สนามแม่เหล็กโลกหรือที่รู้จักกันในชื่อสนามแม่เหล็ก โลก คือสนามแม่เหล็กที่แผ่ขยายจากภายในโลกออกไปสู่อวกาศ ซึ่งมันจะทำปฏิกิริยากับลมสุริยะซึ่งเป็นกระแสของ อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่พุ่งออกมาจากดวงอาทิตย์สนามแม่เหล็กนี้เกิดจากกระแสไฟฟ้าเนื่องจากการเคลื่อนที่ของกระแสการพาความร้อนของส่วนผสมของเหล็กและนิกเกล หลอมเหลว ในแกนโลกชั้นนอกกระแสการพาความร้อนเหล่านี้เกิดจากความร้อนที่หนีออกมาจากแกนโลก ซึ่งเป็นกระบวนการทางธรรมชาติที่เรียกว่าไดนาโมโลก

ขนาดของสนามแม่เหล็กโลกที่พื้นผิวโลกมีค่าตั้งแต่ 25,000 ถึง 65,000 nT (0.25 ถึง 0.65 G) ^{[ 3 ]}โดยประมาณแล้ว จะแสดงด้วยสนามของไดโพลแม่เหล็กที่เอียงทำมุมประมาณ 11° เมื่อเทียบกับ แกน หมุนของโลกราวกับว่ามีแท่งแม่เหล็ก ขนาดใหญ่ วางทำมุมนั้นผ่านศูนย์กลางของโลกขั้วแม่เหล็กโลกเหนือ (บนเกาะเอลเลสเมียร์นูนาวุตแคนาดา) จริงๆ แล้วแสดงถึงขั้วใต้ของสนามแม่เหล็กโลก และในทางกลับกันขั้วแม่เหล็กโลกใต้จะสอดคล้องกับขั้วเหนือของสนามแม่เหล็กโลก (เนื่องจากขั้วแม่เหล็กตรงข้ามดึงดูดกัน และปลายด้านเหนือของแม่เหล็ก เช่นเดียวกับเข็มทิศ จะชี้ไปยังสนามแม่เหล็กใต้ของโลก)

แม้ว่า ขั้วแม่เหล็กเหนือและใต้โดยทั่วไปจะอยู่ใกล้กับขั้วโลกทางภูมิศาสตร์แต่พวกมันเคลื่อนที่อย่างช้าๆ และต่อเนื่องในช่วงเวลาทางธรณีวิทยา แต่ก็ช้าพอที่จะทำให้เข็มทิศ ธรรมดา ยังคงใช้งานได้สำหรับการนำทาง อย่างไรก็ตาม ในช่วงเวลาที่ไม่สม่ำเสมอโดยเฉลี่ยหลายแสนปีสนามแม่เหล็กโลกจะกลับทิศทางและ ขั้วแม่เหล็ก เหนือและใต้จะสลับตำแหน่งกันอย่างฉับพลัน การกลับทิศทางของขั้วแม่เหล็กโลก เหล่านี้ ทิ้งร่องรอยไว้ในหินซึ่งมีค่าสำหรับนักธรณีแม่เหล็กโบราณในการคำนวณสนามแม่เหล็กโลกในอดีต ข้อมูลดังกล่าวมีประโยชน์ในการศึกษาการเคลื่อนที่ของทวีปและพื้นมหาสมุทร แมกนีโตสเฟียร์ถูกกำหนดโดยขอบเขตของสนามแม่เหล็กโลกในอวกาศหรือจีโอสเปซมันแผ่ขยายขึ้นไปเหนือไอโอโนสเฟียร์หลายหมื่นกิโลเมตรในอวกาศปกป้องโลกจากอนุภาคประจุของลมสุริยะและรังสีคอสมิกที่จะทำลายชั้นบรรยากาศชั้นบน รวมถึงชั้นโอโซนที่ปกป้องโลกจากรังสีอัลตราไวโอเลตที่เป็นอันตราย

สนามแม่เหล็กโลกเบี่ยงเบนลมสุริยะส่วนใหญ่ ซึ่งอนุภาคประจุไฟฟ้าจะทำลายชั้นโอโซนที่ปกป้องโลกจากรังสีอัลตราไวโอเลตที่เป็นอันตราย^{[ 4 ​​]}กลไกการทำลายอย่างหนึ่งคือก๊าซจะถูกดักจับอยู่ในฟองอากาศของสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะถูกลมสุริยะพัดออกไป^{[ 5 ]}การคำนวณการสูญเสียคาร์บอนไดออกไซด์จากชั้นบรรยากาศของดาวอังคาร ซึ่งเป็นผลมาจากการดักจับไอออนโดยลมสุริยะ แสดงให้เห็นว่าการสลายตัวของสนามแม่เหล็กของดาวอังคารทำให้ ชั้นบรรยากาศของ ดาวอังคารหาย ไปเกือบทั้งหมด^{[ 6 ] [ 7 ]}

The study of the past magnetic field of the Earth is known as paleomagnetism.^[8] The polarity of the Earth's magnetic field is recorded in igneous rocks, and reversals of the field are thus detectable as "stripes" centered on mid-ocean ridges where the sea floor is spreading, while the stability of the geomagnetic poles between reversals has allowed paleomagnetism to track the past motion of continents. Reversals also provide the basis for magnetostratigraphy, a way of dating rocks and sediments.^[9] The field also magnetizes the crust, and magnetic anomalies can be used to search for deposits of metal ores.^[10]

Humans have used compasses for direction finding since the 11th century A.D. and for navigation since the 12th century.^[11] Although the magnetic declination does shift with time, this wandering is slow enough that a simple compass can remain useful for navigation. Using magnetoreception, various other organisms, ranging from some types of bacteria to pigeons, use the Earth's magnetic field for orientation and navigation.^[12]

At any location, the Earth's magnetic field can be represented by a three-dimensional vector. A typical procedure for measuring its direction is to use a compass to determine the direction of magnetic North. Its angle relative to true North is the declination (D) or variation. Facing magnetic North, the angle the field makes with the horizontal is the inclination (I) or magnetic dip. The intensity (F) of the field is proportional to the force it exerts on a magnet. Another common representation is in X (North), Y (East) and Z (Down) coordinates.^[13]

สนามแม่เหล็กโลกมีค่าอยู่ระหว่างประมาณ 22 ถึง 67 μT (0.22 ถึง 0.67 G) ^{[ 14 ]}เมื่อเปรียบเทียบกันแล้วแม่เหล็กตู้เย็น ที่มีความเข้มสูง จะมีสนามแม่เหล็กประมาณ 10,000 μT (100 G) ^{[ 15 ]}ความเข้มของสนามแม่เหล็กนี้เรียกอย่างถูกต้องว่า "ความหนาแน่นของฟลักซ์" หน่วย SIคือเทสลา (T)แต่อาจใช้ เกาส์ (G) ก็ได้ โดย 1 G = 100 μT

แผนที่เส้นชั้นความเข้มเรียกว่าแผนภูมิไอโซไดนามิกดังที่แบบจำลองแม่เหล็กโลกแสดงให้เห็น ความเข้มมีแนวโน้มลดลงจากขั้วโลกไปยังเส้นศูนย์สูตร ความเข้มต่ำสุดเกิดขึ้นที่ความผิดปกติของแอตแลนติกใต้เหนือทวีปอเมริกาใต้ ในขณะที่มีความเข้มสูงสุดเหนือแคนาดาตอนเหนือ ไซบีเรีย และชายฝั่งแอนตาร์กติกาทางใต้ของออสเตรเลีย^{[ 16 ]}

ความเข้มของสนามแม่เหล็กอาจเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา การศึกษาทางธรณีแม่เหล็กโบราณในปี 2021 จากมหาวิทยาลัยลิเวอร์พูลได้สนับสนุนหลักฐานที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ว่าสนามแม่เหล็กโลกมีการเปลี่ยนแปลงความเข้มทุกๆ 200 ล้านปี ผู้เขียนหลักระบุว่า "ผลการค้นพบของเรา เมื่อพิจารณาร่วมกับชุดข้อมูลที่มีอยู่ สนับสนุนการมีอยู่ของวัฏจักรที่มีความยาวประมาณ 200 ล้านปีในความแรงของสนามแม่เหล็กโลกที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการในระดับลึกของโลก" ^{[ 17 ]}

