什么是地磁场？地磁场成因假说及模型简介
一、概述
地球磁场形成于34.5亿年前。地球磁场形成的时间，与地球上最初生命的形成时间相符，地球磁场的形成有效避免地球上最初生命形态遭受太阳磁辐射破坏（JohnTarduno，2010，Science）。南非的绿岩带内的石英晶体中含纳米级大小磁铁矿。石英起到‘太空舱’的作用，它没有受到后来事件的影响。形成于32亿年前的岩石具有的磁场强度为现今地球磁场强度的一半。在以上具有34.5亿年历史的岩石中检测到了磁场信号，这个磁场的强度处于现今地球磁场强度的50%到70%之间。
对加拿大矿物晶体内部的磁性矿物研究表明，大约在5.65亿年前，地球磁场是有史以来最弱的，只有现在强度的十分之一，并且处于崩溃的边缘。这颗行星坚实的内核只有5.65亿年的历史(JohnTarduno，2011)。
当前人类行军、航海利用地磁场对指南针的作用来定向和定位。人们还可以根据地磁场在地面上分布的特征寻找矿藏。地磁场的变化能影响无线电波的传播。当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通讯将受到严重影响，甚至中断。假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流(通常叫太阳风)，就不会受到地磁场的作用发生偏转，而是直射地球。在这种高能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在。所以地磁场这顶"保护伞"对人类的生存至关重要。
二、地球磁场
地球磁场（theearthmagneticfield）是地球周围空间分布的磁场。它的磁南极大致指向地理北极附近，磁北极大致指向地理南极附近。磁力线分布特点是赤道附近磁场的方向是水平的，两极附近则与地表垂直。赤道处磁场最弱，两极最强。地球表面的磁场受到各种因素的影响而随时间发生变化。
地磁场的来源主要包括主磁场、地壳场、外部变化磁场等。主磁场是由地核运动形成的磁场，对地球磁场的贡献在95%以上。地壳场是其各种岩石磁性贡献的磁场，大约占4%。而其他类型的磁场源，如来自太阳和外太空的辐射，大约贡献了1%，可统称为外源场。
地球磁场是一个磁偶极场（也有南、北两极）。但是地磁南、北极与地理的南、北极并不重合，而且每年都在移动，有时候会漂移到中纬度地区，甚至南、北极也会发生倒转（即现在的地磁北极变成地磁南极，而地磁南极变成地磁北极）。这种变化往往是准周期的，时间并不确定。
地球磁场示意图（据互联网资料）
地球磁场及其磁力线示意图（据互联网资料）
磁偏角
磁偏角是指地球表面任一点的磁子午圈同地理子午圈的夹角。1702年，英国埃德蒙多·哈雷发表了第一幅大西洋磁偏角等值线图。根据规定，磁针指北极N向东偏则磁偏角为正，向西偏则磁偏角为负。磁偏角是指磁针静止时，所指的北方与真正北方的夹角。我国北宋学者沈括在《梦溪笔谈》中记载并验证了磁针“常微偏东，不全南也”的磁偏角现象，记载了地磁的南北极与地理的南北极并不完全重合，存在磁偏角，比西欧记录早400年。
现代地磁极的漂移
观测表明，地磁北极的位置正在由加拿大向西伯利亚方向快速移动，已经掠过北极点附近，进入了东半球（图）。地磁极的快速移动迫使科学家提前发布了新一代的地磁场参考模型，以消除实际应用中的磁极误差，减少相关损失。
在本次地磁极加速漂移之前，地磁北极已经由西半球向东半球移动一百多年，只是比较缓慢而已。1900年地磁极还位于加拿大境内（北纬70°线上）。之后一直到1990年后，地磁北极从加拿大境内持续向西北方向移动，漂移速度大约为每年15公里。在上世纪90年代以后，突然加速向北半球飘去，2015年后达到地理北极点附近，2019年正式进入东半球，速度大约为每年55公里，预计最终达到俄罗斯的西伯利亚地区。另外，因为地球的磁场强度一直在下降（与150年前相比，现在地球的磁场强度已经降低了10%左右）。
一个世纪以来地球磁北极位置偏移轨迹图（世界地磁数据中心，2019）
三、地磁场的成因
地球磁场的成因存在诸多假说，其中，主流的理论模型，是所谓的“发电机理论”，这也被认为是大部分天体，比如太阳、恒星和太阳系内其他有磁场的行星的磁场的起源的主要机制。即地磁场的形成与地幔和外核之间的差异性旋转相关，外核（液体部分）导电物质的对流使得地球产生了微弱的地磁场，一般解释为“自激发发电机机制”。
地球磁场产生的模式图（据互联网资料）
“发电机机制”的主要原理是基于地球的内部结构，也就是地球的核心（称为“地核”）里面有高温的导电流体，地核的冷却主要是靠地幔的对流，这样就产生了运动的导电流体。假如地球内部一开始有微弱的“种子”磁场（比如局部的微弱电流就可以产生局部的微弱磁场），导电的流体随着地球的转动就会和“种子”磁场作用，类似于通电的线圈在永久磁铁中的相对运动，根据法拉第电磁感应定律将会产生感应电流，如上图的螺旋所示，这个过程类似于发电机，所以称为发电机机制。而电流环又如上图所示会产生磁场（电磁铁的磁场就是这么产生的），最终就形成了地球的偶极磁场结构。由于这个过程需要局部微弱电流产生的“种子”磁场，所以这个机制也被称为“自激发发电机机制”。
