المجال المغناطيسي للأرض

يتراوح المجال المغناطيسي للأرض بين 22 و67 ميكروتسلا (0.22 و0.67 غاوس) تقريبًا . ^{[ 14 ]} وللمقارنة، يبلغ المجال المغناطيسي لمغناطيس ثلاجة قوي حوالي 10000 ميكروتسلا (100 غاوس) . ^{[ 15 ]} يُطلق على شدة المجال بشكل أدق اسم "كثافة التدفق"؛ ووحدة قياسها في النظام الدولي للوحدات هي التسلا (T)، ولكن يمكن أيضًا استخدام الغاوس (G) ، حيث 1 غاوس = 100 ميكروتسلا.      

تُسمى خريطة خطوط تساوي الشدة بالخريطة الديناميكية المتساوية . وكما يُبين النموذج المغناطيسي العالمي ، تميل الشدة إلى التناقص من القطبين إلى خط الاستواء. وتُسجل أدنى شدة في منطقة الشذوذ المغناطيسي في جنوب المحيط الأطلسي فوق أمريكا الجنوبية، بينما تُسجل أعلى شدة فوق شمال كندا وسيبيريا وساحل القارة القطبية الجنوبية جنوب أستراليا. ^{[ 16 ]}

تتغير شدة المجال المغناطيسي للأرض بمرور الزمن. وقد ساهمت دراسةٌ في علم المغناطيسية القديمة أجرتها جامعة ليفربول عام 2021 في تعزيز الأدلة المتزايدة التي تشير إلى أن المجال المغناطيسي للأرض يتذبذب شدته كل 200 مليون سنة. وذكر الباحث الرئيسي أن "نتائجنا، عند النظر إليها جنبًا إلى جنب مع البيانات المتوفرة، تدعم وجود دورةٍ مدتها 200 مليون سنة تقريبًا في قوة المجال المغناطيسي للأرض، والمرتبطة بعملياتٍ تحدث في أعماق الأرض". ^{[ 17 ]}

يُحدد الميل بزاوية تتراوح قيمها بين -90 ° (لأعلى) و90° (لأسفل). في نصف الكرة الشمالي، يتجه المجال المغناطيسي نحو الأسفل. يكون عموديًا تمامًا عند القطب المغناطيسي الشمالي ، ثم يدور لأعلى مع انخفاض خط العرض حتى يصبح أفقيًا (0°) عند خط الاستواء المغناطيسي. ويستمر في الدوران لأعلى حتى يصبح عموديًا تمامًا عند القطب المغناطيسي الجنوبي. ويمكن قياس الميل باستخدام دائرة قياس الميل .

يظهر أدناه مخطط تساوي الميل (خريطة خطوط الميل) للمجال المغناطيسي للأرض .

يُعتبر الانحراف موجبًا عند انحراف المجال المغناطيسي شرقًا عن الشمال الحقيقي. ويمكن تقديره بمقارنة اتجاه الشمال المغناطيسي-الجنوب على البوصلة مع اتجاه القطب السماوي . تتضمن الخرائط عادةً معلومات عن الانحراف كزاوية أو رسم بياني صغير يوضح العلاقة بين الشمال المغناطيسي والشمال الحقيقي. ويمكن تمثيل معلومات الانحراف لمنطقة ما بمخطط ذي خطوط متساوية الانحراف (خطوط كونتورية يمثل كل خط منها انحرافًا ثابتًا).

• 
  شدة
• 
  الميل
• 
  الانحدار

بالقرب من سطح الأرض، يمكن تقريب مجالها المغناطيسي بمجال ثنائي قطب مغناطيسي يقع في مركز الأرض ويميل بزاوية 11 درجة تقريبًا بالنسبة لمحور دورانها. ^{[ 18 ]} يُعادل ثنائي القطب تقريبًا مغناطيسًا قويًا ، حيث يشير قطبه الجنوبي نحو القطب الشمالي المغناطيسي للأرض. ^{[ 19 ]} قد يبدو هذا غريبًا، لكن القطب الشمالي للمغناطيس يُحدد بهذه الطريقة لأنه، إذا سُمح له بالدوران بحرية، فإنه يشير تقريبًا إلى الشمال (بالمعنى الجغرافي). وبما أن القطب الشمالي للمغناطيس يجذب الأقطاب الجنوبية للمغناطيسات الأخرى ويدفع الأقطاب الشمالية، فلا بد أنه ينجذب إلى القطب الجنوبي لمغناطيس الأرض. يُمثل مجال ثنائي القطب 80-90% من المجال المغناطيسي في معظم المواقع. ^{[ 13 ]}