ค่าความเอียงของสนามแม่เหล็กโลกแสดงด้วยมุมที่สามารถมีค่าได้ระหว่าง -90° (ขึ้น) ถึง 90° (ลง) ในซีกโลกเหนือ สนามแม่เหล็กจะชี้ลงด้านล่าง โดยจะชี้ลงตรงๆ ที่ขั้วแม่เหล็กเหนือและจะหมุนขึ้นด้านบนเมื่อละติจูดลดลง จนกระทั่งเป็นแนวนอน (0°) ที่เส้นศูนย์สูตรแม่เหล็ก จากนั้นจะหมุนขึ้นด้านบนต่อไปจนกระทั่งชี้ขึ้นตรงๆ ที่ขั้วแม่เหล็กใต้ สามารถวัดค่าความเอียงได้ด้วยวงกลมวัดความเอียง (dip circle )

แผนภูมิเส้นไอโซคลินิก (แผนที่แสดงเส้นชั้นความเอียง) ของสนามแม่เหล็กโลกแสดงอยู่ด้านล่าง

ค่าความเบี่ยงเบนของสนามแม่เหล็กโลก (Declination) มีค่าเป็นบวก หมายถึงสนามแม่เหล็กโลกเบี่ยงเบนไปทางทิศตะวันออกเมื่อเทียบกับทิศเหนือจริง สามารถประมาณค่าได้โดยการเปรียบเทียบทิศทางทิศเหนือ-ใต้ของเข็มทิศกับทิศทางของขั้วฟ้าแผนที่โดยทั่วไปจะมีข้อมูลเกี่ยวกับค่าความเบี่ยงเบนของสนามแม่เหล็กโลกในรูปของมุมหรือแผนภาพขนาดเล็กที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างทิศเหนือแม่เหล็กและทิศเหนือจริง ข้อมูลเกี่ยวกับค่าความเบี่ยงเบนของสนามแม่เหล็กโลกสำหรับภูมิภาคหนึ่งๆ สามารถแสดงได้ด้วยแผนภูมิที่มีเส้นไอโซโกนิก (เส้นชั้นความสูงที่แต่ละเส้นแทนค่าความเบี่ยงเบนคงที่)

• 
  ความเข้มข้น
• 
  ความโน้มเอียง
• 
  การลดลง

ใกล้พื้นผิวโลก สนามแม่เหล็กของโลกสามารถประมาณได้อย่างใกล้เคียงด้วยสนามของไดโพลแม่เหล็กที่ตั้งอยู่ใจกลางโลกและเอียงทำมุมประมาณ 11° เมื่อเทียบกับแกนหมุนของโลก^{[ 18 ]}ไดโพลนี้เทียบเท่ากับแม่เหล็ก แท่งทรงพลัง โดยมีขั้วใต้ชี้ไปยังขั้วเหนือของสนามแม่เหล็กโลก^{[ 19 ]}นี่อาจดูน่าประหลาดใจ แต่ขั้วเหนือของแม่เหล็กถูกกำหนดไว้เช่นนั้นเพราะ หากปล่อยให้หมุนได้อย่างอิสระ มันจะชี้ไปทางทิศเหนือโดยประมาณ (ในเชิงภูมิศาสตร์) เนื่องจากขั้วเหนือของแม่เหล็กดึงดูดขั้วใต้ของแม่เหล็กอื่นและผลักขั้วเหนือ ดังนั้นมันจึงต้องถูกดึงดูดไปยังขั้วใต้ของแม่เหล็กโลก สนามไดโพลคิดเป็น 80–90% ของสนามในสถานที่ส่วนใหญ่^{[ 13 ]}

ในอดีต ขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็กถูกกำหนดโดยสนามแม่เหล็กโลก ไม่ใช่ในทางกลับกัน เนื่องจากหนึ่งในประโยชน์แรกๆ ของแม่เหล็กคือการใช้เป็นเข็มทิศ ขั้วเหนือของแม่เหล็กถูกกำหนดให้เป็นขั้วที่ถูกดึงดูดโดยขั้วแม่เหล็กเหนือของโลก ในบริเวณอาร์กติก เมื่อแม่เหล็กถูกแขวนไว้เพื่อให้สามารถหมุนได้อย่างอิสระ เนื่องจากขั้วตรงข้ามดึงดูดกัน ขั้วแม่เหล็กเหนือของโลกจึงเป็นขั้วใต้ของสนามแม่เหล็กโลก (บริเวณที่สนามแม่เหล็กพุ่งลงสู่พื้นโลก) ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

ตำแหน่งของขั้วแม่เหล็กสามารถกำหนดได้อย่างน้อยสองวิธี: ในระดับท้องถิ่นหรือระดับโลก^{[ 24 ]}การกำหนดในระดับท้องถิ่นคือจุดที่สนามแม่เหล็กอยู่ในแนวตั้ง^{[ 25 ]}ซึ่งสามารถกำหนดได้โดยการวัดความเอียง ความเอียงของสนามแม่เหล็กโลกอยู่ที่ 90° (ลงด้านล่าง) ที่ขั้วแม่เหล็กเหนือ และ –90° (ขึ้นด้านบน) ที่ขั้วแม่เหล็กใต้ ขั้วทั้งสองเคลื่อนที่อย่างอิสระจากกันและไม่ได้อยู่ตรงข้ามกันโดยตรงบนโลก มีการสังเกตการเคลื่อนที่ของขั้วแม่เหล็กเหนือได้มากถึง 40 กิโลเมตร (25 ไมล์) ต่อปี ในช่วง 180 ปีที่ผ่านมา ขั้วแม่เหล็กเหนือได้เคลื่อนตัวไปทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือ จากแหลมแอดิเลดในคาบสมุทรบูเทียในปี 1831 ไปยัง 600 กิโลเมตร (370 ไมล์) จากอ่าวเรโซลูตในปี 2001 ^{[ 26 ]}เส้นศูนย์สูตรแม่เหล็กคือเส้นที่ความเอียงเป็นศูนย์ (สนามแม่เหล็กอยู่ในแนวนอน)

นิยามสากลของสนามแม่เหล็กโลกนั้นอิงตามแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ หากลากเส้นผ่านศูนย์กลางของโลก ขนานกับโมเมนต์ของไดโพลแม่เหล็กที่เหมาะสมที่สุด ตำแหน่งสองตำแหน่งที่เส้นนั้นตัดกับพื้นผิวโลกเรียกว่าขั้วแม่เหล็กโลกเหนือและใต้ หากสนามแม่เหล็กโลกเป็นแบบไดโพลสมบูรณ์แบบ ขั้วแม่เหล็กโลกและขั้วความเอียงของแม่เหล็กจะตรงกัน และเข็มทิศจะชี้ไปยังขั้วเหล่านั้น อย่างไรก็ตาม สนามแม่เหล็กโลกมี ส่วนประกอบ ที่ไม่เป็นแบบไดโพล อยู่มาก ดังนั้นขั้วจึงไม่ตรงกัน และโดยทั่วไปเข็มทิศจะไม่ชี้ไปยังขั้วใดขั้วหนึ่ง

สนามแม่เหล็กโลกซึ่งส่วนใหญ่เป็นแบบไดโพลที่พื้นผิวโลกนั้น จะถูกบิดเบือนไปไกลออกไปโดยลมสุริยะ ซึ่งเป็นกระแสของอนุภาคที่มีประจุที่ออกจากโคโรนาของดวงอาทิตย์และเร่งความเร็วไปถึง 200 ถึง 1,000 กิโลเมตรต่อวินาที พวกมันนำสนามแม่เหล็กมาด้วย ซึ่งก็คือสนามแม่เหล็กระหว่างดาวเคราะห์ (IMF) ^{[ 27 ]}

