地磁導航與生物啟迪
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地磁導航與生物啟迪
Geomagnetic Navigation and Lessons from Organisms
撰文丨杜愛民 潘永信
單位：中國科學院地質與地球物理研究所
地磁場形成於 40 億年前，它就像一個巨型「傘」保護著地球的生命免受宇宙射線、太陽粒子的侵襲。
（圖片來自網路）
同時，地磁場也給人類和一些生物「指引」著旅行航向。早在公元 300~400年(晉代)，中國已製造出航海羅盤。隨著航海事業的發展，在中國和歐洲，指南針成為了最為廣泛應用的定向工具，成就了一次次人類航海史上的壯舉，並極大地推進了社會文明，如我國明代航海家鄭和七下西洋、義大利人哥倫布發現美洲新大陸、葡萄牙人達·伽馬的首次遠航印度，以及葡萄牙人麥哲倫首次完成了環球航行。
鄭和下西洋
在高度現代化的今天，人們對全球精確定位的依賴和需求進一步提高，如各種飛行器、汽車和潛水器的精確制導、定位等。美國的全球定位系統(GPS)已覆蓋全球 98%地區，定位精度可達 1 m。人們能否利用地球表面和近地空間「無時不在、無處不在」的地磁場實現精確導航？特別是在沒有 GPS 覆蓋的地區，或者在 GPS 無法使用的情況下，能否做到地磁導航顯然非常重要，但是想要實現卻極其困難。
目前小衛星的定軌主要利用地磁場模型來實現。然而，目前地磁導航的精度還遠遠不能和 GPS 相提並論，還幾乎無法滿足精確導航和定位的需求。
簡單地說，現代地磁導航系統由三部分構成： 地磁基準圖，由地磁場模型和地磁時變消除系統組成； 地磁場實時探測系統，由磁力儀和地磁場補償系統組成； 地磁場匹配系統，由導航匹配演算法和路線規劃系統等組成。
近地表地磁導航的發展受著各種因素的制約。第一大制約因素是地磁場模型。地磁場主要由四部分組成：起源於地核磁流體發電機過程的主磁場、起源於空間電流體系的外源變化磁場、外源場在導電的地球介質中的感應磁場、岩石圈介質的剩餘磁化強度產生的磁異常[1]。地磁場模型包括主磁場模型和地磁異常場模型。由於主磁場的源區位於地下 2900 km 深處的外地核，所以在地表面表現為大尺度的平緩磁場分布。描述主磁場的國際參考地磁場的球諧級數取 13 階，對應的最短空間波長為 3000 km，可以用來確定主磁場的主要特徵，給出導航大尺度的特徵[2]。對於小範圍的精確定位和定向來說，主磁場圖的空間解析度明顯太粗。近來，地磁場模型發展很快，地磁場綜合模型(NGDC-EMM7.0 Model)球諧級數可以展到 720 階。這個模型包含了岩石圈磁異常，綜合了衛星、航測和地面地磁觀測數據，能夠分辨的空間尺度約為 100 km。如果要實現精確導航，我們必須獲得更高階的地磁場模型 (更高解析度的地磁圖)，這取決於磁測數據質量和地磁場建模方法。地磁場測量包括人工測量、航空/航海測量和衛星測量。人工測量耗時大，無法實現全球高密度測量。由於地磁測量儀器屬於精密儀器，容易受到平台的震動和鐵磁性材料的干擾，目前航空/航海測量的地磁場矢量的精度還不能滿足地磁導航的需要。衛星可以有很好的測量平台，測量精度可以達到 0.1 nT，但在衛星的高度上很多小尺度的磁異常已衰減掉，所以基於衛星磁測數據建立的地表地磁場模型的空間解析度受到很大約束。
第二大制約因素是地磁場實時測量干擾的抑制和消除問題。在飛機、艦船和導彈等運動載體上安裝磁力儀實時測量它們所在位置的磁場信息，用來與地磁場模型對比，獲得它們的位置信息。在實際測量中的干擾包括： 載體的本身磁場擾動如飛機機身、內部器件、發動機、電路等多方面影響；這方面的干擾可以通過地磁補償方法去除部分影響； 來自空間的磁場擾動，即變化磁場的影響。變化磁場起源於空間電流體系，受控於太陽風-磁層-電離層的相互作用。空間電流體系主要有：Sq 電流、磁層頂電流、中性片電流、環電流、極光電集流和場向電流。正是這些磁層-電離層電流體系，共同產生了我們在地面和高空記錄到的變化地磁場。這些電流體系的結構和強度隨著太陽風和磁層的活動狀態而變化，形成複雜多變的變化磁場形態。而這些變化磁場會疊加在用於導航的磁力儀的觀測上，從而影響導航的精度。這些變化磁場可能通過建模途徑來描述這些電流及其地磁效應，從而消除掉[3]。
簡而言之，目前制約地磁導航的問題可以歸結為：地磁場的精準測量和高解析度地磁場模型建模。
（Wiltschko, W. et al,2005）