تاريخيًا، كان يُحدد القطب الشمالي والجنوبي للمغناطيس في البداية بواسطة المجال المغناطيسي للأرض، وليس العكس، نظرًا لأن أحد الاستخدامات الأولى للمغناطيس كان كإبرة بوصلة. يُعرَّف القطب الشمالي للمغناطيس بأنه القطب الذي ينجذب إلى القطب المغناطيسي الشمالي للأرض، في المنطقة القطبية الشمالية، عندما يكون المغناطيس معلقًا بحيث يمكنه الدوران بحرية. ولأن الأقطاب المختلفة تتجاذب، فإن القطب المغناطيسي الشمالي للأرض هو في الواقع القطب الجنوبي لمجالها المغناطيسي (المكان الذي يتجه فيه المجال نحو الأسفل باتجاه باطن الأرض). ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

يمكن تحديد مواقع الأقطاب المغناطيسية بطريقتين على الأقل: محليًا أو عالميًا. ^{[ 24 ]} التعريف المحلي هو النقطة التي يكون فيها المجال المغناطيسي عموديًا. ^{[ 25 ]} ويمكن تحديد ذلك بقياس الميل. يبلغ ميل المجال المغناطيسي للأرض 90 درجة (للأسفل) عند القطب المغناطيسي الشمالي، و-90 درجة (للأعلى) عند القطب المغناطيسي الجنوبي. يتحرك القطبان بشكل مستقل عن بعضهما البعض، ولا يتقابلان مباشرةً على سطح الأرض. وقد لوحظت تحركات تصل إلى 40 كيلومترًا (25 ميلًا) سنويًا للقطب المغناطيسي الشمالي. على مدى الـ 180 عامًا الماضية، هاجر القطب المغناطيسي الشمالي باتجاه الشمال الغربي، من رأس أديلايد في شبه جزيرة بوثيا عام 1831 إلى 600 كيلومتر (370 ميلًا) من خليج ريزولوت عام 2001. ^{[ 26 ]} خط الاستواء المغناطيسي هو الخط الذي يكون عنده الميل صفرًا (أي يكون المجال المغناطيسي أفقيًا).  

يعتمد التعريف العالمي للمجال المغناطيسي للأرض على نموذج رياضي. إذا رُسم خطٌ يمر بمركز الأرض، موازياً لعزم ثنائي القطب المغناطيسي الأنسب، فإن النقطتين اللتين يتقاطع فيهما مع سطح الأرض تُسميان القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي. لو كان المجال المغناطيسي للأرض ثنائي القطب تماماً، لتطابق القطبين المغناطيسيين مع قطبي الانحدار المغناطيسي، ولأشارت البوصلات إليهما. إلا أن المجال المغناطيسي للأرض يتضمن مساهمة كبيرة غير ثنائية القطب ، لذا لا يتطابق القطبان، ولا تشير البوصلات عادةً إلى أي منهما.

يتغير المجال المغناطيسي الأرضي على نطاقات زمنية تتراوح من أجزاء من الثانية إلى ملايين السنين. تنشأ النطاقات الزمنية الأقصر في الغالب من التيارات في الغلاف الأيوني ( منطقة الدينامو الأيوني ) والغلاف المغناطيسي، ويمكن إرجاع بعض التغيرات إلى العواصف المغناطيسية الأرضية أو التغيرات اليومية في التيارات. أما التغيرات التي تحدث على نطاقات زمنية مدتها سنة أو أكثر، فتعكس في الغالب تغيرات في باطن الأرض ، وخاصة اللب الغني بالحديد . ^{[ 13 ]}

كثيراً ما تتعرض الغلاف المغناطيسي للأرض للتوهجات الشمسية ^، مما يتسبب في حدوث عواصف مغناطيسية أرضية، تُثير بدورها ظهور الشفق القطبي. ويُقاس عدم استقرار المجال المغناطيسي على المدى القصير باستخدام مؤشر K. ^{[ 32} ]