ลมสุริยะก่อให้เกิดแรงดัน และหากสามารถเข้าถึงชั้นบรรยากาศของโลกได้ก็จะกัดกร่อนชั้นบรรยากาศนั้น อย่างไรก็ตาม มันถูกกันไว้โดยแรงดันของสนามแม่เหล็กโลก บริเวณ แมกนีโตพอสซึ่งเป็นบริเวณที่แรงดันสมดุลกัน เป็นขอบเขตของแมกนีโตสเฟียร์ แม้จะมีชื่อว่าแมกนีโตสเฟียร์ แต่จริงๆ แล้วแมกนีโตสเฟียร์นั้นไม่สมมาตร โดยด้านที่หันเข้าหาดวงอาทิตย์อยู่ห่างออกไปประมาณ 10 เท่าของ  รัศมีโลกแต่ด้านตรงข้ามยื่นออกไปเป็นหางแมกนีโตสเฟียร์ที่ขยายออกไปไกลกว่า 200 เท่าของรัศมีโลก^{[ 28 ]} ทางด้านที่หันเข้าหาดวงอาทิตย์ของแมกนีโตพอสคือบริเวณโบว์ช็อกซึ่งเป็นบริเวณที่ลมสุริยะชะลอตัวลงอย่างกะทันหัน^{[ 27 ]}

ภายในแมกนีโตสเฟียร์คือพลาสมาสเฟียร์ซึ่งเป็นบริเวณรูปทรงโดนัทที่ประกอบด้วยอนุภาคประจุพลังงานต่ำหรือพลาสมาบริเวณนี้เริ่มต้นที่ความสูง 60 กิโลเมตร ขยายออกไปได้ถึง 3 หรือ 4 เท่าของรัศมีโลก และรวมถึงไอโอโนสเฟียร์ บริเวณนี้หมุนไปพร้อมกับโลก^{[ 28 ]}นอกจากนี้ยังมีบริเวณรูปทรงยางรถยนต์สองชั้นซ้อนกัน เรียกว่าแถบรังสีแวนอัลเลนซึ่งมีไอออนพลังงานสูง (พลังงานตั้งแต่ 0.1 ถึง 10  MeV ) แถบด้านในอยู่ห่างออกไป 1–2 เท่าของรัศมีโลก ในขณะที่แถบด้านนอกอยู่ห่างออกไป 4–7 เท่าของรัศมีโลก พลาสมาสเฟียร์และแถบแวนอัลเลนมีการทับซ้อนกันบางส่วน โดยขอบเขตของการทับซ้อนจะแตกต่างกันอย่างมากตามกิจกรรมของดวงอาทิตย์^{[ 29 ]}

นอกจากจะเบี่ยงเบนลมสุริยะแล้ว สนามแม่เหล็กโลกยังเบี่ยงเบนรังสีคอสมิกซึ่งเป็นอนุภาคประจุพลังงานสูงที่ส่วนใหญ่มาจากนอกระบบสุริยะรังสีคอสมิกจำนวนมากถูกกันไม่ให้เข้ามาในระบบสุริยะโดยสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์หรือเฮลิโอสเฟียร์ [ ^{30 ] ใน}ทางตรงกันข้าม นักบินอวกาศบนดวงจันทร์มีความเสี่ยงที่จะได้รับรังสี ใครก็ตามที่อยู่บนพื้นผิวดวงจันทร์ในช่วงที่เกิดการปะทุของดวงอาทิตย์อย่างรุนแรงเป็นพิเศษในปี 2548 จะได้รับรังสีในปริมาณที่ถึงแก่ชีวิต^{[ 27 ]}

อนุภาคที่มีประจุบางส่วนเข้าไปในแมกนีโตสเฟียร์ อนุภาคเหล่านี้จะหมุนวนรอบเส้นสนามแม่เหล็ก กระเด้งไปมาระหว่างขั้วหลายครั้งต่อวินาที นอกจากนี้ ไอออนบวกจะค่อยๆ เคลื่อนตัวไปทางทิศตะวันตก และไอออนลบจะเคลื่อนตัวไปทางทิศตะวันออก ทำให้เกิดกระแสวงแหวนกระแสนี้จะลดสนามแม่เหล็กที่พื้นผิวโลก^{[ 27 ]}อนุภาคที่ทะลุผ่านไอโอโนสเฟียร์และชนกับอะตอมที่นั่นทำให้เกิดแสงออโรร่า พร้อมกับปล่อย รังสีเอ็กซ์ ออก มาด้วย^{[ 28 ]}

สภาวะที่เปลี่ยนแปลงไปในแมกนีโตสเฟียร์ หรือที่เรียกว่าสภาพอากาศในอวกาศส่วนใหญ่เกิดจากกิจกรรมของดวงอาทิตย์ หากลมสุริยะอ่อน แมกนีโตสเฟียร์จะขยายตัว ในขณะที่หากแรง แมกนีโตสเฟียร์จะถูกบีบอัด ทำให้มีส่วนต่างๆ เข้ามามากขึ้น ช่วงเวลาที่มีกิจกรรมรุนแรงเป็นพิเศษ เรียกว่าพายุแม่เหล็ก โลก สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อการปล่อยมวลโคโรนาปะทุขึ้นเหนือดวงอาทิตย์และส่งคลื่นกระแทกผ่านระบบสุริยะ คลื่นดังกล่าวอาจใช้เวลาเพียงสองวันในการมาถึงโลก พายุแม่เหล็กโลกสามารถก่อให้เกิดความเสียหายอย่างมากพายุ "ฮาโลวีน" ในปี 2546ทำให้ดาวเทียมของ NASA เสียหายไปมากกว่าหนึ่งในสาม พายุที่ใหญ่ที่สุดที่มีการบันทึกไว้คือเหตุการณ์แครริงตันเกิดขึ้นในปี 1859 มันเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าที่แรงพอที่จะรบกวนสายโทรเลข และมีรายงานแสงออโรร่าทางใต้สุดถึงฮาวาย^{[ 27 ] [ 31 ]}

สนามแม่เหล็กโลกเปลี่ยนแปลงไปตามช่วงเวลาตั้งแต่ระดับมิลลิวินาทีไปจนถึงหลายล้านปี ช่วงเวลาที่สั้นกว่านั้นส่วนใหญ่เกิดจากกระแสในชั้นไอโอโนสเฟียร์ ( บริเวณไดนาโมไอโอโนสเฟียร์ ) และแมกนีโตสเฟียร์ และการเปลี่ยนแปลงบางอย่างสามารถสืบย้อนไปถึงพายุแม่เหล็กโลกหรือการเปลี่ยนแปลงรายวันของกระแสได้ การเปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาหนึ่งปีหรือมากกว่านั้นส่วนใหญ่สะท้อนถึงการเปลี่ยนแปลงภายในโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แกนโลกที่อุดมไปด้วยเหล็ก^{[ 13 ]}

บ่อยครั้งที่สนามแม่เหล็กโลกถูกกระทบโดยเปลวสุริยะ ทำให้เกิดพายุแม่เหล็กโลก ซึ่ง ^ก่อให้เกิดปรากฏการณ์แสงเหนือ ความไม่เสถียรในระยะสั้นของสนามแม่เหล็กจะวัดด้วยดัชนี K [ ^{32 ]}

ข้อมูลจากTHEMISแสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับลมสุริยะจะลดลงเมื่อทิศทางของสนามแม่เหล็กอยู่ในแนวเดียวกันระหว่างดวงอาทิตย์และโลก ซึ่งตรงกันข้ามกับสมมติฐานก่อนหน้านี้ ในระหว่างพายุสุริยะที่จะเกิดขึ้นในอนาคต สิ่งนี้อาจส่งผลให้เกิดไฟฟ้าดับและการหยุดชะงักในดาวเทียมเทียม^{[ 33 ]}

การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กโลกในช่วงเวลาหนึ่งปีหรือมากกว่านั้นเรียกว่าการเปลี่ยนแปลงแบบระยะยาว (secular variation ) พบว่าค่าความเบี่ยงเบนของสนามแม่เหล็กโลกเปลี่ยนแปลงไปหลายสิบองศาในช่วงหลายร้อยปี^{[ 13 ]}ภาพเคลื่อนไหวแสดงให้เห็นว่าค่าความเบี่ยงเบนทั่วโลกเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในช่วงไม่กี่ศตวรรษที่ผ่านมา^{[ 34 ]}

ทิศทางและความเข้มของไดโพลเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา ในช่วงสองศตวรรษที่ผ่านมา ความแรงของไดโพลลดลงในอัตราประมาณ 6.3% ต่อศตวรรษ^{[ 13 ]}ด้วยอัตราการลดลงนี้ สนามจะแทบไม่มีนัยสำคัญในอีกประมาณ 1600 ปี^{[ 35 ]}อย่างไรก็ตาม ความแรงนี้อยู่ในระดับเฉลี่ยในช่วง 7 พันปีที่ผ่านมา และอัตราการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันก็ไม่ผิดปกติ^{[ 36 ]}

