北極地區(qū)磁羅經(jīng)適用能力

周紅進(jìn)， 蘭國輝， 黃 謙， 李 偉

(海軍大連艦艇學(xué)院 航海系, 遼寧 大連 116018)

隨著北極暖化程度日益加劇，北極東北航道將成為一條溝通中歐貿(mào)易的戰(zhàn)略航道。對此，我國和俄羅斯聯(lián)合提出以東北航道為依托建設(shè)“冰上絲路”的戰(zhàn)略構(gòu)想。[1-3]

磁羅經(jīng)是船舶上必備的一種指向設(shè)備。在北極航道航行的船舶都安裝有磁羅經(jīng)。由于北極地處北緯66.5°以上的高緯度區(qū)域，地磁場在該區(qū)域的分布較為復(fù)雜，導(dǎo)致磁羅經(jīng)在該區(qū)域的指向能力的水平分量相比地球中低緯度地區(qū)顯著減小。因此,普遍認(rèn)為磁羅經(jīng)在北極地區(qū)會失效。本文針對磁羅經(jīng)如何在北極使用、在哪些區(qū)域使用和如何提高磁羅經(jīng)的適用性能等問題，依據(jù)世界地磁模型(World Magnetic Model,WMM)2019，分析地磁場、地磁場水平分量和磁差等要素在北極的分布和變化趨勢，研究不同區(qū)域磁羅經(jīng)的指向能力，提出提高磁羅經(jīng)適用能力的方法和措施。

1 WMM2019

WMM是由美國國家海洋與大氣管理局的地球物理數(shù)據(jù)中心和英國地質(zhì)測繪機(jī)構(gòu)研制發(fā)布的，每5 a更新一次,用于計(jì)算全球任意一點(diǎn)在適用時(shí)間范圍內(nèi)任何時(shí)間的地磁場要素，包括地磁場強(qiáng)度、地磁場水平分量、地磁場垂直分量、磁傾角和磁偏角(磁差)。WMM不僅是美國國防部、英國國防部、北約和國際海道測量組織計(jì)算地磁要素所采用的標(biāo)準(zhǔn)模型，同時(shí)廣泛應(yīng)用于民用導(dǎo)航。[4-6]

新版WMM于2014年12月發(fā)布，由于地球外核特別是北極地區(qū)流體的快速流動，導(dǎo)致2014年版的NMM有超差問題,對此2019年年初重新發(fā)布了更新模型。[7]更新后的模型為

Bm(λ,φ′,r,t)=-▽V(λ,φ′,r,t)

(1)

式(1)中：Bm為地磁場強(qiáng)度，nT；λ、φ′、r和t分別為球心坐標(biāo)系下的經(jīng)度、緯度、徑距和公元年份；V(λ,φ′,r,t)為磁勢位。

(2)

(3)

式(3)中:Pn,m(μ)常用于測地學(xué)和地磁學(xué)中的相關(guān)計(jì)算，計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[8]。

2 極區(qū)地磁場水平分量

地磁場水平分量作用于磁羅經(jīng),使其能指向磁北，水平分量的大小決定磁羅經(jīng)的指向能力。

根據(jù)WMM 2019可計(jì)算繪制北極的地磁場水平分量的變化曲線見圖1,包含50°N以北地區(qū)的地磁場水平分量的變化曲線[7,9]。

圖1 地磁場水平分量在極區(qū)的變化曲線

由圖1可知：

1) 65°N～70°N區(qū)域：157.5°W～152.5°E，地磁場水平分量大于10 000 nT；120.0°W～157.5°W，地磁場水平分量處于6 000～10 000 nT；75.0°W～120.0°W，地磁場水平分量處于4 500～6 500 nT；30.0°W～75.0°W，地磁場水平分量處于6 000～12 000 nT；30.0°W～45.0°E，地磁場水平分量大于10 000 nT；45.0°E～152.5°E，地磁場水平分量處于6 000～12 000 nT。

2) 70°N～75°N區(qū)域：60.0°W～67.5°E，地磁場水平分量處于6 000～10 000 nT；67.5°E～137.5°E,除了北地群島周圍，其他區(qū)域地磁場水平分量處于6 000～8 000 nT；137.5°E～152.5°W，地磁場水平分量處于6 000～10 000 nT；152.5°W～60.0°W,除了波弗特海和巴芬灣，其他區(qū)域地磁場水平分量處于4 000～6 000 nT。

3) 75°N～80°N區(qū)域：30.0°W～37.5°E，地磁場水平分量處于6 000～9 000 nT；楚科奇海以北部分海域和新地島西北部分海域，地磁場水平分量處于6 000～7 500 nT；除此之外，其他區(qū)域地磁場水平分量小于6 000 nT。

4) 80°N～85°N區(qū)域：斯瓦爾巴群島至格陵蘭島的西北附近海域地磁場水平分量處于6 000～7 000 nT;其他海域地磁場水平分量處于1 000～5 000 nT。