تُظهر بيانات مهمة THEMIS أن المجال المغناطيسي، الذي يتفاعل مع الرياح الشمسية، يضعف عندما يكون اتجاه المجال المغناطيسي متوافقًا بين الشمس والأرض، وهو ما يُخالف الفرضية السابقة. وخلال العواصف الشمسية القادمة، قد يؤدي ذلك إلى انقطاعات في التيار الكهربائي واضطرابات في الأقمار الصناعية . ^{[ 33 ]}

تُعرف التغيرات في المجال المغناطيسي للأرض على مدى عام أو أكثر بالتغيرات العلمانية . وعلى مدى مئات السنين، لوحظ أن الانحراف المغناطيسي يتغير بمقدار عشرات الدرجات. ^{[ 13 ]} يُظهر الرسم المتحرك كيف تغيرت الانحرافات المغناطيسية العالمية خلال القرون القليلة الماضية. ^{[ 34 ]}

يتغير اتجاه وشدة ثنائي القطب بمرور الوقت. على مدى القرنين الماضيين، انخفضت قوة ثنائي القطب بمعدل 6.3% تقريبًا لكل قرن. ^{[ 13 ]} وبهذا المعدل من الانخفاض، سيصبح المجال ضئيلاً للغاية في غضون 1600 عام تقريبًا. ^{[ 35 ]} ومع ذلك، فإن هذه القوة تُعتبر متوسطة تقريبًا خلال السبعة آلاف سنة الماضية، ومعدل التغير الحالي ليس غير عادي. ^{[ 36 ]}

من السمات البارزة في الجزء غير ثنائي القطب من التغير العلماني، الانجراف غربًا بمعدل 0.2 درجة تقريبًا سنويًا. ^{[ 35 ]} هذا الانجراف ليس متساويًا في كل مكان، وقد تباين عبر الزمن. كان متوسط ​​الانجراف العالمي غربيًا منذ حوالي عام 1400 ميلادي، ولكنه كان شرقيًا بين عامي 1000 و1400 ميلادي تقريبًا. ^{[ 37 ]}

تُسجَّل التغيرات التي سبقت إنشاء المراصد المغناطيسية في المواد الأثرية والجيولوجية. وتُعرف هذه التغيرات بالتغيرات العلمانية المغناطيسية القديمة أو التغيرات العلمانية القديمة (PSV) . وتشمل هذه السجلات عادةً فترات طويلة من التغيرات الطفيفة مع تغيرات كبيرة عرضية تعكس الانحرافات والانعكاسات المغناطيسية الأرضية. ^{[ 38 ]}

أشارت دراسة أجريت عام 1995 على تدفقات الحمم البركانية في جبل ستينز بولاية أوريغون إلى أن المجال المغناطيسي قد انحرف في وقت ما من تاريخ الأرض بمعدل يصل إلى 6 درجات يوميًا، وهي نتيجة مثيرة للدهشة. ^{[ 39 ]} ومع ذلك، في عام 2014، نشر أحد مؤلفي الدراسة الأصلية دراسة جديدة وجدت أن هذه النتائج تعود في الواقع إلى إزالة المغناطيسية الحرارية المستمرة للحمم البركانية، وليس إلى انزياح في المجال المغناطيسي. ^{[ 40 ]}

في يوليو 2020، أفاد العلماء بأن تحليل عمليات المحاكاة ونموذج رصدي حديث للمجال المغناطيسي للأرض أظهر أن أقصى معدلات التغير الاتجاهي للمجال المغناطيسي للأرض بلغت حوالي 10 درجات سنويًا، أي أسرع بنحو 100 مرة من التغيرات الحالية، وأسرع بعشر مرات مما كان يُعتقد سابقًا. ^{[ 41 ] [ 42 ]}

