部分手機導航或受地球磁場超預期變化的影響

最近，地球正在發(fā)生一些奇怪的事情：地球磁場出現(xiàn)了超出人們此前預期的變化。

近期，據(jù) Nature1 月 9 日報道，受到地核內液態(tài)鐵的運動的影響，地磁北極正不斷從加拿大向西伯利亞偏移，而且移動速度非常之快，快到全球地磁專家已經難以對此坐視不管——當務之急就是要更新世界地磁模型。

因為，這個模型的重要意義不僅在于其描繪了地球磁場，更在于它是所有現(xiàn)代導航系統(tǒng)的基礎之一，例如海上船只導航和智能手機上的谷歌地圖。

Nature 稱，磁極加速運動，以至于全球所有這方面的專家都進行了研究。然而，屋漏偏逢連夜雨，美國政府的停擺，讓地磁專家全力“DeBug”的地磁模型無法在 1 月 15 日更新。

現(xiàn)在，如果你想要從美國方面訪問關于世界地磁模型的一切——不論是下載模型軟件還是了解相關信息，都會自動跳轉到美國國家海洋和大氣管理局一個域名為“政府關門”（governmentshutdown.noaa.gov）的網(wǎng)頁上去。網(wǎng)頁上寫得很明白，除了保護生命和財產的任務以外，其它的他們都暫時管不了了。

圖 | 美國國家海洋和大氣管理局網(wǎng)頁截屏（來源：NOAA）

如果簡單來看的話，這次事件簡直是一個硬核版本的“蝴蝶效應”：因為美國在墨西哥邊境上建墻的事情懸而未決，美國政府停擺，科學家無法及時更新一個對于導航系統(tǒng)來說至關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。一連串的機緣巧合，讓邊境墻與手機導航這兩個看似毫無關聯(lián)的事物，產生了令人啼笑皆非的聯(lián)系。而且，這個尷尬的情況，至少還會持續(xù)到這個月底（2019 年 1 月 30 日）才有望解決。

意料之外又難以理解的磁場突變

一切還得從地球的磁極情況說起。

我們的地球可以比作一個巨大的磁鐵。在靠近北極點和南極點的地方，分別分布著地磁南極和地磁北極。地球磁場的磁感線自地磁南極發(fā)出，指向地磁北極，便形成了所謂的磁子午線。在地球上的任何一個地方，只要知道了當?shù)氐牡卮抛游缇€和地理經線的夾角——“地磁偏角”，就可以用羅盤等設備來判斷方向。不同的地方，地磁偏角的大小也不盡相同，比如中國各地的地磁偏角，相差就在 13°以上，而這與兩個地磁極的位置息息相關。

圖 | 磁子午線（紅線）與地理經線（藍線）之間存在夾角——地磁偏角，地磁北極（紅點）也和地理北極（藍點）不重合。（來源：Wikipedia）

但地球的磁場又不是一成不變的。磁場的強度、地磁偏角、磁極的位置等，都會發(fā)生變化。以地磁北極的位置為例：

1831 年首次實地確認的時候，地磁北極位于加拿大近北極地區(qū)的布西亞半島

1903 年也還在不遠處

1947 年已經移到了加拿大威爾士親王島，之后繼續(xù)一路向北

1990 年代中期，地磁北極遷移突然開始加速，從之前的每年 15 公里，“飆”到了現(xiàn)在的每年 55 公里，相當于每天前進 150 米

2001 年地磁北極離開大陸，進入到了北冰洋

2018 年穿越了國際日期變更線，進入到了東半球，向著俄羅斯西伯利亞地區(qū)的方向“全速沖刺”……

圖 | 自然 繪制的地磁北極移動路徑，從布西亞半島開始一路向北，1990年代中期突然加速，原因未知（來源： 自然 ）

而科學家們卻并不能對地磁北極的位置做出什么準確的預測。地磁北極為什么會出現(xiàn)遷移，又為什么會朝向這個方向，為什么會是這樣的遷移速度，我們現(xiàn)在有的只是猜想，更不要說進行預測了。因此，地磁北極的突然加速，再加上其它的一些變化，讓依賴地磁場導航的大到飛機輪船，小到手機手表，都有點措手不及。