地幔和地核的传导流体，由地球内部更深处热对流驱动而产生（并再生），而现有磁场则产生电动势（electromotiveforce，EMF）。这个过程非常类似于发电机产生电压的方式。然后，电压驱动导电流体中的感应电流，感应电流再产生磁场。这种反馈机制，有助于维持磁场，将地球热能连续转换为磁场能。
四、地球磁场对生命的保护
地磁场可以阻止强劲的太阳风暴进入大气层，抵抗太阳风暴对地球生命的伤害，使地球成为适宜环境。偶尔出现的太阳风暴或许仍旧能穿过大气层，从地球大气层中剥离水和挥发性化合物。如果地球上的生命没有磁场保护，将会面临来自太阳辐射以及宇宙射线的危害，很难延续。火星也至少在40亿年前拥有了磁场，但这个红色星球莫名其妙地失去了其稠密的大气层，并且变成一个贫瘠的世界。而地球却发展成生命的“温床”。有了磁场，生命才能幸存下来。有无磁场，这也是鉴别外星有无外星生命存活的基本标准之一。
太阳风是从太阳日冕层向星际空间抛射出的高温高速低密度粒子流，主要成分是电离氢和电离氦。太阳风是一种等离子体，所以它有磁场，太阳风磁场对地球磁场作用，使地球磁场形态（磁力线）发生变化。地球磁场有效地阻止了太阳风长驱直入，太阳风绕过地球磁场，继续向前运动，形成被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域（磁层）。
地球环绕太阳转动过程中，会穿过太阳风。太阳风与地球磁场相遇处会形成激波，被称为弓形激波，弓形激波将太阳风能量转化为热能，存储在电子和离子中，地球磁场保护地球生命免遭有害粒子与辐射的危害（《物理评论快报》，2018）。由于磁场强度变大，地球才开始逐渐拥有生命的迹象，暗示两者之间的联系。
当太阳风到达地球附近时，与地球的偶极磁场发生作用，并把地球磁场的磁力线吹得向后弯曲，但是地磁场的磁压阻滞了等离子体流的运动，使太阳风不能侵入地球大气而绕过地磁场继续向前运动，于是形成一个空腔，地磁场就被包含在这个空腔里，此时的地磁场外形就像不对称的椭球状。
当太阳风来到地球的7万公里之外的时候，就会遇到地球磁场的磁力线，这个范围一直从7万公里延伸到距离地球表面700公里高处，太阳风站向地球行进的过程中，在这一范围内会被地球磁力线控制，并顺着磁力线移动，于是这些氢离子风就开始偏离吹向地球的方向，或者随着磁场的引力线垂直砸向地球的南北极。在地球两极及其附近地区看到的极光现象，实际上就是太阳风被地球磁力线捕捉到地球上来时的情景。
地球磁场磁力线虚拟图（NASA，2011）
如上可视化立体图，显示了简单的地球磁场模型。磁场在很大程度上是地球的安全屏障，使其免受来自太阳辐射的有害带电粒子侵害。地球磁场被太阳粒子和辐射压力，伸展到远离太阳的地方。
该可视化模型（visualization）中使用的磁场线数据来自简化的静态模型。随着地球自转并经受太阳气压（solarpressures），更复杂的模型会随着时间使磁场变形。地球日夜交替线 与太阳对齐时，会导致其磁场线相对齐。
极光
极光（Aurora），极光是来自地球磁层或太阳高能带电粒子流（太阳风）使高层大气分子或原子激发（或电离）而产生，是一种绚丽多彩的等离子体现象。太阳风进入地球磁场，在地球南、北两极附近地区高空，与高层大气（热层）中的原子碰撞造成发光现象。太阳系内的其他一些具有磁场的行星上也有极光现象出现。
极光与太阳风相互作用的示意图（据互联网资料）
极光绚丽多彩的景象（绿色和粉色）（欧空局，2019年8月23日）
宇航员AlexanderGerst在空间站漂浮到澳大利亚上方400km时拍摄
五、地磁场倒转及其成因
最初在岩石剩余磁性测量中,发现地磁场倒转现象（南极成为北极，北极成为南极）。解释这种现象时提出，当时岩石磁化方向与现在地磁场方向相反，可能是由于岩石形成时的地磁场方向，与现在的地磁场方向相反缘故。虽然地磁极性完全倒转，需要几千年才能完成，其影响却是巨大的。地球磁场变化，不仅会影响鸟类迁徙路线，而且会使地球暴露在危险宇宙射线中，有的研究认为，这与65Ma恐龙灭绝类似的大规模物种消失事件有关。
地磁场在历史上发生许多次倒转，这类地磁反转平均每隔几十万年就会发生，最近一次地磁场倒转发生在78万年以前。在地磁场反转期间，磁场强度显著减弱，造成太空的辐射进入地球表面的活动增强。
地磁场由地核的液态铁质运动造成。这个地球发动机（“geodynamo”）偶合会发生极性倒转。转换的时间达数千年，倒转事件之间的间隔从数万年到几十百万年。如果磁极性稳定达到10个百万年以上，这个间隔被称为超时标（“superchron”）。在过去的显生宙540百万年中，曾经出现过3个已知的超时标时期（superchronperiods）,大约每隔200Ma出现一次。
地球磁场倒转过程模拟图（G.A.Glatzmaierand R.S.Coe，2015）
地球磁场很像一串意大利面条。左图：地磁场处于稳定状态。右图为地磁场倒转阶段，南、北磁极正在倒转，反之亦然。
地磁场反转间期（左）和反转期（右）可以如下形象地描述。上图的线代表磁场线：蓝色线条的磁场指向地球中心，黄色线条的磁场从地球中心向外辐射。地球旋转轴直立，地核轮廓以白色圆圈虚线表示。地球正常状态下的磁场非常均匀，磁场指向地球北方而远离地球南方。在地磁反转过程中，地球磁场变得非常复杂。
