地磁场

地磁场（Geomagnetic field），又称“地球磁场”，是指从地心至磁层顶的空间范围内的所有场源产生的磁场^[1]，平均强度为5✖104nT，两磁极处磁场强度约为7✖104nT。^[5]常用的地磁场模型有国际标准地磁场模型（IGRF）^[6]和世界地球磁场模型（WMM）。^[7]

中国人最先发现了磁的各种基本性质并发明了罗盘，在公元前1100年，就有使用指南车的文字记录。^[8]公元前640一546年，希腊学者在著作中就有过“磁有吸引力”的记载。^[8]关于磁场的成因，有多种学说，其中影响最广的为1919年英国物理学家拉莫尔（Larmor）^[9]提出的“地球发电机”理论。^[10]在空间维度上，地磁场存在地磁脉动、^[11]磁场反转等变化；^[12]在时间维度上，地磁场也存在着周期的太阳静日变化^[13]与太阴日变化等。^[14]地磁场会受到海洋潮汐运动、^[4]电离层和磁层中的电流变化^[3]以及太阳活动的影响。^[13]

地磁场可以保护地球生命免受宇宙射线的伤害，还能阻止太阳风接触电离层。^[15]随着对地磁场研究的不断深入，逐渐形成了与地磁场相关的学科，如地磁学、^[1]地电学、^[16]古地磁学等。^[17]通过研究地磁场，科学家绘制了地磁图^[18]和地电场模型，用来指导社会生活和生产等活动。^[19]

地球是一个天然磁石，它的两极各自在地理两极附近。^[4][10]地球本身及其周围空间存在的磁场称为地球磁场，又称地磁场。^[6]

中国人最先发现地磁场的现象，并且能在实践中加以利用，如磁的各种基本性质的发现和罗盘的发明。中国太史公司马迁记载：“周公以指南车五。（南越王）越常氏使者驾之，途经湖南、临，而至海边，期年返抵国境。途中指南车随时先导，为余者引路，并判明方向。”^[8]

制造指南车的秘诀在公元前一世纪遗失之后，三国时期发明家马钧在公元226年重新创制——“车中置一木刻神像，伸臂指南。无论车辆如何拐弯旋转，神像总是继续指南不变。”此外，当时中国人也已经知道以磁石磨制的磁針并非正指南方，而是略向东偏。^[8]

中国在北宋年间，已有在海船上应用指南针的记载。北宋徽宗宣和年间（1119～1125），地理学家朱彧在《萍洲可谈》中，讲述了海船上的人为了辨认地理方向，晚上看星辰，白天看太阳，阴天落雨就看指南针。同时期的航海活动家许兢，在宋徽宗宣和五年（1123）出使高丽回国后，写了一本《宣和奉使高丽图经》，其中也记载了船行过蓬莱山以后，开船的人看着星辰前进，如果遇到天阴，就用指南针来辨认南北。到了南宋，根据吴自牧《梦粱录》记载，航海的人用“针盘”航行，也就是指南针和罗盘结合在一起使用。^[20]

在1950年、1960年和1970年，中国先后发表了由地面测量得到的不同比例尺的全国地磁图。^[18]

古希腊时期，许多作者在各种著中都到说到了具有显著吸铁性能的"神石”。比如，公元前640一546年，希腊学者泰勒斯（Θαλής）^[21]的著作中就有过“磁有吸引力”的记载。它们起初的名字有“怪力英雄石"“强力爆发石”“星子石"等，同时也通称为“石”。后来，这类石头被命名为“磁”。^[8]

十二世纪时，一位英国教士在自己的著作中提到了磁极的现象：“舟子在航海途中，遇到阴天不能随太阳而不能随太阳而辨认方向，或者遇到黑夜，暮色苍茫之时，他们不知如何掌握航行方向，就利用一根能自由转动，而一端指向北方的磁针。”^[8]

十四世纪初，意大利人弗拉维奥·焦雅（Flavio Gioia）发明了现代式航海罗盘。十五世纪时，意大利航海家哥伦布（Christopher Columbus）发现磁针偏异现象后，地磁学科才开始发展。在这之前，人们一直以为磁针是指正北的，并且以为这是北极星吸引磁针的缘故。在哥伦布第一次航海去新大陆后才知道，从一处转到另一处后，磁针会改变指向。^[8]

