什么引起了最近北磁極的加速漂移？＊

Chulliat A，Hulot G，Newitt L R，Orgeval J-J

引言

北磁極位于地磁場(chǎng)豎直向下的地球表面。雖然地核通過內(nèi)部對(duì)流的地球發(fā)電機(jī)過程維持了地球的主磁場(chǎng)，但卻引起了北磁極隨時(shí)間的不斷漂移。北磁極的漂移速度從20世紀(jì)90年代初的15 km/a突然增加到90年代末的55 km/a。由于此前150多年里觀測(cè)到的北磁極漂移速度不超過15 km/a，所以漂移的加速引起了大家的廣泛關(guān)注。

為什么北磁極的加速漂移發(fā)生在20世紀(jì)90年代？要回答這個(gè)問題也許需要修改多年來的一個(gè)假設(shè)：即地核中地球磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向存在著以10年為周期的和長期的變化，并且大家都心照不宣地認(rèn)為在北極圈下的地核內(nèi)隱含一個(gè)生長的地柱。

1 從野外調(diào)查到衛(wèi)星觀測(cè)

1831年6月1日，羅斯首先確定了北磁極的位置。它位于布西亞半島（加拿大所屬的北極圈內(nèi)）：“我們?cè)诨ハ鄳c祝過程中，把英國國旗插在北磁極上，并以威廉斯四世的名義占領(lǐng)了該地區(qū)和附近領(lǐng)土”[1]。由于當(dāng)時(shí)航海主要依靠羅盤和精確的磁偏角圖，掌握極地位置十分重要，所以這一成功成為在約翰·羅斯（羅斯的伯父）領(lǐng)導(dǎo)下，歷經(jīng)5年探索西北通道的極地探險(xiǎn)取得的標(biāo)志性成果。73年后，即1904年，阿蒙森在成功完成他第一次西北通道航行時(shí)，又一次確定了北磁極的位置。阿蒙森和羅斯確定的北磁極位置有所不同，但彼此相差不到50 km。

從1948年到1994年，加拿大自然資源管理部門在相似的航海動(dòng)機(jī)驅(qū)使下，經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)量，確定了北磁極在緩慢漂移。最近兩次北磁極的定位工作是在2001年[2]和2007年[3]進(jìn)行的，這兩次數(shù)據(jù)是由一個(gè)法國基金資助的組織、加拿大自然資源管理部門、巴黎地球物理研究所和法國地質(zhì)礦產(chǎn)勘察部門成功進(jìn)行的國際合作得到的。由于北磁極從加拿大努納武特地區(qū)的一個(gè)研究基地的機(jī)場(chǎng)附近向西伯利亞漂移，飛行器從機(jī)場(chǎng)到海冰的飛行距離有限，所以北磁極附近磁場(chǎng)的測(cè)定越來越困難。

幸運(yùn)的是，北磁極最近在北冰洋的漂移，正值攜帶著高精度磁力計(jì)的近地衛(wèi)星發(fā)射（如奧斯特項(xiàng)目和德國地學(xué)研究中心項(xiàng)目），這些工作使得地球磁場(chǎng)模型的計(jì)算無論是在時(shí)間上還是在空間上都達(dá)到了前所未有的精度[4]。取得巨大成功的奧斯特項(xiàng)目和德國地學(xué)研究中心項(xiàng)目現(xiàn)在已經(jīng)完成了使命（2010年9月19日結(jié)束），歐洲空間探測(cè)部門計(jì)劃將在2012年開始繼續(xù)在太空中測(cè)定地磁場(chǎng)[5]。

2 在20世紀(jì)90年代的突然加速漂移

來自衛(wèi)星、磁場(chǎng)觀測(cè)和野外調(diào)查表明，北磁極在20世紀(jì)90年代突然加速漂移[2，6]，從1990年的15 km/a增加到2002年的大約60 km/a，此后漂移速度緩慢降低[3，7]，這種現(xiàn)象得到野外觀測(cè)和全球地磁模型的證實(shí)（圖1a）。第一個(gè)從事北磁極定位的羅斯研究結(jié)果表明：在此前150多年的時(shí)間里，北磁極的漂移速度小于15 km/a。這種突然加速現(xiàn)象與南磁極的表現(xiàn)形成鮮明對(duì)比，自20世紀(jì)初以來，南磁極的漂移速度從來沒有超過15 km/a[7]。

