北极地区磁罗经适用能力

周红进， 兰国辉， 黄 谦， 李 伟

(海军大连舰艇学院 航海系, 辽宁 大连 116018)

随着北极暖化程度日益加剧，北极东北航道将成为一条沟通中欧贸易的战略航道。对此，我国和俄罗斯联合提出以东北航道为依托建设“冰上丝路”的战略构想。[1-3]

磁罗经是船舶上必备的一种指向设备。在北极航道航行的船舶都安装有磁罗经。由于北极地处北纬66.5°以上的高纬度区域，地磁场在该区域的分布较为复杂，导致磁罗经在该区域的指向能力的水平分量相比地球中低纬度地区显著减小。因此,普遍认为磁罗经在北极地区会失效。本文针对磁罗经如何在北极使用、在哪些区域使用和如何提高磁罗经的适用性能等问题，依据世界地磁模型(World Magnetic Model,WMM)2019，分析地磁场、地磁场水平分量和磁差等要素在北极的分布和变化趋势，研究不同区域磁罗经的指向能力，提出提高磁罗经适用能力的方法和措施。

1 WMM2019

WMM是由美国国家海洋与大气管理局的地球物理数据中心和英国地质测绘机构研制发布的，每5 a更新一次,用于计算全球任意一点在适用时间范围内任何时间的地磁场要素，包括地磁场强度、地磁场水平分量、地磁场垂直分量、磁倾角和磁偏角(磁差)。WMM不仅是美国国防部、英国国防部、北约和国际海道测量组织计算地磁要素所采用的标准模型，同时广泛应用于民用导航。[4-6]

新版WMM于2014年12月发布，由于地球外核特别是北极地区流体的快速流动，导致2014年版的NMM有超差问题,对此2019年年初重新发布了更新模型。[7]更新后的模型为

Bm(λ,φ′,r,t)=-▽V(λ,φ′,r,t)

(1)

式(1)中：Bm为地磁场强度，nT；λ、φ′、r和t分别为球心坐标系下的经度、纬度、径距和公元年份；V(λ,φ′,r,t)为磁势位。

(2)

(3)

式(3)中:Pn,m(μ)常用于测地学和地磁学中的相关计算，计算方法参照文献[8]。

2 极区地磁场水平分量

地磁场水平分量作用于磁罗经,使其能指向磁北，水平分量的大小决定磁罗经的指向能力。

根据WMM 2019可计算绘制北极的地磁场水平分量的变化曲线见图1,包含50°N以北地区的地磁场水平分量的变化曲线[7,9]。

图1 地磁场水平分量在极区的变化曲线

由图1可知：

1) 65°N～70°N区域：157.5°W～152.5°E，地磁场水平分量大于10 000 nT；120.0°W～157.5°W，地磁场水平分量处于6 000～10 000 nT；75.0°W～120.0°W，地磁场水平分量处于4 500～6 500 nT；30.0°W～75.0°W，地磁场水平分量处于6 000～12 000 nT；30.0°W～45.0°E，地磁场水平分量大于10 000 nT；45.0°E～152.5°E，地磁场水平分量处于6 000～12 000 nT。

2) 70°N～75°N区域：60.0°W～67.5°E，地磁场水平分量处于6 000～10 000 nT；67.5°E～137.5°E,除了北地群岛周围，其他区域地磁场水平分量处于6 000～8 000 nT；137.5°E～152.5°W，地磁场水平分量处于6 000～10 000 nT；152.5°W～60.0°W,除了波弗特海和巴芬湾，其他区域地磁场水平分量处于4 000～6 000 nT。

3) 75°N～80°N区域：30.0°W～37.5°E，地磁场水平分量处于6 000～9 000 nT；楚科奇海以北部分海域和新地岛西北部分海域，地磁场水平分量处于6 000～7 500 nT；除此之外，其他区域地磁场水平分量小于6 000 nT。