地磁场倒转的成因
行星内部磁发电机使极性翻转，但是，真正的机制并不很清楚。地磁场是通过发电机过程（dynamoprocess）在液体外核中产生，将导电流体运动转换为电磁能。由于液体外核的搅动对流，地球形成稳定磁场。因此，地核对上层较低温地幔的散失热量速率很敏感。
当冷却的俯冲板片到达下地幔时，它们会增强地核冷却速率，从而加快其中液态铁质的运动。根据数值模型，这种额外的运动会造成地磁场反转频率增加。因此，地表俯冲活动增强时，地磁场反转率可能会增加。
地球内部横断面图（AndrewBigginetal.，2018）
一般认为，地磁场磁极发生倒转，是由地核自转角速度发生变化引起的。地壳和地核的自转速度不同步，现阶段地核自转速度，大于地壳自转速度。
45-44亿年前，地球表面呈熔融状态，月球也刚刚被俘获，地球从内到外圈层的自转速度是一致的，地球表面可能不存在磁场。随着地球向月球传输角动量，地球自转的角速度越来越小。随着冷却作用，地球逐渐分异形成地壳、地幔和地核的圈层结构。地球自转角动量的变化首先反映在地壳上，地壳自转速度，开始小于地核自转速度。这时，在地球表面出现磁场。地壳与地核自转角速度不同步的情形并不能长久保持，地核通过地幔软流层物质向地壳传输角动量，造成地核自转角速度逐渐减小，地壳自转角速度逐渐增大。当地壳与地核的自转角速度最终一致时，地磁场在地球表面消失。随着地核与地壳间的角动量传输的持续进行，在惯性作用下，地壳自转角速度继续增大，地核自转角速度继续减小，地壳自转角速度，又会大于地核自转角速度。这时，在地球表面受到来自地核逆地球自转方向的旋转质量场效应，磁场开始倒转。从较长的时期看，整个地球自转速度处在减速状态，但地壳与地核间的相对速度，却是呈周期性变化的，并造成每隔一段时间，地球磁场发生一次倒转。
外核的流动方向示意图（据互联网资料）
六、地磁场对岩石以及地层的影响
地球形成巨大磁场，磁极位置与地球自转轴位置相近。地壳岩石获得磁性的方式有三种：热剩磁、化学剩磁和沉积剩磁(黄宝春，1995)。通过定向采集岩石标本，可以测量计算岩石标本的磁性方位，获得当时的古地磁极，恢复其地质历史时期古位置（古纬度—磁倾角）。
古地磁极：可以将地球磁场简化为地心偶极子磁场，地球表面上任一点的观测方位，都可以确定其相应的磁极位置（即虚地磁极VGP）。虚地磁极平均可以“平均掉”地球磁场长期变化的影响，称之为古地磁极。
地磁倾角Ｉ和地磁纬度λ的换算关系：tanI=2tanλ
地磁异常又被称为磁异常，代表地磁场对中心偶极子磁场的偏离。地磁异常的存在使地球上某些相同纬度区域的磁场有着较大差异，其中，比中心偶极子的磁场强度强的磁异常区叫正异常区，比中心偶极子的磁场强度弱的叫负异常区。磁异常产生的原因比较复杂，概括而言是由于地磁场的内源受地壳结构的不对称、某些岩石或矿物磁性的影响而产生的。值得注意的是，磁异常可以有不同的尺度，但尺度大小并不代表异常的大小。
磁性地层
通过对陆上岩石和海底沉积物，以及洋底磁异常条带的分析发现：在过去的7600万年间，地球曾发生171次磁极倒转。地球磁场平均每50万年翻转一次，最近一次的翻转发生在78万年前，而这一地磁作用过程可以在地层中留下记录。
炽热的岩浆以及各种沉积岩中含有数以万计的磁性矿物，类似“小磁针”。当岩浆冷却或者沉积物沉积下来时，这些“小磁针”也被固定方位、不再发生变化。其“南北极”的指向便会记录当时地球磁场的方向。地质历史上某一时代形成的成层岩石和堆积物，即可以记录当时的地磁场方向利用地层磁性记录，可以确定地层形成时的磁极的正反方向，并作为地层划分的依据。一般将“小磁针”方向与现在地磁场方向一致的极性定为正向，而方向相反的定为反向，在整个地史中将正向和反向地层按先后时间顺序排列，就形成了地磁极性年表。
磁性地层年代表（据互联网资料）
七、行星磁场
火星、金星和月球，已经没有电磁发动机（Dynamo），月球和火星有剩余磁场，金星没有剩余磁场。水星可能有电磁发动机，而地球为板块构造，具有电磁发动机。
近期研究表明，水星磁场非常古老，已经持续存在长达约40亿年之久（“信使号”项目团队，2015）。历史上水星的磁场强度，要比现在强得多，可以与今天地球的磁场强度接近。
根据月球磁场的测定，月核半径约400～500km；月球内部最高温度不超过1300℃，没有达到物质熔融的温度。月球没有磁场，局部月岩的剩余磁场强度约为6～300纳特,表明月球内部可能无金属核心,月球中心的温度不超过1500℃。
距今40亿年的月球岩石中发现了大约100微特斯拉的强磁场迹象（2020）。相比之下，今天地球的磁场约为50微特斯拉。后续研究在月球25亿年的岩石中发现的磁场弱得多，磁场强度小于10微特斯拉，并确定这些岩石存在有约25亿年的历史（2017）。它们似乎在10亿年前受到了巨大的影响，结果被融化并重新融合在一起，以至于它们古代的磁记录几乎被删除了。为此，推测有两个月球“发电机”在起作用：第一个可能在40亿年前产生了更强的更早的磁场，然后被第二个寿命更长的机制所取代，直到至少25亿年前，这个磁场都非常弱。大约40亿年前，月球的雏形比现在更接近地球，更容易受到地球引力的影响。随着月球缓慢地远离地球，岁差（地球自转轴长期进动）的作用减弱，从而削弱了发电机和磁场。大概在25亿年前，核心结晶成为月球发电机持续运转的主要机制，产生了一个较弱的磁场，随着月球的核心最终完全结晶，磁场逐渐消散。