ลักษณะเด่นในส่วนที่ไม่ใช่ขั้วคู่ของการเปลี่ยนแปลงตามกาลเวลาคือการเคลื่อนตัวไปทางทิศตะวันตกในอัตราประมาณ 0.2° ต่อปี^{[ 35 ]}การเคลื่อนตัวนี้ไม่เหมือนกันทุกที่และมีการเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา การเคลื่อนตัวเฉลี่ยทั่วโลกเป็นไปทางทิศตะวันตกตั้งแต่ประมาณปี ค.ศ. 1400 แต่เป็นไปทางทิศตะวันออกระหว่างประมาณปี ค.ศ. 1000 ถึง ค.ศ. 1400 ^{[ 37 ]}

การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นก่อนการสังเกตการณ์สนามแม่เหล็กจะถูกบันทึกไว้ในวัสดุทางโบราณคดีและธรณีวิทยา การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเรียกว่าการแปรผันทางโลกของสนามแม่เหล็กโบราณหรือการแปรผันทางโลกของสนามแม่เหล็กโบราณ (PSV)โดยทั่วไปบันทึกจะประกอบด้วยช่วงเวลาที่ยาวนานของการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย พร้อมกับการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่เป็นครั้งคราว ซึ่งสะท้อนถึง การเบี่ยงเบน และการกลับทิศทางของสนามแม่เหล็กโลก^{[ 38 ]}

การศึกษาการไหลของลาวาบนภูเขา Steensในรัฐโอเรกอนเมื่อปี 1995 ดูเหมือนจะชี้ให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กเคยเปลี่ยนทิศทางด้วยอัตราสูงสุดถึง 6° ต่อวันในช่วงเวลาหนึ่งในประวัติศาสตร์ของโลก ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจ^{[ 39 ]}อย่างไรก็ตาม ในปี 2014 หนึ่งในผู้เขียนดั้งเดิมได้ตีพิมพ์งานวิจัยใหม่ที่พบว่าผลลัพธ์ดังกล่าวเกิดจากการลดอำนาจแม่เหล็กเนื่องจากความร้อนอย่างต่อเนื่องของลาวา ไม่ใช่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก^{[ 40 ]}

ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2563 นักวิทยาศาสตร์รายงานว่าการวิเคราะห์การจำลองและแบบจำลองสนามสังเกตการณ์ล่าสุดแสดงให้เห็นว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงทิศทางสูงสุดของสนามแม่เหล็กโลกถึง ~10° ต่อปี ซึ่งเร็วกว่าการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันเกือบ 100 เท่า และเร็วกว่าที่เคยคิดไว้ถึง 10 เท่า^{[ 41 ] [ 42 ]}

แม้ว่าโดยทั่วไปสนามแม่เหล็กโลกจะมีลักษณะเป็นไดโพลโดยประมาณ โดยมีแกนที่เกือบจะอยู่ในแนวเดียวกับแกนการหมุน แต่บางครั้งขั้วแม่เหล็กโลก เหนือและใต้ ก็สลับตำแหน่งกัน หลักฐานของการกลับขั้วแม่เหล็กโลก เหล่านี้ สามารถพบได้ในหินบะซอลต์ แกนตะกอนที่ได้จากพื้นมหาสมุทร และความผิดปกติของสนามแม่เหล็กใต้ทะเล^{[ 43 ]}การกลับขั้วเกิดขึ้นแบบสุ่มในเวลา โดยมีช่วงเวลาระหว่างการกลับขั้วตั้งแต่ไม่ถึง 0.1 ล้านปีไปจนถึง 50 ล้านปี การกลับขั้วแม่เหล็กโลกครั้งล่าสุดที่เรียกว่าการกลับขั้ว Brunhes–Matuyamaเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 780,000 ปีที่แล้ว^{[ 26 ] [ 44 ]}ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องอีกอย่างหนึ่งคือการเบี่ยงเบน ของสนามแม่เหล็กโลก ซึ่งทำให้แกนไดโพลเคลื่อนผ่านเส้นศูนย์สูตรแล้วกลับไปยังขั้วเดิม^{[ 45 ] [ 46 ]}เหตุการณ์Laschampเป็นตัวอย่างของการเดินทางที่เกิดขึ้นในช่วงยุคน้ำแข็งครั้งสุดท้าย (41,000 ปีที่แล้ว)

สนามแม่เหล็กในอดีตส่วนใหญ่ถูกบันทึกไว้โดยแร่ธาตุแม่เหล็กแรงสูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งออกไซด์ของเหล็กเช่นแมกเนไทต์ซึ่งสามารถมีโมเมนต์แม่เหล็กถาวรได้ การเกิดสนามแม่เหล็กตกค้างหรือremanence นี้ สามารถเกิดขึ้นได้หลายวิธี ในลาวาไหลทิศทางของสนามจะถูก "ตรึง" ไว้ในแร่ธาตุขนาดเล็กเมื่อเย็นตัวลง ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กตกค้างจากความร้อน ในตะกอนการวางตัวของอนุภาคแม่เหล็กจะเอนเอียงไปทางสนามแม่เหล็กเล็กน้อยเมื่อถูกสะสมบนพื้นมหาสมุทรหรือก้นทะเลสาบ สิ่งนี้เรียกว่า สนาม แม่เหล็กตกค้างจากตะกอน^{[ 8 ]}

การคงสภาพแม่เหล็กเนื่องจากความร้อนเป็นแหล่งกำเนิดหลักของความผิดปกติทางแม่เหล็กบริเวณสันกลางมหาสมุทร เมื่อพื้นทะเลขยายตัว แมกมาจะผุดขึ้นมาจากชั้นแมนเทิล เย็นตัวลงเพื่อก่อตัวเป็นเปลือกโลกบะซอลต์ใหม่ทั้งสองด้านของสันกลางมหาสมุทร และถูกพัดพาออกไปจากสันกลางมหาสมุทรโดยการขยายตัวของพื้นทะเล เมื่อมันเย็นตัวลง มันจะบันทึกทิศทางของสนามแม่เหล็กโลก เมื่อสนามแม่เหล็กโลกกลับทิศทาง บะซอลต์ใหม่จะบันทึกทิศทางที่กลับทิศทางนั้น ผลที่ได้คือแถบสีหลายแถบที่สมมาตรกับสันกลางมหาสมุทร เรือที่ลากเครื่องวัดสนามแม่เหล็กบนผิวมหาสมุทรสามารถตรวจจับแถบสีเหล่านี้และอนุมานอายุของพื้นมหาสมุทรด้านล่างได้ ซึ่งให้ข้อมูลเกี่ยวกับอัตราการขยายตัวของพื้นทะเลในอดีต^{[ 8 ]}

การหาอายุด้วยวิธีเรดิโอเมตริกของลาวาไหลถูกนำมาใช้เพื่อสร้างมาตราเวลาขั้วแม่เหล็กโลกซึ่งส่วนหนึ่งแสดงอยู่ในภาพ สิ่งนี้เป็นพื้นฐานของแมกเนโตสแตรติกราฟีซึ่งเป็นเทคนิคการเชื่อมโยงทางธรณีฟิสิกส์ที่สามารถใช้ในการหาอายุของลำดับชั้นตะกอนและภูเขาไฟ รวมถึงความผิดปกติของสนามแม่เหล็กใต้ทะเล^{[ 8 ]}

การศึกษาทางธรณีแม่เหล็กของ ลาวา Paleoarcheanในออสเตรเลียและหินกรวดในแอฟริกาใต้สรุปได้ว่าสนามแม่เหล็กมีอยู่มาตั้งแต่อย่างน้อยประมาณ3,450  ล้านปีก่อน [ ^{47 ] [ 48 ] [ 49 ] ใน}ปี 2024 นักวิจัยได้ตีพิมพ์หลักฐานจากกรีนแลนด์เกี่ยวกับการมีอยู่ของสนามแม่เหล็กตั้งแต่เมื่อ 3,700 ล้านปีก่อน^{[ 50 ]}

ตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 และตลอดศตวรรษที่ 20 เป็นต้นมา สนามแม่เหล็กโลกโดยรวมอ่อนลง การเสื่อมถอยอย่างรุนแรงในปัจจุบันสอดคล้องกับการลดลง 10-15% และเร่งตัวขึ้นตั้งแต่ปี 2000 ความเข้มของสนามแม่เหล็กโลกได้ลดลงอย่างต่อเนื่องจากจุดสูงสุดที่ 35% เหนือค่าปัจจุบัน ตั้งแต่ประมาณปี ค.ศ. 1 อัตราการลดลงและความแรงในปัจจุบันอยู่ในช่วงความแปรผันปกติ ดังที่แสดงโดยบันทึกสนามแม่เหล็กในอดีตที่บันทึกไว้ในหิน

ลักษณะของสนามแม่เหล็กโลกเป็นการ ผันผวนแบบเฮเทอ โรสเคดาสติก (ดูเหมือนสุ่ม) การวัดค่าในทันที หรือการวัดหลายครั้งในช่วงเวลาหลายสิบปีหรือหลายร้อยปีนั้นไม่เพียงพอที่จะคาดการณ์แนวโน้มโดยรวมของความแรงของสนามได้ สนามแม่เหล็กโลกเคยขึ้นๆ ลงๆ ในอดีตด้วยเหตุผลที่ไม่ทราบแน่ชัด นอกจากนี้ การสังเกตความเข้มของสนามไดโพลในบริเวณนั้น (หรือการผันผวนของมัน) ก็ไม่เพียงพอที่จะอธิบายลักษณะของสนามแม่เหล็กโลกโดยรวมได้ เนื่องจากมันไม่ใช่สนามไดโพลอย่างแท้จริง ส่วนประกอบไดโพลของสนามแม่เหล็กโลกอาจลดลงได้ แม้ว่าสนามแม่เหล็กโดยรวมจะคงที่หรือเพิ่มขึ้นก็ตาม

ขั้วแม่เหล็กโลกเหนือกำลังเคลื่อนตัวจากทางเหนือของแคนาดาไปยังไซบีเรียด้วยอัตราเร่งในปัจจุบัน—10 กิโลเมตร (6.2 ไมล์) ต่อปีในช่วงต้นทศวรรษ 1900 เพิ่มขึ้นเป็น 40 กิโลเมตร (25 ไมล์) ต่อปีในปี 2003 ^{[ 26 ]}และหลังจากนั้นก็มีแต่จะเร่งตัวขึ้น^{[ 51 ] [ 52 ]}

เชื่อกันว่าสนามแม่เหล็กโลกเกิดจากกระแสไฟฟ้าในโลหะผสมเหล็กนำไฟฟ้าของแกนโลก ซึ่งเกิดจากกระแสการพาความร้อนเนื่องจากความร้อนที่หนีออกจากแกนโลก

โลกและดาวเคราะห์ส่วนใหญ่ในระบบสุริยะ รวมถึงดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่นๆ ล้วนสร้างสนามแม่เหล็กผ่านการเคลื่อนที่ของของเหลวที่นำ ไฟฟ้าได้ ^{[ 54 ]}สนามแม่เหล็กของโลกมีต้นกำเนิดมาจากแกนกลางของโลก ซึ่งเป็นบริเวณของโลหะผสมเหล็กที่ขยายไปถึงประมาณ 3400 กม. (รัศมีของโลกคือ 6370 กม.) แกนกลางของโลกแบ่งออกเป็นแกนในที่เป็น ของแข็ง มีรัศมี 1220 กม. และแกนนอกที่เป็นของเหลว[ 55 ^{]การเคลื่อนที่}ของของเหลวในแกนนอกนั้นถูกขับเคลื่อนด้วยการไหลของความร้อนจากแกนใน ซึ่งมีอุณหภูมิประมาณ 6,000 K (5,730 °C; 10,340 °F) ไปยังขอบเขตแกนกลาง-เนื้อโลกซึ่งมีอุณหภูมิประมาณ 3,800 K (3,530 °C; 6,380 °F) ^{[ 56 ]} ความร้อนเกิดจากพลังงานศักยภาพที่ปล่อยออกมาจากวัสดุที่หนักกว่าซึ่งจมลงสู่แกนกลาง ( การแยกตัวของดาวเคราะห์ภัยพิบัติเหล็ก ) รวมถึงการสลายตัวของ ธาตุ กัมมันตรังสีภายใน รูปแบบการไหลถูกจัดระเบียบโดยการหมุนของโลกและการมีอยู่ของแกนกลางที่เป็นของแข็ง^{[ 57 ]}

กลไกที่โลกสร้างสนามแม่เหล็กเรียกว่า จี โอไดนาโม^{[ 54 ]}สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยวงจรป้อนกลับ: วงจรไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็ก ( กฎวงจรของแอมแปร์ ); สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงสร้างสนามไฟฟ้า ( กฎของฟาราเดย์ ); และสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กออกแรงกระทำต่อประจุที่ไหลในกระแส ( แรงลอเรนซ์ ) ^{[ 58 ]}ผลกระทบเหล่านี้สามารถรวมกันได้ในสมการเชิงอนุพันธ์ย่อยสำหรับสนามแม่เหล็กที่เรียกว่าสม การการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก

$${\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}=\eta \nabla ^{2}\mathbf {B} +\nabla \times (\mathbf {u} \times \mathbf {B} ),}$$

โดยที่uคือความเร็วของของไหล; Bคือสนามแม่เหล็ก B; และη = 1/ σμคือการแพร่กระจายของแม่เหล็กซึ่งเป็นส่วนกลับของผลคูณของค่าการนำไฟฟ้าσและค่าการซึมผ่านμ ^{[ 59 ]} เทอม∂ B /∂ tคืออนุพันธ์ย่อยของสนามเทียบกับเวลา; ∇ ²คือตัวดำเนินการลาปลาส , ∇×คือ ตัว ดำเนินการเคิร์ลและ×คือผลคูณเวกเตอร์

พจน์แรกทางด้านขวามือของสมการการเหนี่ยวนำคือ พจน์ การแพร่กระจายในของเหลวที่อยู่นิ่ง สนามแม่เหล็กจะลดลง และความเข้มข้นของสนามจะกระจายออกไป หากไดนาโมของโลกหยุดทำงาน ส่วนไดโพลจะหายไปในอีกไม่กี่หมื่นปี^{[ 59 ]}

ในตัวนำที่สมบูรณ์แบบ ( ) จะไม่มีการแพร่กระจาย ตามกฎของเลนซ์การเปลี่ยนแปลงใดๆ ในสนามแม่เหล็กจะถูกต่อต้านโดยกระแสทันที ดังนั้นฟลักซ์ผ่านปริมาตรของของเหลวที่กำหนดจึงไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ เมื่อของเหลวเคลื่อนที่ สนามแม่เหล็กก็จะเคลื่อนที่ไปด้วย ทฤษฎีบทที่อธิบายผลกระทบนี้เรียกว่าทฤษฎีบทสนามคงที่ แม้ในของเหลวที่มีค่าการนำไฟฟ้าจำกัด สนามใหม่ก็ถูกสร้างขึ้นโดยการยืดเส้นสนามเมื่อของเหลวเคลื่อนที่ในลักษณะที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนรูป กระบวนการนี้สามารถสร้างสนามใหม่ได้เรื่อยๆ อย่างไม่มีที่สิ้นสุด หากไม่ใช่เพราะว่าเมื่อสนามแม่เหล็กมีความแรงเพิ่มขึ้น มันจะต้านทานการเคลื่อนที่ของของเหลว^{[ 59 ]}${\displaystyle \sigma =\infty \;}$

การเคลื่อนที่ของของเหลวได้รับการสนับสนุนโดยการพา ความร้อน ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่ที่ขับเคลื่อนด้วยแรงลอยตัวอุณหภูมิเพิ่มขึ้นไปทางศูนย์กลางของโลก และอุณหภูมิที่สูงขึ้นของของเหลวที่อยู่ด้านล่างทำให้เกิดแรงลอยตัว แรงลอยตัวนี้เพิ่มขึ้นจากการแยกทางเคมี: เมื่อแกนกลางเย็นลง เหล็กหลอมเหลวบางส่วนจะแข็งตัวและเกาะติดกับแกนกลางด้านใน ในกระบวนการนี้ ธาตุที่เบากว่าจะถูกทิ้งไว้ในของเหลว ทำให้ของเหลวเบาลง นี่เรียกว่าการพาความร้อนตามองค์ประกอบผลกระทบของโคริโอลิสซึ่งเกิดจากการหมุนของดาวเคราะห์โดยรวม มีแนวโน้มที่จะจัดระเบียบการไหลให้เป็นม้วนที่เรียงตัวตามแกนขั้วโลกเหนือ-ใต้^{[ 57 ] [ 59 ]}