على الرغم من أن المجال المغناطيسي للأرض ثنائي القطب تقريبًا، بمحور يكاد يكون محاذيًا لمحور الدوران، إلا أن القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي يتبادلان مواقعهما أحيانًا. ويمكن العثور على أدلة على هذه الانعكاسات المغناطيسية في البازلت ، وعينات الرواسب المأخوذة من قيعان المحيطات، والشذوذات المغناطيسية في قاع البحر. ^{[ 43 ]} تحدث هذه الانعكاسات بشكل عشوائي تقريبًا ، حيث تتراوح الفترات الزمنية بينها من أقل من 0.1 مليون سنة إلى 50 مليون سنة. وقد حدث آخر انعكاس مغناطيسي، يُسمى انعكاس برونهيس-ماتوياما ، قبل حوالي 780,000 سنة. ^{[ 26 ] [ 44 ]} وهناك ظاهرة مشابهة، تُعرف بالانحراف المغناطيسي ، حيث يعبر محور ثنائي القطب خط الاستواء ثم يعود إلى قطبيته الأصلية. ^{[ 45 ] [ 46 ]} حدث لاسشامب هو مثال على رحلة، حدثت خلال العصر الجليدي الأخير (منذ 41000 سنة).

يُسجَّل المجال المغناطيسي السابق في الغالب بواسطة معادن مغناطيسية قوية ، ولا سيما أكاسيد الحديد مثل الماغنيتيت ، التي تحمل عزمًا مغناطيسيًا دائمًا. ويمكن اكتساب هذه المغنطة المتبقية ، أو المغناطيسية المتبقية ، بأكثر من طريقة. ففي تدفقات الحمم البركانية ، يتجمد اتجاه المجال في المعادن الصغيرة أثناء تبريدها، مما يُؤدي إلى مغنطة حرارية متبقية . أما في الرواسب، فتكتسب الجسيمات المغناطيسية ميلًا طفيفًا نحو المجال المغناطيسي أثناء ترسبها في قاع المحيط أو البحيرة. ويُطلق على هذه الظاهرة اسم المغنطة المتبقية الفتاتية . ^{[ 8 ]}

يُعدّ التمغنط الحراري المتبقي المصدر الرئيسي للشذوذات المغناطيسية حول سلاسل منتصف المحيط. مع اتساع قاع المحيط، تتدفق الصهارة من الوشاح ، وتبرد لتشكل قشرة بازلتية جديدة على جانبي السلسلة، ثم تُحمل بعيدًا عنها بفعل اتساع قاع المحيط. أثناء تبريدها، تسجل اتجاه المجال المغناطيسي للأرض. وعندما ينعكس اتجاه المجال المغناطيسي للأرض، يسجل البازلت الجديد الاتجاه المعكوس. والنتيجة هي سلسلة من الخطوط المتناظرة حول السلسلة. يمكن لسفينة تجرّ مقياسًا مغناطيسيًا على سطح المحيط رصد هذه الخطوط واستنتاج عمر قاع المحيط أسفلها. وهذا يوفر معلومات عن معدل اتساع قاع المحيط في الماضي. ^{[ 8 ]}

استُخدم التأريخ الإشعاعي لتدفقات الحمم البركانية لتحديد مقياس زمني للقطبية المغناطيسية الأرضية ، ويظهر جزء منه في الصورة. ويُشكل هذا أساس علم الطبقات المغناطيسية ، وهو تقنية ارتباط جيوفيزيائية يمكن استخدامها لتأريخ كل من التتابعات الرسوبية والبركانية، بالإضافة إلى الشذوذات المغناطيسية في قاع البحر. ^{[ 8 ]}

خلصت الدراسات المغناطيسية القديمة لحمم العصر الباليواركي في أستراليا والصخور المتكتلة في جنوب إفريقيا إلى أن المجال المغناطيسي كان موجودًا منذ حوالي 3450  مليون سنة على الأقل . ^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]} وفي عام 2024، نشر باحثون أدلة من جرينلاند على وجود المجال المغناطيسي منذ حوالي 3700 مليون سنة. ^{[ 50 ]}

ابتداءً من أواخر القرن التاسع عشر وطوال القرن العشرين وما بعده، أصبح المجال المغناطيسي الأرضي أضعف بشكل عام؛ ويتوافق التدهور الحاد الحالي مع انخفاض بنسبة 10-15%، وقد تسارع هذا الانخفاض منذ عام 2000؛ وانخفضت شدة المجال المغناطيسي الأرضي بشكل شبه مستمر من قيمة قصوى بلغت 35% فوق القيمة الحالية، وذلك منذ حوالي عام 1 ميلادي. ويقع معدل الانخفاض وقوة المجال الحالية ضمن النطاق الطبيعي للتغير، كما يتضح من سجل المجالات المغناطيسية السابقة المسجلة في الصخور.