水星磁场的大部分并非来自水星核的内部,而是来自其外层,并且越靠近水星表面磁场越强。磁场的形状符合简单条形磁铁产生的偶极磁场。水星内部可能是高温液态金属核，其铁核目前已经冷却并凝固，但部分仍然是液态并运动，从而产生了磁场。
火星现今没有磁场，39亿年前磁场消失，但在局部地区（南半球、赤道地区）还有剩余磁场。NASA火星GlobalSurveyor探测器spacecraft'smagnetometer（1999）测定了火星地壳的磁场。火星绝大部分区域的地表都存在条带状剩磁异常。其中，南部高地的磁信号最强，其他区域也存在有剩磁效应。另外，北部低地和塔尔西斯火山区明显没有剩余磁场。
火星地壳的磁场强度，如同其地表形貌，南、北半球也有差异：相对于北半球，南半球拥有较强的岩石剩余磁场。火星条状变极性磁异常条带，从东到西贯穿其南部子午线高地（TerraMeridiani），磁异常分布具有重复特点，类似于地球大洋中脊的磁异常分布模式，指示火星早期曾经发生类似的对称式海底扩张作用，在动力学方面更加活跃。为此，推测火星曾经有过板块构造活动。火星其他区域还没有发现磁性地壳的存在。塔尔西斯火山区的火山活动频繁，而北部低地则经常有大规模的熔岩泛滥，使早期岩石磁场被消退。这两个区域的磁性属于磁性空白点。
磁化地壳条带下沉于火星历史时期，当时火星具有活动的发动机（dynamo,或者高温的融熔金属核心），产生火星的全球性磁场。火星地质活动活跃，岩浆从地下上涌，在地表冷却并形成新生地壳。随着新生地壳固结，岩石内遍布的磁场被“冻结”在地壳内。随着发动机内部条件周期性地变化，全球磁场方向发生倒转，相反方向的磁场也被“冻结”到新生地壳内。
地磁场成因假说及模型简介
请为我解释磁石的奥秘，那仅次于爱和恨的奥秘。
——哥德
一、小引
自然界中的四种基本力是万有引力，电磁力，强和弱相互作用力。其中电磁力既是广为人知又得以广泛应用的。但其所内蕴的许多科学奥秘至今仍未被揭示，同时层出不穷的发现和应用也在不断深化和改变着人们对磁现象的认识。囿于个人知识结构，本文仅对有关地磁场的主要特点及成因机制的研究做一简单介绍。
关于地磁场作用最早的文字见于我国的战国时代，自管仲（——公元前650年）开始，在中国古代典籍中就出现过多次关于磁铁的记载。最早的指南针也是我国在秦朝时发明的，但惜乎后来并未能更进一步，而仅止于风水勘舆。迄今为止，关于地磁场的讨论和科普多有谬误和以讹传讹，甚至在一些专业的磁物理学教材中，关于地磁场的介绍也存在不当之处，反映出不同领域之间的认识鸿沟仍然不可小视。
最早的地磁场概念是十七世纪初时一位法国的宫廷医生、英国人吉尔伯特提出的。吉尔伯特在1600年提出地球是一个巨大的天然磁性体，它的两极和地理两极相重合。这一提法首次指出了地磁场的起因在地球自身，但对于地磁场的起源问题，当时并没有找到一个令所有人满意的答案。直至到现在为止，关于地磁场研究仍然处于假说和推断状态，并且存在着一个极为异乎寻常的特点，即：能够发现其存在的并可以引起磁现象的地球事物，在理论上都不足以支撑地磁场的发生；而能够满足理论分析的合理的成因机制，在地球自身却找不到真实存在的事实依据。本文选取其中有代表性的几种假说和模型分述如下：
（1）铁磁体假说
由于地核基本上是由铁磁体（铁和镍）所组成的，地核的这种特有成分及其球状对称的形态是铁磁体假说的基本依据。这一假说与吉尔伯特的设想不谋而合。按照这一假说，地核因其组成而自然成为一个磁化体，由此也就决定了地球具有偶极子特征的磁场。但这一假说面临着一个无法解释的困难，即地核内的平均温度远远超过了任一种铁磁性物体的居里点，达到6000摄氏度以上。所有的铁磁性体在这一温度下都必将转变成顺磁性体而丧失其磁性。因此由地核的金属成分而自然形成地磁场的可能性不大。
（2）热电假说
这一假说首先考虑到地磁要素具有快速变化的特点（比如向西漂移的周期不超过2000年），肯定了地磁场与地壳和地幔过程无关的推断。这是因为，地壳和地幔主要呈固态的特征，决定了其中的各种过程具有漫长的地质时间尺度，不可能出现几十或几百年尺度的明显变化。但地球外核为液态，它所具有的流动特征使之能够快速反应外部的激励和变化，从而能够和地磁场的短尺度变化相吻合。从这一点出发，热电假说提出地磁场具有电性。但要形成今天的地磁场，需要约109安培的电流强度（可以把地球上的生物——包括人类——全部杀死）。而要在地核中形成电流，必须借助于热电效应，即：由于外核物质的热对流而在边界处产生电流，并进而产生磁场。热电假说虽然克服了居里点造成的困难，却产生了新的问题，即这种机制难以形成具有偶极特征的磁场，并且至今也未能获得确切的证据，以证明这种机制能产生足够强大的电流并形成地磁场。
（3）压电效应假说
