地球之盾在飛翔。
大約2000年前的戰國時期，我們的祖先發現天然磁鐵可以穩定地指示地面的絕對方向，於是發明了新浪，初步體驗了地球中的壹種神秘力量。在隨後的1000年裏，人們逐漸學會了在更多的領域利用這壹現象。到了宋代，他們已經在航海中廣泛使用了靈巧的羅盤和指南針導航，為後來鄭和和哥倫布實現遠洋航行提供了重要的技術支持。隨著全球航海的繁榮和電磁學的建立，人們發現指南針的奧秘在於地球本身就是壹塊大磁鐵。正是因為這塊大磁鐵的磁極方向恰好穩定在靠近地球自轉軸的方向，所以它在地球表面大部分區域的磁場方向近似代表了地面的南北朝向。
如果說地磁導航的使用對人類來說不是必不可少的，因為我們也可以利用恒星和慣性導航，那麽進入20世紀後，人們進壹步發現，地球磁場其實為人類乃至地球上的所有生命提供了至關重要的保護。甚至可以說，如果地球沒有這個大磁鐵產生的磁場，生命幾乎不可能在地球上出現和生存，因為地球磁場阻擋了大部分來自太空的帶電“子彈雨”。
地球的生命之盾
是美麗的極光第壹次讓人們發現了地磁場的這種保護作用。通過仔細觀察高緯度地區天空中常見的夢幻般的極光，發現它們是來自漫天的宇宙高能帶電粒子雨沖擊大氣分子而產生的發光現象。這種宇宙射線主要來自太陽，同時也包含了來自各個方向的宇宙射線，所以我們應該可以在面向太陽的赤道上空看到更多的極光。為什麽我們只能在極地附近的高緯度地區看到它們？正是由於地磁場的作用，帶電粒子進入地磁場後沿著磁力線沖向南北極，使得粒子雨只在高緯度地區降落。
宇宙高能粒子擊中生命大分子後具有強大的破壞作用。雖然它們被厚厚的大氣層阻擋，但高流量的太陽風宇宙射線仍然可能直接撞擊地面。所以在高緯度看極光不是很危險嗎？1958年2月，美國在其第壹顆人造衛星“探索者1”上裝備了蓋革計數器測量宇宙射線強度，回答了這個問題。科學家發現，當衛星高度在600公裏以下時，計數器的測量結果仍然正常，但當衛星到達800公裏以上的高度時，計數器立即進入飽和狀態，甚至無法正常工作。因為只有當測得的宇宙線強度比預期的大15000倍時，計數器才能達到飽和，所以這個結果意味著在地球上空800公裏左右的高度存在壹個充滿太陽風和宇宙線的強帶。美國物理學家J·A·範艾倫認為，這種環繞整個地球的高輻射帶之所以形成，是因為太陽風和宇宙射線粒子在接近地球時被地磁場捕獲，從而穩定地封閉在地球上方的某個區域，所以大部分帶電粒子實際上是被地磁場滯留在這壹帶，而不是散射到地球。後來大規模的衛星探測證明了這個理論假設，也發現地球的輻射區分為內輻射區和外輻射區，它們對稱分布在地磁場的兩側，而不是在高磁緯區上空。
更全面的衛星觀測表明，地球磁層起始於地面以上約600-1000公裏。在面向太陽的壹面，磁層的磁力線也在太陽風的影響下被壓縮到地面，形成半球形的包層，稱為磁層頂區。在背對太陽的壹側，向外延伸到大約10倍地球半徑的地方，稱為磁層尾區。
所以，我們還是要慶幸地球有強大的地磁場，可以把直沖地面而來的致命粒子雨偏轉到繞著地球轉，再漏壹點飛到極地，讓我們可以放心地欣賞絢麗的極光。
然而，人們在慶幸的同時，卻驚訝地發現，這個產生巨大地磁場來小心保護地球的地球磁鐵，其實並不穩定，而是壹直在地球內部運動，其對應磁場的大小和方向壹直在變化。在地球漫長的歷史中，這種運動導致地球磁極不斷反轉。這讓人擔心這種地球磁場方向和強度的變化是否會影響我們的生存。畢竟是地球上所有生命的救生盾！
彩色磁場
大約400年來，人們在世界各地記錄了當地地磁場的方向和強度。後來科學家發現，在大陸和海底的火山熔巖和地質沈積物中，可以找到更長歷史時期的地磁記錄。這些數據都告訴我們，地球磁場的空間分布是非常復雜的，反映出它的產生機制也是非常復雜的，絕不能簡單地想象成是壹個南北向的磁棒發出來的；地磁場的方向和強度在漫長的歷史中隨時間的變化也充滿了未解之謎。
