地球是一个天然的大磁体，地磁场的南极在地理北极附近，地磁场北极则在地理南极附近。我国古人很早以前就对地磁现象有所认识，中国古代四大发明之一的指南针，就是利用磁铁在地磁场中的南北指极性制成的。
历史上，第一个提出地磁场理论概念的是吉尔伯特，他在1600年提出一种观点，认为地球自身就是一个巨大的磁体，它的两极和地理两极相重合。这一理论确立了地磁场与地球的关系，指出地磁场的起因不应该在地球之外，而应在地球内部。
现在科学家们已基本掌握了地磁场的分布与变化规律，但是，对于地磁场的起源问题，学术界却一直没有给出一个圆满的答案。
目前，关于地磁场起源的假说归纳起来可分为两大类，第一类假说是以现有的物理学理论为依据，第二类假说则独辟蹊径，认为对于地球这样一个宇宙物体，存在着不同于现有已知理论的特殊规律。
属于第一类假说的有旋转电荷假说。它假定地球上存在着等量的异性电荷，一种分布在地球内部，另一种分布在地球表面，电荷随地球旋转，因而产生了磁场。这一假说能够很自然地通过电与磁的关系解释地磁场的形成；但是，这个假说却有一个致命缺点，它不能解释电荷是如何分离的。还有一个问题，地球表面的观测者与电荷一起随地球旋转，对于观测者来说，电荷处于相对静止状态，没有电荷运动，又谈何磁场呢？
属于第一类假说的还有漂移电流假说、热力效应假说和霍尔效应假说等，但是，这些学说都不能全面解释地磁场的奇异特性。
关于地磁场起源还有第二类假说，其中最具有代表性的就是重物旋转假说。
1947年，布莱克特提出任意一个旋转体都具有磁矩，它与旋转体内是否存在电荷无关。这一假说认为，地球和其他天体的磁场都是在旋转中产生的，也就是说，星体自然生磁，就好像电荷转动能产生磁场一样。但是，这一假说在试验上却遇到了一定困难，通过对天体的观测证明，每个星球的磁场分布状况都很复杂，尚不能证明星球的旋转与磁场之间存在着必然的依存关系。在现有的实验条件下，还没有观察到旋转物体产生的磁效应。
总之，关于地磁场的成因，学术界仍处在探索与争鸣之中，尚没有一个理论，能够对地磁场的起源做出具有说服力的解释。
在电磁学理论中，磁场的起源与电荷运动有关，例如，通电导体周围能够产生磁场。而在形态场假说中，则对电磁感应现象进行了更深层次的阐述，指出通电导体产生的磁场，显现的是原子的原子核磁场，其本质是原子核旋转质量场产生的一种效应。就是说，磁场与运动电荷之间没有必然的依存关系，静态原子也可以产生磁场。下面就以原子磁场理论为依据，来探讨地磁场的起源问题。
地磁场起源于地球内部，探讨地磁场的成因，要从地球的内部构造说起。根据地震波在地下不同深度传播速度的变化，一般将地球内部分为三个同心球层：地核、地幔和地壳。中心层是地核，中间是地幔，外层是地壳。地壳与地幔之间由莫霍面界开，地幔与地核之间由古登堡面界开。其中：地核还可分为外地核、过渡层和内陆核三层。外地核厚度约2080公里，物质大致成液态，可流动。过渡层的厚度约140公里。内陆核是一个半径为1250公里的球心，物质大概是固态的，主要由铁、镍等金属元素构成。地核的温度估计在5000℃以上，压力达1.32亿千帕以上。美国一些科学家用实验方法推算出，地幔与核交界处的温度为3500℃以上，外核与内核交界处温度为6300℃。
在地球的构造中，首先让我们来关注地球的核心——由铁、镍等金属元素构成的内陆核。
在高温高压状态下，内陆核中的金属原子将发生电离，失去核外电子变成正离子。金属的基本特性之一，是具有导电性。金属之所以具有导电性，是因为在外界电场作用下，金属原子的原子核一维电场能够联接起来，又称Q键链结，组成电桥，电桥具有传导电场能的功能。根据金属的导电性质推测，内核中的金属离子通过电场作用，能够自发地串联起来，构成Q键链结；与通电导体一样，在闭合的Q键链结回路中，有电场能循环流动。这些Q键链结以内陆核赤道面为基准平面，组成了无数的同心圆环，简称金属离子环流。这时，环流离子的原子核质量场则以一维电场为轴，向同一方向旋转，形成旋转质量场效应，在宏观上表现出来的就是磁场。这种由金属离子环流所形成的磁场，称内核磁场，磁场强度用B1表示。
简单地说就是，金属离子的一维电场线性链接，像环一样排布在内陆核之中，构成金属离子环流。环流离子的原子核在基准平面的两侧，形成了偶极磁场。参考图示如下：