这一假说认为在地球内部物质在超高压力下使物质中的电荷分离，自由电子在这一电场中运动而产生电流和感应磁场。但即使在理论上作了最大限度的假设后，计算出的这种磁场也仅有可能达到真实地磁场强度的千分之一以下。
（4） 旋磁效应假说
根据物理学中的旋磁效应原理，此假说提出地球内的强磁物质旋转可以产生地球磁场。但计算结果表明，即使把地球内部所有的强磁性物质全部加起来，由此种效应产生的磁场也只有不到地磁场强度的千亿分之一。 （5）温差电效应假说
认为地球内部的放射性物质产生的热量可使熔融物质发生连续的不均匀对流，由此产生温差电动势和电流，再由此电流产生地球磁场。这也是群内引用的“牧夫天文”报道中提到的关于月球磁场的成因依据。但考虑到地球内部的物质分布不均及物质的物态，据此所做的估算结果在理论上是根本无法产生永久性整体地磁场的。我个人也怀疑月球 能否由此产生所谓的永久性整体磁场。
（6） 双轴（或双圆盘）发电机学说
日本地球物理学家力武常次(1946－1947)提出在地球内部存在着类似“双轴发电机”的磁场产生效应。导电液体在流动时产生稳恒的电流，由该电流产生地球磁场。双轴发电机模型在理论上是无懈可击的，因此得到较多地学家的认同，也是目前研究和应用最多的地磁场假说。但地球内部并没有真实存在的“双轴”，下文将会进行重点介绍。
二、地球磁场的基本特征和地磁要素
固体地球是一个磁性球体，有自身的磁场。根据地磁力线的特征来看，地球外磁场类似于偶极子磁场、即无限小基本磁铁的特征（图1a）。但其磁轴与地球自转轴并不重合，而是呈11.5°的偏离。地磁极的位置也不是固定的，它逐年发生一定的变化。例如磁北极的位置，1961年在74°54’N，101W，位于北格陵兰附近地区，1975年已漂移到了76.06°N，100°W的位置。
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图1地磁场及其基本要素 a.地磁场的偶极子场模型； b.地磁要素。 L—地磁力线；F—总地磁场强度；H—地磁场水平分量；Z—地磁场垂直分量；β—磁偏角；θ—磁倾角。 |
将地磁场比作偶极子磁场的说法中，隐涵着地磁场是永久不变的这一假定。但实际上不仅磁极在不断发生摆动，从发现地磁场以来，人们还逐渐发现了磁偏角在几十到几百年的时间内，大致沿着纬线方向平稳地向西移动，这一性质被称作地磁场的向西漂移。地磁场漂移速率可以达到约每年0.18°，绕地球一圈大致需要1800年的时间。除了地磁场的这种较长期的变化外，地磁场还有时间尺度更短的昼夜变化，取决于地球表面相对于太阳位置的昼夜变化。在一天之内，地球表面的磁极所发生的位移因此可达其平均位置的100km。由于地磁场的这种昼夜变化，磁极在地球的球面上往往不是用一个固定的点来表示，而是用一个圆圈来代表其所在的空间范围。
地磁力线分布的空间称作地磁场，磁力线的分布情况可由磁针的理想空间状态表现出来（图1b）。由磁针指示的磁南极和磁北极，为磁子午线方向，其与地理子午线之间的夹角称磁偏角（β）。磁针在地磁赤道上呈水平状态，由赤道向地球南极或向北极移动的过程中，磁针都会连续地发生倾斜，其与水平面之间的夹角称作磁倾角（θ）。磁倾角的大小随纬度增加，到磁南极和磁北极时，磁针都会竖立起来。地磁场在地球科学中一般以代号F表示，强度单位为（A/m）。地磁场强度是一个矢量，可以分解为水平分量H和垂直分量Z。地磁场的状态则可用磁场强度F，磁偏角β和磁倾角θ这三个要素来确定。
地磁场的偶极特征也取决于磁力线从一个磁极到另一个磁极的闭合特征。在地球表层，这一闭合结构形成了一个磁扑获系统，扑获了大气圈上层形成的带电粒子而构成一个环绕地球的宇宙射线带，称作范艾伦带。范艾伦带的影响范围可达地面65000km以上。由大气层上部约100—150km处气体发光而形成的极光，就是范艾伦带中的气体分子受电磁扰动的产物。沿着范艾伦带，极光可以在不到１秒钟的时间内从一个受扰动的极区于瞬间传到另一个扰动极区，因此极光的爆发在地球上的北极区和南极区几乎是同时发生的。
磁暴是一种急剧的地磁场变化现象，也是一种危害性很大的灾害性自然现象。在发生磁暴时，不仅地磁场要素会发生激烈的跳跃式变化，还会使电力线受到破坏、通信线路和信号中断、变压设备发生故障、绝缘电缆被击穿等。一般认为，磁暴是受太阳活动所引起。但在发生磁暴时，感应的环形电流不仅出现在电离层中，也会出现在地球内部。在磁暴的影响下，地球内部出于现的这种深部电流，称作大地电流。大地电流可以被用于研究地球内部的各种相关物理特征。如岩石圈各层的导电率及地内的压力和温度等。
地磁异常在世界范围内选择若干个地磁测站，测量该处的地磁要素数据，然后推算出世界各地的基本地磁场数据，并以此作为地磁场的正常（理论）值。在实际工作中，会发现某地区实测地磁场要素的数据与正常值有显著的差别，这种现象称作地磁异常。如果差值为正，称正异常；差值为负称负异常。一般情况下，正异常多是由于地下赋存着高磁场性的矿物或岩石，如磁铁矿，镍铁矿和超基性岩类等引起。负异常则多由地下赋存的石油，盐矿，铜矿和花岗岩等低磁性或反磁性矿物或岩石引起。根据这种认识，利用地磁异常来寻找地下矿产和了解地球和其它天体深部地质构造等情况的方法，称为磁法勘探。这种方法不仅可以在地面上操作，还可以利用飞机和卫星等各种不同的飞行器在星体周围的高空进行。现在利用磁法进行研究的领域也在不断迅速扩张，从生命科学到材料科学的纳米尺度，直至深空探测领域的巨观尺度中，现在也都已经开始广泛采用磁法勘探的技术手段进行各种研究。