5) 85°N～90°N區(qū)域：地磁場水平分量處于0～4 000 nT，大部分區(qū)域處于2 000～3 000 nT。

按照NOAA標(biāo)準(zhǔn)，水平磁場強(qiáng)度在3 000～6 000 nT的區(qū)域通常為磁羅經(jīng)不可靠區(qū)域，水平磁場強(qiáng)度小于3 000 nT的區(qū)域?yàn)榇帕_經(jīng)不可用區(qū)域。[8]如果以6 000 nT為分界線，地磁場水平分量6 000 nT以上即為可靠使用區(qū)?；谶@一標(biāo)準(zhǔn)，由以上分析可知：

(1) 65°N～70°N區(qū)域：75.0°W～120.0°W，地磁場水平分量處于4 500～6 500 nT，磁羅經(jīng)不能可靠指向磁北，在北極其他絕大部分區(qū)域磁羅經(jīng)可正常使用。

(2) 70°N～75°N區(qū)域：60.0°W～152.5°W,地磁場水平分量處于4 000～6 000 nT，磁羅經(jīng)不能可靠指向磁北;在包括波弗特海和巴芬灣在內(nèi)的北極其他區(qū)域,磁羅經(jīng)可正常使用。

(3) 75°N～80°N區(qū)域：大西洋以北的格陵蘭海、挪威海和白令海峽以北的楚科奇海北部海域和新地島西北部分海域，地磁場水平分量處于6 000～9 000 nT，磁羅經(jīng)可正常使用；在北極其他區(qū)域，磁羅經(jīng)是不能可靠指向磁北的。

(4) 80°N～90°N區(qū)域：斯瓦爾巴群島至格陵蘭島的西北附近海域，地磁場水平分量處于6 000～7 000 nT，磁羅經(jīng)可正常使用；在其他區(qū)域,磁羅經(jīng)是不可使用的。

以地磁場水平分量為衡量指標(biāo)可看到,隨著緯度升高，磁羅經(jīng)的指向能力減弱。但是,在北極部分區(qū)域，尤其是在75°N以下的大部分區(qū)域，磁羅經(jīng)可正常使用。即使是在80°N，也有小部分區(qū)域磁羅經(jīng)可正常使用。從航海的角度來看:東北航道是可使用磁羅經(jīng)指向的；西北航道由于大部位于加拿大北極群島海域，其地磁場水平分量大都小于6 000 nT,因此西北航道的這一段航線是不適宜使用磁羅經(jīng)指向的。

3 極區(qū)磁差

磁差是地理北與磁北之間的夾角。在地球上，磁差是一個(gè)隨時(shí)間和位置變化的量。實(shí)際航海中一般使用真航向,真航向與磁航向通過磁差建立轉(zhuǎn)換關(guān)系。磁差大小并不影響磁羅經(jīng)的使用，但磁差隨時(shí)間和位置的變化率會影響真航向與磁航向之間的轉(zhuǎn)換。在中低緯度地區(qū)，磁差隨時(shí)間和位置的變化緩慢，但在北極,磁差變化迅速，特別是磁差隨位置的變化而迅速變化。根據(jù)WMM 2019可計(jì)算繪制北極磁差隨位置變化曲線見圖2,包括50°N以北地區(qū)的磁差隨位置的變化曲線。

圖2 北極磁差隨位置變化曲線

由圖2可知：

1) 磁差隨緯度的升高而增大，在地理北極點(diǎn)與地磁北極點(diǎn)之間的海域，磁差甚至可達(dá)到100°；同時(shí),隨緯度的升高，磁差隨經(jīng)度改變的變化速率增大。

2) 磁差基本上以地磁北極點(diǎn)為中心，東西半球?qū)ΨQ分布。東西半球各自分為兩大區(qū)，其中:靠近太平洋方向的地區(qū)，磁差相對較小;靠近大西洋方向的地區(qū)，磁差相對較大。

3) 太平洋方向。白令海峽以北的波弗特海、楚科奇海、東西伯利亞海、新西伯利亞海和拉普捷夫海，磁差較小，大部分磁差在10°以下，最大約20°。

4) 大西洋方向。磁差大致按0°經(jīng)線對稱分布。以0°經(jīng)線為基準(zhǔn)，沿東西方向，磁差逐漸對稱增大，且隨緯度的升高而增大。

上述分析結(jié)果表明：太平洋方向，極區(qū)磁差較小，即東北航道東半部、西北航道西半部的磁差較小，易于真航向與磁航向之間的轉(zhuǎn)換；大西洋方向，極區(qū)磁差較大，即東北航道西半部和西北航道東半部的磁差較大，且緯度升高，磁差隨經(jīng)度的改變而改變迅速，不易于真航向與磁航向之間的轉(zhuǎn)換。通常而言，磁差隨航行位置變化緩慢時(shí)，可手動完成真航向與磁航向之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，但在85°N以上緯度區(qū)域時(shí)，應(yīng)考慮根據(jù)WMM，由計(jì)算機(jī)根據(jù)航行位置和時(shí)間自動計(jì)算磁差，從而在真航向與磁航向之間轉(zhuǎn)換。

