地球是个大磁场
地球是个大磁场
远在2000多年前的春秋战国时代，我国就发现了自然界的磁石（即磁铁矿）和磁石吸铁的现象。古人将磁石写作“慈石”，比喻磁石吸铁犹如父母慈爱子女一样。后来，人们开始用磁石来做指示方向的工具，叫做司南。
司南的样子像一个汤勺，它的下面是一个铜盘，刻有24个方位。勺可在盘上转动，停止转动后勺柄就能指示南方。现在，北京中国历史博物馆内有复原的司南模型。
司 南
到了宋代，人们拿一根钢针，放在磁铁上方，使钢针变成磁针，发明了用人工磁化方法制成的便于应用的指南针，而且还应用到航海上。
我国还发现了指南针所指的南北与真正南北略有偏离的磁偏角现象。后来，指南针传到了欧洲，对新航线和新大陆的发现起了很大的作用。可以说我国是世界上最早利用地球磁性的国家，而哥伦布是在发现新大陆途中才发现磁偏角的，比我国晚了约400多年。
司南和指南针为什么能指南北呢？人们对这一现象的认识曾经历了漫长的过程。有人曾经认为，指南针是受到遥远的北极星的吸引才永远指向北极星的方向。
但后来发现，悬挂的指南针越往北方移动时，指针北端越朝下倾斜，也就不再指北极星了。在北极附近，针北端指向球的北极，而针南端指向北极星。随着自然知识的增长，人们渐渐明白了，原来我们居住的地球也是有磁性的。地磁北极吸引着磁针的南极，地磁南极吸引看磁针的北极。指南针上的磁针在地球磁性的作用下，具有指极性，而也就能够指向南北了。
不过，磁铁在自己周围所产生的磁场（具有磁力作用的空间）范围是很小的。而地球磁场范围，可以延伸到地球外面10万千米以上的高空。所以我们说，地球是块“大磁铁”。
宇宙中的天体都普遍具有磁场。太阳的磁场强度是地球的几十倍。而有的恒星具有更强的磁场，强度为太阳的几万倍甚至上亿倍。像地球这样主要由固态物质组成的天体，磁场相对来讲比较微弱。但在美地行星中，地球的磁场要算最强的了。
恒星和太阳都具有较强的磁场，我们比较容易理解，因为这些天体主要是由等离子体所组成，而等离子体都是带电的微粒。带电微粒的运动能形成电流，产生磁场。
但是地球高空1000千米以上才有稀薄的等离子体，所以地球磁场的形成不同于太阳和恒星。
对于地磁场究竟是怎样形成的这个问题，是近半个世纪来才有了较明确的认识，而一些具体的问题依然没有得到彻底解决。了解人们怎样认识和尝试解决地磁场的成因问题的历程是非常有益的。
关于地磁的成因，长期以来人们始终认为：地球中心可能就是一个由铁锹组成的巨大的磁棒。也就是说，地球磁场是由于地球内部有一巨大的永久磁体，由它产生地球的磁场。
但是后来发现任何永磁体在高温下都会失去永磁性，而地核的温度非常之高，是不会存在永磁体的。后来发现电流会产生磁场的电流磁效应，又有人用地球内部有强大电流来解释地磁场。但地球有电阻，这强大的电流是如何产生和维持的呢？
问题依然未得到解决。后来又有人试图采用地球内有电荷旋转产生电流，或者地球内部巨大压力产生压电效应，或者地球内部温度不均匀产生温差电效应，或者地球由于自转获得磁矩……来说明地磁场的成因，结果都没有获得成功。
直到人们对地球内部物理状态有了深一步的了解和对地磁场观测结果的分析大量积累时，又提出了磁流体发电机学说，经过多年的补充和改进，才获得较普遍的承认。这一学说的要点是：地球内部在地幔与地核之间存在着主要成分是铁的金属流体，由于地球自转、温度和浓度上的差异等原因，金属流体会产生流动。
当其切割磁力线时就会因电磁感应而产生电势和电流，感生电流产生的磁场如果与原来磁场方向相同，就会使磁场增强（称为正反馈），从而又使感生电流增大；另一方面，金属流体的电阻又会消耗能量，阻碍电流的增加。
在一定情况下，此“发电机”的磁场达到稳定平衡，这便是所观测到的地磁场。最初的微弱的磁场可以有地球内部成分差异的电池效应和温度差异的温差电效应产生。这个发电机模型还可解释其他一些天体和星际磁场的来源，但由于数学处理上的困难，以及对地球、其他天体内部情况了解还不充分，因此这个理论还需要进一步发展。总之，目前关于地磁场成因的问题，总轮廓比较清楚了，许多问题还需补充和解决。
我们相信，随着科学的进展，这些问题将会在不断的观测实验和理论探讨的深化过程中逐步得到解决。
地球是一个磁化了的球体，其有相当强烈的磁场。这表现为磁针在地球上受到磁力的作用，使磁针指向一定的方向，即磁力线的方向。
磁力线分布在地球周围。但磁力线的方向却因不同的地点而不同。在地面上有两个地点的磁力线是垂直的。在那里，磁针的方向垂直于地平面，这就是地磁两极，即地磁北极和地磁南极。习惯上人们把位于北半球的地磁南极叫北磁极（北半球磁极）；把位于南半球的地磁北极叫南磁极（南半球磁极）。