二、地球磁场起源的成因假说
地球磁场的成因至今没有最终的定论。在地球科学的发展过程中产生过各种猜测和假说，除了前述简介外，成为地球科学领域最重要共识的就是双圆盘发电机假说。
（一） 双圆盘发电机假说
是目前获得最多支持的假说。其主要原理如图2所示。
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图2双圆盘发电机原理示意图 |
当两个圆盘在弱的外部磁场中旋转时，与轴和外缘相交的两根导线的回路中产生方向相反的两种电流I1和I2。这两种电流可形成感应磁场且极性相反，其强度会明显地超过外部附加的初始磁场强度。圆盘旋转频率的差异造成一种极性的场占优势，当频率比值改变时，便出现磁场反转。根据双圆盘发电机假说，在地核中这两种方向相反的电流，可由液态外核物质的热对流（混合作用）产生，这种对流可以引起液态地核表层旋转减慢（相对于地幔底面而言），引起磁场异常向西位移。这为地磁场的西向漂移现象提供了理想的动力学解释。
双圆盘发电机模式的作用原理是以自激感应为前提的，即液态外核表面上的对流流动，可以导致封闭的螺旋式环形电场的形成。尽管它可以一般地解释至今所知的地球磁场的各种主要特点，但这并不意味着地磁场的成因问题已经彻底解决了。因为双圆盘发电机模式并非是基于地球内部确实存在着两个物理圆盘和双轴，而是以假设外核中有极其特殊的差异热对流存在为基础的，后者又是基于地核对地震横波的屏蔽能力——外核呈液态——的推断而非事实确证。因此，最后解决地磁场的起因问题还需要进一步的努力。
三、地磁场反转与大陆漂移
现在地球磁场的强度约为M=81025cgs电磁单位。这一磁矩的大小每100年间约减少5%。按此趋势，在2000年后，地球的磁矩应变为零。然后地磁场有可能发生反转。在地球的磁场中，像这样存在着以数千年时间为周期的变化称为长期变化。前述的向西漂移就是地磁场的一种长期变化。与它们相反，前述地球的昼夜变化和磁暴等现象，都是短期甚至瞬时变化。
磁场的存在会导致与之同时存在的岩石发生磁化，磁场的变化则会在磁化的岩石中留下记录。岩石磁化的方式则随岩浆岩、变质岩和沉积岩等岩石类型的不同而异。比如，火山岩从地下喷出时的温度是在磁性物质的居里点以上，随后在熔岩冷却的过程中，其中的磁性矿物必定会沿着当时、当地的磁场方向被磁化。这种当岩石冷却时所获得的磁性称为热剩磁。一般情况热剩磁是稳定的，在此后即使岩石所在地的外部磁场发生变化，也不会使热剩磁发生变化。
由于具有不同的剩磁特征，岩石因此成为研究古磁场的特殊“化石”。从对岩石的磁性、特别是对它们剩磁方向的研究，可以弄清楚岩石磁化时在当时磁场中的位置。在地学中将依据岩石磁性来研究地史时期地磁场的状态、磁极变化和大陆漂移的学科称为古地磁学。其原理和规律在天体的研究中也可以作相应的推广应用。
古地磁研究在地球科学的板块构造理论的确定过程中起了关键的佐证作用。在地磁极与地球自转极性一致的前提下，某地的磁倾角I可以由该点的纬度角来确定。
如果大陆是固定不动的，从各大陆的古地磁学资料中就可以确定地球自转极随着时间流逝而发生的移动。从理论上讲，自转形成的磁极移动曲线只可能有一条，因此无论在哪个大陆上所确定的地球自转极移动曲线都应该一致。但实际上，不仅每个现代大陆计算的结果大不相同，同一大陆内部的不同地区也有明显的差异，这充分表明（只能）是因为各大陆曾发生过不同程度、不同方向的聚散和漂移所致。
地磁极不仅在地球演化的历史阶段曾发生过漂移，还出现过反转——即南、北极互相颠倒的现象。在距今大约100万年前以来的第四纪，地磁场的方向和现在完全相同。与之相应，这一时期称作地磁场的正向期（正向期的地磁极与地理极方位相反，即磁北极在地理南极附近，磁南极在地理北极附近）。但比其更早的时代，通过对岩石磁法研究的结果，发现其磁化方向与现代地磁场的方向相反，因此也称为反向期。正向期和反向期在地球历史上曾经交替出现，表明地史时期中有过多次地磁场反转事件。图3中记载了400万年以来的10次地磁场反向事件。对从距今8000万年以来的古地磁学研究发现，地磁场的反转大约平均每40万年就要发生一次。
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图3 距今4百万年以来的磁场变化 |
地磁场反转的机制可以用双盘发电机产生的偶极子型磁场进行合理解释：在由磁场产生电流的过程中，偶极子场一面保持同一方向，一面慢慢地减弱，直到偶极子的磁矩减少为零，随之产生反向的偶极子磁场。理论计算表明，地球磁场由一个方向变为另一种方向所需的时间大约为1万年左右。并且，可以用J/J０值——即岩浆岩的天然剩余磁化强度与岩石在现代地磁场中的热剩余磁化强度比值——来推算过去地磁场的强度。研究表明，在2000年前的古地磁场强度约为现代的1.5倍，此后磁场强度以每100年5%的比率单调地减小，并且还将在今后一段时间内持续下去，直至趁零和反转。