تتسم طبيعة المجال المغناطيسي للأرض بتقلبات غير متجانسة (تبدو عشوائية). ولا يكفي قياسه لحظيًا، أو حتى عدة قياسات على مدى عقود أو قرون، لاستخلاص اتجاه عام في شدة المجال. فقد شهد المجال صعودًا وهبوطًا في الماضي لأسباب غير معروفة. كما أن ملاحظة شدة المجال ثنائي القطب الموضعية (أو تقلباته) لا تكفي لتوصيف المجال المغناطيسي للأرض ككل، لأنه ليس مجالًا ثنائي القطب بالمعنى الدقيق. إذ يمكن أن يتضاءل مُركِّب ثنائي القطب في المجال المغناطيسي للأرض حتى مع بقاء المجال المغناطيسي الكلي ثابتًا أو ازدياده.

ينجرف القطب الشمالي المغناطيسي للأرض من شمال كندا باتجاه سيبيريا بمعدل متسارع حاليًا - 10 كيلومترات (6.2 ميل) سنويًا في بداية القرن العشرين، ووصل إلى 40 كيلومترًا (25 ميلًا) سنويًا في عام 2003، ^{[ 26 ]} ومنذ ذلك الحين لم يتوقف عن التسارع. ^{[ 51 ] [ 52 ]}  

يُعتقد أن المجال المغناطيسي للأرض يتولد عن طريق التيارات الكهربائية في سبائك الحديد الموصلة في لبها، والتي تنشأ عن تيارات الحمل الحراري الناتجة عن الحرارة المتسربة من اللب.

تُولد الأرض ومعظم كواكب المجموعة الشمسية، بالإضافة إلى الشمس والنجوم الأخرى، مجالات مغناطيسية من خلال حركة السوائل الموصلة للكهرباء. ^{[ 54 ]} ينشأ المجال المغناطيسي للأرض من نواتها، وهي منطقة من سبائك الحديد تمتد إلى حوالي 3400  كيلومتر (يبلغ نصف قطر الأرض 6370  كيلومترًا). تنقسم هذه المنطقة إلى لب داخلي صلب ، نصف قطره 1220  كيلومترًا، ولب خارجي سائل . ^{[ 55 ]} تتحرك السوائل في اللب الخارجي بفعل تدفق الحرارة من اللب الداخلي، الذي تبلغ درجة حرارته حوالي 6000 كلفن (5730 درجة مئوية؛ 10340 درجة فهرنهايت) ، إلى حدود اللب والوشاح ، التي تبلغ درجة حرارتها حوالي 3800 كلفن (3530 درجة مئوية؛ 6380 درجة فهرنهايت) . ^{[ 56 ]} تتولد الحرارة من الطاقة الكامنة المنبعثة من المواد الأثقل التي تغوص نحو اللب ( التمايز الكوكبي ، كارثة الحديد )، بالإضافة إلى تحلل العناصر المشعة في باطن الأرض. وينظم دوران الأرض ووجود اللب الداخلي الصلب نمط التدفق. ^{[ 57 ]}      

تُعرف الآلية التي تولد بها الأرض مجالًا مغناطيسيًا باسم الدينامو الأرضي . ^{[ 54 ]} يتولد المجال المغناطيسي من خلال حلقة تغذية راجعة: تولد حلقات التيار مجالات مغناطيسية ( قانون أمبير الدائري )؛ ويولد المجال المغناطيسي المتغير مجالًا كهربائيًا ( قانون فاراداي )؛ ويؤثر المجالان الكهربائي والمغناطيسي بقوة على الشحنات المتدفقة في التيارات ( قوة لورنتز ). ^{[ 58 ]} يمكن دمج هذه التأثيرات في معادلة تفاضلية جزئية للمجال المغناطيسي تُسمى معادلة الحث المغناطيسي .

