第二章 地磁場
地磁場對人類的生存和活動都有著重要意義。行軍、航海利用地磁場對指南針的作用來定向。人們還可以根據地磁場在地面上分布的特徵尋找礦藏。地磁場的變化能影響無線電波的傳播，當地磁場受到太陽黑子活動而發生強烈擾動時，遠距離通訊將受到嚴重影響，甚至中斷。假如沒有地磁場，從太陽發出的強大的帶電粒子流（通常叫太陽風），就不會受到地磁場的作用發生偏轉而直射地球。在這種高能粒子的轟擊下，地球的大氣成份可能不是現在的樣子，生命將無法存在。所以地磁場這頂「保護傘」對我們地球生命來說至關重要。
§1 指南針
每塊磁鐵兩頭都有不同的磁極，一頭叫S極，另一頭叫N極。我們居住的地球，就可以看作是一塊天然的大磁體，在地球南北兩頭也有不同的磁極，靠近地球北極的是S極，靠近地球南極的是N極。我們知道，同性磁極相斥，異性磁極相吸引，所以，不管在地球表面的什麼地方，拿一根可以自由轉動的磁針，它的N極總是指向北方，S極總是指向南方，這個磁針，我們把它叫做指南針。
二千多年以前，也就是中國的春秋戰國時候，中國人已經用鐵來製造農具了。人們在尋找鐵礦的時候，就發現了磁鐵，並且知道它能夠吸鐵。秦朝的時候，還有這樣有趣的傳說，秦始皇統一中國之後，在陝西鹹陽造了一個很大的阿房宮，阿房宮中有一個磁石門，完全用磁鐵造成。如果有誰帶著鐵器想去行刺，只要經過那裡，磁石門就會把這個人吸住。
根據中國古書記載，漢武帝時候，膠東有個欒大，獻給漢武帝一種鬥棋。這種棋子一放到棋盤上，就會互相碰擊，自動鬥起來。漢武帝看了非常驚奇。原來欒大的棋子是用磁石做的，所以有磁性，能互相吸引碰擊，只是漢武帝不懂其中道理罷了。
北宋時，曾公亮在《武經總要》載有製作和使用指南魚的方法：「用薄鐵葉剪裁，長二寸，闊五分，首尾銳如魚型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒尾數分則止，以密器收之。用時，置水碗於無風處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也。」這是一種人工磁化的方法，它利用地球磁場使鐵片磁化。即把燒紅的鐵片放置在子午線的方向上。燒紅的鐵片內部分子處於比較活動的狀態，使鐵分子順著地球磁場方向排列，達到磁化的目的。濽入水中，可把這種排列較快地固定下來，而魚尾略向下傾斜可增大磁化程度。人工磁化方法的發明，對指南針的應用和發展起了巨大的作用。在磁學和地磁學的發展史上也是一件大事。北宋的沈括在《夢溪筆談》中就提到另一種人工磁化的方法：「方家以磁石摩針鋒，則能指南。」按沈括的說法，當時的技術人員用磁石去摩擦縫衣針，就能使針帶上磁性。從現在的觀點來看，這是一種利用天然磁石的磁場作用，使鋼針內部磁疇的排列趨於某一方向，從而使鋼針顯示出磁性的方法。這種方法比地磁法簡單，而且磁化效果比地磁法好，摩擦法的發明不但是世界上最早，而且為有實用價值的磁指向器的出現，創造了條件。
指南針的發明是中國人，在長期的活動中對物體磁性認識的結果。由於生產過程中，人們接觸了磁鐵礦，開始了對磁性質的了解。人們首先發現了磁石引鐵的性質。後來又發現了磁石的指向性。經過多方的實驗和研究，終於發明了可以實用的指南針或羅盤。
指南針一經發明很快就被應用到軍事、生產、日常生活、地形測量等方面，特別是航海上。指南針在航海上的應用有一個逐漸發展過程。成書年代略晚於《夢溪筆談》的《萍洲可談》中記有：「舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦則觀指南針。」這是世界航海史上最早使用指南針的記載。文中指出，當時只在日月星辰見不到的時候才使用指南針，可見指南針剛開始使用時，使用還不熟練。二十幾年後，許兢的《宣和奉使高麗圖經》也有類似的記載：「惟視星鬥前邁，若晦冥則用指南浮針，以揆南北。」到了元代，指南針一躍而成海上指航的最重要的儀器了。不論晝夜晴陰都用指南針導航了。而且還編制出使用羅盤導航，在不同航行地點指南針針位的連線圖，叫做「針路」。船行到某處，採用指針位方向，一路航線都一一標識明白，作為航行的依據。
沈括在他的《夢溪筆談》中還提到他對指南針的用法做過四種試驗，即水浮法、縷懸法、指甲法和碗唇法。「水浮法」是把指南針放在有水的碗裡，使它浮在水面上，指示方向。「縷懸法」就是在磁針中部塗上一些蠟，上面粘上一根絲線，把絲線懸在木架上，針下安放一個標有方位的圓盤，靜止時鋼針就指示南北。「指甲法」就是把鋼針放在手指甲面上，輕輕轉動，由於手指甲的光滑，磁針就和司南一樣也能發生指南作用。「碗唇法」是把磁針放在光滑的碗邊上，轉動磁什，便和指甲法一樣發生指南作用。沈括經過精密的觀察實驗，還發現磁針指示的方向並不是正南正北，而是微偏西北和東南，這種發現在科學上叫「磁偏角」的發現。
中國「四大發明」之一的指南針，輾轉傳入歐洲後在航海史中發揮出不可替代的作用。但是科學史清楚，最早解答「指南針為何能夠指南」問題的並不是中國人，而是英國科學家吉爾伯特。
「中國最早的指南針理論，是建立在陰陽五行學說基礎上的『感應說』。」沈括還對指南針感到匪夷所思，他的《夢溪筆談》介紹了指南針的人工磁化方法、磁偏角的發現和指南針的架設方法，但對指南針為什麼會指南卻沒有一點概念—「磁石之指南……莫可原其理！」隨後，文人學者們從陰陽五行學說出發，結合當時人們對大地形狀的認識，提出各種指南針理論。例如，最晚成書於宋代的《管氏地理指蒙》，首先提出如下邏輯：「磁針是鐵打磨成的，鐵屬金，按五行生剋說，金生水，而北方屬水，因此北方之水是金之子。鐵產生於磁石，磁石是受陽氣的孕育而產生的，陽氣屬火，位於南方，因此南方相當於磁針之母。這樣，磁針既要眷顧母親，又要留戀子女，自然就要指向南北方向。」
從近代物理學的觀點來看，「管氏理論」完全異想天開，但從事物的屬性出發解釋其行為，在東西方科學史上都是常用的做法。我國古代陰陽學說昌盛，用陰陽學說闡釋指南針指南及「常微偏東」的原理，是再自然不過的事情。特別是，該理論認為磁石不同端面有不同屬性，它們決定磁針的指向，這種說法很容易啟發人們發現磁石的兩極，並進一步聯想到磁極與磁針指向之間的關係，從而為正確認識這一問題找到可能的途徑。
南宋人的指南針原理，仍認為「指南針之所指，即陽氣之所在」，只是圍繞磁偏角現象，立論依據更多轉向地理方位的坐標系統—中國古人認為地是平的、大小有限，這樣地表面必然有個中心，過該中心的那條子午線就是唯一的南北方向。南宋人曾三異等認為，一但測量地點不在這條南北線上，指南針所指向「少偏」。到明代，有人假託南唐人著作指出，指南針由大地方位系統決定，而偏角則由天體方位劃分系統所決定。這種說法「體現了傳統指南針理論在陰陽感應學說和磁偏角的存在這一矛盾面前所表現出來的窘迫」。
明萬曆年間（公元1573～1620年），傳教士來華，帶來西方的指南針理論、地球學說以及相關許多科技知識。受其影響，中國學者開始從新的視角探討指南針理論問題，在此過程中，陰陽五行的作用不斷淡化，力學角度的分析不斷增加，傳教士中，1658年抵華的比利時耶穌會教士南懷仁的指南針理論最為系統，但他認為決定磁針指向的是地理南北兩極本身，理論仍然局限在古代科學的範圍，而不像吉爾伯特認識到地球本身存在一個磁體。南懷仁理論在中國影響深遠，直到19世紀中葉，我國仍有學者用它解釋指南針問題。而此時，清末來華的傳教士已開始著手把西方近代磁學知識介紹到中國了。
中國古人認為，人的氣場受宇宙的氣場控制，人與宇宙和諧就是吉，人與宇宙不和諧就是兇。於是，他們憑著經驗把宇宙中各個層次的信息，如天上的星宿、地上以五行為代表的萬事萬物、天幹地支等，全部放在羅盤上。風水師則通過磁針的轉動，尋找最適合特定人或特定事的方位或時間。儘管風水學中沒有提到「磁場」的概念，但是羅盤上各圈層之間所講究的方向、方位、間隔的配合，卻暗含了「磁場」的規律。
羅盤的發明和應用是人類對宇宙、社會及人生的奧秘不斷探索的結果。羅盤上逐漸增多的圈層和日益複雜的指針系統，代表了人類不斷積累的實踐經驗和對事物的某些感覺。
§2 地磁場基礎