1581年，英国的诺尔曼（Robert Norman）绘制了第一张世界地磁图，在图上标明了世界各地罗盘指针所指示的实际方向。^[18]1600年，英国物理学家威廉·吉尔伯特（William Gilbert）在《论磁》中，提到了关于地磁成因的理论概念，肯定了地球自身就是一个巨大的磁体，它的两极与地理两极相符合，并用一个磁化铁球的实验证明了这个论断。^[8][22]在这本书的影响下，德国天文学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）提出了一种行星体系的磁学理论，把地球是一个大磁石的概念扩展到其他行星和太阳。^[22]

永久磁化理论

1600年，英国物理学家吉尔伯特观测到，地磁场在地球表面的分布类似于一个地心磁偶极子所产生的磁场。根据这一观测结果，吉尔伯特提出了最早的永久磁化理论。这一理论在后来被推翻，因为，如果地球是一个均匀磁化球，那么要产生观测到的地磁场，地球的平均磁化强度应为80A/m（0.08C)，这超过了地球上天然岩石磁化强度的上限。^[23]

地球发电机理论

1919年，英国物理学家拉莫尔结合地核的流动性和导电性，提出地磁场起源的自激励发电机模型，^[9]这种说法又被称为“地球发电机”理论^[10]或“地核发电机”理论。^[24]

“地球发电机”理论认为，地磁场的形成源自一个巨大的电场，而电场的存在必然有一个很大的发电机存在，这个发电机的原理即为地球不同圈层之间的较差运动（角动量交换）。地球内部的不同圈层是客观存在的，它们分别是地核、地慢^[注1]和地壳。地核与地幔之间的相对运动就是圈层之间的较差运动，也就是地球发电机的形成原理。地球的地核、地慢和地壳三个圈层之间也有较差运动。于是，两两较差运动的圈层都是一个发电机，形成对应的两套行星尺度的磁场。但以地核与地幔之间的发电机效率更高，其对应的行星尺度的基本磁场强度也就更大。^[10]

在与地核有关的流体力学方程和电磁方程问题上，布拉德（Bullard）提出的地核自激发电机理论是最具代表性的一种。布拉德根据地核是由固相内核及液相外核这一结构，认为具有良导性的液核因内部产生的科里奥利力^[注2]的影响下形成涡流环。这种涡流环有平行于赤道平面的分量。设有初始磁场垂直手涡旋平面方向（即赤道平面方向），在平行地轴的方向将产生电磁学及流体力学的物理现象。布拉德根据地核中涡旋运动及其中产生的感应电流建立了流体力学方程及电磁方程，并得出结果：磁力线随着液体运动，原始场的力线被液体流带走并作振动运动，即磁力线与导电液体紧连在一起。把这样的理论用于地核，假定半径为的地核内部和厚度为一（为地核的半径）的外部彼此之间以角速度做相对转动，如果有初始恒定磁场存在，利用磁流体力学方程即可解出这种相对转动所引起的磁场及其分布特征。^[24]

磁回旋理论

1933年，巴耐特（Barnett）提出了磁回旋理论。他假设，每个铁磁体原子本身就是一个转子，除具有机械转矩外，还具有与转子方向一致的磁矩。因此，旋转的铁磁物体会在转轴方向磁化。但是根据该理论所得到的地球磁矩仅为实际值的100亿分之一。^[23]

巨体旋转理论

1947年，英国物理学家布莱克特（Patrick Maynard Smart Blackett）提出了巨体旋转理论。他注意到，地球、太阳和室女座78号星的磁矩与转矩之比很接近。于是他提出，地球磁场形成的原因可能是由于巨大天体会产生一个与机械转矩成正比的磁矩。之后，他又在实验的过程中否定了他的假设。^[23]

磁力线扭结理论

磁力线扭结理论在1950年由瑞典物理学家阿尔文（Hannes Olof Gösta Alfvén）提出，该理论以高电导地核的感应过程为基础，认为如果地核中存在差动旋转，那么原来的偶极磁场将被流体运动拖曳而缠绕。在强缠绕的情况下，磁力线束将会不稳定，最后，形成磁力线环（扭结）。许多这样的磁环可能同时存在，磁环被对流拉伸开来，最后增强了原来的磁场。磁力线扭结可能是地核中一个重要的过程，但是形成磁环的过程是否足够频繁地重复进行，还是一个不清楚的问题。^[23]