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

حيث u هي سرعة المائع؛ وB هو المجال المغناطيسي B؛ و η = 1/ σμ هي الانتشارية المغناطيسية ، وهي مقلوب حاصل ضرب الموصلية الكهربائية σ والنفاذية μ . ^{[ 59 ]} الحد ∂B / ∂t هو المشتق الجزئي للمجال بالنسبة للزمن؛ و∇² هو مؤثر لابلاس ^، و∇ × هو مؤثر الدوران ، و × هو الضرب الاتجاهي .

الحد الأول على الجانب الأيمن من معادلة الحث هو حد الانتشار . في سائل ساكن، يضعف المجال المغناطيسي وتنتشر أي تجمعات للمجال. إذا توقف دينامو الأرض، فإن الجزء ثنائي القطب سيختفي في غضون بضعة عشرات الآلاف من السنين. ^{[ 59 ]}

في موصل مثالي (${\displaystyle \sigma =\infty \;}$لن يكون هناك انتشار. وفقًا لقانون لينز ، فإن أي تغيير في المجال المغناطيسي سيُقابل بتيارات على الفور، وبالتالي لا يمكن أن يتغير التدفق عبر حجم معين من السائل. ومع حركة السائل، يتحرك المجال المغناطيسي معه. تُسمى النظرية التي تصف هذا التأثير بنظرية المجال المُجمّد . حتى في سائل ذي موصلية محدودة، يتولد مجال جديد نتيجة تمدد خطوط المجال مع حركة السائل بطرق تُشوّهه. يمكن أن تستمر هذه العملية في توليد مجال جديد إلى ما لا نهاية، لولا أن المجال المغناطيسي، مع ازدياد قوته، يُقاوم حركة السائل. ^{[ 59 ]}

تستمر حركة السائل بفعل الحمل الحراري ، وهي حركة مدفوعة بقوة الطفو . ترتفع درجة الحرارة باتجاه مركز الأرض، وتؤدي درجة الحرارة المرتفعة للسائل في الطبقات السفلى إلى زيادة طفوه. ويتعزز هذا الطفو بفعل الانفصال الكيميائي: فمع تبريد اللب، يتصلب جزء من الحديد المنصهر ويترسب على اللب الداخلي. وفي هذه العملية، تترسب العناصر الأخف وزنًا في السائل، مما يجعله أخف وزنًا. يُسمى هذا الحمل الحراري التركيبي . أما تأثير كوريوليس ، الناتج عن دوران الكوكب، فيميل إلى تنظيم التدفق في دوامات محاذية للمحور القطبي الشمالي الجنوبي. ^{[ 57 ] [ 59 ]}

يمكن للدينامو تضخيم المجال المغناطيسي، لكنه يحتاج إلى مجال "أولي" لبدء عمله. ^{[ 59 ]} بالنسبة للأرض، ربما كان هذا المجال مجالًا مغناطيسيًا خارجيًا. في بدايات تاريخها، مرت الشمس بمرحلة تي-تاوري، حيث كان للرياح الشمسية مجال مغناطيسي أكبر بكثير من الرياح الشمسية الحالية. ^{[ 60 ]} مع ذلك، ربما حُجب جزء كبير من هذا المجال بواسطة وشاح الأرض. يُعد التيارات في حدود اللب والوشاح، والناتجة عن التفاعلات الكيميائية أو التغيرات في التوصيل الحراري أو الكهربائي، مصدرًا بديلًا. قد تُسهم هذه التأثيرات في توفير انحياز طفيف يُعد جزءًا من الشروط الحدية للدينامو الأرضي. ^{[ 61 ]}

تم حساب متوسط ​​المجال المغناطيسي في اللب الخارجي للأرض ليكون 25 غاوس، أي أقوى بخمسين مرة من المجال الموجود على السطح. ^{[ 62 ]}

تُساهم المحيطات في المجال المغناطيسي للأرض. فمياه البحر موصلة للكهرباء، ولذلك تتفاعل مع المجال المغناطيسي. ومع دوران المد والجزر في أحواض المحيطات، تحاول مياه المحيط سحب خطوط المجال المغناطيسي الأرضي معها. ولأن المياه المالحة موصلة للكهرباء بشكل طفيف، يكون التفاعل ضعيفًا نسبيًا: وأقوى مُكوّن هو المد والجزر القمري المنتظم الذي يحدث مرتين يوميًا تقريبًا (M2). وتأتي مساهمات أخرى من أمواج المحيط والدوامات، وحتى التسونامي. ^{[ 66 ]}