圖 | 地磁偏角估值等高線圖從1590年至1990年的變化（來源：Wikipedia）

別看地球磁場是人類最早發(fā)現(xiàn)、并加以利用的自然現(xiàn)象之一，但自指南針發(fā)明的千百年之后，在現(xiàn)代科學已經如此發(fā)達的今天，我們依然對它知之甚少。我們知道了是磁場保護了我們不受宇宙射線的侵襲，也阻止了生物賴以生存的大氣層不被太陽風等“吹跑”，還在同宇宙帶電粒子的“搏斗”中產生了地球表面最為壯美的自然景觀——極光，但是，一些根本性的問題，比如，地球為什么會有磁場，我們就到現(xiàn)在還回答不了。

圖 | 地球磁場保護了我們不受宇宙射線侵害，也阻止了宇宙射線和太陽風摧毀我們的大氣層（來源：麻省理工科技評論 / NASA）

關于這個問題，科學家們曾經提出過許多假說。從地球本身就是一塊大磁鐵，到地球里面有電荷在旋轉，可謂是五花八門，不一而足。大多數(shù)這些理論都或多或少有些漏洞，但有一個理論卻頗為可信，這就是所謂的“發(fā)電機理論”。

發(fā)電機理論于上世紀四五十年代提出。這個理論認為，地球也好，其它有磁場的天體也罷，之所以產生了磁場，都是由天體內部的鐵、鎳流體的流動造成的。所謂變化的電場產生磁場，地球內部帶電的液態(tài)鐵流體的非穩(wěn)態(tài)對流，導致了地磁場的出現(xiàn)。這是目前研究最多、最為自洽、也最站得住腳的理論。

圖 | 地磁場磁感線模擬圖（來源：Wikipedia）

發(fā)電機理論對于地球磁場變化的解釋，便也就來源于此——是地球內部液態(tài)鐵流體的流動變化所導致的。比如，最近的地磁北極的快速遷移，就被解釋為“位于加拿大地區(qū)下面的高速液鐵射流”。這股噴射出來的液態(tài)鐵流體，讓加拿大附近的磁場變弱，從而使得地磁北極向著磁場更強的俄羅斯西伯利亞地區(qū)移動?？茖W家認為，地磁北極的位置，可能是由北極附近的兩塊大的磁場的相互強弱決定的：加拿大磁場弱了，西伯利亞就會把地磁北極“搶”過去?，F(xiàn)在加拿大磁場越來越弱，地磁北極也就一路狂奔投入俄羅斯的懷抱。

聽到這里你可能也意識到了，這些理論幾乎沒有什么直接的實驗測量數(shù)據(jù)支持，有的只是理論計算和在地表以及通過衛(wèi)星進行的間接的觀測數(shù)據(jù)。我們對地球磁場的認識，也遠不足以支撐我們像預測天體軌跡一樣準確計算出地磁場的變化規(guī)律。

“解鈴”——世界地磁模型

雖然準確計算我們做不到，我們對磁場的成因也知之甚少，但這并不妨礙我們利用磁場進行精確的導航。

在古代，古人們早就意識到了地磁偏角的存在，比如宋代的沈括就曾在《夢溪筆談》里提到了它。到了現(xiàn)代，我們有了更加精確的磁場模型，它不止包括世界各地的準確的地磁偏角數(shù)值，還包括地磁場強度等一系列參數(shù)，更有對這些參數(shù)在短期內的變化進行的相當準確的估計。

其中，應用最為廣泛的模型之一，就是由美國國家地球物理學數(shù)據(jù)中心（U.S. National Geophysical Data Center，NGDC）和英國地質調查局（British Geological Survey，BGS）開發(fā)的“世界地磁模型（World Magnetic Model，WMM）”。

圖 | 世界地磁模型（2015.0版）——從北極望去的世界地磁偏角分布（來源：英國地質調查局）

這個模型被廣泛用于美英兩國的國防部門、北約組織、世界衛(wèi)生組織的定向，也是全世界民用部門定向的首選。不論是許多飛機上的航空磁羅盤、不少輪船的磁羅經，還是安卓或蘋果手機里的電子羅盤，都依賴于這個模型進行定向后的校正。