地球磁場，顯然是指南針的理論基礎，磁現象是最早被人類認識的物理現象之一。磁場是廣泛存在於地球、恆星(如太陽)、星系（如銀河系）、行星、衛星、以及星際空間和星系際空間。為了認識和解釋其中的許多物理現象和過程，必須考慮磁場這一重要因素。在現代科學技術和人類生活中，處處可以遇到磁現象，發電機、電動機、變壓器、電報、電話、收音機、電視機、磁記錄器以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測量儀表等無不與磁現象有關。甚至在人體內，伴隨著生命活動，一些組織和器官內也會產生微弱的磁活動。電磁現象亦是人類相當熟識的自然現象之一。
地磁場簡言之是偶極型的，近似於把一個磁鐵棒放到地球中心，使它的N極大體上對著南極而產生的磁場形狀。地球的磁性, 是地球內部的物理性質之一。先把地球看成是一個大磁體, 在其周圍形成磁場, 即表現出磁力作用的空間, 稱作地磁場。它和一個置於地心的磁偶極子的磁場十分相似, 這是地磁場的最基本特性。地磁場強度很弱, 這是地磁場的另一特性, 在最強的兩極其強度不到10-4(T，特拉斯), 平均強度約為0.6x10-4(T), 而它隨地點或時間的變化就更小, 因此常用(nT) 納特, 即10 -9(T)作為磁場強度單位。
威廉·吉爾伯特（William Gilbert，公元1540年～1605年）英國伊莉莎白女王的御醫、英國皇家科學院物理學家。主要用觀察、實驗方法科學地研究磁與電的現象，並用多年的研究成果，於1600年在倫敦寫成名著《論磁》。
《論磁》共有六卷，書中的所有結論都是建立在觀察與實驗基礎上的。著作中記錄了磁石的吸引與推斥；磁針指向南北等性質；燒熱的磁鐵磁性會消失；用鐵片遮住磁石，它的磁性將減弱。他研究了磁針與球形磁體間的相互作用，發現磁針在球形磁體上的指向和磁針在地面上不同位置的指向相仿，還發現了球形磁體的極，並斷定地球本身是一個大磁體，提出了「磁軸」、「磁子午線」等概念。總之，在磁現象的研究方面，吉爾伯特的成就是光輝的，貢獻是巨大的。
吉爾伯特根據他所發現的這些磁力現象，建立一個磁理論體系。吉爾伯特設想，整個地球是一塊巨大的磁石，地面上為一層水、巖石和泥土覆蓋著。他認為磁石的磁力會產生運動和變化。他認為地球的磁力一直伸到天上並使宇宙合為一體。
吉爾伯特還作了一系列科學實驗，最有名的就是所謂「小地球」實驗。他用一塊天然磁石磨製成一個大磁石球，用小鐵絲製成小磁針放在磁石球上面，結果發現這根小磁針的全部行為和指南針在地球上的行為十分相似。吉爾伯特把這個大磁石球叫做「小地球」。由此，他提出一個假設：地球是一個巨大的磁石，它的兩極位於地理北極和地理南極附近。這個假設後來經德國數學家高斯(J.C.F. Gauss 1777～1855)從數學上加以論證和完善，至今仍是地磁理論的經典概念。
吉爾伯特在物理學中的貢獻開創了電學和磁學的近代研究。吉爾伯特創立了實驗和理論結合的典範，用實驗方法探索自然界和從理論上解釋自然界結合的範例，是實驗科學研究的開拓者之一。吉爾伯特還對電作過詳細研究。他用琥珀、金剛石、藍寶石、硫磺、明礬等做樣品，作了一系列實驗，發現經過摩擦，它們都可以具有吸引輕小物體的特質。他認識到電是一種物質普遍具有的現象。吉爾伯特對近代物理學的重大貢獻還在於他提出了質量、力等新概念。在《論磁》中，吉爾伯特說，一個均勻磁石的磁力強度與其質量成正比，這大概是歷史上第一次獨立於重量而提到質量，通過「磁力」這一特殊的說法，吉爾伯特啟發揭示了自然界中普遍存在的相互作用。
地球的基本磁場可以分為偶極子磁場、非偶極子磁場和地磁異常幾個組成部分。偶極子磁場是地磁場的基本成分，其強度約佔地磁場總強度的90％。非偶極子磁場主要分布在亞洲東部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等幾個地域，平均強度約佔地磁場的10％。地磁異常又分為區域異常和局部異常，其與巖石和礦體的分布有關。
地球變化磁場可分為平靜變化和幹擾變化兩大類型。平靜變化主要是以一個太陽日為周期的太陽靜日變化，其場源分布在電離層中。幹擾變化包括磁暴、地磁亞暴、太陽擾動日變化和地磁脈動等，場源是太陽粒子輻射同地磁場相互作用在磁層和電離層中產生的各種短暫的電流體系。磁暴是全球同時發生的強烈磁擾，持續時間約為1～3天，幅度可達10個納特。其他幾種幹擾變化主要分布在地球的極光區內。除外源場外，變化磁場還有內源場。將高斯球面分析用於變化磁場，可將這種內、外場區分開。根據變化磁場的內、外場的相互關係，可以反推得出地球內部電導率的分布。
地磁場的每一個觀測點都有其磁場三要素: 磁感應強度、磁偏角、磁傾角。其還有引申出來的地磁赤道和的兩個磁極點。
磁感應強度：為某地點的磁力大小的絕對值（磁場強度）；是一個具有方向（磁力線方向）和大小的矢量；一般在磁兩極附近磁感應強度大（約為60μT－微特拉斯）；在磁赤道附近最小（約為30μT ）。
圖2.1：1995年IGRF的地磁圖 a) 總強度，單位mT。b) 磁傾角。c）磁偏角。
地磁赤道：地表上磁傾角為零的各點的聯線。在這根線上的主要是異性相間地沿著赤道分布，而且這些磁極以平均每年約17千米的速度沿著赤道向西移動。雖然這些較弱的磁極所產生的磁場強度只有南北磁極所產生的地磁場強度的約10％，但它們應該和南北磁場具有相同的起源，而且這些弱磁極的運動，也應該和南北磁極的運動一起，構成一個整體的地球內部磁場變化的不同方面。
磁偏角：既磁力線在水平面上的投影與地理正北方向之間形成的夾角，是磁子午線與地理子午線之間的夾角。磁偏角的大小各處都不相同。在北半球，如果磁力線方向偏向正北方向以東稱為東偏，偏向正北方向以西稱為西偏。我國東部地區磁偏角為西偏，甘肅酒泉以西地區為東偏。
磁傾角：是指磁針北端與水平面的交角。通常以磁針北端向下為正值，向上為負值。地球表面磁傾角為零度的各點的連線稱為地磁赤道；由地磁赤道到地磁北極，磁傾角由0°逐漸變為+90°；由地磁赤道到地磁南極，磁傾角由0°變成－90°。
地磁場在極地表面的兩個極點。有關於地磁極的概念有兩種不同的思路和結果：理論的和實測的。理論的地磁極是從地球基本磁場中的偶極子磁場出發的。依據C.F.高斯用球諧面函數分析法，把地球看作一個均勻磁化的球體，計算求得偶極子磁場的磁軸與地球表面的兩個交點為北緯79°、西經70°和南緯79°、東經110°，磁軸與地球自轉軸的交角約為11°。實測的地磁極是從全球地磁圖（等偏角地磁圖和等傾角地磁圖）上找出的磁傾角為90°的兩個區域，位置在北緯75.5°、西經101.0°和南緯66.5°、東經140.3°。這兩個地點不在地球同一直徑的兩端，大約偏離2500千米。由於它們是由磁傾角的實際觀測決定的，故又稱為地磁傾極；理論的地磁極則稱為偶極子磁極。偶極子磁極與地磁傾極並不互相重合是由於非偶極子磁場的存在。
地球近地空間存在的磁場，在類地行星中地磁場的強度是最大的。最近時期地磁北極的緯度每年增加0°004，而它的經度（西經）每年增加0°007。1970年的地磁偶極矩為7.98×1025電磁單位,近期平均每年減小4×1022電磁單位。根據近四百多年來的測量，這種變化的表現之一為西向漂移。例如，在1550年零度磁偏角線約在東經20°處橫跨赤道，而現在已西移至西經75°處過赤道。其次，正如前面所指出的，磁極的位置和磁偶極矩也有長期變化。太陽風、宇宙線、電離層、極光等都對地磁場有影響，它們使地磁場發生短期變化。太陽風還會使地磁場局限在一定的範圍內（見第六章地球磁層）。太陽活動較強時，太陽風的能量會大大增加，從而導致地磁場的強烈擾動（見第六章 磁暴）。地磁場能俘獲來自太陽和其他天體的帶電粒子，形成著名的範愛倫帶（見第六章）。地磁場的研究和近地空間天氣的物理性質的研究有密切關係，這種研究常常須要依靠空間探測器提供的數據資料。
§3 居裡溫度
19世紀末，著名物理學家居裡（P.Curie）夫婦在自己的實驗室裡發現磁石的一個物理特性，就是當磁石加熱到一定溫度時，原來的磁性質就會消失。後來，人們把這個溫度點叫做物質的「居裡點」。在地球上，巖石在成巖過程中受到地磁場的磁化作用，獲得微弱磁性，並且被磁化巖石的磁場方向與地磁場的方向是一致的。這就是說，無論地磁場怎樣改換方向，只要它的溫度不高於「居裡點」，巖石的磁性是不會改變的。根據這個原理，只要測出巖石的磁性，自然能推測出當時的地磁方向。這就是在地學研究中人們常說的化石磁性。在此基礎之上，科學家利用化石磁性的原理，研究地球演化歷史的地磁場變化規律，這也就是古地磁學在科學上的功用。