磁暴感应理论

1956年，查特里（Chatterley）提出了磁暴感应理论。他认为，反复发生的磁暴恢复相，通过电磁感应可以在地核中形成产生偶极磁场的电流体系。在前一个磁暴的感应电流消失之前，后一个磁暴接着发生，在磁暴多次重复之后，就会形成地磁场。根据该理论，地磁场的形成时间大约需要100亿年，而地球却只有50多亿年的历史。^[23]

静磁感应理论

怀尔德（Wilder）在解释地磁场结构时，建立了一个由两个同心球组成的模型，用内球的电流模拟偶极磁场，外球相应于海洋的区域置放铁板，大陆下面的某些特征也用铁板来模拟。用这个模型产生的总磁场（包括一次场和铁板中的二次感应场）显示了主磁场的某些特征。在这个模型中，怀尔德认为，海洋地壳比大陆地壳冷，故居里点较深，磁性较强。而事实上海洋地壳比大陆温度高，因而，怀尔德的假设与实际情况不符。^[23]

海流、海浪诱发海水中的电流密度最大可达到。海水运动切割地球磁场的磁力线，产生感应电流，感应电流作为场源会产生新的磁场和电场，这种磁场被定义为海洋磁场。^[4]

海洋磁场指海洋环境自然场源，包括海流电磁场、海浪电磁场、内波电磁场等。^[4]海洋电磁场的基本特性包括时域特性、频域特性、相干特性、偏振特性等，分别反映了海洋电磁场不同场源的主要特征，这些特征和变化都会对地磁场造成影响。^[26]

电离层和磁层与地球变化磁场直接相关。一般将70km~1000km高度范围的大气层叫作电离层，电离层电流是变化地磁场的主要场源。另外，除了平静电流体系外，电离层中经常流动着各种各样的扰动电流体系，并产生相应的地磁变化。例如，当亚暴发生时，极区会生成空间结构和时间变化都极其复杂的亚暴电流体系，并产生地磁亚暴变化。^[12]

离地面1000km以上的大气层处于完全电离状态，此处的大气非常稀薄，带电粒子的碰撞频率极小，它们的运动状态主要受地磁场的控制，所以把这个区域叫作磁层。磁层的下面与电离层相接，磁层外边界叫磁层顶，其向阳一侧形似半椭球面，背阳一侧呈逐渐变粗的圆筒形，该圆筒围成的空间叫磁尾。在平静太阳风中，向日面磁层顶日下点的地心距约为10个地球半径，磁尾截面半径约为20个地球半径，其长度超过1000个地球半径。当太阳风剧烈扰动时，磁层顶日下点可以被压缩到6～7个地球半径处。太阳风在地球附近的速度超过音速。当这个超音速等离子体流受到磁层阻挡时，在磁层顶上游几个地球半径处，形成相对于磁层顶静止的弓形驻激波^[注3]，称为弓激波。太阳风等离子体通过弓激波后受到压缩和加热，形成湍动的磁鞘等离子体。^[12][28]

从统计上看，地磁活动的时间和强弱与太阳活动之间有着因果关系。地磁活动与太阳黑子曲线正相关，均具有11年周期，地磁活动的极年平均落后于太阳黑子极年1年。^[13]早在1850年，有学者就发现地磁的变化与太阳活动的11年周期^[注4]有关，之后，太阳活动与地磁的关系便成为许多天文工作者的研究对象。1943年发现较大耀斑的出现与地球上磁暴的发生有密切关系。耀斑出现时，在其附近向外发射高能粒子，如电子、质子、粒子和大原子序数的原子核。这些带电的粒子运动时产生磁场，当它们到达地球时，便会以自己的磁场干扰到原有的磁场，引起地磁的变动。^[30]

在等离子体环境和典型条件下，地磁场的结构包含等离子层、等离子片、极区等离子区和范艾伦辐射带的磁层。在地球磁层与太阳风之间复杂的磁流体动力学相互作用下，等离子层外部的地磁场偏离了简单的偶极场。在1000km以上，占主导地位的地球物理环境是地球的磁场。在1000km以下，地球的磁场主要通过大气层起作用。^[6]

地磁场是由各种不同来源的磁场叠加构成的，^[4]主要包括地核场、地壳场和干扰磁场。^[3]