圖 | 手機指南針（來源：Pexel）

因此，世界地磁模型的準確度必須得到保證。由于地球磁場變化很快，而且無法預測，世界地磁模型每 5 年就會更新一次，來保證足夠的精度。最新版本的世界地磁模型，是在 2014 年 12 月發(fā)布的 2015 版（WMM2015）。本來科學家們預計，這個版本的模型使用到 2020 年是沒有問題的。然而，這卻是一個十分“命途多舛”的版本。

2015 版模型投入使用僅一年之后的 2016 年，位于南美洲下面的地磁場就出現(xiàn)了一次地磁脈沖，讓地磁場產生了科學家始料未及的變化，也讓本來打算用 5 年的模型，在一年后就誤差陡增。而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。尤其是在北極地區(qū)，今年地磁北極還在西半球，明年就到了東半球直奔俄羅斯而去了，讓利用世界地磁模型計算出來的方向結果完全不可靠。

不得已，科學家們于 2018 年 9 月份發(fā)布了第二版的 2015 版模型——WMM2015v2。他們進一步計劃在 2019 年 1 月 15 日再發(fā)布一個版本的模型進行修正，這樣 2015 版模型就可以成功續(xù)命到 2019 年年底，撐到下一個版本——2020 版的發(fā)布了。

然而，1 月 15 日已經過去，原計劃進行的更新卻并沒有發(fā)生。這是因為，負責更新的部門之一——美國國家海洋和大氣管理局（US National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）由于美國政府停擺，除了威脅到美國人民生命和財產安全的事情以外，其它的一切服務都暫停了。世界地磁模型的更新也因此被推遲到了 1 月 30 日。

科學家們除了沒能預測出地球磁場的突發(fā)情況，也沒能預測出人類社會的突發(fā)情況。2015 版的世界地磁模型，可謂是“天災”和“人禍”一個都沒躲過。

（來源：麻省理工科技評論）

“禍”起邊境墻

由于特朗普總統(tǒng)在美國和墨西哥的邊境上修筑隔離墻的 56 億美元預算，無法在美國國會獲得通過，導致美國政府從 2018 年 12 月 22 日 0 時開始關門至今，并還在持續(xù)刷新著美國歷史上政府停擺的天數(shù)紀錄。

這本來是一個純政治事件，卻導致了許多政府部門無法及時履行職責，造成的損失也已經超過了特朗普希望國會批準的建墻費用。這其中，就包括負責更新地球磁場模型的國家海洋和大氣管理局。美國驢象兩黨膽敢頻繁讓政府關門，也和關門期間大量關鍵崗位上的工作人員依然會無薪、但堅持提供服務有很大的關系?？墒?，大多數(shù)情況下，美國政府非緊急性任務的暫停只會影響到美國國民，而這一次確實真真實實地影響到了全世界的所有人。

不過，世界地磁模型的緊急更新推遲半個月，給全球所有依賴它的設備造成的定位精度影響，在大多數(shù)情況下也還是比較有限的。比如，安卓定位系統(tǒng)的開發(fā)者頁面上就寫到，哪怕在 2020 年之后的許多年里，2015 版模型所可能造成的誤差也依然應該在安全限度之內。而輪船和飛機等對定位要求更高的設施，也都配備有不依賴地球磁場指示方向的設備。

但這個“影響有限”，并不包括加拿大、格陵蘭等地區(qū)靠近地磁北極的部分，以及北冰洋的相關海域。若不能及時修正模型中地磁北極的位置，北極地區(qū)的很多定向都將變得不再準確，甚至“南轅北轍”，尤其是只能依靠磁場確定方向的手機導航。

與此同時，科學家正在努力探索磁場變化為何如此劇烈。因為不只是導航，磁極的正常與否還會影響地球上的所有生物的日常生活，例如氣候、電力供應、使動物失去方向感等。與 2016 年的情形類似，地磁脈沖可能產生于地核深處產生的“水磁”波。

圖 | 地磁偏角變化率示意圖。藍色等高線：向西變化；紅色等高線：向東變化；綠色等高線：無變化；白色五角星：地磁極。可以看出，地磁極附近的地磁偏角變化是非?？斓摹Ｈ绻荒芗皶r更新地磁模型，將不可避免地對極地附近的定位產生影響。（來源：英國地質調查局）

最后，讓我們期待，1月30日世界地磁模型可以按計劃完成更新，不論美墨邊境上，到底會不會出現(xiàn)一堵墻。