熱運動對於由交換作用引起的原子或離子磁矩的平行排列總是起破壞作用的，特別是溫度較高時，在強烈的熱運動能量與原子或離子磁矩之間的交換作用能量可相比擬的情況下，鐵磁質的磁性將會發生明顯的改變。具體地說，當溫度超過某一臨界溫度時，交換作用不足以克服熱運動的作用，鐵磁質的自發磁化強度將消失。這個臨界溫度稱為鐵磁質的居裡溫度。比如鐵的居裡溫度是770℃, 鐵矽合金的居裡溫度是690℃等。當鐵磁質處於居裡溫度以上時，鐵磁性物質會轉變為順磁性物質。
我們現在所見到的鐵磁質是鐵的化合物或鐵與其它物質的混合物，它們的特性與地磁場極其相似。鐵磁質在高於每種晶體類型的特定溫度（稱為居裡溫度Curie temperature ），相互作用的電子自旋行為會完全消失，晶格會擴展，交換作用會變弱，物質就變成順磁性。在地層深處的高溫狀態下，鐵會達到並超過自身的熔點呈現液態，所以，從地幔向下的物質決不會成為磁性地磁場的大磁鐵。
當溫度很高時，由於無規則熱運動的增強，磁性會消失，人們還從火山熔巖中發現了地磁場變化的現象。火山噴發時會將火山熔巖帶到地表，這其中包括了大量含有鐵磁體（鐵或鎳的氧化物）的礦物，當鐵磁體被加熱到一定溫度時候，就會完全喪失磁性。例如，鐵加熱到770℃時會失去它的磁性，而鎳在加熱到356℃時也會失去磁性。高溫的火山熔巖噴出地表（或海底）後便開始冷卻固化，當小於居裡溫度時，鐵磁體礦物便在地磁場的作用下重新獲得磁性，硬化了的熔巖也因此把地球磁場的強度與方位記錄了下來。認為它是由於早期侵入的巖漿在冷卻過程中磁化而形成的。但也有人提出了異議，認為如果是巖石磁化的結果，地殼淺部巖石不足以形成這種規模的磁異常，還必須有更深層的來源，但深層物質的溫度已超出了居裡溫度。
當然，地球地幔層的溫度已超過了大多數物質的居裡溫度，地核圈的溫度更高。所以說，地球中心不可能有大磁鐵棒存在，吉爾伯特的地心大磁鐵假說是不能成立的。
§4 地磁場成因的假說
最早的地磁場成因假說是吉爾伯特提出的，他認為地球中心大磁鐵給出了地球磁場。但是1895年居裡發現了磁性材料在溫度升到一定時就會失去磁的特性。大多數物質的這個溫度只有500～600℃。而我們明確知道在巖石圈以下溫度就已經超過了1000℃。由此推斷地球中心不該是固定磁性體。但是吉爾伯特對電與磁現象取得的理論成就是巨大的，他的研究在今後電磁學方面的影響也是深遠的。並且，對地磁場的高斯分析從理論上也肯定了地磁場的源在地球內部。
百多年來，許多人提出了各式各樣的地磁場起源的理論假說。目前，關於地磁場起源的假說可以歸納起來，分成為兩大類，第一類假說是以現有的物理學理論為依據的；第二類假說則是獨闢蹊徑的，認為對於地球這樣一個天然宇宙體，應該存在著不同於現有已知理論的特殊未知的自然規律。
屬於第一類假說的有旋轉電荷假說。它假定地球上存在著等量的異性電荷，一種分布在地球內部，另一種分布在地球表面，電荷隨地球旋轉，因而產生了地磁場。這一假說能夠很自然地通過電與磁的關係解釋地磁場的成因。但是，這個假說卻有一個致命缺點，首先它不能解釋地球內外的電荷是如何分離的；其次，地球負載的電荷並不多，由它產生的磁場應該是很微弱的，根據計算，如果要想得到地磁場這樣的磁場強度，地球的電荷儲量需要擴大1億倍才行，理論計算和實際情況的出入太大了。
以地核發電為前提條件的地磁場假說也屬於第一類假說，弗蘭克在這類假說中提出了發電機效應理論。他認為地核中電流的形成，應該是地核金屬物質在磁場中做渦旋運動時，通過感應的方式而發生的。同時，電流自身形式的場就是連續不斷的再生磁場，好像發電機中的情形一樣。弗蘭克所建立的模型說明了怎樣實現地磁場的再生過程，解釋了地磁場有一定的數值。但是在應用這種模型的時候，卻很難解釋地核中的這種電路是怎樣通過圓形迴路而閉合的。此外，這個模型也沒有考慮到電流對渦旋運動的反作用，而這種反作用是不允許渦旋分布於平行赤道面的平面內的。
屬於第一類假說的還有漂移電流假說、熱力效應假說和霍爾效應假說等等，但這些假說都不能全面地解釋地磁場的奇異特性。
關於地磁場起源還有第二類假說，這其中最具代表性的就是重物旋轉假說。
1947年，布萊克特提出任意一個旋轉體都具有磁矩，它與旋轉體內是否存在電荷無關。這一假說認為，地球和其他天體的磁場都是在旋轉中產生的，也就是說星體自轉生磁，就好像電荷轉動能產生磁場一樣。但是，這一假說在試驗和天文觀測兩方面都遇到了困難。在現有的實驗條件下，還沒有觀察到旋轉物體產生的磁效應。而對天體的觀測結果表明，每個星球的磁場分布狀況都很複雜，尚不能證明星球的旋轉與磁場之間存在著必然的依存關係。
由此可以說，關於地磁場的起源問題，學術界仍處在探索與爭鳴之中，尚沒有一個具有相當說服力的理論，能對地磁場的成因給出合理明確的解釋。
一、地磁場各類假說
地球是個大磁場，因為地核的核心物質是鐵、鎳合金，但是鐵是怎樣充上磁性的，很多年來沒有定論。隨著科學技術的發展，對於地球磁場觀測和地球結構的研究不斷增多和深入，對地球磁場的來源先後提出了有影響的10多種學說。這裡按照歷史的先後對一些各有一定根據或設想的地球磁場來源學說作簡單介紹：
（一）永磁體學說，是最早提出的一種學說，認為地球內部存在巨大的永磁體，由這永磁體產生地球磁場。但後來認識到地球內部溫度很高，不可能存在永磁體。
（二）內部電流學說，認為地球內部存在巨大的電流，形成巨大電磁體產生地球磁場，但是既未觀測到這種巨大電流，而且巨大電流也會很快衰減，不會長期存在。
（三）電荷旋轉學說(公元1900年，簡寫作1900)，認為地球表面和內部分別分布著符號相反、數量相等的電荷，由地球自轉而形成閉合電流，由此電流產生磁場，但這個學說缺乏理論和實驗基礎。
（四）壓電效應學說(1929)，認為在地球內部物質在超高壓力下使物質中的電荷分離，電子在這樣的電場中運動而產生電流和磁場。但理論計算出這樣的磁場僅有地磁場的約千分之一(10-3)。
（五）旋磁效應學說(1933)，認為地球內的強磁物質旋轉可以產生地球磁場，但這種旋磁效應產生的磁場只有地球磁場的大約千億分之一(10-11)。
（六）溫差電效應學說(1939)，認為地球內部的放射性物質產生的熱量，使熔融物質發生連續的不均勻對流，這樣產生溫差電動勢和電流，由此電流產生地球磁場，但理論估計的也同地球磁場不符合。
（七）發電機學說(1946～1947)，認為是地球內部的導電液體即地核內液態鐵在流動時產生穩恆的電流，由這電流產生地球磁場，這是最具代表性的假說。物理學家埃爾薩塞根據磁流體發電機的原理，認為當液態的外地核在最初的微弱磁場中運動，像磁流體發電機一樣產生電流，電流的磁場又使原來的弱磁場增強，這樣外地核物質與磁場相互作用，使原來的弱磁場不斷加強。由於摩擦生熱的消耗，磁場增加到一定程度就穩定下來，形成了現在的地磁場。
（八）旋轉體效應學說(1947)，是根據少數天體觀測得到的經驗規律，認為具有角動量的旋轉物體都會產生磁矩，因而產生磁場。這一學說需要使用一類無科學根據的常數，5年後又被提出這一學說的科學家根據精密的實驗結果加以否定了。
（九）磁力線扭結學說(1950)，認為在地球磁場磁力線的張力特性和地核的較差自轉，會使原始微弱的地球磁場放大，由此產生地球磁場。
（十）霍爾效應學說(1954)，認為在地球內部由於溫度不均勻產生的溫差電流和原始微弱磁場的同時使用下，會由霍爾效應產生霍爾電動勢和霍爾電流，由此產生地球磁場。
（十一）電磁感應學說(1956)，認為由太陽的強烈磁活動通過帶粒子的太陽風到達地球後，會通過地球內部的電磁感應和整流作用產生地球內部的電流，由此產生地球磁場。在這些學說中，只有發電機學說(又稱磁流體發電機學說)在觀測、實驗和理論研究上得到較多的證認，是目前研究和應用較多的地球磁場學說。但是由於地球內部結構較複雜，影響地球磁場的因素又很多，因此這方面的觀測、實驗和理論等方面的研究仍需要不斷地進行。
地球從外到內分為地殼層(巖石層)、地幔層、外地核層和內地核層。地殼主要為矽－鋁氧化物和矽－鎂氧化物等，地幔層主要為鐵－鎂矽酸鹽和鐵的氧化物和硫化物，外地核層和內地核層主要為鐵(約90％)和鎳(約10％)金屬，外地核層呈液態，內地核層呈固態。從地殼層到內地核層，溫度越來越高，壓力也越來越大。地球磁場主要產生在液態金屬的外地核層。