地核场

地核场也称为主磁场，强度大概为0.5~0.7Gs，由位于液态外地核的高温铁环流引起。地核场占地磁场的95%以上，空间分布为行星尺度，变化周期以千年尺度计，是地磁导航的主要参考依据。^[3]

地壳场

地壳场也称为异常场，是由地球表面的地壳岩石磁化引起，约占地磁场的4%，在地球表面呈区域分布，其空间分布为数千米或者数十千米，不随时间变化，随高度增加而衰减。^[3]

干扰磁场

干扰磁场源于地表以上的外部空间，主要有磁层和电离层，既有规则的日变化、脉动和磁暴，也有不规则的磁暴和亚磁暴等，约占地磁场的1%。^[3]

地磁场有两个极，即北磁极和南磁极，^[31]它们并不与地球的地理坐标系统一致，偶极子场的轴线较地理南北轴倾向约11.5°。^[32]两个磁极在地面上的位置并非固定，而是有变化的。^[31]

最近400年来，北磁极一直在北纬66°到79°、西经59°到104°的范围内缓慢地移动着位置。20世纪以来，北磁极在北美洲大陆以北、格陵兰岛以西的帕里群岛附近，距离地球的地理北极约在1500km；南磁极则在南极洲边缘的威尔克斯地，距地理南极大约有2400km。南、北磁极近期的地理坐标大致是：北磁极（北纬76° ，南纬66°）；南磁极（西经100°， 东经139°）。^[31]

地磁场的磁南极与磁北极的连线称为磁轴。与地磁场相关的物理量有地磁场总磁感应强度、磁倾角、磁偏角、水平分量、垂直分量、北向分量、东向分量，^[2]这七个量也被称为地磁要素。^[6]

地磁场的各个物理量之间存在着运算关系：，，，，，，。通常采用磁偏角、磁倾角和水平分量作为独立要素，确定某一点的地磁场。^[2][3]

强度是描述地磁场强弱的物理量，也叫地磁感应强度，其大小与方向随地点、时间而变化。^[2]地磁场的平均强度为。^[5]在地磁坐标系中，在点产生的磁场为。在极盖附近，具有极大值，约为；在地球表面赤道附近，具有极小值，约为。^[6]

磁倾角是指地磁场中某处磁感应强度矢量与水平面的夹角。一般来说，北半球的磁倾角为正，南半球的磁倾角为负。地球赤道处的磁倾角为0°，地球两极处的磁倾角为90°。将磁倾角为零的地方连起来，此连线称为磁倾赤道，它与地球赤道比较接近。磁感应强度矢量所在的水平面投影与地理子午面南北方向的夹角为磁偏角，不同的位置磁偏角不同。^[33]

地磁的南北两极与地极的南北极不重合，所以当地的地理南北极线（即当地子午线）与当地的地磁南北极线有一偏差角，这一偏差角即称磁偏角，^[34]也被称作磁差。^[35]

地球表面不同地点的磁偏角不同，可从磁差图上查出，而同一地点的磁偏角随时间而变动，故磁差图每隔一定时间就要修正。通常，同一地点的磁偏角在一年内的变化不超过10'。以真子午线为基准，磁子午线北端偏东的磁偏角为正，磁子午线北端偏西的磁偏角为负。^[35]

地磁北极和地磁南极历史上曾发生过无数次翻转。^[15]地磁场极性倒转是地磁场长期变化的重要特征，这一发现极大地推动了地球科学的革命，成为全球构造理论（板块学说）的重要观测基础之一。^[12]

研究磁场反转的对象之一是岩石。岩石在成岩过程中，由于在常温下氧化等化学反应、相变或结晶增长等原因获得的化学剩磁与地磁场有密切关系。除此之外，等温剩磁、黏滞剩磁、压剩磁等也与地磁场有关。古砖瓦、古陶器等通常含有一些磁性矿物，在焙烧过程中它们会获得热剩磁，这种热剩磁同样与地磁场有关。因此，岩石和古物可以提供过去某个时期地磁场特征的有用资料。^[12]

美国科学家的一项研究显示，最近一次地球磁场逆转的整个过程至少持续了22000年。^[15]现在地球磁场的强度约为电磁单位，这一磁矩的大小每100年间约减少5%。按此趋势，在2000年后，地球的磁矩应变为零，然后地磁场有可能发生反转。^[36]