生物能給我們很多的啟迪。許多生物能夠實現上千千米精準定向的遷徙。1968 年 Wiltschko 等研究歐亞鴿時首次提出了鳥類體內磁羅盤的概念，行為實驗很快就證實了鴿子能利用磁定向。
最近，研究人員發現蝙蝠、洄遊性海龜、龍蝦、微生物(趨磁細菌)等能感知並利用地磁場定嚮導航。
（圖片源於網路）
動物是怎樣「測量」地磁場的？目前人們研究最多的是信鴿。一種可能機制是信鴿利用上喙皮膚三叉神經細胞的樹突中沿一定軸向排列的磁鐵礦顆粒將磁信號傳遞到神經系統[4]。另一種可能機制是通過光受體細胞內的自由基反應(如自由基產物的速度和產量)將磁場信息傳遞到神經系統。Mora 等發現，在條件選擇實驗中信鴿能夠區分異常磁場的有無，但是在信鴿喙部粘貼磁鐵塊或者對上喙區進行部分麻醉或者在三叉神經的眼分支被雙側切除的情況下，信鴿喪失了這種區分磁場的能力[5]。證明信鴿的磁感應在上喙部區域，而且可能以磁鐵礦顆粒為磁受體。隨著透射電子顯微鏡技術的應用，人們在信鴿上喙皮膚三叉神經細胞的樹突中發現了沿一定軸向排列的磁鐵礦顆粒，為基於磁鐵礦的磁受體假說提供了直接證據。
瞬間強脈衝磁場條件實驗也支持這種假說[6]。
實驗研究發現，在白光、藍光和綠光照射下鳥類能夠準確定向；但是在紅光下鳥類失去了定向能力，說明鳥類只能在一定波長範圍的光下才能準確地定向[7]。最新研究認為可能是某種感光色素參與了反應。葉綠素和核黃素分子可以利用光能傳遞電子給周圍分子，從而產生自由基對，這些活躍的自由基對又可以引發進一步的反應從而形成生化信號。這種假說強調生物大分子介導光受體定向。但是，還不清楚生物如何把地磁場信息傳遞到神經系統的。微生物(趨磁細菌)是依靠一種稱為磁小體鏈來感知磁場的方向，能夠很快定位到水體或沉積物中最適宜的生態界面。這種細菌能在細胞合成 30~120nm 的磁鐵礦(Fe3O4) 或膠黃鐵礦(Fe3S4)顆粒，組成含有一條或多條鏈。
（Lin et al.2011）
上述生物依賴納米磁鐵礦顆粒方式以及依賴感光分子作為磁受體的磁感應機制對於研發仿生磁場測量和匹配提供了獨特的思路。未來的研究將聚焦於新的高精度磁場測量手段突破和高解析度地磁場模型的建立。
本文出自《10000個科學難題-地球科學篇》
參 考 文 獻
[1]徐文耀. 地球地磁現象物理學. 合肥: 中國科學技術大學出版社, 2008.
[2]徐文耀，國連傑．空間電磁環境研究在軍事上的運用．地球物理學進展，2007, 22(2)：
335?344．
[3]杜愛民，趙旭東，徐文耀. 地球磁場模型與變化磁場特徵. 西安：西安地圖出版社，2008.
[4]Fleissner G, Stahl B. A novel concept of Fe-mineral-based magnetoreception: histological and physicochemical data from the upper beak of homing pigeons. Naturwissenschaften, 2007, 94 (8):631.
[5]Mora C V, Davison M, Wild J M, et al. Magnetoreception and its trigeminal mediation in the homing pigeon. Nature, 2004, 432(7016):508.
[6]Wiltschko W, Munro U, Wiltschko R, et al. Magnetite-based magnetoreception in birds: the effect of a biasing field and a pulse on migratory behavior. J. Exp. Biol., 2002, 205(19):3031.
[7]Wiltschko W, Munro U, Ford H, et a1. Red light disrupts magnetic orientation of migratory birds．Nature，1993，364：525．
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美術編輯：趙亞楠
校 對：黃志偉
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