（十二）還有一種假說認為：鐵磁質在770℃（居裡溫度）的高溫中磁性會完全消失。在地層深處的高溫狀態下，鐵會達到並超過自身的熔點呈現液態，決不會形成地球磁場。而應用「磁現象的電本質」來做解釋，認為按照物理學研究的結果，高溫、高壓中的物質，其原子的核外電子會被加速而向外逃逸。所以，地核在6000K的高溫和360萬個大氣壓的環境中會有大量的電子逃逸出來，地幔間會形成負電層。按照麥克斯韋的電磁理論：電動生磁，磁動生電。所以，要形成地球南北極式的磁場，必然需要形成旋轉的電場，而地球自轉必然會造成地幔負電層旋轉，即旋轉的負電場，磁場由此而生。
二十世紀六十年代之後，又生成許多地磁場理論，不一而足。主要有非偶極型磁場變化學說(1964)，無規則磁場起伏學說(1968)，地核流體對流對稱性變化學說(1969)，地核流體對流區分布變化學說(1969)，地核三偶極型磁場學說(1969)，偶極型磁場變化學說(1971)，雙偶極型磁場學說(1975)，銀河星系旋臂幹擾學說(1974)，地外天體撞擊學說(1987)等成因說。這之後，提出的學說就更多了，因為沒有新意，所以大多不再會引起人們的注意。這些理論的提出最後讓大家感覺，地磁場學說也許讓我們給搞得太複雜了。
二、地磁場的形成
從我國古代發明指南針以來，人們就已經知道地球存在著南北極對稱的磁場，幾千年來，人們對這個磁場的存在習以為常，很少有人對此現象的本質做過深入的探討。大約在二十世紀50年代末，人們開始發現地球的磁場讓「太陽風」壓在一個水滴狀的區域中，稱之為磁層。地球整體的巨大磁場由此開始引起許多人的關注。
傳統的觀點認為，地磁場是由地球內部的鐵質物質形成的，有的科學家甚至十分肯定地說，地球有一個鐵質的地核，實際這是無稽之談。從居裡夫婦的研究成果來看，鐵磁質是鐵的化合物或鐵與其它物質的混合物，它們的特性雖然與地磁場極其相似，但絕對不是地磁場成因，因為居裡夫婦的實驗證明，鐵磁質在770℃(居裡溫度)的高溫中磁性會完全消失，在地層深處的高溫狀態下，鐵會達到並超過自身的熔點呈現液態，所以決不會形成地球磁場。
法國科學家安培在一百多年前就已揭示了「磁現象的電本質」，事實上人們早就應該明白地磁場的產生必然是與電現象有本質的聯繫，按照物理學研究的結果，高溫、高壓中的物質，其原子的核外電子會被加速而向外逃逸，所以，地核在6000K的高溫和360萬個大氣壓的環境中會有大量的電子逃逸出來，地幔間會形成負電層。按照麥克斯韋的電磁理論，可以總結出這樣一句話：電動生磁，磁動生電，.所以，要形成地球南北極式的磁場，必然需要形成旋轉的電場，而地球自轉必然會造成地幔負電層旋轉，即旋轉的負電場，磁場由此而生。
地核中大量電子的逃逸必然使地內存在定向的電流，這可以用左手定則來斷定：讓地磁N極(地理南極)的磁力線穿過手心，拇指指向地球旋轉的方向(由西向東)，其餘四指所指的方向就是電流的方向。由此可以看出，這個電流的方向是從地表指向地心的，由於電流的方向是電子運動的反方向，所以，可證明現階段正有電子從地球深處向外逃逸，地球內部磁場根據右手定則來判斷是個兩端開口的橢圓蛋殼形狀。但是，地球內外擠壓的過程不是永恆的，擠壓的結果是達到原子核間斥力和正負電場引力的平衡。當擠壓過程結束時，電流消失，自轉驅動力也會消失，地磁場也將消失。
通常物質所帶的正電和負電是相等數量的，但由於地球核心物質受到的壓力較大，溫度也較高，約6000℃，內部有大量的鐵磁質元素，物質變成帶電量不等的離子體，即原子中的電子克服原子核的引力，變成自由電子，加上由於地核中物質受著巨大的壓力作用，自由電子趨於壓力較低的地幔層，使地核處於帶正電狀態，地幔附近處於帶負電狀態，情況就像是一個巨大的「原子」。
關於地球磁場的形成原因，一種關於地球磁場成因的假說認為：地球磁場的形成原因和其它行星的磁場的形成原因是類似的，地球或其它行星由於某種原因而帶上了電荷或者導致各個圈層間電荷分布不均勻。這些電荷由於隨行星的自轉而做圓周運動，由於運動的電荷就是電流，電流必然產生磁場。這個產生的磁場就是行星的磁場，地球的磁場也是類似的原因產生的。
三、較差自轉
談論地磁場，我們應該提到「較差自轉」現象。因為它讓我們聯想到我們製作的發電機。較差自轉（Differential rotation），是宇宙間普遍存的現象，是指一個非凝固態天體在自轉時不同部位的角速度互不相同的現象。較差自轉在大多數非固體的天體中存在，比如星系、恆星、巨型氣體行星等等；太陽系內則有太陽和木星、土星等表面出現。地球也是非凝固自轉天體必然也存在較差自轉。這一重大發現對於認識地球的深部動力過程提供了極好的機會和手段，而且對於解釋地磁場起源可能具有重要的意義。
在太陽系裡，較差自轉現象最嚴重的應該首推太陽本身了。其次就是木星、土星等類木類的液態行星。較差自轉現象在地球上，也只有在地核和地幔之間發生了，因為在氣層中也發生的這種自然現象，我們稱其之為季風。
2005年8月，一個地球物理學家研究小組在《科學》雜誌上發表論文指出，地球的內核是固體鐵質球體，體積大於月球，它的自轉速度比地球的其他部分要快。地核的這種額外的自轉行為，可能已經持續了700 到1200 年。額外自轉的發現，可以幫助科學家解釋地球磁場的形成原因。
內核直徑為3470千米，位於地球的中央，被一層熾熱的液態金屬層（外核）包圍著。因為沒有受到其他部分的約束，內核就可以獨立地自轉。
這是根據地震波在地球中的傳播速度得出結論的，但是其他的科學家對此表示懷疑。此後，科學家們試圖確定內核的自旋速度，但是沒有統一的答案。有人認為內核確實在自旋，但是速度比哥倫比亞大學的科學家宣稱的要慢許多。還有人認為，沒有跡象表明，內核與地球的其他部分旋轉速度不一致。
在一天時間內，地球自旋一周，也就是360°。這項最新的研究指出，每經過一年的時間，內核要比地球的其他部分多旋轉0.3 到0.5°。1996年的研究結果充滿了不確定性，當時Richards和宋曉東比較的地震信號來自不同地點，規模也不相同，所以最終結論認為每年的額外自旋多達1.1°。
新的研究結論更為精確，因為在南大西洋上的一座小島附近，研究人員在幾年時間內觀測到兩次中等規模的地震，這就以幾乎一樣的方式對同一地點造成震動。
兩次相同規模的地震造成的地震波在發出的時候是一樣的，但是當它們穿過地球到達阿拉斯加的時候，發生了變化，這就說明在地球深處發生了一些變化。Richards說：「通過觀察地震波曲線，你就會發現地球發生的變化。」內核形狀近似一個完美的球形，它可能包含一層類似木材顆粒的物質，可以改變震波的傳播速度。
§5 地磁場成因假說困難
近一個世紀，地球磁場的成因是物理學的主要謎團之一。自那以後，科學家們解決了許多物理學的重大問題，但是科學家們還是認為，地磁場依然十分複雜，難以解釋和模型化。
今天大多數科學家都相信，地磁場是地球內部液態鐵質流圍繞著地核中心旋轉產生的。地球的地核分內核、外核兩部分，外核由鐵、鎳等組成的液態金屬組成，厚達2200千米；內核也是由鐵、鎳組成，溫度很高，密度很大，呈固體狀態，半徑約1200千米。外核圍繞內核旋轉就產生了地球的磁場。
近年來，各國科學家相繼建立了一些地球磁場模型，預期模擬外核液態金屬流圍繞內核旋轉運動產生的地磁場。第一個模型是1995年加利福尼亞大學的格拉茨邁爾和羅伯茨研製的。他們藉助超級計算機，應用流體動力學、熱力學、電磁學的原理，考慮了重力、地球旋轉和鐵的特性，再現了鐵質流體流動，產生磁場，以及後者對前者反作用的研究。然而，這個模型以及後來的改進模型距離現實仍然較遠。這是因為同地核中的鐵質流相比，這些模型使用的液態鐵質流太過粘稠，而且傳導性能較差。原因是當時計算機的運算能力無法滿足要求，模型難以貼近地核內部的實際情況。
美國加州大學伯克利分校的科學家們通過運用三維模擬技術，可以比較準確地模仿出地球磁場詳細的構造情況了。負責此項研究的史蒂芬·賽特曼教授稱，他們的地球磁場模型與以往模型有很大的改進。它大量運用了三維模擬技術，這使得模型的構造更加精密，更加接近實際的情形。取得這個突破的主要原因是大容量、高速度計算機的出現，使科學家們有可能按照地核內部的實際情況進行模擬實驗。
當然，目前建立的地球磁場模型仍有其局限性，還不能夠完全形象地模擬地球磁場產生的詳細過程。因為地磁場本身是很複雜的，不同的地理位置有不同的磁場強度。科學家通過對1980年～2000年的地球磁場研究發現，地球磁場存在很大的地理差異：非洲、歐洲和大西洋的磁場變化非常大，而在亞洲、太平洋地區變化較小，變化最大的地區是非洲南端，在這個地區的磁場極性與正常的極性剛好相反。
