部分手機導(dǎo)航或受地球磁場超預(yù)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(yù)期的變化。

近期，據(jù) Nature1 月 9 日報道，受到地核內(nèi)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(jīng)難以對此坐視不管——當(dāng)務(wù)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(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)之一，例如海上船只導(dǎo)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(jìn)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(guān)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(guān)信息，都會自動跳轉(zhuǎn)到美國國家海洋和大氣管理局一個域名為“政府關(guān)門”（governmentshutdown.noaa.gov）的網(wǎng)頁上去。網(wǎng)頁上寫得很明白，除了保護(hù)生命和財產(chǎn)的任務(wù)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(yīng)”：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(xué)家無法及時更新一個對于導(dǎo)航系統(tǒng)來說至關(guān)重要的地球磁場模型，全世界的所有手機導(dǎo)航都會面臨不準(zhǔn)確的風(fēng)險。一連串的機緣巧合，讓邊境墻與手機導(dǎo)航這兩個看似毫無關(guān)聯(lián)的事物，產(chǎn)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(dāng)?shù)氐牡卮抛游缇€和地理經(jīng)線的夾角——“地磁偏角”，就可以用羅盤等設(shè)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(guān)。

圖 | 磁子午線（紅線）與地理經(jīng)線（藍(lán)線）之間存在夾角——地磁偏角，地磁北極（紅點）也和地理北極（藍(lán)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(rèn)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(yuǎn)處

1947 年已經(jīng)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(dāng)于每天前進(jìn) 150 米

2001 年地磁北極離開大陸，進(jìn)入到了北冰洋

2018 年穿越了國際日期變更線，進(jìn)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(xué)家們卻并不能對地磁北極的位置做出什么準(zhǔn)確的預(yù)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(jìn)行預(yù)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(dǎo)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(xué)已經(jīng)如此發(fā)達(dá)的今天，我們依然對它知之甚少。我們知道了是磁場保護(hù)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(fēng)等“吹跑”，還在同宇宙帶電粒子的“搏斗”中產(chǎn)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(hù)了我們不受宇宙射線侵害，也阻止了宇宙射線和太陽風(fēng)摧毀我們的大氣層（來源：麻省理工科技評論 / NASA）

關(guān)于這個問題，科學(xué)家們曾經(jīng)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(zhuǎn)，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(jì)四五十年代提出。這個理論認(rèn)為，地球也好，其它有磁場的天體也罷，之所以產(chǎn)生了磁場，都是由天體內(nèi)部的鐵、鎳流體的流動造成的。所謂變化的電場產(chǎn)生磁場，地球內(nèi)部帶電的液態(tài)鐵流體的非穩(wěn)態(tài)對流，導(dǎo)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(nèi)部液態(tài)鐵流體的流動變化所導(dǎo)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?nèi)?，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(xué)家認(rèn)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(jìn)行的間接的觀測數(shù)據(jù)。我們對地球磁場的認(rèn)識，也遠(yuǎn)不足以支撐我們像預(yù)測天體軌跡一樣準(zhǔn)確計算出地磁場的變化規(guī)律。

“解鈴”——世界地磁模型

雖然準(zhǔn)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(jìn)行精確的導(dǎo)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(zhǔn)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(nèi)的變化進(jìn)行的相當(dāng)準(zhǔn)確的估計。

其中，應(yīng)用最為廣泛的模型之一，就是由美國國家地球物理學(xué)數(shù)據(jù)中心（U.S. National Geophysical Data Center，NGDC）和英國地質(zhì)調(diào)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(zhì)調(diào)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(jīng)，還是安卓或蘋果手機里的電子羅盤，都依賴于這個模型進(jìn)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(zhǔn)確度必須得到保證。由于地球磁場變化很快，而且無法預(yù)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(xué)家們預(yù)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(chǎn)生了科學(xué)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(zhǔn)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(jié)果完全不可靠。

不得已，科學(xué)家們于 2018 年 9 月份發(fā)布了第二版的 2015 版模型——WMM2015v2。他們進(jìn)一步計劃在 2019 年 1 月 15 日再發(fā)布一個版本的模型進(jìn)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(jīng)過去，原計劃進(jìn)行的更新卻并沒有發(fā)生。這是因為，負(fù)責(zé)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(chǎn)安全的事情以外，其它的一切服務(wù)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(xué)家們除了沒能預(yù)測出地球磁場的突發(fā)情況，也沒能預(yù)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(zāi)”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(yù)算，無法在美國國會獲得通過，導(dǎo)致美國政府從 2018 年 12 月 22 日 0 時開始關(guān)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(jì)錄。

這本來是一個純政治事件，卻導(dǎo)致了許多政府部門無法及時履行職責(zé)，造成的損失也已經(jīng)超過了特朗普希望國會批準(zhǔn)的建墻費用。這其中，就包括負(fù)責(zé)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(guān)門，也和關(guān)門期間大量關(guān)鍵崗位上的工作人員依然會無薪、但堅持提供服務(wù)有很大的關(guān)系?？墒?，大多數(shù)情況下，美國政府非緊急性任務(wù)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(shè)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(yīng)該在安全限度之內(nèi)。而輪船和飛機等對定位要求更高的設(shè)施，也都配備有不依賴地球磁場指示方向的設(shè)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(guān)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(zhǔn)確，甚至“南轅北轍”，尤其是只能依靠磁場確定方向的手機導(dǎo)航。

與此同時，科學(xué)家正在努力探索磁場變化為何如此劇烈。因為不只是導(dǎo)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(yīng)、使動物失去方向感等。與 2016 年的情形類似，地磁脈沖可能產(chǎn)生于地核深處產(chǎn)生的“水磁”波。

圖 | 地磁偏角變化率示意圖。藍(lán)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?？梢钥闯觯卮艠O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(chǎn)生影響。（來源：英國地質(zhì)調(diào)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。