“零磁空间”的奥秘

  地球“天生”有磁场,地磁场是地球的固有资源。地磁场起源于地面以下3000~5000千米深处的地球外核导电磁流体,一直延伸到1000千米以上的高空,无时不在,无处不在,像一张无形的天网,将所有人物山水、蓝天白云囊括其中。在这张天网的最外层、约6~1000千米的高空有一层厚厚的电离层,好似一件比天还大得多的厚实的防辐射服,阻挡着宇宙高能粒子的入侵,保护着地球上的所有生灵免遭超强辐射的“涂炭”。
  地磁场可以用于导航,指南针和罗盘就是常用的地磁导航仪表。地磁场是全球场,像地理坐标系一样,可以定义地磁坐标系,包括地磁北极和南极、磁赤道、磁纬度等要素,这就为航空、航天、航海提供了除地理经纬度之外的第二套天然坐标系。地磁场是矢量场,任意一点的地磁场矢量既有大小也有方向,地磁矢量处处不同,且与该点的地理经纬度存在一一对应关系,理论上可以利用地磁场实现全球定位和导航。实际上,由于具备全天候、全覆盖无死角、能耗低等优势,地磁导航在航天军工等领域的确是重要的导航辅助手段。
  然而,地球上却有这么一处所在,偏偏脱离了这无缝天网,“自绝”(自我隔绝)于天网之外,这就是“零磁空间”,它谢绝地磁场入内,在它内部实现了只有外太空才有的零(极弱)磁场环境,仿佛一座人造天宫伫立在地表人间。“零磁空间”座落于美丽的北京国家地球观象台院内,是一座屏蔽了地磁场的大型装置,由我国科研人员历时八年(19811989)自行研制。


“零磁空间”工作原理示意图(图片来自网络)
  作为地球自身的基本物理场,以及地震前兆信号采集的常规项目,对地磁场的观测一直是许多地震(地磁)台站的常规手段,同时每年还要开展大规模的加密观测的流动地磁测量,在此基础上编制每五年更新一次的《中国地磁图》。大规模的观测需要大批量的仪器支持,对仪器的检测除了同类型仪器的比测之外,还需要一个能够提供零磁场和任意磁场环境的场所对仪器进行绝对精度的校准和标定,这就是当初立项研制“零磁空间”的初衷。

  “零磁空间”提供了只有外太空才有的接近于零磁场的实验环境,既可以开展弱磁(如地磁场)测量仪器(如地磁仪、卫星磁强计)的检测和标定实验,也有利于自身磁信号很弱、且要求实验环境磁噪声水平极低的实验研究的开展,比如岩石变形和破裂过程中伴生的电磁信号的观测与研究,心磁、脑磁等人体磁场和医学实验,无磁育种、动植物繁殖和培育等生物磁学对比实验等。
  “零磁空间”还是一个适合开展岩石电磁实验的理想场所。对大的地震来临之前出现的各种电磁异常现象已有大量的记录和报道,但背后的物理机理和过程仍然存在很多争论。通过在实验室内对岩石样品加载压力,同时监测伴随岩石变形和破裂过程出现的电磁信号,可以实现对地震电磁前兆现象的小尺度物理模拟实验。但是由于电力电子设备使用的日益普及,人为造成的电磁干扰日益严重,我们准备测量的岩石电磁异常信号往往比来自周围环境的电磁噪声还要弱,因此非常需要一个像“零磁空间”一样“安静”的无(弱)电磁噪声的实验环境。

实验室内景,从观测室看“零磁空间
实验室外景
  “零磁空间”系中国地震局地球物理研究所联合原冶金工业部钢铁研究总院科研人员共同研制,自建成至今已26年,期间开展了大量磁力仪检测标定、人体和生物磁学实验、以及岩石电磁实验,并吸引和接待了数千名中外人员的参观访问。 “零磁空间”实验室运维工作出色,测试环境优越,至今运行良好,实验繁忙依旧。