美國馬裡蘭州大學教授拉斯羅普計劃，在其實驗中的地核模型重量將達到26噸，內部可以注入滾燙的金屬熔液，以便逼真地模擬出地球地核的真實狀況。在這一過程中，拉斯羅普希望造出世界上第一個人造球體，這種球體要有自生磁場，它能模仿地球磁場並預測地磁場的波動情況。拉斯羅普說，如果你能預測到颶風就要到來，你就能設法避免颶風給人們帶來的災難。拉斯羅普說，他們要做的就是對地球內部磁場發生的事情預測出來。
這些研究人員還指出，如果沒有地磁場，人類的很多科技成果將無法派上用場。這種保護傘是由地核裡的超熱鐵流運動起來引起的，這種鐵漿大約以每秒鐘四分之一釐米的速度運動。這看起來非常簡單，但正是這種運動產生了「磁氣候」，這就好比地球在不斷變化的天氣一樣。研究人員還說，就像天氣預報無法做到百分之百的精確，預測「磁氣候」會更為困難。如果研究人員能夠更多地了解有關地球中心的運動情況，他們就可以設法保護人造衛星和電網電站。而且他們還可以知道為什麼在過去的150年裡，地磁場力減少了10%，而且還在不斷地減少之中。
產生巨大磁場並不困難，因為它的體積巨大。但要在實驗室裡產生同樣的磁場，那可就困難多了。拉斯羅普的那個球當然要比地心小得多，正因如此，為了彌補質量不足帶來的缺陷，拉斯羅普讓他這個直徑達三米的大鋼球以每秒3.8米的速度旋轉，而且還採用了導電性更好的鈉來代替部分鐵。目前，拉斯羅普正在用水測試他的旋轉鋼球，但他希望在六個月後能夠使用水煮鈉來進行同樣的試驗。當水與鈉放在一起時，能產生大量燃燒的氫氣。拉斯羅普停掉了房間裡的噴水設備，他說，他們已經與當地消防部門進行過三次交涉。他還要求其它實驗者在實驗時放任氫氣燃燒，不管發生什麼事情也不要用水撲滅。
實際上，地球磁場的形成機理，都讓我們科學家給搞的複雜化了。有人開始應用經典電磁理論以微分的思維方式建立起三種自激發電機模型，用球形自激發電機模型簡明地描述地球磁場的形成和分布；從分析地軸參考系中相對於自轉地球靜止的電荷間洛侖茲力的特點以及地球上的電荷在地球電場和地球磁場作用下的漂移規律，闡述中心磁場的形成及反轉機理；分析電荷相對於地球的漂移以闡述偏磁場的形成。理論分析表明：地球上每一點的磁場都可以看成是由該點的幾個分磁場疊加而成；地球具有自身的電場；地球電場與地球磁場同時產生、同時變化，且都源自於地球的自轉和地球上正負電荷的非對等性分布。
§6 地磁場成因疑問
人類費盡心機，關於地球磁場的理論被提出了許多許多。實驗模型也讓人們絞盡了腦汁。但是，地磁場的存在，也無容置疑！實際上它的成因也並不十分複雜。可是提出來的磁場理論，沒有一個理論是能夠使大家滿意的，問題出在哪裡呢？
根據人類思想史的經驗，如此問題一般都應該出在該問題的啟蒙關鍵點上。地磁場源頭是吉爾伯特的最初認識，他認為地球中心的大磁鐵產生了地球磁場。居裡溫度使這個理論失去了大磁鐵的可能，可是並沒使地磁場失去地球中心的思考。現在，我們可以想想看，讓一個沒有動力源的地球核體去發電，那真是有些難為地核了。實際上吉爾伯特的磁理論和試驗裡，都認為地磁場是來自地球的地殼，或上地幔，只是後來的地磁計算理念讓我們把眼盯在地核上。
現時我們一般認為，地核的主要成份是鐵，它由直徑2400千米的固態內核和直逕到7000千米的液態外核構成。在產生地球磁場的地球發電機中，內核扮演了極其重要的角色。固體內核具有彈性的各向異性，也就是說，地震波沿不同方向的傳播速度不同。科學家們發現，各向異性會伴隨半球和球半徑的不同而改變。地核的總質量只佔整個地球質量的31.5%，體積僅佔整個地球的16.2%。地核的體積比太陽系中的火星差不多，由於地核處於地球的最深部位，受到的壓力比地殼和地幔部分要大得多。在外地核部分，壓力已達到136萬個大氣壓，到了核心部分便增加到360萬個大氣壓了。這樣大的壓力，人類在地球表面是很難想像的。科學家們做過試驗，在每平方釐米承受1770噸壓力的情況下，最堅硬的物體會變得像黃油那樣柔軟。
地核內部這些特殊情況，即使在實驗室裡也很難模擬，所以人們對它了解得還是很少。但有一點科學家是深信不疑的：地球內部是一個極不平靜的世界，地球內部的各種物質始終處於不停息的運動之中。有的科學家認為，地球內部各層次的物質不僅有水平方向的局部流動，而且還有上下之間的對流運動，只不過這種對流的速度很小，每年僅移動1釐米左右。有的科學家還推測，地核內部的物質可能受到太陽和月亮的引力而發生有節奏的震動。
有壓力、有溫度、有細微的運動，就可以產生強大的電力嗎？而且如此電力在那裡還能產生強大的磁場？這些理論有可能實現嗎？這些觀念來自大多科學家，但是地核能發出電來，還是不能令人信服。
巨大的壓力要有壓差的作用、高的溫度要有溫差的作用、快速的運動要有加速度的作用，這樣才可能產生出電力和磁場來。理論想像得再巧妙，那些理論只會是把自己給搞糊塗了，地球的內核絕對不可能是一個「永動機」，因此它自己是發不出形成地磁場的電力來的。
從物理的電磁學中我們知道，常見的物質有鐵磁性材料、順磁性材料和抗磁性材料之分。假設地核發電機原理是正確的，地球內核協同外地核可以生成了強大的磁場：可是在這個強大自發磁場的外面還有將近2900千米的地幔包裹著它呢，這個強大的磁場怎樣才能穿過厚重的地幔表現到地表上來呢？而且無論地幔物質是鐵磁性材料、順磁性材料還是抗磁性材料，那都是難以想像的。
我們現在所有對物質磁性質的經驗是：我們有10000高斯的超強磁場，如果讓它穿過一米厚的類似地幔材料的阻隔，在阻隔物的另外一面，能剩下來的磁場強度也不會比地磁場強多少。2900千米的阻擋之外，需要多麼強大的磁場，才能形成地球磁場的這種情形呢？
地球磁場應該和地球內外核的相對運動沒有什麼關係！也就是說，地磁場與地球的中心核的結構沒有直接關係！
我們還知道，吉爾伯特最早提出地磁場成因假說，他認為地球中心的大磁鐵給出地球磁場。但是，這塊大磁鐵是什麼樣子呢？吉爾伯特認為，撥開浮土和水就是這塊大磁鐵了。
根據高斯的球諧磁場理論，假想的地球磁鐵是肯定大於地球的內核。見圖，如果這塊磁鐵和內核一樣大，總讓人感覺不合時宜。
我們再來反思一下這裡面的關係。吉爾伯特認為地球中心的大磁鐵產生了地球磁場的初步理論，讓我們開始了對地磁場的實際探討。如果我們抱著古代中國人對地磁看法的理論不放，那麼是不可能產生出近代科學的理念。我們依據吉爾伯特理論畫出了地表以上的磁力線分布，地表以下的磁力線分布是誰也不知道的（因為我們無法實際觀測）。仔細分析地表以上磁力線的分布，我們發現吉爾伯特的大磁鐵的兩極已經非常接近兩極的地表了，就是完全超出地核的範圍了。
如果用任何想像的「地核發電理論」所產生的磁力線將無法和地表面以上磁力線連通起來。也就是說，用地核發電機的磁力線是無法畫出地表偶極磁場來的。
吉爾伯特的實際工作讓我們開始認識了電與磁。他對地磁場的假設也非常精巧，因為那時我們對電與磁的本質一無所知，對太陽以及日－地空間的情況也不甚了解，我們沒有衛星的探測。問題肯定不是出在吉爾伯特的假設理論上，問題是出在我們的對事物認識的偏執觀念上。
§7地球變化磁場
地球磁場是變化的，研討變化的地磁場與什麼物理現象相關，又與那些物理現象無關，這與地磁場的成因至關重要。現代科學觀測對地磁場的變化，給出了相當全面的研究，這些研究的數據依據來自全世界200多個現代化的固定地磁臺、無數的臨時地磁臺和衛星監測的數據。
地磁場的變化主要由固體地球外部原因引起的、疊加在地球基本磁場之上的各種短期的地磁變化。按照成因的不同，變化磁場可分為平靜變化和幹擾變化兩大類。前者的基本成因是電離層在地磁場中運動產生較為穩定的電流體系。後者的基本成因是太陽風同地磁場相互作用，在磁層和電離層中形成各種短暫的電流體系。地球外部的各種電流體系，都能在固體地球內部感應出相應的內部電流體系。每一種地磁變化，都是外部電流體系和內部電流體系產生的磁場疊加之和。一般前者約佔總和的70％，後者約佔30％。
地磁場的平靜變化，經常出現的疊加在基本磁場之上的各種周期性的地磁變化，劃分為太陽靜日變化Sq和太陰日變化L。
（一）太陽靜日變化
以一個太陽日為周期的地磁變化，簡稱為靜日變化。這種變化明顯地依賴於地方太陽時，白天變化大而夜間變化小。這種變化是由不同周期的諧波成分構成的。利用全年的地磁日變資料，應用傅立葉分析，可知最主要的諧波成分是以24小時為周期的全日波和以12小時為周期的半日波，並且全日波比半日波稍強一些。在一天之內，靜日變化的最大值同最小值之差稱為日變幅。日變幅是逐日而異的，其變化的規律性主要表現為季節變化和約以11年為周期的太陽黑子周變化。季節變化的特點是，夏季的日變幅較大，冬季的日變幅較小。太陽黑子周變化的特點是，太陽活動極大年的日變幅大，而太陽活動極小年的日變幅小。