4 試驗(yàn)結(jié)果

2017年7月20日—2017年10月10日，我國開展了第8次北極科考活動?！把垺碧柨瓶即涗浟丝疾旌骄€上的時(shí)間、位置、陀螺羅經(jīng)和磁羅經(jīng)的數(shù)據(jù)?！把垺碧柨瓶即瑯O區(qū)考察航線數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)見圖3。圖3中:“+”繪制的點(diǎn)為剩余自差小于20°的航跡點(diǎn);“*”繪制的點(diǎn)為剩余自差大于20°的航跡點(diǎn);連續(xù)曲線為地磁場水平分量相等的點(diǎn)。極區(qū)不同位置記錄的陀螺羅經(jīng)和磁羅經(jīng)航向、磁航向經(jīng)過磁差補(bǔ)償后的真航向及其與陀螺羅經(jīng)航向的差值、相應(yīng)位置地磁場水平分量見表1?！把垺碧柨瓶即帕_經(jīng)剩余自差與對應(yīng)位置地磁場水平分量的關(guān)系曲線見圖4。

圖3 “雪龍”號科考船極區(qū)考察航線數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)

圖4 “雪龍”號科考船磁羅經(jīng)剩余自差與地磁水平分量關(guān)系曲線

由表1和圖4可知：當(dāng)?shù)氐卮艌鏊椒至看笥? 000 nT時(shí)，磁羅經(jīng)剩余自差普遍小于10°，最小為-0.9°，最大為20.8°，平均剩余自差為4.4°；當(dāng)?shù)氐卮艌鏊椒至啃∮? 000 nT，磁羅經(jīng)剩余自差普遍大于20°，最小為1.2°，最大為107°，平均剩余自差為-16.4°。同時(shí),可發(fā)現(xiàn)剩余自差嚴(yán)重超差的有兩個(gè)區(qū)域,如表1中斜線所示,其中:第一個(gè)區(qū)域是東北航道新地島以北緯度大于80°的區(qū)域，最大剩余自差為107°，磁羅經(jīng)完全失去指向功能；第二個(gè)區(qū)域是加拿大北極群島，剩余自差最大為-73.8°。

5 結(jié)束語

磁羅經(jīng)是現(xiàn)代航海所需的重要指向設(shè)備。在北極地區(qū)，磁羅經(jīng)的性能面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文依據(jù)WMM 2019分析影響磁羅經(jīng)指北能力的關(guān)鍵要素(即地磁場水平分量)在北極地區(qū)隨緯度變化的情況，以及影響磁航向與真航向轉(zhuǎn)換關(guān)系的磁差在北極地區(qū)隨緯度變化情況，同時(shí)分析“雪龍”號科考船的磁羅經(jīng)在北極的實(shí)際使用數(shù)據(jù)，可得到以下結(jié)論：

1) 磁羅經(jīng)在北極地區(qū)的指向能力相比中低緯度地區(qū)確實(shí)下降，但并不是在北極所有海域都不能正常使用。

2) 地磁場水平分量是決定磁羅經(jīng)指向能力的關(guān)鍵因素。在北極地區(qū)75°以下除加拿大北極群島海域的大部分海區(qū)，地磁場水平分量均大于6 000 nT，磁羅經(jīng)可正常使用；在北極地區(qū)75°以上80°以下海域，大西洋以北的格陵蘭海、挪威海和白令海峽以北的楚科奇海北部海域和新地島西北部分海域，地磁場水平分量處于6 000～9 000 nT，磁羅經(jīng)可正常使用?？傮w來說，北極東北航道是可正常使用磁羅經(jīng)航行的，西北航道使用磁羅經(jīng)航行需特別注意選擇合適的航線，避開不可靠區(qū)域。

3) 磁差是影響磁航向與真航向轉(zhuǎn)換關(guān)系的重要因素，磁差大小不影響磁羅經(jīng)的使用，但磁差的變化速率影響磁羅經(jīng)的使用。在北極地區(qū),隨著緯度的升高，磁差隨經(jīng)度的變化速率增大。因此,可考慮使用地磁模型自動根據(jù)航行位置和時(shí)間計(jì)算磁差，并將磁航向轉(zhuǎn)換為真航向，從而方便航海使用。

4) 在北極地區(qū)向北航行，緯度變化相對較快。由WMM 2019計(jì)算結(jié)果可知：緯度變化5°，地磁水平分量的變化顯著。因此，為保證磁羅經(jīng)正常使用，應(yīng)考慮緯度每變化5°重新校正磁羅經(jīng)剩余自差。

上述結(jié)論表明,磁羅經(jīng)在北極地區(qū)并不是完全不可以使用。根據(jù)極區(qū)地磁場水平分量的分布變化情況選擇合適的航線(比如東北航線)，采取一定的措施(如及時(shí)重新校正剩余自差)，磁羅經(jīng)是能為極區(qū)航行的船舶指示航向的。