为什么地球会有磁极？

罗盘的指针为何总是指向北方？

答案是磁北极。罗盘指针受到地球北极附近强大磁力的吸引。不过，磁北极的位置并非地理上的北极点，而是位于地球磁力场的顶端。

地球的磁场环绕整个星球，并延伸至太空。它起源于地下约2900千米深处，由不同层次构成。地球核心大小接近月球的三分之二，温度可达约5500摄氏度，但巨大的压力使其保持固态。核心外层是厚约2200千米的液态金属层，主要由熔融的铁和镍组成。

这层液态金属持续运动：核心热量使其上升，冷却后下沉。地球自转则推动这些流动形成涡旋。由于液态金属导电，这种运动产生电流，从而形成了地球主要的磁场。地壳中的磁性矿物和潮汐运动也会产生较弱的局部磁场。

地球整体磁场类似于一根条形磁铁（称为偶极场），拥有南北两个磁极。磁力在两极最强，磁力线从南极发出，环绕地球后汇聚于北极。

距离地表50千米以上的区域称为电离层，其中的原子被太阳风和宇宙射线剥离了电子（成为离子）。地球磁场能偏转大部分来自太阳的带电粒子流，使其绕过地球。但太阳风会扭曲地球磁场：面向太阳的一侧（昼侧），磁场被压缩；背向太阳的一侧（夜侧），磁场被拉长，形成一条可延伸至地球半径数百倍的磁尾。作为对比，地心到月球轨道的距离约为地球半径的60倍。

磁场会导开不断源自太阳的危险粒子

有时，太阳表面会发生更剧烈的爆发活动（太阳风暴），冲击地球的磁层屏障。然而，磁场线会将入侵的带电粒子引导向两极区域。这些粒子在那里与大气中的分子碰撞。氧气分子受激发会发出黄绿色光，氮气分子则发出红色或紫蓝色光，这就是我们看到的极光现象。

从太空中看到的绿色极光是由宇宙粒子撞击磁场所致

地球磁场对生命的作用

地球磁场保护地球上的生命免受太阳持续喷发出的等离子体和带电粒子的伤害。如果没有这个保护层，太阳风会破坏地球的大气层，首当其冲的是阻挡紫外线的臭氧层。

地质证据表明，地球内部产生磁场的机制至少在34亿5000万年前就开始运行了。当地球炽热的液态内核最终冷却并凝固时，地球的磁场最终会消失——就像很久以前在火星上发生的那样。虽然地球上的这种情况还要数十亿年后才会出现，但这并不意味着地球磁场是稳定的。即使是地核温度或液态金属流动的微小变化，也会引起磁场的显著改变。

磁极移动

首先，地球的磁极位置会移动。目前，磁北极正从加拿大向俄罗斯西伯利亚方向漂移，并且移动速度在加快。过去，磁北极平均每年移动15千米，但自20世纪90年代中期以来，其移动速度已增加到每年约55千米。确切原因尚不清楚，但可能与地核液态铁的高速流动有关。

磁北极的快速移动超出了科学家的预期。2019年，研究人员不得不提前一年更新了全球磁场模型（World Magnetic Model，该模型用于军事和智能手机定位系统）。如果不更新，北极地区的导航可能会出现较大偏差。许多动物（如蜜蜂、鸽子和海龟）依赖磁场进行导航。磁极位置的突然变化可能会干扰它们的导航能力，影响它们寻找繁殖地或觅食区域。不过，动物和我们人类一样，最终会适应这种变化。

磁场强度变化与磁极反转

地球磁场的强度也在变化，每年在不同区域有增有减。有证据表明，全球磁场强度在过去的160年里持续减弱，这可能与非洲下方的高密度岩石影响地核流动有关。

最引人注目的变化是磁极反转。当地核内部的物理或化学状态发生剧烈变化时，地球的南北磁极会发生颠倒。这种情况在地球历史上已经发生过数百次——但最近一次是在大约78万年前。磁极反转的过程非常缓慢，通常需要数千年时间。如果未来发生磁极反转，人们可能会发现罗盘指针不再指向北方，而是指向南方。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：沈萍 中国地震局地球物理研究所研究员