地面各處的日變形態和日變幅，還隨著磁緯度呈現出規律性的分布。春秋分時期，各個地磁要素日變化緯度分布的顯著特點是：北向強度δX約在磁緯度Φ=±30°附近發生形態轉換，並且日變幅最小；而在Φ=0°的磁赤道上日變幅最大，約為150納特。東向強度δY和垂直強度δZ都在Φ=0°處發生形態轉換，日變幅接近於零；而在Φ=±30°附近日變幅最大，分別約為 40納特和30納特。
春秋分時期，太陽靜日變化的外部等效電流體系的分布在離地面高度約為100公裡的電離層E層中，它是電離層在地磁場中運動產生的。電離層在日月引力（主要是月球引力）和太陽熱力的作用下發生潮汐運動和對流運動。具有良好導電性能的電離層在地磁場中運動就必然產生感生電流。這種機制類似於發電機，因此稱其為高層大氣的發電機效應。這種外部電流體系的分布特徵是：電流呈渦旋形，主要分布在向日半球上。在春秋分期間，南北半球對稱；夏至時期，北半球的電流增強，分布範圍擴大，渦旋中心向低緯度移動，而南半球的電流減弱，分布範圍縮小，渦旋中心向高緯度移動；冬至時期，情況相反。因此，夏季和冬季的靜日變化緯度分布就發生了同電流體系相應的變化。
除了正常的靜日變化的緯度分布規律以外，磁赤道南北兩側各約15°的狹長條帶地區內，水平強度和垂直強度的日變幅度都顯著地增強，這種現象稱為靜日變化的赤道異常。在磁赤道上空的電離層中，在磁赤道南北兩側各約 150公裡的狹長條帶內，因為沿磁赤道方向的電導率很高，所以產生了一個向東流動的強電流，稱為赤道電急流。它產生的磁場形成靜日變化的赤道異常。
（二）太陰日變化
以半個太陰日為主要周期的、依賴於地方太陰時的變化。太陰日長為24小時50分28秒。太陰日變化的一個突出特點是變化形態和朔、上弦、望、下弦這種月相變化相關，而一個朔望月的平均形態卻具有很規則的正弦形。太陰日變化很弱，最大振幅是：磁偏角約為40″，水平強度和垂直強度約為1～2納特。太陰日變化亦具有季節變化和依賴磁緯度而呈現規律性分布等特徵。
（三）地磁場的擾動變化
在變化磁場中，還有一些偶然發生的、疊加在基本磁場和平靜變化之上的各種短暫的地磁變化，稱為地磁場的擾動變化，簡稱為磁擾。磁擾具有各種類型，主要的磁擾有太陽粒子流擾動場 (DCF)、環電流擾動場(DR)、地磁亞暴(DPI)、太陽擾日變化(SD)和地磁脈動 (P)。粒子流擾動場和環電流擾動場常常是相繼伴隨發生的，形成一種具有特殊規則形態的地磁擾動，並且二者在成因上都同太陽噴射出來的帶電粒子流有關，因此常把二者合併稱為磁暴時變化(Dst)。地磁亞暴和太陽擾日變化主要是極區的地磁現象，在極光帶附近最強烈，二者的電流體系是同時形成的，因此二者又合稱為極光區磁擾。各種類型的磁擾常重疊在一起出現，尤其在磁暴發生時，各種磁擾往往疊加在磁暴時變化之上，形成了複雜而強烈的地磁擾動。
（四）磁暴地磁場變化
全球同時發生的,磁情指數K達到 5以上的強烈磁擾。全球同時發生的由粒子流擾動場和環電流擾動場構成的磁暴時變化是磁暴的基本成分，決定了磁暴的全球性、同時性和基本形態。
磁暴的一個突出特點是在全球範圍內幾乎同時發生，並且以水平強度的擾動為最強烈，形態也最規則。擾動開始時，水平強度在幾分鐘或十幾分鐘內突然地急促上升，上升的幅度一般為幾納特至幾十納特，這種磁暴稱為急始磁暴(SC)。擾動的起始也可以表現為水平強度緩慢地上升，這種磁暴稱為緩始磁暴(GC)。在急始磁暴或緩始磁暴以後的幾個小時以內，水平強度是增加的。這個階段稱為初相。它是粒子流擾動場的表現。初相以後，水平強度先迅速下降，一般約經過十幾個小時左右就下降到最小值,後又緩慢上升,約經過1～3天才可恢復到正常狀態。下降的幅度約為幾十納特至幾百納特。這個下降階段和恢復階段分別稱為主相和恢復相。在主相和恢復相期間，水平強度小於正常值，這是環電流產生的地磁效應。具有初相、主相和恢復相這種特殊的規則形態，是磁暴時變化的形態特徵。磁暴時變化的形態在全球是一致的。變化的幅度在磁赤道上最大，緯度增高，幅度逐漸減小。這種變化主要是中、低緯度地區的地磁現象。
磁暴發生的次數在時間上的分布是不均勻的。太陽活動極大年磁暴多，可達20～40個，太陽活動極小年磁暴少,約為5～20個；春秋季磁暴多，冬夏季磁暴少。一部分磁暴還可按照太陽自轉的會合周期每隔27天重複出現一次，不過，大多數情況只重現1～2次，個別情況可重現10次。磁暴在時間上的分布說明，磁暴和太陽活動有密切關係，磁暴起源於太陽粒子流，這是所有磁暴理論的基本出發點。
（五）地磁亞暴磁變化
主要是持續時間約為1～3小時的地磁場變化。在高緯地區，尤其在極光帶附近，擾動往往複雜而強烈，擾動幅度可達幾百納特,甚至2000納特以上。在中低緯地區，擾動幅度一般為幾十納特，而形態近似海灣形，故地磁亞暴又有地磁灣擾之稱。灣擾在水平強度上最顯著。依水平強度的增強和減弱，灣擾又區分為正灣擾和負灣擾。在極光帶附近出現負灣擾較多，而在中低緯度地區出現正灣擾較多。形成灣擾的理想的等效電流體系分布在電離層中，電流主要集中在極光帶附近，稱為極光帶電急流。夜間的西向電急流比白天的東向電急流強得多，並且分布範圍廣。
（六）太陽擾日磁變化
以一個太陽日為周期的依賴於地方磁時的變化，常稱為擾日變化。在高緯度地區，尤其在極光帶附近，變化幅度較大；在中低緯度地區，變化幅度較小。變化形態接近於正弦形。變化幅度和當日的磁擾水平有關係，磁擾越強，幅度就越大。形成擾日變化的理想的等效電流體系分布在電離層中，並且電流也主要集中在極光帶附近。電流的分布比較對稱，不過夜間的西向電急流比白天的東向電急流強一些。
（七）地磁脈動
地磁場的短周期變化。周期範圍自約十分之二秒至十幾分鐘，振幅範圍為百分之幾納特至幾百納特，持續時間為幾分鐘至幾小時。地磁場的這種短周期變化，是太陽風對地球磁層的作用，以及磁層內部各種因素相互作用所引起的磁場擾動現象。
1861年，斯圖爾特(B.Stewart)在英國格林威治的基尤地磁臺研究大磁暴時，觀察到地磁場起伏中有一種脈衝式的跳動。在20世紀30年代哈朗(L.Harang)和薩克斯多夫(E.Sucksdorf)等人報導過現在屬於Pc1這種類型的地磁脈動。大規模地研究地磁脈動是從1958年國際地球物理年 (IGY)前後開始的。此後實驗觀測和理論研究都有比較大的進展。
地磁脈動最初在中緯度地區發現，因為當時見到的脈動振幅比其他種類的地磁變化的振幅都小得多，故稱為地磁微脈動。後來在極光帶發現的地磁脈動，也有振幅很大的，故又稱地磁脈動，現在這兩種名稱都經常使用。
觀測地磁脈動的方法有 3類：①直接探測和記錄地磁場強度各分量。所用儀器有質子旋進磁力儀，懸絲式磁變儀，氦磁強計和銣磁強計等，可以加上濾波裝置，濾出所要的頻段。②測量和記錄地磁場的時間變化率，即以 t是時間，x、у、z 是地磁場的北向、東向和垂直分量，所用儀器為感應式脈動儀。③測量固體地球表面層電場強度的變化，一般只測東西方向和南北方向的變化而測不到垂直方向的變化，所用儀器稱為地電儀。
記錄地磁脈動的方式有兩類，一類是直接記錄地磁脈動的強度（或其時間變化率）隨時間的變化，另一類是把地磁脈動信號經過頻譜分析記錄在敏感紙上形成頻譜對時間的變化圖（聲譜圖，即頻時圖），圖中墨度的深淺代表信號的強弱。
根據國際地磁學和高空大氣學協會（IAGA）1963年和1976年會議的協定，地磁脈動分為兩大類共9種。第一類稱為連續脈動，它的起伏比較規則，類似正弦曲線，國際通用的符號是Pc，其中P表示脈動(pulsation)，c表示連續(Continuous)；第二類稱為不規則脈動，因為它在曲線記錄圖上的形狀不如Pc規則，振蕩曲線的包絡形狀也不規則。這類脈動的國際通用代號是Pi，其中P仍表示脈動，i表示不規則(irregular)。Pc細分為6種類型，Pi細分為3種。
① Pc1脈動 一種比較規則的正弦式振蕩,在極光帶和亞極光帶出現的機會最多，振幅一般在0.05～1納特。它幾乎只在磁層平靜時出現，振幅帶有準周期性的變化，在圖上，振蕩的包線似乎像一個一個的「珍珠」，即波包，而在每一波包內振蕩的頻次是隨時間而增加的，在頻時圖上這種變化很明顯。