تعتمد قوة التفاعل أيضاً على درجة حرارة مياه المحيط. ويمكن الآن استنتاج إجمالي الحرارة المخزنة في المحيط من خلال رصد المجال المغناطيسي للأرض. ^{[ 67 ] [ 66 ]}

تُولد التيارات الكهربائية المُستحثة في طبقة الأيونوسفير مجالات مغناطيسية (منطقة دينامو الأيونوسفير). ويتولد هذا المجال دائمًا بالقرب من أقرب نقطة في الغلاف الجوي للشمس، مما يُسبب تغيرات يومية قد تُؤدي إلى انحراف المجالات المغناطيسية السطحية بمقدار يصل إلى درجة واحدة. وتبلغ التغيرات اليومية النموذجية في شدة المجال حوالي 25  نانوتسلا (جزء واحد من 2000)، مع تغيرات خلال بضع ثوانٍ تُقارب عادةً 1  نانوتسلا (جزء واحد من 50000). ^{[ 68 ]}

قاس كارل فريدريش غاوس شدة المجال المغناطيسي للأرض عام 1832 ^{[ 69 ]} ، ومنذ ذلك الحين، أُجريت قياسات متكررة، أظهرت انخفاضًا نسبيًا بنحو 10% على مدى الـ 150 عامًا الماضية. ^{[ 70 ]} استخدم القمر الصناعي ماغسات، والأقمار الصناعية اللاحقة، مقاييس مغناطيسية متجهة ثلاثية المحاور لاستكشاف البنية ثلاثية الأبعاد للمجال المغناطيسي للأرض. سمح القمر الصناعي أورستد اللاحق بإجراء مقارنة، مما يشير إلى وجود دينامو أرضي ديناميكي يعمل، ويبدو أنه يُنشئ قطبًا بديلًا تحت المحيط الأطلسي غرب جنوب إفريقيا. ^{[ 71 ]}

تُشغّل الحكومات أحيانًا وحدات متخصصة في قياس المجال المغناطيسي للأرض. تُعرف هذه الوحدات باسم مراصد الجيومغناطيسية، وهي عادةً جزء من هيئة مسح جيولوجي وطنية ، مثل مرصد إسكداليموير التابع لهيئة المسح الجيولوجي البريطانية . تستطيع هذه المراصد قياس الظروف المغناطيسية والتنبؤ بها، مثل العواصف المغناطيسية التي قد تؤثر أحيانًا على الاتصالات والطاقة الكهربائية وغيرها من الأنشطة البشرية.

تقوم الشبكة الدولية لرصد المجال المغناطيسي في الوقت الحقيقي ، والتي تضم أكثر من 100 مرصد مغناطيسي أرضي مترابط حول العالم، بتسجيل المجال المغناطيسي للأرض منذ عام 1991.

يُحدد الجيش خصائص المجال المغناطيسي الأرضي المحلي، بهدف الكشف عن أي شذوذ في الخلفية الطبيعية قد يكون سببه جسم معدني كبير، مثل غواصة غارقة. وعادةً ما تُحمل هذه الكواشف المغناطيسية الشاذة على متن طائرات مثل طائرة نمرود البريطانية، أو تُجرّ كجهاز واحد أو مجموعة أجهزة من السفن السطحية.

تستخدم شركات التنقيب الجيوفيزيائي تجارياً أيضاً أجهزة الكشف المغناطيسي لتحديد الشذوذات الطبيعية التي تحدث في أجسام الخامات ، مثل الشذوذ المغناطيسي في كورسك .

