什么引起了最近北磁极的加速漂移？＊

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

引言

北磁极位于地磁场竖直向下的地球表面。虽然地核通过内部对流的地球发电机过程维持了地球的主磁场，但却引起了北磁极随时间的不断漂移。北磁极的漂移速度从20世纪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多年里观测到的北磁极漂移速度不超过15 km/a，所以漂移的加速引起了大家的广泛关注。

为什么北磁极的加速漂移发生在20世纪90年代？要回答这个问题也许需要修改多年来的一个假设：即地核中地球磁场强度和方向存在着以10年为周期的和长期的变化，并且大家都心照不宣地认为在北极圈下的地核内隐含一个生长的地柱。

1 从野外调查到卫星观测

1831年6月1日，罗斯首先确定了北磁极的位置。它位于布西亚半岛（加拿大所属的北极圈内）：“我们在互相庆祝过程中，把英国国旗插在北磁极上，并以威廉斯四世的名义占领了该地区和附近领土”[1]。由于当时航海主要依靠罗盘和精确的磁偏角图，掌握极地位置十分重要，所以这一成功成为在约翰·罗斯（罗斯的伯父）领导下，历经5年探索西北通道的极地探险取得的标志性成果。73年后，即1904年，阿蒙森在成功完成他第一次西北通道航行时，又一次确定了北磁极的位置。阿蒙森和罗斯确定的北磁极位置有所不同，但彼此相差不到50 km。

从1948年到1994年，加拿大自然资源管理部门在相似的航海动机驱使下，经过系统测量，确定了北磁极在缓慢漂移。最近两次北磁极的定位工作是在2001年[2]和2007年[3]进行的，这两次数据是由一个法国基金资助的组织、加拿大自然资源管理部门、巴黎地球物理研究所和法国地质矿产勘察部门成功进行的国际合作得到的。由于北磁极从加拿大努纳武特地区的一个研究基地的机场附近向西伯利亚漂移，飞行器从机场到海冰的飞行距离有限，所以北磁极附近磁场的测定越来越困难。

幸运的是，北磁极最近在北冰洋的漂移，正值携带着高精度磁力计的近地卫星发射（如奥斯特项目和德国地学研究中心项目），这些工作使得地球磁场模型的计算无论是在时间上还是在空间上都达到了前所未有的精度[4]。取得巨大成功的奥斯特项目和德国地学研究中心项目现在已经完成了使命（2010年9月19日结束），欧洲空间探测部门计划将在2012年开始继续在太空中测定地磁场[5]。

2 在20世纪90年代的突然加速漂移

来自卫星、磁场观测和野外调查表明，北磁极在20世纪90年代突然加速漂移[2，6]，从1990年的15 km/a增加到2002年的大约60 km/a，此后漂移速度缓慢降低[3，7]，这种现象得到野外观测和全球地磁模型的证实（图1a）。第一个从事北磁极定位的罗斯研究结果表明：在此前150多年的时间里，北磁极的漂移速度小于15 km/a。这种突然加速现象与南磁极的表现形成鲜明对比，自20世纪初以来，南磁极的漂移速度从来没有超过15 km/a[7]。

图1 （a）蓝色有误差条的阶梯形线表示观测到的北磁极漂移速度随时间的变化，其余的分别是由gufm1模型[8]、CM4模型[9]和 CHAO-2模型[4]得到的北磁极漂移速度随时间的变化。图（b）－（d）是余纬度从0°到35°的极面观（相邻线间隔10°）；图1b表示在1989—2002年间地核表面总径向磁场的长期变化（单位：nT/a）；图1c和1d分别表示在1989年和2002年的径向磁场（单位：mT），以上计算结果（图1b－d）均出自于CM4模型。图中地球表面的北磁极用红点表示，最大的长期变化位置用红色三角表示，与内核相切的圆柱和地核表面的相交部分用黑色实线圆表示。（原图为彩图）

借助于从加拿大努纳武特地区的瑞泽路特海湾和以前格陵兰Qaanaaq地区的极地冰帽天文台获得的磁场记录，结合全球地磁模型，人们首次揭示了地球内部在20世纪90年代经历了不寻常的大幅度变化（比如地球磁场长期变化），导致地磁场北向分量每年增长大于50 n T。进一步的分析表明：地磁场长期变化加剧对北磁极漂移速度增长起到了75%的作用，其余引起北磁极漂移的原因是区域总磁场梯度变化[10]。也就是说，北磁极漂移加速主要是由于地核内部磁场的变化引起北极附近的地球表面突然变化产生的。

必须注意到北磁极位置对地球发电机过程没有任何特殊的物理意义。磁极不同于地磁极，地磁极定义为地核磁场（地球北地磁极位于格陵兰的北部，南地磁极与之对跖）的偶极子轴与地球表面的交点。地磁极明显不同于磁极是因为地核场不是精确的偶极子。同样的原因，北磁极在地球表面的位置也不能一直垂直于地核表面向下，甚至在地核表面不会是一个稳定的点。