在一年中的某一天被阳光垂直照射到的纬度即叫做赤纬。与地球磁场有关的磁力线相对于经度的角度是变化的，这种变化被称为赤纬变化。当磁北在真北以东时，赤纬为正。^[32]地球赤纬的变化具有周期性，这个周期性的基本规律在夏至、冬至、春分、秋分这四天尤为明显，如夏至日为+23°27'（北纬23°27'）、春秋分为土0°00'（赤道）、冬至日为-23°27'（南纬23°27'）。^[37][11]

地磁脉动是指地磁场的各种短周期和小振幅的变化，^[11]其周期一般为，振幅一般为量级。^[38]地磁脉动可分为两大类：一类为规则型或稳定型脉动，波形为正弦型或近似正弦型，振幅差不多相等，持续时间可达数小时；另一类为不规则型或衰减型，其振幅逐渐减弱，类似于阻尼振荡。^[11]

地磁脉动的研究对于认识地球磁层和电离层的特征、太阳风和磁层的相互作用，以及外源地磁变化于固体地球的电磁感应作用具有重要意义。研究表明，由太阳风与磁层界面的不稳定性、磁层的突然被压缩或膨胀、磁层内带电粒子运动状态的不稳定性等因素引起的磁流波沿磁力线的共振激发，可能是地磁脉动产生的主要机制。^[39]

地磁钩扰是一种只在白天发生的持续时间约几十分钟的短促而光滑的磁扰，因形状像钩子而得名。地磁钩扰一般在磁静日或微扰日的白天出现，与太阳耀斑同时发生，起源于突然增强的太阳紫外线辐射。^[38]

磁暴是一种剧烈的全球性地磁扰动现象。^[12]当太阳活动时，在太阳黑子区域有一股连续发出的带电粒子流射向地球，这些粒子流所形成的电流会产生一个附加磁场，强烈干扰地磁场，而产生磁暴。^[18]

磁暴的特点可以概括为变化幅度大且形态复杂、持续时间长且全球同步。磁暴发生时，所有地磁要素都会发生剧烈变化，其中，水平分量变化最大。因此，磁暴的大部分形态学和统计学特征，依据中低纬度水平分量的变化得到。^[12]

磁暴强烈时，指南针会失效，地面上的输电线、电话线、输油管道和细长的金属导体中会产生感应电流。磁暴与极光往往同时发生。^[18]

太阳静日变化是以一个太阳日，即24小时为周期的变化，也被称为地磁日变。^[14]这是一种平稳的周期性地磁变化，起源于电离层电流体系的变。由于电离层电流体系的变化主要受地球的相对位置影响，因为它依赖于地方时的周期变化和季节变化。一般来说，位于同一纬度的地磁台站的太阳静日变化幅度是相似的，只是其相位存在在差别，每一经度相差4分钟。^[13]

太阴日是地球相对于月球自转一周的时间，太阴日变化的基本特征是以半个太阴日为周期，且依赖于地方太阴时。由于其变化幅度仅，又重叠在太阳静日变化纸中，对磁法勘探影响很小，因此很少被单独考虑。^[14]

地磁场长期观测表明，地球基本磁场不是恒定不变的，而是随时间有缓慢的变化，其时间尺度为若干年，这种变化称为地磁场的长期变化。地磁场长期变化的时空分布是追踪地球内部物质运动的重要线索，是固体地球物理的重要课题之一。地磁场长期变化主要表现在地球磁矩衰减、偶极子场和非偶极子场的西向漂移。这些变化具有全球性的统一特征，一般认为它是来源于地核内部或核慢边界。^[12]

最早长期变化现象较为系统的记录是磁倾角和磁偏角的变化。磁倾角和磁偏角的变化在相当长的一段时间（几十年）内表现为单调的增减变化。其极大值到极小值的时间间隔约为240年，由此推断磁偏角的长期变化似有 500年左右的周期。^[12]

把各地磁要素的年变率的等值线绘于地图上，称为地磁场长期变化图。^[12]

地磁偶极矩的大小反映了地磁场偶极子部分的总体强度。根据从有磁场强度绝对值观测以来地磁偶极矩的长期变化表明，磁矩的相对衰减率为。^[12]

这说明了在最近100年内，地球磁矩衰减了5.3%。古地磁研究表明，地球偶极磁矩可能具有周期性变化，并不是单调衰减的。从12万年以来磁矩变化的数据推测，地球磁矩变化有某种周期性。^[12]