地磁两极和地理两极是不重合的，而互相距颇远。1975年测得地磁南极位于北纬北半球76．2度，西经100．6度，在加拿大北部巴瑟斯特岛的西北，离地理上的北极约1600千米；地磁北极位于南半球南纬65．8度，东经139．4度，在南极洲威尔克斯地东北，离地理上的南极1600千米。地磁北极和地磁南极的连线叫磁轴。根据目前观测，地磁轴和地球自转轴相交11．5度。地球这种偶校磁场的磁力线成轴对称地布满在地球的周围。
说明地球磁场状况的物理量有磁场强度、地磁倾角和地磁偏角，统称地磁三要素。
磁场强度是指磁场的各点所受磁极作用力的强度，地球磁场的强度单位采用来伽玛表示，地球的平均磁场强度为50000伽玛。
指南针的方向，也就是磁力线的方向与当地地平面常是不平行的，指南针对水平面是倾斜的，其所构成的俯角就是地磁倾角，叫做磁倾角。
由于地磁两极和地理两极并不吻合，从而地磁轴和地球自转轴也不重合。因此，地磁场的磁力线和地理经线之间就有偏角，这个交角就是地磁偏角，叫做磁偏角。在习惯上，总是以地理经线为标准。当磁力线在地理经线以东时的偏角，叫东偏角；当磁力线在地理经线以西时的磁偏角，叫西偏角。
在地磁三要素中，磁偏角是与我们关系最密切的一项要素。因为航海和航空在使用磁针测定方向时，罗盘上的磁针能指南北方向，但磁针指的不是地理上的南北方向，而是指的地磁南北，与我们所需要的地理南北方向有一个偏差，这个角度偏差就是磁偏角。
经过世界各地长期以来对地磁各要素的测量结果，人们发现地球磁场随时间有明显变化，而又变化颇为复杂。一般来说，地磁场的变化分为两种，即长期变化和短期变化。
长期变化是一种比较缓慢地变化，初步推断是一种周期性变化。变化周期有的长达几百至几千年。长期变化在地面各点是不一样的，但它们的增减步调却一致。
在地图上把年变率相同的地点连接起来，可以看出全球有几个年变率最大的长期变化中心，磁场强度每年都有较大的增减。地磁场强度大约每1年减少5%，变化中心缓慢的向西移动，平均每年大约移动0．2度，也就是说，西移的速度大约是30千米/年。这是一个重要的地磁现象，有人认为它起源于地球内部深处，很可能起源于地核界面，是地核相对于地幔滑动的结果。
磁倾角和磁偏角的长期变化也十分明显，根据一些地方熔岩的磁性测定结果，1600多年来，磁倾角变化幅度达20度，磁偏角变化幅度超过20度。据地磁学家分析，在1922～1972年的50年间，北磁极位置移动了纬度2度，南磁极移动了纬度4度25分。
另外有人推测，在未来的200年左右，将发生一件罕见的地理事件：那时的指南针准确地指向北方，因为地球的北磁极将与地理北极“会师”。当然，这个时刻是短暂的，会师后的北磁极会立刻同地理北极分开，继续沿着自己的特定路线移去。
现在的实验观测表明，地球的磁场正在衰减，如果以目前的速度衰减下去的话，大约在1200年之后，指南针将失效。甚至在短时期内会出现“指向紊乱”现象；然后又会渐渐地（几十年或几百年）重新稳定下来，磁场强度也会由小变大，但此时的磁场方向不再是指南，而是指北了。
这就是说，原来的指南针变成了指北针。地球磁场的短期变化是地球外部因素引起的，例如太阳辐射、宇宙线和大气电离层的变化等。表现为每日地磁要素的变化，分为平静变化和干扰变化两大类了。
平静变化经常出现，规律性强，又有确定的周期。一天之中，磁偏角变化约为几分，强度变化为几十伽玛。这种变化还随地理纬度和季节、时间的不同而有所不同。
人们普遍认为，地球磁场的这种变化是太阳微粒子辐射影响的结果。这种辐射使地球大气层中形成一个巨大的电离层。由于日照的昼夜变化，使电离层导电率随之发生变化，形成电流，电流感应磁场并造成地磁场的昼夜变化。
干扰变化，又称磁暴。它经常发生在北方，有时也可能波及全球。持续时间为几小时，有时长达1昼夜。磁暴出现时，磁场强度发生大幅度的跳跃式变化，变化幅度可达几千伽玛。磁针不停地摆动，罗盘无法测量。
磁暴常常引起自然灾害，如使电力线损坏、铁路通讯联系中断、大变电站发生事故等，尤其严重的是短波无线电通讯效果变坏，甚至无法进行，威胁着航海、航空及宇宙通讯的正常进行。
磁暴是太阳活动与地磁场相互作用所引起的一种复杂的地球物理效应。与太阳黑子周期相关，具有11个周期。在太阳黑子相对数为极大值的年代里以出现急始型磁暴为主；在黑子相对数为极小的年份里以出现缓始型磁暴为主，急始型磁暴在整个磁暴总数中约占75%。
伴随磁暴的发生，常常在高纬度地区出现极光。极光也是自然界中的一种奇迹，据说一次北极光的能量相当于美国一天所用的电力。