4) 80°N～85°N区域：斯瓦尔巴群岛至格陵兰岛的西北附近海域地磁场水平分量处于6 000～7 000 nT;其他海域地磁场水平分量处于1 000～5 000 nT。

5) 85°N～90°N区域：地磁场水平分量处于0～4 000 nT，大部分区域处于2 000～3 000 nT。

按照NOAA标准，水平磁场强度在3 000～6 000 nT的区域通常为磁罗经不可靠区域，水平磁场强度小于3 000 nT的区域为磁罗经不可用区域。[8]如果以6 000 nT为分界线，地磁场水平分量6 000 nT以上即为可靠使用区。基于这一标准，由以上分析可知：

(1) 65°N～70°N区域：75.0°W～120.0°W，地磁场水平分量处于4 500～6 500 nT，磁罗经不能可靠指向磁北，在北极其他绝大部分区域磁罗经可正常使用。

(2) 70°N～75°N区域：60.0°W～152.5°W,地磁场水平分量处于4 000～6 000 nT，磁罗经不能可靠指向磁北;在包括波弗特海和巴芬湾在内的北极其他区域,磁罗经可正常使用。

(3) 75°N～80°N区域：大西洋以北的格陵兰海、挪威海和白令海峡以北的楚科奇海北部海域和新地岛西北部分海域，地磁场水平分量处于6 000～9 000 nT，磁罗经可正常使用；在北极其他区域，磁罗经是不能可靠指向磁北的。

(4) 80°N～90°N区域：斯瓦尔巴群岛至格陵兰岛的西北附近海域，地磁场水平分量处于6 000～7 000 nT，磁罗经可正常使用；在其他区域,磁罗经是不可使用的。

以地磁场水平分量为衡量指标可看到,随着纬度升高，磁罗经的指向能力减弱。但是,在北极部分区域，尤其是在75°N以下的大部分区域，磁罗经可正常使用。即使是在80°N，也有小部分区域磁罗经可正常使用。从航海的角度来看:东北航道是可使用磁罗经指向的；西北航道由于大部位于加拿大北极群岛海域，其地磁场水平分量大都小于6 000 nT,因此西北航道的这一段航线是不适宜使用磁罗经指向的。

3 极区磁差

磁差是地理北与磁北之间的夹角。在地球上，磁差是一个随时间和位置变化的量。实际航海中一般使用真航向,真航向与磁航向通过磁差建立转换关系。磁差大小并不影响磁罗经的使用，但磁差随时间和位置的变化率会影响真航向与磁航向之间的转换。在中低纬度地区，磁差随时间和位置的变化缓慢，但在北极,磁差变化迅速，特别是磁差随位置的变化而迅速变化。根据WMM 2019可计算绘制北极磁差随位置变化曲线见图2,包括50°N以北地区的磁差随位置的变化曲线。

图2 北极磁差随位置变化曲线

由图2可知：

1) 磁差随纬度的升高而增大，在地理北极点与地磁北极点之间的海域，磁差甚至可达到100°；同时,随纬度的升高，磁差随经度改变的变化速率增大。

2) 磁差基本上以地磁北极点为中心，东西半球对称分布。东西半球各自分为两大区，其中:靠近太平洋方向的地区，磁差相对较小;靠近大西洋方向的地区，磁差相对较大。

3) 太平洋方向。白令海峡以北的波弗特海、楚科奇海、东西伯利亚海、新西伯利亚海和拉普捷夫海，磁差较小，大部分磁差在10°以下，最大约20°。

4) 大西洋方向。磁差大致按0°经线对称分布。以0°经线为基准，沿东西方向，磁差逐渐对称增大，且随纬度的升高而增大。

上述分析结果表明：太平洋方向，极区磁差较小，即东北航道东半部、西北航道西半部的磁差较小，易于真航向与磁航向之间的转换；大西洋方向，极区磁差较大，即东北航道西半部和西北航道东半部的磁差较大，且纬度升高，磁差随经度的改变而改变迅速，不易于真航向与磁航向之间的转换。通常而言，磁差随航行位置变化缓慢时，可手动完成真航向与磁航向之间的转换关系，但在85°N以上纬度区域时，应考虑根据WMM，由计算机根据航行位置和时间自动计算磁差，从而在真航向与磁航向之间转换。