ไดนาโมสามารถขยายสนามแม่เหล็กได้ แต่จำเป็นต้องมีสนาม "เริ่มต้น" เพื่อเริ่มการทำงาน^{[ 59 ]}สำหรับโลก นี่อาจเป็นสนามแม่เหล็กภายนอก ในช่วงต้นประวัติศาสตร์ ดวงอาทิตย์เคยผ่านช่วง T-Tauriซึ่งลมสุริยะจะมีสนามแม่เหล็กที่ใหญ่กว่าลมสุริยะในปัจจุบันหลายเท่า^{[ 60 ]}อย่างไรก็ตาม สนามส่วนใหญ่อาจถูกบดบังด้วยเนื้อโลก แหล่งกำเนิดทางเลือกอื่นคือกระแสไฟฟ้าที่ขอบเขตแกนโลก-เนื้อโลก ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาเคมีหรือการเปลี่ยนแปลงของค่าการนำความร้อนหรือการนำไฟฟ้า ผลกระทบดังกล่าวอาจยังคงให้ค่าความเอนเอียงเล็กน้อยซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเงื่อนไขขอบเขตสำหรับไดนาโมโลก^{[ 61 ]}

มีการคำนวณว่าสนามแม่เหล็กเฉลี่ยในแกนโลกชั้นนอกมีค่า 25 เกาส์ ซึ่งแรงกว่าสนามที่พื้นผิวถึง 50 เท่า^{[ 62 ]}

Simulating the geodynamo by computer requires numerically solving a set of nonlinear partial differential equations for the magnetohydrodynamics (MHD) of the Earth's interior. Simulation of the MHD equations is performed on a 3D grid of points and the fineness of the grid, which in part determines the realism of the solutions, is limited mainly by computer power. For decades, theorists were confined to creating kinematic dynamo computer models in which the fluid motion is chosen in advance and the effect on the magnetic field calculated. Kinematic dynamo theory was mainly a matter of trying different flow geometries and testing whether such geometries could sustain a dynamo.^[63]

The first self-consistent dynamo models, ones that determine both the fluid motions and the magnetic field, were developed by two groups in 1995, one in Japan^[64] and one in the United States.^[1][65] The latter received attention because it successfully reproduced some of the characteristics of the Earth's field, including geomagnetic reversals.^[63]

The oceans contribute to Earth's magnetic field. Seawater is an electrical conductor, and therefore interacts with the magnetic field. As the tides cycle around the ocean basins, the ocean water essentially tries to pull the geomagnetic field lines along. Because the salty water is only slightly conductive, the interaction is relatively weak: the strongest component is from the regular lunar tide that happens about twice per day (M2). Other contributions come from ocean swell, eddies, and even tsunamis.^[66]

The strength of the interaction depends also on the temperature of the ocean water. The entire heat stored in the ocean can now be inferred from observations of the Earth's magnetic field.^[67][66]

Electric currents induced in the ionosphere generate magnetic fields (ionospheric dynamo region). Such a field is always generated near where the atmosphere is closest to the Sun, causing daily alterations that can deflect surface magnetic fields by as much as 1°. Typical daily variations of field strength are about 25 nT (one part in 2000), with variations over a few seconds of typically around 1 nT (one part in 50,000).^[68]

The Earth's magnetic field strength was measured by Carl Friedrich Gauss in 1832^[69] and has been repeatedly measured since then, showing a relative decay of about 10% over the last 150 years.^[70] The Magsat satellite and later satellites have used 3-axis vector magnetometers to probe the 3-D structure of the Earth's magnetic field. The later Ørsted satellite allowed a comparison indicating a dynamic geodynamo in action that appears to be giving rise to an alternate pole under the Atlantic Ocean west of South Africa.^[71]

Governments sometimes operate units that specialize in measurement of the Earth's magnetic field. These are geomagnetic observatories, typically part of a national Geological survey, for example, the British Geological Survey's Eskdalemuir Observatory. Such observatories can measure and forecast magnetic conditions such as magnetic storms that sometimes affect communications, electric power, and other human activities.

The International Real-time Magnetic Observatory Network, with over 100 interlinked geomagnetic observatories around the world, has been recording the Earth's magnetic field since 1991.

The military determines local geomagnetic field characteristics, in order to detect anomalies in the natural background that might be caused by a significant metallic object such as a submerged submarine. Typically, these magnetic anomaly detectors are flown in aircraft like the UK's Nimrod or towed as an instrument or an array of instruments from surface ships.

Commercially, geophysicalprospecting companies also use magnetic detectors to identify naturally occurring anomalies from ore bodies, such as the Kursk Magnetic Anomaly.

เครื่องวัดสนามแม่เหล็กตรวจจับความเบี่ยงเบนเล็กน้อยในสนามแม่เหล็กโลกที่เกิดจากสิ่งประดิษฐ์ เหล็ก เตาเผา โครงสร้างหินบางประเภท และแม้แต่คูน้ำและกองขยะในทางธรณีฟิสิกส์โบราณคดีการใช้เครื่องมือแม่เหล็กที่ดัดแปลงมาจากเครื่องตรวจจับความผิดปกติของสนามแม่เหล็กบนอากาศที่พัฒนาขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเพื่อตรวจจับเรือดำน้ำ^{[ 73 ]}ได้มีการทำแผนที่ความแปรผันของสนามแม่เหล็กทั่วพื้นมหาสมุทร หินบะซอลต์ ซึ่งเป็นหินภูเขาไฟที่อุดมด้วยเหล็กซึ่งประกอบขึ้นเป็นพื้นมหาสมุทร^{[ 74 ]}มีแร่แม่เหล็กแรงสูง (แมกนีไทต์) และสามารถบิดเบือนการอ่านค่าเข็มทิศได้ในบางพื้นที่ การบิดเบือนนี้ได้รับการยอมรับจากนักเดินเรือชาวไอซ์แลนด์ตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 18 ^{[ 75 ]}ที่สำคัญกว่านั้น เนื่องจากแมกนีไทต์ทำให้หินบะซอลต์มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่วัดได้ ความแปรผันของสนามแม่เหล็กเหล่านี้จึงเป็นอีกวิธีหนึ่งในการศึกษาพื้นมหาสมุทรที่ลึก เมื่อหินที่ก่อตัวขึ้นใหม่เย็นตัวลง วัสดุแม่เหล็กดังกล่าวจะบันทึกสนามแม่เหล็กโลก^{[ 75 ]}

การวัดสนามแม่เหล็กแต่ละครั้งจะทำ ณ สถานที่และเวลาที่เฉพาะเจาะจง หากต้องการประมาณค่าสนามแม่เหล็กอย่างแม่นยำ ณ สถานที่และเวลาอื่น การวัดเหล่านั้นจะต้องถูกแปลงเป็นแบบจำลอง และใช้แบบจำลองนั้นในการทำนาย

วิธีที่พบได้บ่อยที่สุดในการวิเคราะห์ความแปรผันทั่วโลกของสนามแม่เหล็กโลกคือการปรับค่าการวัดให้เข้ากับชุดของฟังก์ชันฮาร์มอนิกทรงกลมวิธีนี้ทำเป็นครั้งแรกโดยคาร์ล ฟรีดริช เกาส์^{[ 76 ]}ฟังก์ชันฮาร์มอนิกทรงกลมเป็นฟังก์ชันที่แกว่งไปมาบนพื้นผิวของทรงกลม เป็นผลคูณของฟังก์ชันสองฟังก์ชัน ฟังก์ชันหนึ่งขึ้นอยู่กับละติจูดและอีกฟังก์ชันหนึ่งขึ้นอยู่กับลองจิจูด ฟังก์ชันของลองจิจูดเป็นศูนย์ตามเส้นวงกลมใหญ่ศูนย์เส้นหรือมากกว่าที่ผ่านขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้ จำนวนเส้นปม ดังกล่าว คือค่าสัมบูรณ์ของอันดับmฟังก์ชันของละติจูดเป็นศูนย์ตามเส้นวงกลมละติจูดศูนย์เส้นหรือมากกว่า ค่านี้บวกกับอันดับเท่ากับดีกรี ℓ ฮาร์มอนิกแต่ละตัวเทียบเท่ากับการจัดเรียงประจุแม่เหล็กเฉพาะที่ศูนย์กลางของโลกโมโนโพลคือประจุแม่เหล็กที่แยกเดี่ยว ซึ่งไม่เคยมีการสังเกตไดโพลเทียบเท่ากับประจุตรงข้ามสองตัวที่อยู่ใกล้กัน และควอดรูโพลเทียบเท่ากับไดโพลสองตัวที่อยู่ใกล้กัน สนามควอดรูโพลแสดงอยู่ในรูปด้านล่างทางขวา^{[ 13 ]}