② Pc2和Pc3脈動 主要出現在日照半球。當磁層活動強烈時，在中緯度就能觀測到Pc2脈動，振幅一般小於0.2納特。Pc3振幅最大的可到1納特左右，典型的周期是5～30秒。
③ Pc4脈動 主要出現在白天，振幅在中、低緯度地區可大到幾納特，在高緯度地區可以大到20納特，它主要出現在磁層比較平靜的時候，但出現的區域不大，沒有超過1000公裡範圍的，持續期是幾分鐘到幾小時，在太陽活動減弱年份，出現頻次增大。
④ Pc5脈動 振幅範圍自幾納特到幾百納特，按其出現時間的不同可分為兩類，即晨間Pc5和午後Pc5，前者在黎明以後 3小時內振幅最大。當磁層由強烈活動狀態恢復到正常狀態的過程中，這種脈動比較強。所有晨間 Pc5出現的區域都在西向極光電急流區域，位於緯度70°附近。午後Pc5，形如有阻尼的波列，出現在磁層暴和磁層亞暴發生時段，故又稱為暴時Pc5，它是一種經度範圍不超過 15°的小範圍脈動現象。
⑤ Pc6脈動 最大振幅出現在極光帶，白天出現周期較長，夜間出現周期較短。
⑥ Pi1 脈動 一種疊加在磁暴主相中的快速地磁擾動，成為磁暴的細微結構。它也與灣擾和Pi2同時出現。
Pi1 脈動在全球各處均可出現，還可細分為若干類，它們分別和極光強度變化、X射線爆發和宇宙線噪聲吸收有一定關係。
⑦ Pi2脈動 這是一連串的受阻尼的波，在低緯度地區振幅約為幾分之一納特，在極光卵形圈地帶內或在亞暴電急流下面的區域內振幅可大到100納特以上，這種脈動持續時間較短，一般不到10分鐘，而且在一次脈動系列內只有幾次振蕩。出現在磁暴期間的Pi2，周期一般都較短。
⑧ Pi3脈動 這種脈動在極光帶最強，主要出現在夜間，有兩種類型。頻率較高的一種，常發生在極光西行浪湧區域，常和極光的脈動同時出現。頻率較低的一種出現在西向電急流中心部分，在西行浪湧通過後很久都還存在。
⑨ 周期漸短的脈動 (國際通用的符號為IPDP,是Intervals of Pulsation with Diminishing Period的縮寫)。這類脈動，有人把它歸入Pc1類，也有人把它歸入Pi類。它出現時振蕩的周期隨著時間越來越短，頻率在半小時內可由0.5赫茲左右增加到 1.5赫茲左右。這種脈動大部分出現在地方時上半夜，出現的緯度主要在50°～65°之間。它出現時磁層活動很強，有時也伴有極光活動。
地磁脈動傳播過程中受到電離層的屏蔽作用，還受到固體地球的調製作用。磁層內產生的磁場脈動在傳播到地面的過程中要穿過電離層。電離層的電導率在各個方向是不相同的，而且電離層 F層內離子的數密度遠較其他區域大，故阿爾文波速度較其他區域低。因此，地磁脈動經過電離層以後，形態有所改變。電離層有霍爾電導率和佩德森電導率，這兩種電導率與方向有關。地磁脈動通過它以後，有的分量增強，有的分量減弱，同時電離層也要對地磁脈動起屏蔽作用，使高頻部分受到較大的衰減。理論計算的結果是，周期在30秒以下的脈動，所受的影響較大。
地面以下的固體地球部分有相當大的電導率，而地磁脈動又是一種隨時間而變化的電磁場，因此就要在地球內部產生感應電磁場而驅動感應電流。所以在地面上觀測到的脈動並不單是穿過電離層以後的脈動，而是添加了地下感應磁場以後的總和。如果已知地下的導電率，那麼就可能從地面觀測到的脈動記錄中把這兩部分區別開來。但是地下的電導率往往是不知道的（實際上倒是應用地球固體的感應效應對地磁脈動的影響，再加上一些對脈動來源性質的假定來推斷地下的電導率），固體地球對地磁脈動的高頻部分近似於電導率為無限大的導電體，它所產生的感應電流會增強原始地磁脈動的水平分量強度而減少其垂直分量的強度,故Pc1、Pc2、Pc3和Pi1所受感應效應的影響比Pc4、Pc5和Pi2要大。原始脈動場與感應脈動場之間有位相差別。地下電阻率越大，相位差就越大。
地磁脈動的震蕩包括兩方面：第一是地磁場振蕩產生和消亡的機制，第二是振蕩能量的來源，這兩個問題現在都處在探討的階段。地磁場能夠產生振蕩的機制可能有兩種：
① 地球磁力線的振蕩 在磁層內等離子體和地磁力線結合在一起，若經激勵就能產生電磁振蕩，形成地磁脈動。振蕩方式有兩類極端情況，即極式振蕩（擾動磁場在經度平面內）和環式振蕩（擾動磁場在垂直於經度平面的方向即東西方向），實際上兩種振蕩方式常常是混合出現的。磁力線共振的一種原因是磁層邊界面受到太陽風等離子體的作用產生表面波，這種波傳入磁層內部與磁力線共振而形成地磁脈動。磁力線共振的另一可能原因是，在磁層內部等離子體層頂阿爾文速度有急劇變化的局部區域中，當有一個頻譜範圍包括該處磁力線本徵頻率的脈衝進入時，磁力線發生共振而形成脈動。
② 磁層－電離層之間電流系統的振蕩 在磁層－電離層內存在的大尺度穩態電流系統，當等離子體速度突然改變時，電路中電勢和電容也隨著改變，導致穩態被破壞而產生等效于波的電流振蕩，形成地磁脈動。
地磁脈動能量的可能來源，有下列幾種：
① 來自太陽風等離子體 當太陽風等離子體流過磁層邊界時，在一定條件下能在磁層邊界產生波動，即表面波，這種波向磁層內部傳播時就提供能量使磁力線振動。
② 來自粒子流束的流量 在磁層內當一束高能帶電粒子通過周圍的熱磁化等離子體時，有可能產生低頻磁流波，當共振條件存在時，能量就會由粒子束傳給波。粒子束的不穩定性造成了磁脈動。
③ 來自磁層內的質子和電子 在磁層內垂直於地磁場的方向上地磁場有梯度（例如在地球赤道上），當散布範圍較小而能量又較大的質子和電子流入這種磁場區域內時，能使等離子體在垂直方向振蕩而形成表面波，再經過磁力線振蕩而形成地磁脈動。
④ 磁層內有些區域等離子體密度有相當大的梯度（例如在等離子層頂），由此產生電場而出現漂移波，這種波的不穩定性給磁場的振蕩提供能量。
⑤ 磁層內 在平行於和垂直於地磁場的兩個方向上，帶電粒子的溫度不相同而波的相速又較小時，等離子體波動就可能得到發展，形成空間分布的波，這種波再與因密度梯度存在而生成的漂移波耦合，就會產生只有在空間能觀測到的磁脈動。
自1958年國際地球物理年活動以來，地磁脈動的研究有了很大的進展。但是在空間和在地面上全面系統的同步觀測仍然是十分必要的。過去研究現象方面所得到的結論，往往只適用於個別區域。同一種類型的脈動(例如Pc4)的可能機制，未必就只有一種。1970年以前地磁脈動的理論研究工作中，由於致力於探求解析形式的答案，大都忽略了場源的作用，只求易於求解的軸對稱問題，得到極式振蕩和環式振蕩兩種互相獨立的振蕩形式，這和觀測事實的符合程度是有限的。從70年代起場源的問題受到重視，但作數學處理時，採用了簡單的磁場位形，所得結果也有局限性。用磁流波或用磁層、電離層的電流體系來解釋磁脈動，都是研究的途徑。地磁脈動是一種牽涉面很廣的磁層現象，各次脈動之間在很多方面都有差別，如形態類型，頻率特性，偏振特徵，共軛現象，出現頻次在一日之內和一年內的分布，出現區域的地理緯度、地方時和區域範圍，在空間和地面上的差異等，而且每次脈動都聯繫著它出現時的磁層活動情況，如磁暴、亞暴、灣擾、極光活動、電急流、磁層內帶電粒子的能量、通量變化以及宇宙噪聲吸收、太陽風特性和太陽活動等一系列相關現象。完整的理論應該建立在這些觀測事實的基礎之上，而脈動研究在實驗和理論方面的進展必將加深對於地球磁層和太陽風的認識。
（八）地磁場長期變化
地球基本磁場有隨時間的緩慢變化，以納特／年為單位。地磁場具有長期變化，是英國吉利布蘭(Gel-librand)於1634年從英國倫敦的磁偏角變化中發現並首先提出的，後來世界許多地方也先後發現了地磁場的長期變化。地磁場長期變化是一種全球性的現象。長期變化是全球性大尺度的地磁現象，是地磁學的一個重要課題。
從中國佘山地磁臺各個地磁要素的年均值、極大值和極小值之間相隔的時間可以看出，地磁場強度的長期變化約具有60年左右的周期。從英國倫敦地磁場方向的長期變化中可以看出，地磁場方向的長期變化約具有500～600年左右的周期。一般在較短時期(十幾年或幾十年)內，各個地磁要素的長期變化常表現為單向的遞增或遞減。利用長期的地磁資料進行頻譜分析，以及考古地磁學(見古地磁學)的研究，表明地磁場的長期變化可能具有 22年、50～70年、120年、180年、500～600年、1000年和 7000～8000年等周期。
長期變化也常用等變線來表示。1947年維斯廷(E.H.Vestine)繪製的1942.5年的世界地磁長期變化圖是最早的一幅較為完善的等變圖。等變圖上有幾個變化較大的中心，某些地方是正的變化，某些地方是負的變化。