圖1 （a）藍(lán)色有誤差條的階梯形線表示觀測(cè)到的北磁極漂移速度隨時(shí)間的變化，其余的分別是由gufm1模型[8]、CM4模型[9]和 CHAO-2模型[4]得到的北磁極漂移速度隨時(shí)間的變化。圖（b）－（d）是余緯度從0°到35°的極面觀（相鄰線間隔10°）；圖1b表示在1989—2002年間地核表面總徑向磁場(chǎng)的長期變化（單位：nT/a）；圖1c和1d分別表示在1989年和2002年的徑向磁場(chǎng)（單位：mT），以上計(jì)算結(jié)果（圖1b－d）均出自于CM4模型。圖中地球表面的北磁極用紅點(diǎn)表示，最大的長期變化位置用紅色三角表示，與內(nèi)核相切的圓柱和地核表面的相交部分用黑色實(shí)線圓表示。（原圖為彩圖）

借助于從加拿大努納武特地區(qū)的瑞澤路特海灣和以前格陵蘭Qaanaaq地區(qū)的極地冰帽天文臺(tái)獲得的磁場(chǎng)記錄，結(jié)合全球地磁模型，人們首次揭示了地球內(nèi)部在20世紀(jì)90年代經(jīng)歷了不尋常的大幅度變化（比如地球磁場(chǎng)長期變化），導(dǎo)致地磁場(chǎng)北向分量每年增長大于50 n T。進(jìn)一步的分析表明：地磁場(chǎng)長期變化加劇對(duì)北磁極漂移速度增長起到了75%的作用，其余引起北磁極漂移的原因是區(qū)域總磁場(chǎng)梯度變化[10]。也就是說，北磁極漂移加速主要是由于地核內(nèi)部磁場(chǎng)的變化引起北極附近的地球表面突然變化產(chǎn)生的。

必須注意到北磁極位置對(duì)地球發(fā)電機(jī)過程沒有任何特殊的物理意義。磁極不同于地磁極，地磁極定義為地核磁場(chǎng)（地球北地磁極位于格陵蘭的北部，南地磁極與之對(duì)跖）的偶極子軸與地球表面的交點(diǎn)。地磁極明顯不同于磁極是因?yàn)榈睾藞?chǎng)不是精確的偶極子。同樣的原因，北磁極在地球表面的位置也不能一直垂直于地核表面向下，甚至在地核表面不會(huì)是一個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)。

3 核地柱假說

為什么科學(xué)家和全社會(huì)都關(guān)注北磁極加速漂移？答案是因?yàn)樗芙沂镜睾藘?nèi)部的奧秘，而地核內(nèi)部的物理過程只能通過非直接方式獲得。研究表明20世紀(jì)90年代在北極區(qū)域觀測(cè)到的大幅度磁場(chǎng)長期變化是由位于新西伯利亞群島下相對(duì)較小的地核表面（直徑大約1 000 km）經(jīng)歷了類似的磁場(chǎng)長期變化產(chǎn)生的（圖1b）。從圖中可以看出，如果假設(shè)地幔的導(dǎo)電性忽略不計(jì)，就可以解釋為什么觀測(cè)到的主磁場(chǎng)和磁場(chǎng)的長期變化一直是從地球表面向下指向地核與地幔的分界面。實(shí)際上，通過對(duì)從地核與地幔之間分界面到地球表面描述磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)函數(shù)分析[10]表明：北磁極在一定程度上與其下方地核與地幔分界面產(chǎn)生的動(dòng)力過程無關(guān)，20世紀(jì)90年代，在新西伯利亞群島下方，距離新西伯利亞群島2 000 km的地核與地幔分界面在正確的時(shí)間和正確的地點(diǎn)經(jīng)歷了長期變化的整個(gè)動(dòng)力過程。

觀測(cè)到的在地核與地幔分界面之間產(chǎn)生的地磁場(chǎng)長期變化通常用產(chǎn)生地核表面流動(dòng)的反問題解釋，即假設(shè)磁擴(kuò)散從10年到長期的時(shí)間尺度上是可以忽略不計(jì)的，被稱之為冷凍通量假說[11]。但是，由于新西伯利亞群島下方地磁長期變化的幾何尺寸似乎與冷凍通量假說存在矛盾，所以假設(shè)地核流動(dòng)就可以引起北磁極的加速漂移被證明存在著問題。根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)得到全球地核磁場(chǎng)模型指出，在20世紀(jì)90年代該地區(qū)的磁流量從地核里（圖1c和1d）通過必要的擴(kuò)散過程[12]流出。

