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

北磁極位于地磁場豎直向下的地球表面。雖然地核通過內部對流的地球發電機過程維持了地球的主磁場，但卻引起了北磁極隨時間的不斷漂移。北磁極的漂移速度從20世紀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注。

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

1 從野外調查到衛星觀測

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）：“我們在互相慶祝過程中，把英國國旗插在北磁極上，并以威廉斯四世的名義占領了該地區和附近領土”[1]。由于當時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）領導下，歷經5年探索西北通道的極地探險取得的標志性成果。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，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機驅使下，經過系統測量，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]進行的，這兩次數據是由一個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礦產勘察部門成功進行的國際合作得到的。由于北磁極從加拿大努納武特地區的一個研究基地的機場附近向西伯利亞漂移，飛行器從機場到海冰的飛行距離有限，所以北磁極附近磁場的測定越來越困難。

幸運的是，北磁極最近在北冰洋的漂移，正值攜帶著高精度磁力計的近地衛星發射（如奧斯特項目和德國地學研究中心項目），這些工作使得地球磁場模型的計算無論是在時間上還是在空間上都達到了前所未有的精度[4]。取得巨大成功的奧斯特項目和德國地學研究中心項目現在已經完成了使命（2010年9月19日結束），歐洲空間探測部門計劃將在2012年開始繼續在太空中測定地磁場[5]。

2 在20世紀90年代的突然加速漂移

來自衛星、磁場觀測和野外調查表明，北磁極在20世紀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]，這種現象得到野外觀測和全球地磁模型的證實（圖1a）。第一個從事北磁極定位的羅斯研究結果表明：在此前150多年的時間里，北磁極的漂移速度小于15 km/a。這種突然加速現象與南磁極的表現形成鮮明對比，自20世紀初以來，南磁極的漂移速度從來沒有超過15 km/a[7]。

圖1 （a）藍色有誤差條的階梯形線表示觀測到的北磁極漂移速度隨時間的變化，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（單位：mT），以上計算結果（圖1b－d）均出自于CM4模型。圖中地球表面的北磁極用紅點表示，最大的長期變化位置用紅色三角表示，與內核相切的圓柱和地核表面的相交部分用黑色實線圓表示。（原圖為彩圖）

借助于從加拿大努納武特地區的瑞澤路特海灣和以前格陵蘭Qaanaaq地區的極地冰帽天文臺獲得的磁場記錄，結合全球地磁模型，人們首次揭示了地球內部在20世紀90年代經歷了不尋常的大幅度變化（比如地球磁場長期變化），導致地磁場北向分量每年增長大于50 n T。進一步的分析表明：地磁場長期變化加劇對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域總磁場梯度變化[10]。也就是說，北磁極漂移加速主要是由于地核內部磁場的變化引起北極附近的地球表面突然變化產生的。

必須注意到北磁極位置對地球發電機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（地球北地磁極位于格陵蘭的北部，南地磁極與之對跖）的偶極子軸與地球表面的交點。地磁極明顯不同于磁極是因為地核場不是精確的偶極子。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是一個穩定的點。

3 核地柱假說

為什么科學家和全社會都關注北磁極加速漂移？答案是因為它能揭示地核內部的奧秘，而地核內部的物理過程只能通過非直接方式獲得。研究表明20世紀90年代在北極區域觀測到的大幅度磁場長期變化是由位于新西伯利亞群島下相對較小的地核表面（直徑大約1 000 km）經歷了類似的磁場長期變化產生的（圖1b）。從圖中可以看出，如果假設地幔的導電性忽略不計，就可以解釋為什么觀測到的主磁場和磁場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。實際上，通過對從地核與地幔之間分界面到地球表面描述磁場的數學函數分析[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生的動力過程無關，20世紀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間和正確的地點經歷了長期變化的整個動力過程。

觀測到的在地核與地幔分界面之間產生的地磁場長期變化通常用產生地核表面流動的反問題解釋，即假設磁擴散從10年到長期的時間尺度上是可以忽略不計的，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，所以假設地核流動就可以引起北磁極的加速漂移被證明存在著問題。根據衛星觀測數據得到全球地核磁場模型指出，在20世紀90年代該地區的磁流量從地核里（圖1c和1d）通過必要的擴散過程[12]流出。

地核過程對北磁極加速作用的進一步研究是最近對地球發電機過程的三維數值模擬。根據最近的一些模型[13]，在內核邊界由密度較低的流體形成地柱以后，沿著與內核相切的柱面上升，內核的中心軸就是地球自轉軸。由于地球的快速自轉使得地柱經歷了強烈的螺旋式上升，在實驗室用水做的實驗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流的方式傳遞著磁場線，形成了科學家所說的極磁涌。極磁涌向上運動到達地核與地幔的分界面，導致磁場線進入地幔并形成了一對磁通量集中區域，可以探測到在地核表面有兩個很強的徑向場，就像兩塊補丁一樣，每個都有相反的通量。數值模擬標度率建議磁通驅逐可能僅僅發生在幾十年內。

由發電機過程模擬得到的地核與地幔的分界面中的徑向磁場分布圖樣與在新西伯利亞群島下方觀測到的結果有著驚人的相似。在北磁極加速始發點，磁通驅逐是否由磁極涌引起依然是假說[10]，假說的有效性將會被更詳細的模型和數值模擬所評說。有趣的是，還有一種假說認為在北磁極下方存在著另外一個磁地柱[15]，在那里，一些磁通量從地核里流出，但按照數學函數解釋的地核與地幔的分界面到地球表面場的關系，這樣的地柱對產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對北磁極漂移起作用。

4 在地核表面的磁通驅逐

僅僅在10年前，用磁通驅逐解釋北磁極加速漂移可能不容易被接受。當時，人們普遍認為冷凍通量假說對解釋以10年為周期和長期的磁場變化有效，還認為磁擴散只對磁場較長時間尺度的變化有明顯的貢獻。數值模擬[16]和最近依靠衛星觀測結果[17]表明該假說在地核表面一些區域明顯不適用，所以在這些區域，從主磁場和磁場長期變化的觀測推測出地核的流動是值得懷疑的。

其中一個這樣的地區位于南大西洋下方，至少有兩個與周圍反向的磁通量補丁，這些區域由于具有大面積反常的低場強被稱之為“南大西洋異常”。隨著場強的減小，反常的區域變大，似乎說明磁通量的規則增加必須通過這兩個在地核表面的補丁流出[18]。由于在1980年以前缺少高精度的衛星數據模型，對這種反常的長期表現缺少研究。

在地核表面的磁通驅逐，無論是在“南大西洋異常”，還是在與內地核相切的地柱內，都可以看成太陽黑斑在地球上的類似物。將來的衛星觀測和更成熟的數值模擬會更好地描述這種現象，也會進一步理解這種現象與地球深部發電機過程的關系。

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