北極地區磁羅經適用能力

周紅進， 蘭國輝， 黃 謙， 李 偉

(海軍大連艦艇學院 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易的戰略航道。對此，我國和俄羅斯聯合提出以東北航道為依托建設“冰上絲路”的戰略構想。[1-3]

磁羅經是船舶上必備的一種指向設備。在北極航道航行的船舶都安裝有磁羅經。由于北極地處北緯66.5°以上的高緯度區域，地磁場在該區域的分布較為復雜，導致磁羅經在該區域的指向能力的水平分量相比地球中低緯度地區顯著減小。因此,普遍認為磁羅經在北極地區會失效。本文針對磁羅經如何在北極使用、在哪些區域使用和如何提高磁羅經的適用性能等問題，依據世界地磁模型(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，研究不同區域磁羅經的指向能力，提出提高磁羅經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據中心和英國地質測繪機構研制發布的，每5 a更新一次,用于計算全球任意一點在適用時間范圍內任何時間的地磁場要素，包括地磁場強度、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算地磁要素所采用的標準模型，同時廣泛應用于民用導航。[4-6]

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

Bm(λ,φ′,r,t)=-▽V(λ,φ′,r,t)

(1)

式(1)中：Bm為地磁場強度，nT；λ、φ′、r和t分別為球心坐標系下的經度、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)常用于測地學和地磁學中的相關計算，計算方法參照文獻[8]。

2 極區地磁場水平分量

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

根據WMM 2019可計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的變化曲線

由圖1可知：

1) 65°N～70°N區域：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，其他區域地磁場水平分量處于4 000～6 000 nT。

3) 75°N～80°N區域：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，其他區域地磁場水平分量小于6 000 nT。

4) 80°N～85°N區域：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區域：地磁場水平分量處于0～4 000 nT，大部分區域處于2 000～3 000 nT。

按照NOAA標準，水平磁場強度在3 000～6 000 nT的區域通常為磁羅經不可靠區域，水平磁場強度小于3 000 nT的區域為磁羅經不可用區域。[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。基于這一標準，由以上分析可知：

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

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

(3) 75°N～80°N區域：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，磁羅經可正常使用；在北極其他區域，磁羅經是不能可靠指向磁北的。

(4) 80°N～90°N區域：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，磁羅經可正常使用；在其他區域,磁羅經是不可使用的。

以地磁場水平分量為衡量指標可看到,隨著緯度升高，磁羅經的指向能力減弱。但是,在北極部分區域，尤其是在75°N以下的大部分區域，磁羅經可正常使用。即使是在80°N，也有小部分區域磁羅經可正常使用。從航海的角度來看:東北航道是可使用磁羅經指向的；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指向的。

3 極區磁差

磁差是地理北與磁北之間的夾角。在地球上，磁差是一個隨時間和位置變化的量。實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換關系。磁差大小并不影響磁羅經的使用，但磁差隨時間和位置的變化率會影響真航向與磁航向之間的轉換。在中低緯度地區，磁差隨時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WMM 2019可計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，在地理北極點與地磁北極點之間的海域，磁差甚至可達到100°；同時,隨緯度的升高，磁差隨經度改變的變化速率增大。

2) 磁差基本上以地磁北極點為中心，東西半球對稱分布。東西半球各自分為兩大區，其中:靠近太平洋方向的地區，磁差相對較小;靠近大西洋方向的地區，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°經線對稱分布。以0°經線為基準，沿東西方向，磁差逐漸對稱增大，且隨緯度的升高而增大。

上述分析結果表明：太平洋方向，極區磁差較小，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換；大西洋方向，極區磁差較大，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，磁差隨經度的改變而改變迅速，不易于真航向與磁航向之間的轉換。通常而言，磁差隨航行位置變化緩慢時，可手動完成真航向與磁航向之間的轉換關系，但在85°N以上緯度區域時，應考慮根據WMM，由計算機根據航行位置和時間自動計算磁差，從而在真航向與磁航向之間轉換。

4 試驗結果

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。“雪龍”號科考船記錄了考察航線上的時間、位置、陀螺羅經和磁羅經的數據。“雪龍”號科考船極區考察航線數據記錄點見圖3。圖3中:“+”繪制的點為剩余自差小于20°的航跡點;“*”繪制的點為剩余自差大于20°的航跡點;連續曲線為地磁場水平分量相等的點。極區不同位置記錄的陀螺羅經和磁羅經航向、磁航向經過磁差補償后的真航向及其與陀螺羅經航向的差值、相應位置地磁場水平分量見表1。“雪龍”號科考船磁羅經剩余自差與對應位置地磁場水平分量的關系曲線見圖4。

圖3 “雪龍”號科考船極區考察航線數據記錄點

圖4 “雪龍”號科考船磁羅經剩余自差與地磁水平分量關系曲線

由表1和圖4可知：當地地磁場水平分量大于6 000 nT時，磁羅經剩余自差普遍小于10°，最小為-0.9°，最大為20.8°，平均剩余自差為4.4°；當地地磁場水平分量小于6 000 nT，磁羅經剩余自差普遍大于20°，最小為1.2°，最大為107°，平均剩余自差為-16.4°。同時,可發現剩余自差嚴重超差的有兩個區域,如表1中斜線所示,其中:第一個區域是東北航道新地島以北緯度大于80°的區域，最大剩余自差為107°，磁羅經完全失去指向功能；第二個區域是加拿大北極群島，剩余自差最大為-73.8°。

5 結束語

磁羅經是現代航海所需的重要指向設備。在北極地區，磁羅經的性能面臨嚴峻挑戰。本文依據WMM 2019分析影響磁羅經指北能力的關鍵要素(即地磁場水平分量)在北極地區隨緯度變化的情況，以及影響磁航向與真航向轉換關系的磁差在北極地區隨緯度變化情況，同時分析“雪龍”號科考船的磁羅經在北極的實際使用數據，可得到以下結論：

1) 磁羅經在北極地區的指向能力相比中低緯度地區確實下降，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指向能力的關鍵因素。在北極地區75°以下除加拿大北極群島海域的大部分海區，地磁場水平分量均大于6 000 nT，磁羅經可正常使用；在北極地區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，磁羅經可正常使用。總體來說，北極東北航道是可正常使用磁羅經航行的，西北航道使用磁羅經航行需特別注意選擇合適的航線，避開不可靠區域。

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

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

上述結論表明,磁羅經在北極地區并不是完全不可以使用。根據極區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(如及時重新校正剩余自差)，磁羅經是能為極區航行的船舶指示航向的。