地核過程對(duì)北磁極加速作用的進(jìn)一步研究是最近對(duì)地球發(fā)電機(jī)過程的三維數(shù)值模擬。根據(jù)最近的一些模型[13]，在內(nèi)核邊界由密度較低的流體形成地柱以后，沿著與內(nèi)核相切的柱面上升，內(nèi)核的中心軸就是地球自轉(zhuǎn)軸。由于地球的快速自轉(zhuǎn)使得地柱經(jīng)歷了強(qiáng)烈的螺旋式上升，在實(shí)驗(yàn)室用水做的實(shí)驗(yàn)也獲得了相似的過程[14]。在地核中，螺旋上升的地柱以平流和扭轉(zhuǎn)流的方式傳遞著磁場(chǎng)線，形成了科學(xué)家所說的極磁涌。極磁涌向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)地核與地幔的分界面，導(dǎo)致磁場(chǎng)線進(jìn)入地幔并形成了一對(duì)磁通量集中區(qū)域，可以探測(cè)到在地核表面有兩個(gè)很強(qiáng)的徑向場(chǎng)，就像兩塊補(bǔ)丁一樣，每個(gè)都有相反的通量。數(shù)值模擬標(biāo)度率建議磁通驅(qū)逐可能僅僅發(fā)生在幾十年內(nèi)。

由發(fā)電機(jī)過程模擬得到的地核與地幔的分界面中的徑向磁場(chǎng)分布圖樣與在新西伯利亞群島下方觀測(cè)到的結(jié)果有著驚人的相似。在北磁極加速始發(fā)點(diǎn)，磁通驅(qū)逐是否由磁極涌引起依然是假說[10]，假說的有效性將會(huì)被更詳細(xì)的模型和數(shù)值模擬所評(píng)說。有趣的是，還有一種假說認(rèn)為在北磁極下方存在著另外一個(gè)磁地柱[15]，在那里，一些磁通量從地核里流出，但按照數(shù)學(xué)函數(shù)解釋的地核與地幔的分界面到地球表面場(chǎng)的關(guān)系，這樣的地柱對(duì)產(chǎn)生北磁極漂移不起任何作用，考慮到幾何尺度的原因，只有在新西伯利亞群島下方的地柱才會(huì)對(duì)北磁極漂移起作用。

4 在地核表面的磁通驅(qū)逐

僅僅在10年前，用磁通驅(qū)逐解釋北磁極加速漂移可能不容易被接受。當(dāng)時(shí)，人們普遍認(rèn)為冷凍通量假說對(duì)解釋以10年為周期和長期的磁場(chǎng)變化有效，還認(rèn)為磁擴(kuò)散只對(duì)磁場(chǎng)較長時(shí)間尺度的變化有明顯的貢獻(xiàn)。數(shù)值模擬[16]和最近依靠衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果[17]表明該假說在地核表面一些區(qū)域明顯不適用，所以在這些區(qū)域，從主磁場(chǎng)和磁場(chǎng)長期變化的觀測(cè)推測(cè)出地核的流動(dòng)是值得懷疑的。

其中一個(gè)這樣的地區(qū)位于南大西洋下方，至少有兩個(gè)與周圍反向的磁通量補(bǔ)丁，這些區(qū)域由于具有大面積反常的低場(chǎng)強(qiáng)被稱之為“南大西洋異?！?。隨著場(chǎng)強(qiáng)的減小，反常的區(qū)域變大，似乎說明磁通量的規(guī)則增加必須通過這兩個(gè)在地核表面的補(bǔ)丁流出[18]。由于在1980年以前缺少高精度的衛(wèi)星數(shù)據(jù)模型，對(duì)這種反常的長期表現(xiàn)缺少研究。

在地核表面的磁通驅(qū)逐，無論是在“南大西洋異?！?，還是在與內(nèi)地核相切的地柱內(nèi)，都可以看成太陽黑斑在地球上的類似物。將來的衛(wèi)星觀測(cè)和更成熟的數(shù)值模擬會(huì)更好地描述這種現(xiàn)象，也會(huì)進(jìn)一步理解這種現(xiàn)象與地球深部發(fā)電機(jī)過程的關(guān)系。

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