实际观测表明，地磁场随时间变化。1922年到1972年间，磁北极在纬度上移动了2°，磁南极移动了4°25'。一般认为，地磁场的这种变化是由磁轴变化引起的，而磁轴的变化则是由地球内部深部物质运动引起。随着磁极的移动，各地地磁要素也在发生变化。由于这个原因，国际组织规定，每5年需要重编世界地磁图。^[40]

从20世纪初开始，地球磁场北极就一路向北移动，速度为每年34英里（约合55公里）。近20年，地磁北极迁移突然加速，相当于每天前进150米。据美国生命科学网报道，地磁北极目前已经穿越了本初子午线。美国国家环境信息中心和英国地质调查局预测，这一移动过程将继续，但速度会有所减缓。根据最新的2020年版地磁场模型，未来地磁北极将持续向俄罗斯移动，但速度会从每年55公里下降至每年约40公里。^[15]

尽管地磁北极移动速度降低，但已经比100年前快了近3倍。此外，数据显示，由于地磁北极的移动，地球磁场的强度将继续减弱，大约每100年减弱5%。据CNN报道，外界普遍认为，磁场减弱可能是地球磁极即将逆转的一个信号。当地球磁场减弱到全部磁性的10%左右时，磁场方向将发生约180度的翻转，随后磁性将沿逆转后的方向再度加强。^[15]

科学家发现，地磁强度在近几个世纪一直不断减弱。科学家通过地磁卫星对地磁进行了长时间的测量和研究后，推算出在公元32世纪来临之前，地磁会消失。^[18]

早在17世纪初，人们就已经知道地球上存在着巨大的磁场。这一磁场可以保护地球生命免受宇宙射线的伤害，还能阻止太阳风接触电离层。磁场的强度和磁极的位置都不是一成不变的。^[15]某地区的地磁异常现象，可能是该地区即将出现地震或气象突变的预兆。当某一地区的地磁数据与相邻地区相差悬殊时，可能表明该地区地下深处蕴藏着丰富的磁铁矿。^[18]

磁气圈是地球周围离地球较远、地磁场对其影响较小的一个区域，此区域在辐射环境中扮演着一个非常重要的角色。磁气圈不仅能减少宇宙射线和太阳粒子，而且导致形成荷能粒子被俘获的区域。地球磁场的减速和偏转作用，使太阳风粒子不容易进人地球磁场很深的区域。当太阳风与地球磁场相互作用时，磁气圈以磁潜能的形式储存粒子能量，引起磁的亚风暴和在大气上部的极光现象。^[41]

在生物长期演化过程中，已经适应了地磁场的影响，有些生物还利用地磁场发挥一定的生理功能。一些生物体内存在着能感知地磁场的物质或器官。例如鸽子、海豚、蜗牛等，这些生物可借助地磁场进行定向和导航。有研究发现，海豚头部一部分磁性物质是，并被神经纤维包围，这可能是导航作用的来源。^[42]

一些细菌具有沿地磁方向游动的本领，即向磁性。1975年， 科学家发现一些海水中的细菌体内有“磁列”。之后的研究又确定了这些磁性颗粒是，构成了单畴永磁体，对地磁场起定向作用。这种向磁性可使细菌向水的下层游动，以适应它们的厌氧性或微氧性要求。^[42]

人体生命体内因受到地磁场作用（电动势、洛仑兹力、永磁偏极子和反磁或顺磁颗粒），其轨道磁矩和自旋磁矩与地磁场能量保持着动态平衡关系（人体平均总磁强0.03一0.05mT）以维持其整体的高度以有序系统。根据法拉弟定律（Faraday's Law），如对人体运动导体（血液、神经体液）施加大于地磁场的闭合磁场、就会有感生电动势产生，对生物分子来讲，感生电动势就是原子核与电子的极化有序化排列。这就是生物分子磁极化效应。^[43]

一些研究表明，心血管疾病并发症数量的增加与太阳活动之间有相关性，主要是由于太阳活动对地磁场的调节作用，而地磁场的突然变化是造成心血管意外的直接原因之一。苏联学者根据大样本人群调查结论：地磁活动日中风发病指数是3.5，心梗发病指数6.6，而地磁平静日中风发病指数为2.8，心梗为3.4。对精神病患者和癫痫患者临床发病与太阳活动所致地磁变化影响的相关性就更高（r=0.7-0.9）。有人对尿石症在世界的分布进行了调查，发现靠近赤道的国家或地区（地磁薄弱处）、为尿石症多发区。中国也有类似的情况，南方地区尿石症多于北方。^[43]