3 核地柱假说

为什么科学家和全社会都关注北磁极加速漂移？答案是因为它能揭示地核内部的奥秘，而地核内部的物理过程只能通过非直接方式获得。研究表明20世纪90年代在北极区域观测到的大幅度磁场长期变化是由位于新西伯利亚群岛下相对较小的地核表面（直径大约1 000 km）经历了类似的磁场长期变化产生的（图1b）。从图中可以看出，如果假设地幔的导电性忽略不计，就可以解释为什么观测到的主磁场和磁场的长期变化一直是从地球表面向下指向地核与地幔的分界面。实际上，通过对从地核与地幔之间分界面到地球表面描述磁场的数学函数分析[10]表明：北磁极在一定程度上与其下方地核与地幔分界面产生的动力过程无关，20世纪90年代，在新西伯利亚群岛下方，距离新西伯利亚群岛2 000 km的地核与地幔分界面在正确的时间和正确的地点经历了长期变化的整个动力过程。

观测到的在地核与地幔分界面之间产生的地磁场长期变化通常用产生地核表面流动的反问题解释，即假设磁扩散从10年到长期的时间尺度上是可以忽略不计的，被称之为冷冻通量假说[11]。但是，由于新西伯利亚群岛下方地磁长期变化的几何尺寸似乎与冷冻通量假说存在矛盾，所以假设地核流动就可以引起北磁极的加速漂移被证明存在着问题。根据卫星观测数据得到全球地核磁场模型指出，在20世纪90年代该地区的磁流量从地核里（图1c和1d）通过必要的扩散过程[12]流出。

地核过程对北磁极加速作用的进一步研究是最近对地球发电机过程的三维数值模拟。根据最近的一些模型[13]，在内核边界由密度较低的流体形成地柱以后，沿着与内核相切的柱面上升，内核的中心轴就是地球自转轴。由于地球的快速自转使得地柱经历了强烈的螺旋式上升，在实验室用水做的实验也获得了相似的过程[14]。在地核中，螺旋上升的地柱以平流和扭转流的方式传递着磁场线，形成了科学家所说的极磁涌。极磁涌向上运动到达地核与地幔的分界面，导致磁场线进入地幔并形成了一对磁通量集中区域，可以探测到在地核表面有两个很强的径向场，就像两块补丁一样，每个都有相反的通量。数值模拟标度率建议磁通驱逐可能仅仅发生在几十年内。

由发电机过程模拟得到的地核与地幔的分界面中的径向磁场分布图样与在新西伯利亚群岛下方观测到的结果有着惊人的相似。在北磁极加速始发点，磁通驱逐是否由磁极涌引起依然是假说[10]，假说的有效性将会被更详细的模型和数值模拟所评说。有趣的是，还有一种假说认为在北磁极下方存在着另外一个磁地柱[15]，在那里，一些磁通量从地核里流出，但按照数学函数解释的地核与地幔的分界面到地球表面场的关系，这样的地柱对产生北磁极漂移不起任何作用，考虑到几何尺度的原因，只有在新西伯利亚群岛下方的地柱才会对北磁极漂移起作用。

4 在地核表面的磁通驱逐

仅仅在10年前，用磁通驱逐解释北磁极加速漂移可能不容易被接受。当时，人们普遍认为冷冻通量假说对解释以10年为周期和长期的磁场变化有效，还认为磁扩散只对磁场较长时间尺度的变化有明显的贡献。数值模拟[16]和最近依靠卫星观测结果[17]表明该假说在地核表面一些区域明显不适用，所以在这些区域，从主磁场和磁场长期变化的观测推测出地核的流动是值得怀疑的。

其中一个这样的地区位于南大西洋下方，至少有两个与周围反向的磁通量补丁，这些区域由于具有大面积反常的低场强被称之为“南大西洋异常”。随着场强的减小，反常的区域变大，似乎说明磁通量的规则增加必须通过这两个在地核表面的补丁流出[18]。由于在1980年以前缺少高精度的卫星数据模型，对这种反常的长期表现缺少研究。

在地核表面的磁通驱逐，无论是在“南大西洋异常”，还是在与内地核相切的地柱内，都可以看成太阳黑斑在地球上的类似物。将来的卫星观测和更成熟的数值模拟会更好地描述这种现象，也会进一步理解这种现象与地球深部发电机过程的关系。

[1]Ross J.Narrative of a Second Voyage in Search of a North- West Passage，and of a Residence in the Arctic Regions，During the Years 1829，1830，1831，1832，1833：Including the Reports of Commander，Now Captain，James Clark Ross，R.N.，F.R.S.，F.L.S.，etc.，and the Discovery of the Northern Magnetic Pole，A. W. Webster，London，1835

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