在以往的地磁场起源研究中，人们曾提出过永磁体假说，认为地球内部可能存在着一个大的永久磁体；但是，这一假说却遇到了一个理论疑难，那就是温度问题。实验发现，铁磁质的磁化与温度有关，随着温度的升高，它的磁化能力将逐渐减小，当温度升到一定温度时，铁磁质的磁性就会完全消失，这个温度被称为居里温度。地核的主要成分是铁，居里温度为770℃，而内陆核的温度至少在6300℃以上，假如地核曾有过磁性, 也应该早已消失殆尽了。
内核磁场就是由金属物质构成的，内核磁场形成以后，磁场强度基本不发生变化，具有永磁体的性质。那么，在内核磁场模型中，又是如何解决温度疑难的呢？
永磁体是由中性原子构成的，在物体内部，原子通过有序化排列，一维电场线性联接，原子核质量场向同一方向旋转，以此形成了永磁体的磁场。当物体温度升高以后，原子的动能增大，原子的有序化排列遭到破坏，Q键链结断裂，原子核质量场旋转方向各异；因而，必然导致物体的磁性减弱，直至消失，这就是居里温度效应。而内核磁场是由磁性离子构成的，在磁场的形成过程中，高温并没有破坏磁性离子的有序化排列，而是促成了金属离子的诞生，所起的作用与居里温度效应相反，所以不存在温度疑难。
在内陆核中，原子电离产生了金属离子和电子，这两种粒子之间存在两种作用关系，一是电场作用，二是质量场作用。金属离子有序化排列，形成了正离子环流，而那些电子又将何去何从呢？
第一种可能性，假如这些电子通过一维电场加入了正离子的Q键链结，会产生怎样的结果呢？由于电子质量场与正离子质量场的旋转方向相反，电子加入Q键链结以后，虽然本条链结上的正离子不与其发生作用；但是，平行排列的Q键链结上的正离子对它产生排斥作用，电子根本无法在Q键链结上存续下去，将很快地被排挤掉。
第二种可能性，电子以游离态的形式存在，按照电子电场的取向不同，分别产生两种作用效应：
（1）如果电子电场方向与正离子链结的电场方向相同，那么，电子质量场与正离子质量场的旋转方向必然相反，二者产生排斥作用，其结果是，电子将从内核中直接被排挤出去。
（2）如果电子电场方向与正离子链结的电场方向相反，虽然电子质量场与正离子质量场的旋转方向相同，产生吸引作用；但是，由于正离子之间质量场作用力，大于正离子与电子之间质量场作用力，电子同样会被排挤出去。这种情形存在于脉冲星的外部壳层之中，属于一种“浮力”效应。
可见，原子电离产生的电子，无论如何都无法在内核中存在下去，不可能与正离子组成等离子体，只能是被排挤出内核之外，这是粒子质量场作用的必然结果，也是正负电荷分离的原因。
从内核逃逸出来电子，经由过渡层进入外地核，外地核是由硅等非金属元素所组成，电子与这些元素相结合生成负离子。与内陆核相同，外地核中的负离子也会通过一维电场作用串联起来，构成Q键链结，以赤道面为基准平面，在外地核中形成环流，简称负离子环流。环流离子的原子核质量场以一维电场为轴，向同一方向旋转，形成旋转质量场效应，宏观上表现为磁场。这种由负离子环流所形成的磁场，称外核磁场，磁场强度用B2表示。
地核以外是地幔层，在高温作用下，原子也处在电离状态。在质量场的作用下，地幔层中的正、负带电粒子也将发生分离，其中，电子将被外地核所吸收，只有正离子存在于地幔层之中。由于地幔半径较大，正离子分布密度较低，很难构成的Q键链结，形成的磁场极其微弱；因而，在考虑地球磁场的结构时，一般予以忽略不计。
总体来看，地球内部带电粒子分布是不均匀的，可分为三个带电区：内陆核为正电荷区，外地核为负电荷区，地幔为正电荷区。由于外地核汇集了内陆核和地幔两个区的负电荷，因而，外地核的带电量大于内核。又由于环流离子所形成的磁场强度与电量成正比，所以，正常情况下，外核磁场强度要大于内核磁场强度。
一般说来，带电粒子的运动方向，即是粒子的电场方向；因此，内核中正离子环流电场方向和外核中负离子环流电场方向是相同的，都与地球的自转方向保持一致。所不同的是，正、负离子环流质量场的旋转方向是相反的，因此，所形成的磁场方向正好相反。
对于正离子环流来说，磁场方向的判定适用于右手定则，即右手弯曲，让四指与环形电流方向一致，拇指指向则为磁场的N极方向。据此判断，内核磁场的N极在地理北极方向。负离子环流适用于左手定则，据此判断，内核磁场的N极在地理南极方向。在地球内部，内核磁场与外核磁场异极相联，形成闭合磁场。在内、外核磁场强度不同的情况下，其差额部分将对外表现出来，这就是我们感受到的地球磁场。用公式表示为：
B0= B2- B1
现阶段，外核磁场强度大于内核磁场强度，因而，地球磁场方向取外核磁场方向，即地磁场的N极在地理南极方向。同时，由于外核环流离子的旋转轴与地球的自转轴不在一条直线上，所以地磁场的两极与地理两极并不重合，而是存在着11.5°的夹角。