地磁场倒转是怎么回事？
好莱坞科幻大片《地心抢险记》讲述了这样的故事：某一天，世界各地接连出现奇怪现象——鸽子迷失方向四处乱撞、金门大桥被高温熔断、罗马竞技场遭受密集雷电轰击、航天飞机导航失灵……一时间，世界陷入混乱，人类命悬一线。
关键时刻，天才的地球物理学家凯斯探明真相：一切都是因为地球的液态外核停止转动，导致地球磁场的消失。随后，旨在拯救地球的计划迅速启动，救援小组乘坐“打洞机”进入地核内部令其重新转动，末日危机才最终解除。影片所描绘的景象是如此骇人，令人不禁猜想：未来地球磁场会有出bug的一天吗？有什么依据能帮我们做出判断？在回答这些问题之前，我们得知道，磁场的作用是什么。
科幻电影《地心抢险记》中金门大桥被太阳风暴熔断丨图片来源：好看视频
磁场，是地球直面挑战的气场
地磁场起源于地球的心脏——地核，地球的外核充满了以铁镍为主要成分的流体。在地球内核和地幔大于两千多度的温度差异下，这些带电流体昼夜不停地进行对流运动，由于电磁感应，产生了地磁场。
地球内核温度高达6000摄氏度，与地幔层之间存在着巨大温差，从而刺激“热量运动”。丨图片来源：文献[2]
地磁场经由近3000公里厚的地幔和地壳到达地面，再穿越生物圈和大气圈等地球系统圈层，一直延伸至太空，形成磁层。磁层既能有效阻挡宇宙射线入侵，避免其对地球生物的杀伤性损害，也能保护地球上生命赖以生存的水和大气层。有研究表明，地磁场已存在了35亿年或更久，恰好与地球上生命诞生的时间相符。不过，来自地磁场长久的守护也会有懈怠的时候，典型的例子便是地磁场的南、北极对调，即地磁场极性发生倒转，这是最显著的变化特征之一。
作为地球生命的“隐形护盾”，地磁场使得地球免受太阳风（高能带电粒子流）的侵害丨图片来源：veer图库
南不南，北不北
地球的磁场并非亘古不变。在地质历史时期，地磁场的方向一直在发生变化，最受关注的是地磁场极性倒转。自显生宙（也即“看得见生物”的年代，距今约5.4亿年前）以来，地磁场经历了数百次极性倒转，并且其倒转频率变化不一。过去500万年以来，地磁场平均倒转约4-5次/百万年；在恐龙繁盛的侏罗纪时代，地磁场倒转非常频繁，可达7次/百万年。
约78万年前的地磁场与今天的地磁场南、北极发生对调丨图片来源：钱江晚报
此外，也存在长期（可达千万年）单一的稳定极性期，这一时期被称为“超静磁带”。其中，在约1亿2千600万年至8千400万年之间的地质时期，通常被认为是稳定的正极性时期，持续时间超过4000万年之久，称为“白垩纪超静磁带”。然而，最新的精细古地磁学和年代学研究表明，在这个所谓的白垩纪超静磁带期间，也可能发生过至少7次的短期负极性事件，表明该时期似乎并不是原来认为的稳定单一极性，这一时期也经历了频繁的极性倒转。
上图：过去1亿5500万年以来地磁场极性倒转序列（黑色表示与现代磁场方向一致的正极性带；白色表示与现代方向相反的负极性带；图片修改自文献[3]）
中图：白垩纪超静磁带期间的记录
下图：全球多地（红、黄、绿点）海洋和陆地记录表明白垩纪超静磁带期间可能存在多期次极性倒转事件（图片修改自文献[4]）
除了倒转频率，对于地磁场极性倒转的快慢，也就是地磁场完成一次极性转换所需要的时间多长，科学界还没有定论。不过，来自全球不同纬度地区的海洋沉积物记录显示，地磁极性倒转持续的时间从几千年到数万年不等，平均约7000年。
那么，为什么会发生极性倒转呢？其实，关于地磁场起源及其极性倒转的原因（机理）一直是地球科学研究的前沿领域之一。
2005年国际著名学术期刊《科学》（Science）纪念创刊125周年时，总结了人类面临的125个最重要的前沿科学问题，其中之一便是“地磁场极性为什么会发生倒转”。无独有偶，2020年5月，美国国家研究理事会发布地球科学十年战略规划《时域地球：美国国家科学基金会地球科学十年远景（2020-2030）》，将“地球的内部磁场是如何产生的”列为12个引人瞩目的优先科学问题之一。
近日，为纪念建校125周年，上海交通大学与《科学》杂志联袂策划发行“新125个科学问题”——《125个科学问题：探索与发现》，再次将“是什么创造了地球的磁场（为什么它会移动）”列为科学界重要的基础性问题之一。遗憾的是，目前科学家尚不确定地磁倒转是如何发生的。现有的计算机模拟研究显示，地核中的流体运动以及核幔边界的热量长期变化可以引起地磁场倒转。另外，板块构造运动对地幔对流的扰动也会对地磁倒转的频率产生影响。
核幔边界的位置（图片来源：中国科学院青藏高原研究所），地核、地幔分别类似于鸡蛋的蛋黄、蛋清
地磁场南、北极性对调一下，本身并不是可怕的事，问题在于地磁场发生倒转的过程中。
大量研究表明，在一次地磁场极性倒转发生之前，地磁场强度首先减弱。在极性转换期间，地磁场强度则会进一步减弱80%-90%，甚至接近于0。地磁场强度的显著减弱意味着其对地球生物圈的保护能力降低，宇宙射线等高能粒子更易到达或“倾倒”至地表，对人类和其他生物造成极大威胁；此外，太阳风“如入无人之境”，对地球大气层的破坏增强，会造成大气氧离子逃逸和氧含量降低。