ฮาร์มอนิกทรงกลมสามารถแทนสนามสเกลาร์ ใดๆ (ฟังก์ชันของตำแหน่ง) ที่มีคุณสมบัติบางประการ สนามแม่เหล็กเป็นสนามเวกเตอร์แต่ถ้าแสดงในส่วนประกอบคาร์ทีเซียนX, Y, Zแต่ละส่วนประกอบจะเป็นอนุพันธ์ของฟังก์ชันสเกลาร์เดียวกันที่เรียกว่าศักย์แม่เหล็กการวิเคราะห์สนามแม่เหล็กของโลกใช้ฮาร์มอนิกทรงกลมแบบดัดแปลงที่แตกต่างกันด้วยตัวคูณ การปรับแบบกำลังสองน้อยที่สุดกับการวัดสนามแม่เหล็กจะให้สนามของโลกเป็นผลรวมของฮาร์มอนิกทรงกลม โดยแต่ละฮาร์มอนิกคูณด้วย สัมประสิทธิ์เกาส์g ^ℓหรือh ^ℓที่ เหมาะสมที่สุด ^{[ 13 ]}

สัมประสิทธิ์เกาส์ที่มีดีกรีต่ำที่สุดg ⁰แสดงถึงการมีส่วนร่วมของประจุแม่เหล็กที่แยกตัว ดังนั้นจึงเป็นศูนย์ สัมประสิทธิ์สามตัวถัดไป – g ⁰ , g ¹และh ¹ – กำหนดทิศทางและขนาดของการมีส่วนร่วมของไดโพล ไดโพลที่เหมาะสมที่สุดจะเอียงทำมุมประมาณ 10° เมื่อเทียบกับแกนการหมุน ดังที่ได้อธิบายไว้ก่อนหน้านี้^{[ 13 ]}

การวิเคราะห์ฮาร์มอนิกทรงกลมสามารถใช้เพื่อแยกแยะแหล่งกำเนิดภายในจากแหล่งกำเนิดภายนอกได้ หากมีการวัดที่ความสูงมากกว่าหนึ่งระดับ (เช่น หอดูดาวภาคพื้นดินและดาวเทียม) ในกรณีนั้น แต่ละเทอมที่มีสัมประสิทธิ์g ^ℓหรือh ^ℓสามารถแยกออกเป็นสองเทอม คือ เทอมหนึ่งที่ลดลงตามรัศมีเป็น1/ r ^ℓ+1และเทอมหนึ่งที่เพิ่มขึ้นตามรัศมีเป็นr ^ℓเทอมที่เพิ่มขึ้นนั้นสอดคล้องกับแหล่งกำเนิดภายนอก (กระแสในไอโอโนสเฟียร์และแมกนีโตสเฟียร์) อย่างไรก็ตาม เมื่อเฉลี่ยในช่วงไม่กี่ปี การมีส่วนร่วมจากแหล่งกำเนิดภายนอกจะมีค่าเฉลี่ยเป็นศูนย์^{[ 13 ]}

เงื่อนไขที่เหลือทำนายว่าศักยภาพของแหล่งกำเนิดไดโพล ( ^ℓ =1 ) จะลดลงตาม1/ r²สนามแม่เหล็กซึ่งเป็นอนุพันธ์ของศักยภาพจะลดลงตาม1/ r³เงื่อนไขควอดรูโพลจะลดลงตาม1/ r⁴ และเงื่อนไขลำดับที่สูงกว่าจะลดลงอย่างรวดเร็วมากขึ้นตามรัศมี รัศมีของแกนโลกชั้นนอกมี ^{ค่า ประมาณครึ่งหนึ่ง ของ}รัศมีโลก หากสนามที่ขอบเขตแกนโลก-เนื้อโลกถูกปรับให้เข้ากับฮาร์มอนิกทรงกลม ส่วนของไดโพลจะมีขนาดเล็กกว่าประมาณ 8 เท่าที่พื้นผิว ส่วนของควอดรูโพลจะมีขนาดเล็กกว่าประมาณ 16 เท่า และอื่นๆ ดังนั้น เฉพาะส่วนประกอบที่มีความยาวคลื่นมากเท่านั้นที่สามารถสังเกตเห็นได้ที่พื้นผิว จากข้อโต้แย้งต่างๆ มักจะสันนิษฐานว่าเฉพาะเงื่อนไขที่มีดีกรีไม่ เกิน 14เท่านั้นที่มีต้นกำเนิดมาจากแกนโลก เงื่อนไขเหล่านี้มีความยาวคลื่นประมาณ 2,000 กม. (1,200 ไมล์) หรือน้อยกว่า คุณลักษณะที่เล็กกว่านั้นเกิดจากความผิดปกติของเปลือกโลก^{[ 13 ]}

สมาคมธรณีแม่เหล็กและบรรยากาศระหว่างประเทศได้รักษารูปแบบสนามมาตรฐานระดับโลกที่เรียกว่าสนามอ้างอิงธรณีแม่เหล็กสากล (IGRF) ไว้ โดยมีการปรับปรุงทุกๆ ห้าปี รูปแบบรุ่นที่ 11 IGRF11 ได้รับการพัฒนาโดยใช้ข้อมูลจากดาวเทียม ( Ørsted , CHAMPและ SAC-C) และเครือข่ายสถานีสังเกตการณ์ธรณีแม่เหล็กทั่วโลก^{[ 77 ]}การขยายฮาร์มอนิกทรงกลมถูกตัดทอนที่ระดับ 10 โดยมีสัมประสิทธิ์ 120 ตัว จนถึงปี 2000 รูปแบบต่อมาถูกตัดทอนที่ระดับ 13 (สัมประสิทธิ์ 195 ตัว) ^{[ 78 ]}

แบบจำลองสนามแม่เหล็กโลกอีกแบบหนึ่งที่เรียกว่าWorld Magnetic Modelผลิตขึ้นโดยความร่วมมือระหว่างศูนย์ข้อมูลสิ่งแวดล้อมแห่งชาติ ของสหรัฐอเมริกา (เดิมคือศูนย์ข้อมูลธรณีฟิสิกส์แห่งชาติ) และสำนักงานสำรวจทางธรณีวิทยาแห่งอังกฤษแบบจำลองนี้ตัดทอนที่ระดับ 12 (สัมประสิทธิ์ 168 ตัว) โดยมีความละเอียดเชิงพื้นที่โดยประมาณ 3,000 กิโลเมตร เป็นแบบจำลองที่ใช้โดยกระทรวงกลาโหมของสหรัฐอเมริกากระทรวงกลาโหม (สหราชอาณาจักร) สำนักงานบริหารการบินแห่งสหรัฐอเมริกา(FAA) องค์การสนธิสัญญาแอตแลนติกเหนือ (NATO) และองค์การอุทกศาสตร์ระหว่างประเทศตลอดจนในระบบนำทางพลเรือนหลายระบบ^{[ 79 ]}

แบบจำลองข้างต้นจะพิจารณาเฉพาะ "สนามหลัก" ที่ขอบเขตแกนโลก-เนื้อโลกเท่านั้น แม้ว่าโดยทั่วไปจะดีพอสำหรับการนำทาง แต่กรณีการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูงกว่านั้นจำเป็น ต้องพิจารณา ความผิดปกติของสนามแม่เหล็ก ขนาดเล็ก และรูปแบบอื่นๆ ด้วย ตัวอย่างบางส่วนได้แก่ (ดู geomag.us ref สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม): ^{[ 80 ]}