总之，地磁场起源于离子的一维电场静态环流效应，通过自发形式而形成，与超导体中的昂内斯持久电流（无损耗感应电流）形式相同。在电磁感应现象中，通电导体所产生的磁场强度与电流强度成正比。资料显示。地球表面磁场强度介于0.35～0.7奥斯特之间，有人计算过，与通电导体产生的磁场强度相比较，相当于109安培电流产生的磁场。
科学家们在对地磁场的研究中发现，地磁场是变化的，不仅强度不恒定，而且磁极也在发生变化，每隔一段时间就要发生一次磁极倒转现象。
早在二十世纪初，法国科学家布律内就发现，70万年前地磁场曾发生过倒转。1928年，日本科学家松山基范也得出了同样的研究结果。第二次世界大战后，随着古地磁研究的迅速发展，人们获得了越来越多的地磁场倒转证据。如岩浆在冷却凝固成岩石时，会受到地磁场的磁化而保留着像磁铁一样的磁性，其磁场方向和成岩时的地磁场方向一致。科学家在研究中发现，有些岩石的磁场方向与现代地磁场方向相同，而有些岩石的磁场方向与现代地磁场方向正好相反。科学工作者通过陆上岩石和海底沉积物的磁力测定，及洋底磁异常条带的分析发现，在过去的7600万年间，地球曾发生过171次磁极倒转。距今最近的一次发生在70万年前，正如布律内所指出的那样。[2]
地磁场为什么会发生磁极倒转现象呢？这是一个关于地球空间运动的课题，分析认为，导致磁极倒转的原因，不在地球内部，而是来自地球外部，与地球自转轴的摆动有关。
在地球的演化过程中，地球自转轴的空间指向并不是固定不变的，而是变化的，存在着规则摆动和不规则摆动。规则摆动包括两种：进动和章动，进动是一个长周期摆动，周期为26000年，章动是一个短周期摆动，主周期为18.6年。不规则摆动是指，在外来天体的作用下，如星体碰撞，使地球自转轴发生了翻转等非正常摆动。一般说来，规则摆动的累积效应，或进动和章动产生了共振效应，或地轴发生了不规则摆动，都可能引起地轴的大幅度摆动。如果地轴发生了大幅度摆动，那么，对于地磁场来说，会产生哪些变化呢？
地球并不是一个完全凝固体，在地壳和地核之间是液态物质——流动的岩浆。不难推测，当地球自转轴发生大幅度摆动时，地核并不能与之同步运动，地核自转轴的摆动总是滞后的。如此一来，地球内部岩浆类液态物质的自转运动就会出现混乱，由平行于赤道面的圆周运动，转向侧旋。当然，外地核的负离子环流也不例外，它的Q键链结也会发生断裂，原子核质量场的旋转方向不再保持一致；其结果是，外核磁场强度将逐渐减弱，直至归零。
地磁场属于一种双重结构的磁场，由内核磁场和外核磁场组合而成，如果外核磁场呈现减弱的趋势，那么，内核磁场效应就会逐渐显露出来。当外核磁场等于内核磁场强度时，B2=B1 ，B0=0；表示地磁场消失。当外核磁场强度小于内核磁场时，B2＜B1 ，B0＜0；意味着内核磁场取代了外核磁场，成为地球主磁场，地磁场的N极在地理北极方向，即发生了磁极倒转现象。
据测定，地磁场发生倒转前有明显的预兆，地球的磁场强度减弱直至为零，随后，约需一万年的光景，磁场强度才缓缓恢复，但是，磁场方向却完全相反。目前，地球磁场强度有逐渐减弱的趋势，在过去的4000年中，北美洲的磁场强度已减弱了50%。
磁极发生倒转后，外核磁场消失，这种状况并不会长久维持下去，当地轴摆动能量释放出来以后，地球将确立新的极点。经过一段时间演化，地球内部液态物质的自转运动逐渐恢复到正常状态，在外地核中，负离子重新进行Q键链结，组成负离子环流，形成外核磁场。随着外核磁场强度的增加，外核磁场将取代内核磁场，成为地球的主磁场，地磁场的N极方向重新指向地理南极。至此，地磁场完成了一次磁极倒转循环。
磁极倒转不是一个孤立事件，地轴摆动必然引起全球性的灾难。美国芝加哥大学古生物学家塞普考斯基和劳普，在整理资料时发现，海洋生物大灭绝每隔2600万年就发生一次。这是无法用已知的“地质循环”理论解释的周期现象。包括史前大洪水的传说，大西洋中亚特兰蒂斯沉没事件等，都与地轴大幅度摆动有关。
追溯地球大灾变原因，天体物理学家穆勒等人设想，同银河系中大多数恒星一样，太阳也应该有伴星，可能是一颗昏暗的红矮星。当它每隔2600万年运行到离太阳最近点时，就会扰乱太阳系外围的奥尔特彗星云，一些彗星就会以螺旋方式飞向内行星，使地球遭受到周期性大袭击，恐龙就是这样灭绝的。穆勒把这颗假想中的太阳伴星命名为纳梅西斯，即希腊神话中的复仇女神。但是，穆勒所组织的天文观测结果并不理想，至今没有搜寻到纳梅西斯的踪迹。
联系客服