因此，地磁极性倒转可能对地球表层系统的气候变化和生物演化产生重大影响。比如，有研究提出，异常频繁的地磁场倒转（超过20次/100万年），可能是埃迪卡拉纪晚期（约5亿5000万年前）生物灭绝事件发生的诱因。最近，一项发表于《科学》（Science）的研究表明，42000年前地球磁极倒转（被称为“拉尚漂移”）和处于低潮的太阳活动（会降低地球对宇宙辐射的防护）共同引发了地球气候环境大灾变，最终造成部分大型哺乳动物和尼安德特人（是欧洲古人类，曾经统治着包括整个欧洲、亚洲西部和非洲北部）的灭绝。
地磁场倒转期间，磁层的屏障作用大幅减弱，地球被“浸泡”在太阳风之中，完全暴露在太阳辐射的致命“烧烤”中丨图片来源：Sciencephotolibrary
磁极倒转时，地球磁场强度大幅减弱，造成整个星球暴露在强宇宙辐射之下丨图片来源：文献[1]
值得说明的是，地磁极性倒转期间地磁场强度减弱，并不一定意味着地磁场会完全消失。但是，地磁场可能会出现一个“混乱”时期，使得卫星和指南针等定位导航系统瘫痪、电力设备和电网遭到严重破坏，也会给例如鸽子、海龟等利用磁场进行导航的动物造成严重“困扰”，令其陷入危险。
他们的发现，确实很南，但有用
磁体指示南北的现象，古人已经发现。先秦时代（旧石器时期—公元前221年，秦朝建立之前的历史时代），中国劳动人民就已经积累了对磁现象的认识。战国期间（公元前475年-公元前221年），最早的磁性指向器——司南诞生，东汉思想家王充曾这样描述司南的用途：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”
经过漫长的改进过程，具有较高指示精度的磁针出现，人们也发现了磁偏角。例如北宋学者沈括在《梦溪笔谈》中便指出磁针“常微偏东，不全南也”。之后，罗盘问世。中国的磁针和罗盘先后西传，极大推动了人类文明的进程。
世界各地的岩石是相应时期地磁场的忠实记录者和保存者。因此，研究不同地质历史时期的岩石就可以获得清晰的地磁场极性倒转记录。
不同地质历史时期的岩石（左图；图片来源：中国航天科工），起到了“留声机”（右图；图片来源：90设计）的作用，记录了它们形成时期的地磁场信息
尽管古人2000多年前就发现了磁体指示南北的现象，但是地磁倒转现象的发现却是上个世纪初的事。1906年4月21日，法国科学家布容（1867-1910）在一次物理学会会议上首次指出，法国中央高原的火山熔岩及其下方被烘烤过的粘土都显示，当时磁场的方向与目前的磁场方向相反，据此推测出地磁场极性在过去发生了倒转。这一发现在地磁学历史上具有里程碑意义。
1910-1932年间，瑞士冰川学家默坎顿（Mercanton）通过对南、北半球不同地区样品的古地磁研究证实了地磁倒转是一个全球性现象。后来，日本科学家松山基范（MotonoriMatuyama）通过对日本Manchuria玄武岩的研究也证明了上述观点，并进一步指出在更新世（78万年前）地球磁场是与现代相反的。尽管可以肯定，地磁场在地质历史时期曾发生过倒转，但囿于有限的测年技术，当时仍无法确定极性倒转发生的准确时间。直到20世纪60年代，考克斯（A.V.Cox）等综合放射性同位素年龄和古地磁结果，首次建立了三、四百万年以来地磁场倒转发生的年龄，并证实了极性倒转的全球等时性。至此，地磁倒转的概念才开始被人们接受。
美国地球物理学家考克斯（左图）及其团队建立的地磁极性年表（右图）
在这之后，基于海洋沉积物的古地磁学测量以及海洋磁异常条带的发现，科学家提出了海底扩张假说，近1亿6000万年以来的地磁场极性倒转序列得以建立。不过，要想进一步获得更多可靠的、更为久远的地磁场倒转序列可不是一件容易的事。通常来说，更老的海底沉积物则因板块运动被俯冲至地球深部，更早时期的地磁倒转事件便只能通过对陆地岩石（或沉积物）的古地磁学研究获得。但是，往往陆地上的岩石年代越老，其记录的岩石形成时期的地磁场信息受到后期构造运动、高温高压等变质事件、火山活动等的影响（或破坏）越大，从中获得可靠信息也就变得越困难。
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海底磁异常条带，彩色表示正极性条带，白色表示负极性条带，磁异常条带沿洋中脊向两侧分离并与洋中脊平行、对称分布；丨图片来源：文献[5]
近200年的观察记录显示，地磁场强度呈减弱趋势（已经减弱了15%）。与此同时，科学家也发现地磁北极的位置在发生着变化。这是指示了地磁场正常的波动，还是预示着我们正处于新一轮地磁倒转的关口，尚不得而知。由于地质历史时期地磁场变化的不规律性，加之对其发生原因的认识依然不足，科学家尚无法准确地预测下一次磁极倒转的时间，以及可能发生的气候变化。
地磁北极正在不断移动，如今已从加拿大北部漂移到了西伯利亚丨上图来源：科普大世界；下图修改自新华网
古人云：以人为鉴，可以明得失；以史为鉴，可以知兴替。研究地磁场起源及其在地质历史时期的变化特征，探索地磁倒转事件和地球气候环境变迁之间的关系，可让人们对于地球的演化有更清晰的认识，对于更好地预见地球未来的变化同样具有深远意义。与其担心无法预知的未来，不如好好把握当下，共同守护这颗美丽的星球。“路漫漫其修远兮”，相信经过不断的探索，人类终将揭开地球磁场的神秘面纱。