地磁场会对航天器的充电效应产生影响。航天器的充电通常表示为一种微分关系，它等于在给定的表面积上累积电荷随时间的变化率对进出表面的净电流的变化率。影响总电荷传输控制的几个因素，其中包括类型、电导率、蒙皮厚度、组成的等离子体环境粒子的能量级数、飞船在等离子体环境中通过时的纬度、经度和高度，以及航天器相对于周围磁场结构的轨道位置和速度，这些磁场结构在较低的高度由地球的地磁场、较高高度的太阳风、光电子和带电粒子流所构成。^[32]

1859年8月28日到9月4日，发生了超级磁暴——卡林顿事件，在整个美洲、欧洲、亚洲和澳大利亚，甚至远到夏威夷、加勒比海、智利圣地亚哥的地区，都可以看到极光。地磁观测记录到地球磁场的剧烈扰动，全球电报网络遭遇损害和中断。^[44]

1989年3月，特大地磁暴导致加拿大东北部的魁北克省电网在90s内突然瘫痪，数百万人遭遇了长达9小时的停电。^[44]

国际标准地磁场模型（IGRF）是确定高达25000km的近地磁场的主要模型。根据该模型，地球的地磁场由三个不同部分组成：地核场、地壳场和外源场。地核场是地球表面的主要磁场，由导电流体在地球内核的对流运动形成。地壳场源自地核——地幔边界合地球表面之间的区域，由居里温度以下的铁磁物质的磁感应或残余磁场产生。^[6]

地球主磁场和其年度变化率是IGRF的数学模型，主磁场系数是时间的函数，并假设IGRF在五年内呈线性变化。因此，可以计算出未来几年的IGRF磁场，还可以推断过去五年时间内的磁场系数。^[45]

世界地球磁场模型（WMM）是现代导航系统的重要组成部分，^[15]由美国国家环境信息中心^[注5]和英国地质调查局联合制作。该模型空间分辨率近似为3000公里，是美国国防部、国防部（英国）、美国联邦航空管理局（FAA）、北大西洋公约组织（NATO）和国际水文组织以及许多民用导航系统都使用的模型。^[7]

该模型所生成的世界气象记录和图表仅描述了地球内部磁场的长波长部分，而这一部分主要是在地球流体外核中产生的。由地壳和上地幔以及电离层和磁层产生的地磁场的部分，在世界气象记录中基本上没有存在。因此，指南针或磁强计等磁传感器可在参考世界水运时观测到时空磁异常。^[7]

地电学是地球物理学的一个组成部分，它是通过观测和研究天然或人工在地下建立的电场、电磁场，解决与岩、矿石电学性质差异有关的各类地学问题的一门应用学科。地电学是电磁学、电化学以及电子学在地质学研究的实践中发展起的。最早的地电测量工作是利用观测天然存在于地下的自然电场，寻找硫化金属矿床。在地电研究和测量中，依据具体任务及地电条件的不同，可观测天然存在于地球中的电磁场，亦可研究人工在地表建立的电场或电磁场的分布规律和变化特点。^[16]

古地磁学是介于地球物理学和地质学之间的一门边缘学科。地球物理学中的地磁学和地质学中的构造地质学各自深入到地球历史方面的研究，逐步形成了古地磁学。现在综合的地质研究中，都会包含或涉及古地磁的内容。近代古地磁学的发展大致始于本世纪初。古地磁在地质学中的主要应用为利用古地磁测定地区的古纬度和利用地磁反向确定地层时代的对比。^[17]

在地面不同点，地磁的三个要素是不同的，如在地图上将要素相同的点连成曲线，可得出地磁图。^[18]

地电场是对由地磁活动产生的人造导体（例如电力线）的感应危害的测量，可用于估计沿导电路径积分所感应的电流量。地磁暴期间可能会诱发潜在危险的地电场，在地面上观察到为时变磁场。US-Canada-1D 地电场模型是使用美国境内的48 个州和加拿大纬度至 60 度范围内的一维电导率模型。^[19]