1909年1月16日，是人类探索地球磁场历史上的一个重要里程碑。在这一天，由著名探险家欧内斯特·沙克尔顿领导的“尼姆罗德探险队”历经千辛万苦，最终抵达并确定了地球南磁极的位置。这一壮举不仅是对人类勇气和毅力的极大考验，也为当时的地球物理学研究提供了宝贵的实地观测数据。

著名探险家欧内斯特·沙克尔顿

图片来源：国家地理中文网

地球磁场，它像一道无形的屏障，保护着地球上的生命免受太阳风暴和宇宙射线的伤害。但如此强大的磁场究竟从何而来？值此地球南磁极被发现117周年之际，让我们进入地球内部一探究竟。

地球磁场抵御太阳风暴

图片来源：中科院物理所公众号

巨大发电机

地球有磁场，所以地球是一块巨大的磁铁？这话还真没错，只不过，地球不是永磁铁，而是电磁铁。也就是说，地球磁场并非源自地球内部永久磁化的岩石，而是由地球外核中液态金属的复杂运动所产生的电流所激发和维持的。这一过程类似于一个巨大的、自维持的发电机，将地球内部的热能和机械能转化为电磁能，因此科学家们提出了被广泛接受的“地球发电机理论”。

地球磁场示意图

图片来源：NASA

熔融“引擎”

地球发电机理论的物理基础建立在地核的结构和物质状态之上。地球的核心由两部分组成：一个固态的内核和一个液态的外核。外核主要由铁、镍等导电金属构成，其厚度约为2200公里，温度极高，足以使这些金属保持熔融状态。正是在这片浩瀚的液态金属海洋中，发生着驱动地球发电机运转的关键过程——对流运动。对流是一种热量传递方式，当流体底部受热不均，导致部分流体密度减小而上升，而较冷的流体密度增大而下降时，便形成了对流环流。地球外核中的对流运动异常剧烈和复杂，其驱动力主要来自两个方面：一是地核内部向外传递的热量，即热对流；二是随着地球冷却，内核不断结晶，将较轻的元素释放到外核中，导致局部密度变化，即成分对流。这两种对流模式的结合，为液态金属的剧烈运动提供了源源不断的能量，从而构成了地球发电机的“引擎”。

地核热对流（左）与成分对流（右）示意图

图片来源：Physics Today

开始发电，形成磁场

尽管对流运动为地球发电机提供了能量，但仅有对流还不足以产生一个具有稳定偶极子结构（即类似一个条形磁铁，有明确的南北磁极）的全球性磁场。接下来就要有请地球发电机理论的另一个关键角色——地球自转。地球的自转通过一种名为“科里奥利力”的效应，持续影响着外核中液态金属的流动方式。科里奥利力是一种惯性力，它作用于在旋转参考系中运动的物体，使得原本垂直的运动发生水平偏转，并逐渐形成围绕垂直轴旋转的涡旋。在地球这个巨大的旋转系统中，科里奥利力使得北半球的运动物体向右偏转，南半球的运动物体向左偏转。这种效应不仅在塑造大气环流和洋流中起着决定性作用，同样在地球内部，它也对外核的流体运动起着至关重要的组织和导向作用。

在地球外核中，由热力和成分驱动的对流运动本身是杂乱无章的，各个方向的运动相互抵消，难以形成大规模的、有组织的环流。然而，地球的自转改变了这一局面。当液态金属因对流而运动时，会受到科里奥利力的作用，使其运动方向发生偏转。这种效应与地球自转紧密相关，它能将杂乱的流动组织起来，形成旋转轴大致与地球自转轴平行的柱状涡旋（泰勒柱）。在合适的流体运动模式下，这些电流所产生的磁场，恰好能够补充和增强原有的磁场，从而形成一个自我维持、不断放大的正反馈循环，最终建立起强大的全球偶极磁场。

地球发电机产生地球的磁场示意图

图片来源：Wikipedia

地球发电机理论不仅解释了地球磁场成因，还具有深远的实践意义。在导航领域，磁偏角的精确校正是所有专业导航图和GPS设备的基础；在行星科学中，地磁场研究为板块构造学说提供了关键证据；在空间天气预警方面，地磁场形成的磁层顶保护着地球生命免受太阳风和宇宙射线的伤害。这场持续数十亿年的电磁交响曲，不仅保护了地球生命，更成为科学家探索地球内部奥秘的钥匙。随着研究的深入，未来我们必将揭开更多关于这颗蓝色星球的神秘面纱，在星辰大海的探索中走得更远。

我国首颗地球物理场探测业务卫星“张衡一号”02星，可稳定获取、动态更新全球地磁场和电离层模型数据

图片来源：北京航空航天大学

参考资料：

https://mp.weixin.qq.com/s/NbyWuHPM3UgeLS15qqcDyg?scene=1&click_id=4

https://www.ebsco.com/research-starters/science/earths-magnetic-field-origins

https://physicstoday.aip.org/features/the-geodynamos-unique-longevity

来源：蝌蚪五线谱

编辑：网络科普部 嘉铭

审核：网络科普部 艺雯