大約從400年前開始，活躍在全球海洋的航海家學會了隨時隨地記錄地磁方向或強度；在20世紀，科學家們在世界各地進行了地磁場測量，或者利用人造衛星從太空進行大規模觀測。通過收集所有這些數據，我們可以繪制出全球地表磁場分布的400年歷史圖。從這張地圖中我們可以發現，在這400年間，雖然主南北極的位置也有壹定程度的變化，但更引人註目的是，地球表面散布著壹系列相對較弱的磁極，它們主要沿赤道交替分布，這些磁極以平均每年約17公裏的速度沿赤道向西移動。雖然這些弱磁極產生的磁場強度只有南北磁極產生的地磁場強度的10%左右，但它們應該與南北磁場具有相同的起源，這些弱磁極的運動與南北磁極的運動壹起，應該構成了整個地球磁場變化的不同方面。
壹般認為地磁場是地幔下和地核外層的高溫液態鐵鎳環流造成的。通過對天然或人工地震波的測量，發現地核外層是溫度最高的液態鐵鎳合金。在高溫下，液態金屬產生對流和循環，形成類似金屬絲線圈的結構，從而產生電流和磁場。這樣，地球主南北磁場當然表明存在壹個主金屬環流，而地表其他地方出現的磁極也表明存在壹些可以形成磁極的次生金屬流。因此，科學家推測弱磁極沿赤道西移的可能機制有兩種:壹種可能是存在壹種將地核流體沿赤道西移的過程，稱為赤道急流，其中產生的金屬流導致了弱磁極的移動，這種沿赤道西移的過程在旋轉對流系統的實驗室研究中也有發現；另壹種可能是壹種叫做MAC波的機制，它結合了對流、磁場不穩定和地球自轉，然後這種MAC波的傳播導致了弱磁極的運動。
目前還很難判斷哪種機制更真實。這種弱磁極運動在整個地球歷史中是否持續時間較長，是否與南北主磁極以45萬年左右的周期反轉有關，目前仍有很大爭議。由於人類對地球內部的了解不如對月球表面的了解，我們不得不更全面地監測地球表面豐富多彩的磁場變化，尋求更多來自地球深處的信息。
流浪的磁極和無憂無慮的地球
弱磁極漂移的同時，主南北磁極也在漂移。因為火山熔巖和沈積物的成巖年齡可以通過地質方法確定，成巖期的磁場作用痕跡被固化，然後通過測量火山熔巖和沈積物中留下的磁場作用痕跡，就可以確定某個歷史時期當地的地磁情況。通過這次地質學和地磁的研究，科學家們對3000年和500萬年兩個時間段的地磁變化有了詳細的了解。
但與近幾百年才開始的直接地磁測量相比，用地質方法間接測量幾百萬年的地磁場有壹定的局限性。對於火成巖來說，絕對的地磁場強度是可以測量的，但是地球上火成巖的分布範圍是有限的，時間分布範圍也是有限的。對於分布較廣的沈積物，只能測出相對地磁強度，沒有同壹地點沈積物的長期地磁記錄。直到10年前，壹批科學家才首次報道了覆蓋時間範圍高達400萬年前的沈積物地磁記錄，並發現在這400萬年間，地磁磁極發生了多次反轉，肯定了20世紀60年代已經得到的壹個結論，即磁極反轉期間磁場強度會減弱。最近，在海底鉆探項目(ODP)中，通過對非常高沈降率巖心的分析，獲得了非常清晰的80萬年的地磁強度記錄，再次確鑿地表明，在地磁極反轉期間，地磁強度會減弱。
與此同時，另壹組科學家還發現了比火成巖更能記錄絕對磁場強度的樣品，即壹種海底玄武巖狀玻璃(SBG)，並由此獲得了500萬年絕對磁場強度的記錄，大大增加了我們對這壹時期地磁演化歷史的認識。
這些證據表明，地磁強度的變化和地磁極位置的變化之間應該存在壹定的關系，為了更好地理解這種關系，我們需要獲得更多的同時顯示磁極位置和磁場強度的記錄。最近，壹批科學家發現，地磁強度與地球的空間運動狀態存在周期性的相關性，如地球繞太陽軌道的偏心率、軌道平面的傾角和地球的歲差，這不壹定是巧合。雖然目前對這壹現象的解釋仍有爭議，但將磁極位置的變化與磁場強度的變化聯系起來是壹個很好的線索。
總的來說，目前我們還不能在地磁歷史的強度數據和方向數據之間建立太多的關系，但這並不妨礙我們對了解地磁場的復雜起源有更多的信心。目前，越來越多的科學家認為，地磁場方向和強度的變化不僅是由於地幔底部和地核外層的相互作用，還受到地球自身自轉和軌道運動的影響。所以，地球各地磁極的流浪，其實和地球自身在太空中的流浪密切相關。那麽地球磁極方向和磁場強度的變化直接導致地球外部磁場的變化。可以想象，自從地球誕生並圍繞太陽旋轉以來，她壹定是帶著地磁場的盾牌在跳舞，在行走。然而，這種舞蹈會對我們在地球上的生存產生什麽後果，還有待於科學家們的進壹步研究。