持提供服务有很大的关系。可是，大多数情况下，美国政府非紧急性任务的暂停只会影响到美国国民，而这一次确实真真实实地影响到了全世界的所有人。 - K( b% F8 X! i
不过，世界地磁模型的紧急更新推迟半个月，给全球所有依赖它的设备造成的定位精度影响，在大多数情况下也还是比较有限的。比如，安卓定位系统的开发者页面上就写到，哪怕在 2020 年之后的许多年里，2015 版模型所可能造成的误差也依然应该在安全限度之内。而轮船和飞机等对定位要求更高的设施，也都配备有不依赖地球磁场指示方向的设备。
1 y p. K4 J2 O+ o 但这个“影响有限”，并不包括加拿大、格陵兰等地区靠近地磁北极的部分，以及北冰洋的相关海域。若不能及时修正模型中地磁北极的位置，北极地区的很多定向都将变得不再准确，甚至“南辕北辙”，尤其是只能依靠磁场确定方向的手机导航。 / N$ W& w1 K( d/ f8 d: g5 |
与此同时，科学家正在努力探索磁场变化为何如此剧烈。因为不只是导航，磁极的正常与否还会影响地球上的所有生物的日常生活，例如气候、电力供应、使动物失去方向感等。与 2016 年的情形类似，地磁脉冲可能产生于地核深处产生的“水磁”波。 # m1 |- u4 d. k7 b# L- w
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图 | 地磁偏角变化率示意图。蓝色等高线：向西变化；红色等高线：向东变化；绿色等高线：无变化；白色五角星：地磁极。可以看出，地磁极附近的地磁偏角变化是非常快的。如果不能及时更新地磁模型，将不可避免地对极地附近的定位产生影响。（来源：英国地质调查局） & e4 X5 O% l7 s3 D$ V. j
最后，让我们期待，1月30日世界地磁模型可以按计划完成更新，不论美墨边境上，到底会不会出现一堵墙。 8 ?( f& ?7 Q: {* x
参考： ) y, E1 f8 C; U3 J8 U9 ]2 B4 l& J8 ?
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https://www.zhihu.com/question/19976147
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https://www.douban.com/note/74151183/
+ W* G6 ~7 H8 ?$ A; R2 }; I& m Julien Aubert; Geomagnetic acceleration and rapid hydromagnetic wave dynamics in advanced numerical simulations of the geodynamo, Geophysical Journal International, Volume 214, Issue 1, 1 July 2018, Pages 531–547 6 x' a! T; |! r7 d* v' v" ~
Livermore, Philip W., Rainer Hollerbach, and Christopher C. Finlay. "An accelerating high-latitude jet in Earth’s core." Nature Geoscience 10.1 (2017): 62. ' W9 z! T, V4 L6 K# A; G0 x
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