地球为何有磁场?这是个好问题。地球确实是一块磁铁,尽管它很弱。好的冰箱贴比它强200倍。作为一个非常粗略的近似,你可以把地球的磁场想象成一块位于地球中心的条形磁铁所形成的,它(磁铁)大致与地球自转轴一致,但倾斜了大约11度。这块条形磁铁的南北轴与地球表面相交的点称为地磁(南北)极。由于磁铁轴的倾斜,地磁南北极与地理南北极不在同一位置。
这张图说明了如何用条形磁铁的磁场近似地表示地球磁场。蓝线表示地球的旋转轴,地理上的北极和南极在顶部和底部。粉线表示具有南北磁极的条形磁铁方向。图片来源: JrPole, CC BY-SA 3.0.我们想象的条形磁铁的南极指向地球北方,而它的北极则指向地球南方。这就是为什么地球北方的地磁极实际上对应着磁南极,而地球南方的地磁极对应着磁北极。
对两极而言,这还不是全部。因为条形磁铁的图像只是一种近似,地磁南北极的图像也只是地球磁场真实磁极的近似。真实的磁极是地球上磁力线垂直向下处所指向的点。与地理南北极和地磁南北极不同,真正的磁极不是彼此正对着的,它们还彼此独立地移动。目前,北极的磁极似乎正以每年45公里的速度向西北方向移动。此外,地质记录显示地球的磁场甚至可以翻转。上一次发生这种情况是在大约78万年前。
2017年磁北极和地磁北极的位置,与地理北极一起显示在地图上。Figure: Cavit, CC BY-SA 4.0.磁场从何而来?没有人知道确切的答案,但公认的理论是地球像发电机一样运转。要理解这是如何工作的,首先要记住一些你可能在学校学过的物理知识。当你在磁场中移动导电材料时,材料中就会产生电流,这一过程被称为电磁感应。这一过程也发生在为自行车灯供电的发电机中。而与之相反,电流也可以产生磁场。
地球有一个坚固的内核,它的大小和月球差不多,但温度和太阳表面一样高。内核被液态的外核包围,外核主要由熔化的可以导电的铁水组成。地球深层发生的各种过程导致液态外核不断运动(液体对流)。
地球的内部结构 图片来源: Kelvinsong, CC BY-SA 3.0.为了搞清楚发电机理论,我们可以假设最初有一个磁场。不用担心这个磁场是从哪里来的(比如,它可能是由太阳风引起的),因为我们只需要它来启动“地球发电机”。由于导电液态外核在磁场内运动,其中产生了电流。由于地球的自转,这些电流呈螺旋状排列。