為什么指南針和 GPS 在地球極地?zé)o法運行正常？

北京時間 8 月 26 日消息，據(jù)國外媒體報道，你知道嗎~ 指南針和 GPS 系統(tǒng)在地球極地都無法正常運行，GPS可能告訴你所在位置，但不能引導(dǎo)你方向。

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

然而，世界并不總是這么簡單，全球定位系統(tǒng)是一項新技術(shù)，因此在它出現(xiàn)之前，指南針是值得依賴的，是真實的 “導(dǎo)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制造的，事實上，第二次世界大戰(zhàn)時期，指南針和地圖曾以大富翁圖板游戲方式走私給德國關(guān)押的戰(zhàn)俘。

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

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(zhuǎn)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(nèi)核是固體，而外核是熔融狀態(tài)，外核和熔鐵移動產(chǎn)生持續(xù)的對流將形成磁場。

磁場從地球表面向外延伸，而地球內(nèi)部表現(xiàn)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，磁北極位于地理南極附近，磁南極位于地理北極附近，地極和磁極并不存在同一位置。

地理北極和磁南極相距大約 500 公里，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(zhuǎn)和重新建立。

磁場強度變化和不斷移動會導(dǎo)致指南針和 GPS 系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)是如何運行的。

指南針是一種非?；镜膶?dǎo)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(zhuǎn)，磁針的北極指向就是磁南極方向，由于磁南極位于地理北極附近，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。

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?nèi)绻麛y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于指南針指針，指針會指向任意方向。

GPS 全球定位系統(tǒng)是一種基于衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)，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(xiàn)今的人造導(dǎo)航衛(wèi)星就是起到這個作用。整體 GPS 系統(tǒng)是由地面站、衛(wèi)星和接收器等組成，衛(wèi)星不斷地向接收器發(fā)送信號，人們?nèi)粘ｑ{駛的車輛、使用的筆記本電腦、智能手機都配備 GPS 系統(tǒng)，接收器執(zhí)行運算，并對目標進行定位。隨著人類部署越來越多的衛(wèi)星，勘測精度將越來越高，地面站是用于操控人造衛(wèi)星的。

全球定位系統(tǒng)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(tǒng)，例如：中國的 “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和俄羅斯 “格洛納斯（GLONASS）”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

人們現(xiàn)已清楚為什么指南針會在極地出現(xiàn)故障，然而 GPS 是否也會像指南針一樣在極地出現(xiàn)問題？人們可能會認為 GPS 并不依賴于地球磁場，而是依賴于人造衛(wèi)星，所以它們可以正常工作。但是該觀點仍存在一定誤區(qū)。

全球定位系統(tǒng)的功能確實依賴于繞地球運行的衛(wèi)星，但其功能僅限于提供精確位置，它可以告訴你在一個特定時間點你在哪里，但它無法精準地引導(dǎo)你到達目的地。為了發(fā)揮方向性指引作用，GPS 設(shè)備會安裝地圖軟件，例如：智能手機上的谷歌地圖，發(fā)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，但由于指南針損壞，GPS 設(shè)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(tǒng)并非永遠正常運行，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(yīng)產(chǎn)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(xù)運動的帶電粒子構(gòu)成，因此，衛(wèi)星發(fā)送的 GPS 信號可能會在電離層中分散而出現(xiàn)延遲，這將產(chǎn)生信號誤差。由于電離層不是均勻的，因此很難有一個簡單的錯誤修正公式進行修改。

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(xiàn)象，世界磁場模型（WMM）可代表地球微妙的磁場，GPS 設(shè)備也可以在該模型的幫助下工作，這就是為什么 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，如果大陸一直處于移動狀態(tài)，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(dǎo)至錯誤位置。

指南針可能聽起來像一個過時的設(shè)備，但是現(xiàn)在人們使用的 GPS 系統(tǒng)離不開指南針，兩者結(jié)合在一起工作，并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(tǒng)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。