تكشف أجهزة قياس المغناطيسية عن انحرافات دقيقة في المجال المغناطيسي للأرض، ناجمة عن مصنوعات حديدية ، وأفران، وبعض أنواع المنشآت الحجرية، وحتى الخنادق ومواقع النفايات في الجيوفيزياء الأثرية . وباستخدام أجهزة مغناطيسية مُعدّلة من أجهزة كشف الشذوذ المغناطيسي المحمولة جواً، والتي طُوّرت خلال الحرب العالمية الثانية للكشف عن الغواصات، ^{[ 73 ]} تم رسم خرائط للتغيرات المغناطيسية عبر قاع المحيط. يحتوي البازلت - وهو صخر بركاني غني بالحديد يُشكّل قاع المحيط ^{[ 74 ]} - على معدن مغناطيسي قوي (المغنيتيت)، ويمكنه أن يُشوّه قراءات البوصلة محلياً. وقد لاحظ البحارة الأيسلنديون هذا التشوه في أواخر القرن الثامن عشر. ^{[ 75 ]} والأهم من ذلك، أن وجود المغنيتيت يُكسب البازلت خصائص مغناطيسية قابلة للقياس، مما وفّر وسيلة أخرى لدراسة قاع المحيط العميق. فعندما تبرد الصخور حديثة التكوين، تُسجّل هذه المواد المغناطيسية المجال المغناطيسي للأرض. ^{[ 75 ]}

يُجرى كل قياس للمجال المغناطيسي في مكان وزمان محددين. إذا لزم تقدير دقيق للمجال في مكان وزمان آخرين، فيجب تحويل القياسات إلى نموذج، ثم استخدام هذا النموذج للتنبؤات.

التوافقيات الكروية

الطريقة الأكثر شيوعًا لتحليل التغيرات العالمية في المجال المغناطيسي للأرض هي مطابقة القياسات مع مجموعة من التوافقيات الكروية . وقد قام بذلك كارل فريدريش غاوس لأول مرة. ^{[ 76 ]} التوافقيات الكروية هي دوال تتذبذب على سطح الكرة. وهي ناتج ضرب دالتين، إحداهما تعتمد على خط العرض والأخرى على خط الطول. تساوي دالة خط الطول صفرًا على طول صفر أو أكثر من الدوائر العظمى التي تمر بالقطبين الشمالي والجنوبي؛ وعدد هذه الخطوط العقدية هو القيمة المطلقة للرتبة m . وتساوي دالة خط العرض صفرًا على طول صفر أو أكثر من دوائر خط العرض؛ وهذا بالإضافة إلى الرتبة يساوي الدرجة ℓ . كل توافقية مكافئة لترتيب معين للشحنات المغناطيسية في مركز الأرض. القطب الأحادي هو شحنة مغناطيسية معزولة، لم تُلاحظ قط. القطب الثنائي مكافئ لشحنتين متعاكستين متقاربتين، والقطب الرباعي مكافئ لقطبين ثنائيين متقاربين. يظهر مجال القطب الرباعي في الشكل السفلي على اليمين. ^{[ 13 ]}

يمكن للتوافقيات الكروية تمثيل أي حقل قياسي (دالة للموقع) يحقق خصائص معينة. الحقل المغناطيسي هو حقل متجه ، ولكن إذا تم التعبير عنه بمركبات ديكارتية X وY وZ ، فإن كل مركبة هي مشتقة لنفس الدالة القياسية المسماة بالجهد المغناطيسي . تستخدم تحليلات الحقل المغناطيسي للأرض نسخة معدلة من التوافقيات الكروية المعتادة، والتي تختلف بمعامل ضرب. تعطي عملية مطابقة المربعات الصغرى لقياسات الحقل المغناطيسي حقل الأرض كمجموع التوافقيات الكروية، مضروبة كل منها في أفضل معامل غاوس g _{_m} ^ℓ أو h _{_m} ^ℓ . ^{[ 13 ]}

_{يمثل معامل غاوس ذو} الدرجة الأدنى، ^g₀₀ ، _مساهمة الشحنة المغناطيسية المنفردة، لذا فهو يساوي صفرًا. أما المعاملات الثلاثة التالية – ^{g₁₀ و} g₁₁ و _h₁₁ – فتحدد ^اتجاه ومقدار مساهمة ثنائي القطب. يميل ثنائي القطب الأنسب بزاوية 10 درجات تقريبًا بالنسبة لمحور الدوران، كما ذُكر ^{سابقًا . [} ₁₃ ]