為什麼指南針和GPS在地球極地無法運行正常？

2020-09-05 新浪探索

　　新浪科技訊 北京時間8月26日消息，據國外媒體報導，你知道嗎~指南針和GPS系統在地球極地都無法正常運行，指南針可能告訴你所在位置，但不能引導你方向。

　　全球定位系統（GPS）的發明使人類生活變得更加簡單，這是現代導航方式，你所需要做的就是將位置輸入GPS系統，該系統就會引導你方向，人們基本上不會迷路。

　　然而，世界並不總是這麼簡單，全球定位系統是一項新技術，因此在它出現之前，指南針是值得依賴的，是真實的「導航顧問」。指南針是從公元1年開始使用，當時它是由中國漢朝首次製造的，事實上，第二次世界大戰時期，指南針和地圖曾以大富翁圖板遊戲方式走私給德國關押的戰俘。

　　然而，GPS和指南針等導航技術並非沒有故障，而是在地球不同地區以不同方式運行。在某些地區，它們甚至可能完全停止運行或者運行不準確！

　　地球極地之謎

　　地球有兩種類型極地——地極和磁極，從地理位置上，地球存在南極和北極，分別是地球的最南端和最北端，即旋轉軸和地表的交匯處，每顆行星都有地理極地。

　　然而，像地球的一些天體也存在磁場，地球磁場是由地球存在鐵芯所致，其內核是固體，而外核是熔融狀態，外核和熔鐵移動產生持續的對流將形成磁場。

　　磁場從地球表面向外延伸，而地球內部表現得像一個巨大的磁鐵，因此地球存在一個磁北極和一個磁南極，磁北極位於地理南極附近，磁南極位於地理北極附近，地極和磁極並不存在同一位置。

　　地理北極和磁南極相距大約500公裡，磁極不是固定的，而是不斷地改變位置，甚至地球磁場會隨著時間推移而衰減、逆轉和重新建立。

　　磁場強度變化和不斷移動會導致指南針和GPS系統發生故障，但在深入探查原因之前，讓我們先了解一下指南針和GPS系統是如何運行的。

　　指南針如何運行？

　　指南針是一種非常基本的導航裝置，但它卻極為重要，它的工作原理是磁北極吸引磁南極，如前所述，地球存在磁北極和磁南極，指南針是一種帶有磁針的小裝置。

　　當指南針與地面保持平行時，指針就會旋轉，磁針的北極指向就是磁南極方向，由於磁南極位於地理北極附近，因此指針所指的方向就是地理北極。同時，指針指向南方就是地理南極。

　　在極地使用指南針

　　地球存在磁場，其非常強大足以使指南針運行，然而，磁場是一個矢量，除了具有磁場強度外，還存在磁場方向。因此，人們如果攜帶指南針身處任何一個極地，指南針保持水平，而此時磁場方向就垂直於指南針指針，指針會指向任意方向。

　　GPS系統如何運行？

　　GPS全球定位系統是一種基於衛星的導航系統，就像古代水手們通過仰望星空來指引他們走正確的路一樣，現今的人造導航衛星就是起到這個作用。整體GPS系統是由地面站、衛星和接收器等組成，衛星不斷地向接收器發送信號，人們日常駕駛的車輛、使用的筆記本電腦、智慧型手機都配備GPS系統，接收器執行運算，並對目標進行定位。隨著人類部署越來越多的衛星，勘測精度將越來越高，地面站是用於操控人造衛星的。

　　全球定位系統是由美國擁有和運營的，其他國家也有自己運營的定位系統，例如：中國的「北鬥」衛星導航系統和俄羅斯「格洛納斯（GLONASS）」衛星導航系統。

　　在極地使用GPS

　　人們現已清楚為什麼指南針會在極地出現故障，然而GPS是否也會像指南針一樣在極地出現問題？人們可能會認為GPS並不依賴於地球磁場，而是依賴於人造衛星，所以它們可以正常工作。但是該觀點仍存在一定誤區。

　　全球定位系統的功能確實依賴於繞地球運行的衛星，但其功能僅限於提供精確位置，它可以告訴你在一個特定時間點你在哪裡，但它無法精準地引導你到達目的地。為了發揮方向性指引作用，GPS設備會安裝地圖軟體，例如：智慧型手機上的谷歌地圖，發揮指南針的方向指示作用。因此，GPS和指南針是同步工作的，GPS在兩極本身沒有故障，但由於指南針損壞，GPS設備將不再正確顯示方向。

　　同時，我們還需要明白全球定位系統並非永遠正常運行，它可能受惡劣天氣條件、障礙物（例如：使用者身處地下室）的影響，也可能受電離層效應產生誤差的影響。

　　電離層距離地面50千米至1000千米，它是由連續運動的帶電粒子構成，因此，衛星發送的GPS信號可能會在電離層中分散而出現延遲，這將產生信號誤差。由於電離層不是均勻的，因此很難有一個簡單的錯誤修正公式進行修改。

　　導航VS磁極

　　每當人們將指南針保持水平方向，其指針將指向磁南極，與地理北極保持最小距離。為了糾正這種異常現象，世界磁場模型（WMM）可代表地球微妙的磁場，GPS設備也可以在該模型的幫助下工作，這就是為什麼GPS能夠告訴人們正確的路徑。

　　然而，不斷變化的地球磁場要求每5年更新一次WMM模型，你可以將WMM模型與普通的地理地圖進行對比分析，如果大陸一直處於移動狀態，每次你都需要一張新地圖來確定正確位置，同樣，如果你使用的WMM模型過時，GPS跟蹤器可能會將你引導至錯誤位置。

　　最終結論

　　指南針可能聽起來像一個過時的設備，但是現在人們使用的GPS系統離不開指南針，兩者結合在一起工作，並通過世界磁場模型地圖上指出的位置幫助人們到達目的地。如果你到達地球任何一個極地，GPS系統仍可能跟蹤到你的足跡，但受功能故障的指南針影響，將無法幫助人們到達目的地。（葉傾城）

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