長期變化現象也表現在不同年代地磁場的高斯係數上。高斯係數的年變率，通常是利用地磁要素的年變率由球諧分析方法計算出來的。從1980～1985年的長期變化的高斯係數可以看出，п=1項所佔的比例不如基本磁場那樣大，這說明非偶極子磁場的長期變化更為顯著。
長期變化的時間和空間分布比基本磁場更為複雜，特別是有可靠的地磁記錄的歷史很短，還不足以揭示出長期變化現象的許多規律。長期變化現象的主要特徵是偶極子磁矩的衰減和非偶極子磁場的西向漂移。近百餘年地球磁矩幾乎以等速率單調衰減，每100年約衰減5％；非偶極子磁場的西向漂移速度約為每年 0.2°。
（九）全球性分布
繪製各地磁要素的世界等變線圖，是表示各地磁要素長期變化全球性分布的常用方法。等變線就是畫在地圖上的某年世界各地某個地磁要素年變率相等的等值線。某地某個地磁要素的年變率就是這個地磁要素年平均值的逐年變化，其單位分別為納特／年和（角）分／年。在地磁臺上，利用相鄰兩年的年均值之差可求出這兩年內的年變率，或者利用某兩年的年均值之差除以兩者相隔的年數，可以求出這幾年的平均年變率。全球地磁臺站的數目是有限的，不能直接用觀測數據來表示全球地磁場長期變化的區域性分布特徵，因此，通常在地面上建立許多地磁測點，一般每隔 5年左右在這些測點上重複進行一次地磁測量。在這些地磁測點上，利用相隔幾年某兩個日期的地磁觀測值之差，除以由相隔的天數所換算的年數，也可以求出相應的平均年變率。把某年各個地磁臺站和各個地磁測點的某個地磁要素的平均年變率標註在地圖上，並且畫出一系列的等值線，這種年變率等值線圖就稱為某年世界某地的地磁要素等變線圖或長期變化圖。世界地磁場等變線圖一般每隔 5年繪製一次。
世界地磁場等變線圖可把一個時期的地磁場長期變化的全球性分布特徵清楚地顯示出來。等變線圖的一個顯著特點是等變線圍繞著幾個中心分布，地面被劃分為幾個區域，其長期變化值有的為正，有的為負。這些中心稱為地磁場長期變化中心或焦點。各個地磁要素的等變線圖是不同的，不過彼此之間具有一定的關係。不同年代的各地磁要素的等變線圖均會發生一些變化，不僅等變線的形狀、各個地點(包括長期變化中心)的年變率都發生變化，而且長期變化中心的數目和位置也發生一些變化。其中最引人注目的一個特點是，某些長期變化中心的位置在一定時期之後或多或少地向西移動。這種現象稱為地磁場長期變化的西向漂移。不同年代、不同地磁要素的各個長期變化中心的西向漂移速度均不相同。平均起來,地磁場長期變化的西向漂移速度約為每年0.3°。
（十）基本特徵
根據地磁場高斯理論，可以利用高斯係數把地磁場分解為偶極子磁場和非偶極子磁場兩個部分。由於地磁場存在著長期變化，不同年代的高斯係數具有不同的數值。因此，利用不同年代的高斯係數可以研究偶極子磁場和非偶極子磁場的長期變化。研究結果表明，對於近代地磁場，偶極子磁場的長期變化主要表現為偶極子的磁矩約以每年減小0.05％的速率衰減，偶極子的磁極位置每年約以0.05°的速度沿緯度圈向西移動；非偶極子磁場的長期變化主要表現為每年約以0.2°的速度沿緯度圈向西漂移,同時每年約以10納特量級的速率增強或減弱。因此，偶極子磁矩的衰減和非偶極子磁場的西向漂移成為近代地磁場長期變化的兩個基本特徵。
偶極子磁矩的衰減，近百年來偶極子磁矩是逐漸衰減的。這種衰減是直線性的，衰減速率約為每年減少0.05％。按此速率衰減下去，2000年之後地球磁矩將變為零。但是，考古地磁學的研究表明，地球磁矩可能具有周期性變化，不可能永遠單調地衰減下去。過去4000年期間地球磁矩的變化顯示出周期性，2000年之前地球磁矩是逐漸增加的。
近百年來偶極子的磁極角度基本保持不變，而偶極子的方位角λ卻逐漸向西移動，西移速度約為每年0.05°。不過，關於偶極子方位角是否確有西移的問題，目前尚有爭議。
1693年，英國天文學家哈雷(E.Halley)首先發現地磁場的分布圖像緩慢地向西移動。20世紀，尤其是50年代以來，對地磁場西向漂移進行系統研究的結果表明，西向漂移主要是非偶極子磁場的特徵，並且非偶極子磁場的西向漂移是相當複雜的地磁現象。首先，各個地區的非偶極子磁場的西向漂移速度不一，有的漂移較快，有的漂移較慢，有的甚至不漂移。例如非洲磁異常漂移最快，而北美洲磁異常基本不漂移。其次，不同年代非偶極子磁場的西向漂移速度也不一致。西向漂移速度約為每年0.2°，只是一種平均結果。為了解釋西向漂移速度的分散性，日本行武毅等人把非偶極子磁場分為兩類：一類稱為漂移磁場，磁場強度不變，而具有穩定的西向漂移；另一類稱為停滯磁場，磁場強度和位置都是穩定的。由於這兩類磁場疊加的結果，才把某些地區的西向漂移的規律性掩蓋了。關於非偶極子磁場的西向漂移問題目前也仍有爭議，有些人對其真實性表示懷疑，原因不僅在於西向漂移速度的分散性，而且在於某些地區出現相反的東向漂移。
非偶極子磁場的漂移應該來自於大陸塊的地阻變化。
（十一）地磁臺
觀測、研究地磁場及其隨時間變化的機構。地磁臺應設在遠離城市和沒有人為電磁幹擾的地方，儀器室要用非磁性或弱磁性材料建造，並保證一定的溫度、溼度條件。地磁臺分為永久地磁臺和臨時地磁臺兩類。前者可為地磁場及其相關現象的研究提供長期的、連續的、可靠的地磁資料，後者是為研究某些特殊課題而專門設置的。
地磁臺有地磁記錄儀和磁力儀等設備，有的還有磁暴記錄儀。用地磁記錄儀連續記錄磁偏角、水平強度和垂直強度隨時間的相對變化，也可以用質子旋進分量磁力儀和光泵磁力儀連續記錄地磁場總強度、水平強度和垂直強度的絕對值隨時間的變化。記錄地磁要素隨時間變化的感光記錄圖稱為磁照圖。在磁照圖上有地磁要素（如磁偏角D、水平強度H和垂直強度Z）的變化曲線,有相應的地磁要素的基線，還有表示溫度變化的溫度線和表示時間的時號線。用磁力儀進行絕對值觀測是為了確定磁照圖上的基線值，從而確定任何時刻的各地磁要素的數值。為了校正各個國家地磁臺的儀器差，地磁臺的磁力儀還要定期地同國際標準磁力儀進行比測。磁暴記錄儀與記錄水平強度的地磁記錄儀相同，只是靈敏度較低，為的是使它能記錄到磁暴的全過程。
為了保證提供準確、完整、連續的地磁要素變化資料,地磁臺要保證各種儀器處於正常的工作狀態,定時進行觀測，此外還要對取得的記錄進行初步處理。地磁臺的資料處理包括計算各個地磁要素的每小時、每日、每月、每季和每年的平均值，並將整理的數據編輯出版。
目前世界上有近200個永久地磁臺。世界上第一個地磁臺是1794年建在蘇門答臘島的馬爾伯勒堡臺，最初是用人工目測，僅有相對記錄。1857年，英國格林威治皇家觀象臺的艾裡(G.B.Airy)首先研究成功採用照相方法記錄地磁場的變化，並迅速得到推廣，沿用至今。隨著自動化和數位化技術的發展，地磁臺也裝備起一套自動化的數據收集、存儲和處理的系統。
中國地磁臺始建於1870年。20世紀50年代後，開始在多處設臺。
（十二）結論
依據我們對地球的理解，地球可以提供能量的來源主要有兩個：第一個是地熱，第二個就是地球的引力。地球變化磁場的規律與這兩個能源的變化規律沒有關係。所以「自激發電機說」不成立，「差異旋轉和較差自轉」地磁成因也失去能量基礎。
我們知道，太陽作用到地球上的能量來源有三個：① 陽光；② 太陽的引力；③ 太陽風及太陽宇宙線。
地磁場的變化統計說明，地球磁場變化與太陽光、太陽引力沒有基本因果關係。從以上地球磁場變化監測情況看，地磁場與太陽風的變化密切相關。不過地磁場的變化量不足百分之十，而太陽風的變化量是在數量級的範圍上，所以其中必有原因。
最後，有一點是可以肯定的：當用一種方法檔去作用在地球上的太陽風時，地磁場將會即刻消失。太陽風與地磁場密切相關。
本章重點概要
（一）指南針的發明使人們認識到地球表面存在有地磁場，。
（二）吉爾伯特提出的由地球中心大磁鐵產生的地磁場。
（三）居裡溫度的發現，使人們想到，在地層深處的高溫狀態下，鐵磁物質已達到或超過自身的熔點並呈現液態溫度了。所以它決不會形成地球磁場的磁鐵了。
（四）地球磁場從地球形成的時候就存在了，一直延續到現在。
（五）為了解決問題，以地核為發電系統的大量理論被提出，可是它們都無法在實驗室裡得以驗證。
（六）地球磁場應該和地球核的運動沒有什麼關係！也就是說，地磁場與地球的中心核的結構沒有直接關係！
（七）有一點是可以肯定的：當用一種方法檔去作用在地球上的太陽風時，地磁場將即刻消失。太陽風與地磁場相關。