你得以存在的力量之一是磁力。如果不是我们星球周围的磁场阻挡了宇宙辐射和太阳风，地球可能几乎没有大气层。生命（至少是人类生命）将不可能存在。
磁场的变化也会严重干扰卫星通信和电力基础设施，对现代世界造成巨大破坏。鉴于这种巨大的棒状磁铁在我们的日常生活中至关重要，了解它是如何工作的——以及何时失效——是值得的。
地球磁场的来源
由于磁场是由我们星球深处的地质活动维持的，我们首先来概述一下它的结构。
尽管我们几乎没有触及地球表面（地心深达近4,000英里，最深的钻孔也只深入了7.6英里），科学家们可以通过地震的帮助来研究内部：当地震波涟漪般穿过时，其速度和方向的变化提供了大量关于不同层可能构成的数据。
岩石地壳根据位置不同，延伸到地表以下5英里到40英里。下面是1,800英里的大部分固态地幔，再下面是1,400英里的熔融外核，最后，一个致密的球体构成了固态内核。
对我们来说重要的是外核。它主要由铁和镍组成，重要的是，它们呈流体状。当炽热的内核向外辐射热量时，它驱动着外核中湍急的对流。所有这些熔融金属都导电，因此当它移动时会产生电流，进而产生磁场。
正如你可能从物理学101中学到的，变化的磁场（例如当你将一个棒状磁铁滑过一个铜线圈时）会产生电流。在行星尺度上，地球的磁场产生这样的电流，进而再生磁场，从而产生更多的电流，如此循环，形成一个被称为地磁发电机（geodynamo）的自维持过程。
德国物理学家沃尔特·埃尔萨瑟（Walter Elsasser）首次提出了这种机制，现已广为接受。有一天，他把这个想法告诉了他的朋友阿尔伯特·爱因斯坦，后者以对简洁科学解释的严格要求而闻名。当埃尔萨瑟总结出这个（ admittedly messy）假设时，据报道爱因斯坦告诉他，这个假设太复杂了，不可能实现。
“这一次，”德国历史学家F. Krause写道，“这位伟人对简洁的渴望似乎误导了他。”
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为什么地球磁极会反转？
今天，磁场或多或少地与地球的自转轴对齐（每个磁极都偏离地理两极约11度）。但它并非固定不变——地磁发电机复杂的运动导致磁极漂移，而且每隔一段时间地球的磁极会完全反转——磁北极和磁南极互换位置。（当然，地理南北极保持不变）
这些逆转显然是随机的。它们可能每10,000年发生一次，也可能数百万年不发生。上一次逆转发生在780,000年前。我们之所以知道它们，是因为一些火山岩与地球磁场对齐，保留了它们冷却时磁场的特征。因此，如果我们能确定岩石的年代，就能分辨出那个时代的南北极。
逆转并非瞬间发生，而是经历数千年，磁场逐渐减弱。尽管自19世纪30年代科学家开始监测以来，地球表面的磁场强度已下降了约10%，但没有理由认为逆转迫在眉睫；古地磁记录显示，在极性转换过程中，强度会下降高达90%。
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磁场如何保护我们
我们都应该庆幸生活在一个磁场稳定的时代，因为磁场就像一个保护性气泡，与地球大气层最外层之外的有害粒子相互作用。它偏转了不断从太阳和其他恒星穿过太空的宇宙射线。
尽管如此，它也不是一个完美的屏障。有时太阳会喷发出大量的磁化太阳等离子体，称为日冕物质抛射，这可能会对磁层造成重大干扰。
这些地磁暴可能会干扰GPS系统，并损坏电网和管道等大型导电系统。同时，它们也产生了美丽的极光，就像2024年5月让北美目眩神迷的那一场。
文章来源
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美国国家航空航天局。地球无形磁场的表现
大英百科全书。发电机
宇宙发电机：在波茨坦举行的国际天文学联合会第157次研讨会论文集。宇宙发电机：从t=-无穷大到考林定理。历史回顾
美国国家航空航天局。翻转：为什么地球磁场的变化没有导致今天的气候变化
美国地质调查局。地球磁场是否会偶尔反转极性？
美国国家海洋和大气管理局。日冕物质抛射
美国国家海洋和大气管理局。地磁暴