• แนวทางการสร้างแบบจำลองที่ครอบคลุม (CM) โดยศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ด ( NASAและGSFC ) และสถาบันวิจัยอวกาศเดนมาร์ก CM พยายามที่จะประสานข้อมูลที่มีความละเอียดเชิงเวลาและเชิงพื้นที่แตกต่างกันอย่างมากจากแหล่งข้อมูลภาคพื้นดินและดาวเทียม เวอร์ชันล่าสุด ณ ปี 2022 คือ CM5 ปี 2016 ซึ่งมีส่วนประกอบแยกต่างหากสำหรับสนามหลักบวกกับ ธรณีภาค (เปลือกโลก) กระแสน้ำขึ้นลง M2 และการเปลี่ยนแปลงของแมกนีโตส เฟียร์/ไอโอโนสเฟียร์หลัก/เหนี่ยวนำ^{[ 81 ]}
• ศูนย์ข้อมูลสิ่งแวดล้อมแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาแบบจำลองแม่เหล็กขั้นสูง (EMM) ซึ่งขยายไปถึงระดับและลำดับที่ 790 และสามารถแยกแยะความผิดปกติของแม่เหล็กได้ถึงความยาวคลื่น 56 กิโลเมตร โดยรวบรวมข้อมูลจากการสำรวจแม่เหล็กจากดาวเทียม ทางทะเล ทางอากาศ และภาคพื้นดิน ณ ปี 2018 เวอร์ชันล่าสุด EMM2017 ได้รวมข้อมูลจากภารกิจดาวเทียม Swarm ขององค์การอวกาศยุโรป^{[ 82 ]}

สำหรับข้อมูลทางประวัติศาสตร์เกี่ยวกับสนามหลัก สามารถใช้ IGRF ย้อนหลังไปถึงปี 1900 ได้^{[ 78 ]}แบบจำลอง GUFM1 เฉพาะทางประมาณการย้อนหลังไปถึงปี 1590 โดยใช้บันทึกของเรือ^{[ 83 ]} การวิจัย ทางธรณีแม่เหล็กได้สร้างแบบจำลองย้อนหลังไปถึง 10,000 ปีก่อนคริสตกาล^{[ 84 ]}

สัตว์ต่างๆ รวมทั้งนกและเต่า สามารถตรวจจับสนามแม่เหล็กโลก และใช้สนามแม่เหล็กนั้นในการนำทางระหว่างการอพยพ^{[ 85 ]}นักวิจัยบางคนพบว่าวัวและกวางป่ามักจะจัดวางร่างกายให้หันไปทางทิศเหนือ-ใต้ขณะพักผ่อน แต่จะไม่ทำเช่นนั้นเมื่อสัตว์เหล่านั้นอยู่ใต้สายไฟฟ้าแรงสูง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กเป็นสาเหตุ^{[ 86 ] [ 87 ]}นักวิจัยคนอื่นๆ รายงานในปี 2011 ว่าพวกเขาไม่สามารถจำลองผลการค้นพบเหล่านั้นได้โดยใช้ภาพGoogle Earth ที่แตกต่างกัน ^{[ 88 ]}

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่อ่อนมากรบกวนเข็มทิศแม่เหล็กที่นกโรบินยุโรปและนกขับขานอื่นๆ ใช้ ซึ่งใช้สนามแม่เหล็กโลกในการนำทาง ทั้งสายส่งไฟฟ้าและสัญญาณโทรศัพท์มือถือไม่ใช่สาเหตุของผลกระทบจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าต่อนก^{[ 89 ]}แต่ต้นเหตุคือคลื่นความถี่ระหว่าง 2 kHz ถึง 5 MHz ซึ่งรวมถึงสัญญาณวิทยุ AM และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปที่อาจพบได้ในธุรกิจหรือบ้านส่วนตัว^{[ 90 ]}

• ลมขั้วโลก
• การเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันของสนามแม่เหล็กโลก
• ละติจูดแม่เหล็กโลก
• สนามแม่เหล็กของดาวอังคาร
• แมกนีโตเทลลูริกส์
• อุกกาบาต
• ปฏิบัติการอาร์กัส
• วงแหวนของดาวเสาร์
• ความผิดปกติในมหาสมุทรแอตแลนติกใต้

• แคมป์เบลล์, วอลเลซ เอช. (2003). บทนำเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กโลก (ฉบับที่ 2). นิวยอร์ก: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ . ISBN 978-0-521-52953-2.
• เมอร์ริล, โรนัลด์ ที. (2010). โลกแม่เหล็กของเรา: วิทยาศาสตร์แห่งธรณีแม่เหล็ก . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยชิคาโก . ISBN 978-0-226-52050-6.
• Merrill, Ronald T.; McElhinny, Michael W.; McFadden, Phillip L. (1996). สนามแม่เหล็กโลก: แม่เหล็กโบราณ แกนโลก และเนื้อโลกชั้นลึก . สำนักพิมพ์ Academic Press . ISBN 978-0-12-491246-5.
• ทอซ, ลิซ่า (1998) หลักการและการปฏิบัติของสนามแม่เหล็กบรรพกาลคลูเวอร์ . ไอเอสบีเอ็น 978-0-7923-5258-7.

วิกิมีเดียคอมมอน ส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กโลก

• เอกสารพื้นฐานเกี่ยวกับธรณีแม่เหล็กและธรณีแม่เหล็กโบราณเก็บถาวรเมื่อวันที่ 3 มีนาคม 2013 ที่Wayback Machineโดย American Geophysical Union Geomagnetism and Paleomagnetism Section
• โครงการธรณีแม่เหล็กแห่งชาติสำนักงานสำรวจทางธรณีวิทยาแห่งสหรัฐอเมริกา 8 มีนาคม 2554
• BGS Geomagnetismข้อมูลเกี่ยวกับการตรวจสอบและการสร้างแบบจำลองสนามแม่เหล็กโลก สำนักงานสำรวจทางธรณีวิทยาแห่งอังกฤษ สิงหาคม 2548
• วิลเลียม เจ. บรอด, เข็มทิศจะชี้ไปทางใต้หรือไม่?เดอะนิวยอร์กไทมส์ , 13 กรกฎาคม 2547
• จอห์น โรช, ทำไมสนามแม่เหล็กโลกจึงพลิกลับ?เนชั่นแนล จีโอแกรฟิก, 27 กันยายน 2547
• พายุแม่เหล็ก PBS NOVA , 2003 (บรรณาธิการเกี่ยวกับการกลับขั้วแม่เหล็กโลก)
• เมื่อทิศเหนือเคลื่อนไปทางใต้โครงการด้านการคำนวณทางวิทยาศาสตร์ ปี 1996
• แม่เหล็กโลกอันยิ่งใหญ่ประวัติการค้นพบสนามแม่เหล็กโลก โดย เดวิด พี. สเติร์น
• การสำรวจสนามแม่เหล็กโลกถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 14 กุมภาพันธ์ 2013 ที่Wayback Machineเว็บไซต์เพื่อการศึกษาโดย David P. Stern และ Mauricio Peredo
• สนามอ้างอิงแม่เหล็กโลกสากล ปี 2011
• การเปลี่ยนแปลง/ความผิดปกติของสนามแม่เหล็กโลกทั่วโลกเก็บถาวรเมื่อ 24 มิถุนายน 2016 ที่Wayback Machineการสำรวจทำทีละ 10 องศา ทุกๆ 10 ปี อ้างอิงจากข้อมูลจาก: สถาบันธรณีฟิสิกส์ETH Zurich เก็บถาวรเมื่อ 31 ตุลาคม 2007 ที่Wayback Machine
• รูปแบบต่างๆ ในสนามแม่เหล็กโลกที่เปลี่ยนแปลงไปในระยะเวลาประมาณ 1,000 ปีเก็บถาวรเมื่อวันที่ 20 กรกฎาคม 2018 ที่Wayback Machine 19 กรกฎาคม 2017
• Chree, Charles (1911). "แม่เหล็กโลก" ในChisholm, Hugh (บรรณาธิการ). สารานุกรมบริแทนนิกาเล่มที่ 17 (ฉบับที่ 11). สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ หน้า  353–385 .(พร้อมตารางหลายสิบตารางและแผนภาพอีกหลายภาพ)