4 试验结果

2017年7月20日—2017年10月10日，我国开展了第8次北极科考活动。“雪龙”号科考船记录了考察航线上的时间、位置、陀螺罗经和磁罗经的数据。“雪龙”号科考船极区考察航线数据记录点见图3。图3中:“+”绘制的点为剩余自差小于20°的航迹点;“*”绘制的点为剩余自差大于20°的航迹点;连续曲线为地磁场水平分量相等的点。极区不同位置记录的陀螺罗经和磁罗经航向、磁航向经过磁差补偿后的真航向及其与陀螺罗经航向的差值、相应位置地磁场水平分量见表1。“雪龙”号科考船磁罗经剩余自差与对应位置地磁场水平分量的关系曲线见图4。

图3 “雪龙”号科考船极区考察航线数据记录点

图4 “雪龙”号科考船磁罗经剩余自差与地磁水平分量关系曲线

由表1和图4可知：当地地磁场水平分量大于6 000 nT时，磁罗经剩余自差普遍小于10°，最小为-0.9°，最大为20.8°，平均剩余自差为4.4°；当地地磁场水平分量小于6 000 nT，磁罗经剩余自差普遍大于20°，最小为1.2°，最大为107°，平均剩余自差为-16.4°。同时,可发现剩余自差严重超差的有两个区域,如表1中斜线所示,其中:第一个区域是东北航道新地岛以北纬度大于80°的区域，最大剩余自差为107°，磁罗经完全失去指向功能；第二个区域是加拿大北极群岛，剩余自差最大为-73.8°。

5 结束语

磁罗经是现代航海所需的重要指向设备。在北极地区，磁罗经的性能面临严峻挑战。本文依据WMM 2019分析影响磁罗经指北能力的关键要素(即地磁场水平分量)在北极地区随纬度变化的情况，以及影响磁航向与真航向转换关系的磁差在北极地区随纬度变化情况，同时分析“雪龙”号科考船的磁罗经在北极的实际使用数据，可得到以下结论：

1) 磁罗经在北极地区的指向能力相比中低纬度地区确实下降，但并不是在北极所有海域都不能正常使用。

2) 地磁场水平分量是决定磁罗经指向能力的关键因素。在北极地区75°以下除加拿大北极群岛海域的大部分海区，地磁场水平分量均大于6 000 nT，磁罗经可正常使用；在北极地区75°以上80°以下海域，大西洋以北的格陵兰海、挪威海和白令海峡以北的楚科奇海北部海域和新地岛西北部分海域，地磁场水平分量处于6 000～9 000 nT，磁罗经可正常使用。总体来说，北极东北航道是可正常使用磁罗经航行的，西北航道使用磁罗经航行需特别注意选择合适的航线，避开不可靠区域。

3) 磁差是影响磁航向与真航向转换关系的重要因素，磁差大小不影响磁罗经的使用，但磁差的变化速率影响磁罗经的使用。在北极地区,随着纬度的升高，磁差随经度的变化速率增大。因此,可考虑使用地磁模型自动根据航行位置和时间计算磁差，并将磁航向转换为真航向，从而方便航海使用。

4) 在北极地区向北航行，纬度变化相对较快。由WMM 2019计算结果可知：纬度变化5°，地磁水平分量的变化显著。因此，为保证磁罗经正常使用，应考虑纬度每变化5°重新校正磁罗经剩余自差。

上述结论表明,磁罗经在北极地区并不是完全不可以使用。根据极区地磁场水平分量的分布变化情况选择合适的航线(比如东北航线)，采取一定的措施(如及时重新校正剩余自差)，磁罗经是能为极区航行的船舶指示航向的。