地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分，其强度约占地磁场总强度的90％，产生于地球液态外核内的电磁流体力学过程中，也就是自激发电机效应。非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域，平均强度约占地磁场的10％。地磁异常又分为区域异常和局部异常，它的存在与岩石和矿体的分布有关。
地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化，其场源分布在电离层中。干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等，场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中产生的各种短暂的电流体系。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰，持续时间为1～3天，幅度可达10纳特（数量级术语）。其他几种干扰变化则主要分布在地球的极光区内。除外源场之外，变化磁场还有内源场。内源场是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的。根据变化磁场的内、外场相互关系，就可以得出地球内部电导率的分布。对地磁场的研究已成为地磁学的一个重要领域。
地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系，又和地壳上地幔的电性结构有关。因此，地球变化磁场在空间物理学和固体地球物理学的研究中，都具有非常重要的意义。
6.灵感与现实——地磁场理论与假说
历史上第一个提出地磁场理论概念的，是英国人吉尔伯特。他在1600年提出了一种论点，认为地球自身就是一个巨大的磁体，它的两极和地理两极相重合。这一理论确立了地磁场与地球的关系，指出地磁场的起因不应该在地球之外，而应在地球内部。
1893年，数学家高斯在他的着作《地磁力的绝对强度》中，从地磁成因于地球内部这一假设出发，创立了描绘地磁场的数学方法。
这样，地磁场的测量和起源研究就都可以用数学理论来表示了。但这仅仅是一种形式上的理论，并没有从本质上阐明地磁场的起源。
科学家们经过不断地探索和研究，现在已基本掌握了地磁场的分布与变化规律。但是，对于地磁场的起源问题，学术界却一直没有找到一个令人满意的答案。
目前，关于地磁场起源的假说，归纳起来可分为两大类：第一类假说是以现有的物理学理论为依据；第二类假说则独辟蹊径，认为对于地球这样一个宇宙物体，存在着不同于现有理论的特殊规律。
第一类假说中，比较具有代表性的有旋转电荷假说。它假定地球上存在着等量的异性电荷。这两种电荷，一种分布在地球内部，另一种分布在地球表面。电荷随地球旋转，因而产生了磁场。这一假说能够很自然地通过电与磁的关系，来解释地磁场的成因。但是，这个假说却有着致命的缺点：首先，它不能解释地球内外的电荷是如何分离的；其次，地球负载的电荷并不多，因此由它产生的磁场也是非常微弱的。根据计算，如果要想得到地磁场这样的磁场强度，地球的电荷储量需要扩大1亿倍才行。因此，理论计算的结果和实际情况的出入很大。
以地核为前提条件的地磁场假说，也属于第一类假说。弗兰克在这类假说中提出了发电机效应理论。他认为地核中电流的形成，应该是地核金属物质在磁场中做涡旋运动时，通过感应的方式而产生的。同时，电流自身形式的场，就是连续不断的再生磁场，就像发电机的情形一样。弗兰克所建立的模型说明了怎样实现地磁场的再生过程，也解释了地磁场有一定的数值。但是在应用这种模型的时候，却很难解释地核中的这种电路是怎样通过圆形回路而闭合的。此外，这个模型也没有考虑到电流对涡旋运动的反作用。事实上，这种反作用是不允许涡旋分布于平行赤道面的平面内的。
另外，属于第一类假说的还有漂移电流假说、热力效应假说和霍尔效应假说等。但是，这些假说都不能全面地解释地磁场的奇异特性。
关于地磁场起源还有第二类假说，这其中最具代表性的就是重物旋转假说。1947年，布莱克特提出：任意一个旋转体都具有磁矩，它与旋转体内是否存在电荷无关。这一假说认为，地球和其他天体的磁场都是在旋转中产生的，也就是说星体自然生磁，就好像电荷转动能产生磁场一样。但是，这一假说在试验和天文观测两方面都遇到了困难。在现有的实验条件下，还没有观察到旋转物体产生的磁效应。而对天体的观测结果表明，每个星球的磁场分布状况都很复杂，还不能证明星球的旋转与磁场之间存在着必然的关系。
关于地磁场的起源问题，学术界仍处在探索与争鸣之中。目前，还没有一个具有相当说服力的理论对地磁场的成因作出解释。
7.黑子不黑——太阳磁场
黑子是太阳的表面常常会出现的黑色斑点。它是太阳磁场发生异常的主要表现形式：太阳表面上的磁化风暴，一个巨大的旋涡状气流。
黑子其实并不黑，它的温度在4500℃左右，只是由于它比周围的高温低了1500℃左右，因此，在我们看来它是呈现为黑色斑点的。黑子其实也不小，小黑子的直径也有1000千米左右；大黑子或者是黑子群，直径还可达10万千米以上。
太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动，是太阳活动中最基本、最明显的活动现象。一般说来，一个黑子群中有两个主要黑子，它们的磁极性相反。如果前导黑子是N极的，则后随黑子就是S极的。在同一半球(例如北半球)，各黑子群的磁极性分布状况是相同的；而在另一半球（南半球）情况则相反。在一个太阳活动周期（约11年）结束、另一个周期开始时，上述磁极性分布便全部颠倒过来。
因此，每隔22年，黑子磁场的极性分布就会经历一个循环，称为一个磁周。
强磁场是太阳黑子最基本的特征。黑子的低温、物质运动和结构模型都与磁场息息相关。
太阳磁场是分布于太阳和行星际空间的磁场，分为大尺度结构和小尺度结构。其中，大尺度结构磁场主要指太阳的普遍磁场和整体磁场，它们是单极性的；小尺度结构磁场则主要集中在太阳活动区附近，且绝大多数是双极磁场。
在太阳风作用下，太阳磁场还弥漫在整个行星际空间，于是形成了行星际磁场。它的极性与太阳整体磁场一致，并随着离开太阳距离的增加而减弱。可以说，各种太阳活动现象都与磁场密切相关。如耀斑产生前后，附近活动区磁场会有剧烈变化，而黑子的磁场最强，能量也极大。
在太阳的剧烈活动中，就会有磁爆产生，而且充斥和弥漫整个太阳磁场。太阳磁场中最主要的磁现象有黑子、耀斑和日珥。
耀斑是最强烈的太阳活动现象。一次大耀斑爆发可以释放出的能量非常巨大，这个能量可能就来自磁场。在活动区内，一个强度为几百高斯（能量单位）的磁场一旦湮没，它所蕴藏的磁能便会全部释放出来，足够供给一次大耀斑爆发。在耀斑爆发前后，附近活动区的磁场往往会有剧烈的变化。
日珥的温度约为10000℃，它却能长期存在于温度高达一两百万℃的日冕中。它既不会迅速瓦解，也不会下坠到太阳表面，这主要依靠什么力量来维持呢？原来，磁力线的隔热和支撑作用就足以维持它的这种状态。宁静日珥的磁场强度约为10高斯，磁力线基本上与太阳表面平行；活动日珥的磁场强一些，可达200高斯，磁场结构较为复杂。
除太阳活动区外，日面宁静区也有微弱的磁场。整个说来，太阳和地球相似，也有一个普遍磁场。不过由于局部活动区磁场的干扰，太阳普遍磁场只是在两极区域比较显着，而不像地球磁场那样完整。太阳极区的磁场强度只有1~2高斯。太阳普遍磁场的强度经常变化，甚至极性也会突然转换。
总之，太阳上既有普遍磁场，又有整体磁场。只不过普遍磁场是南北相反的，而整体磁场是东西对峙的。
8.夜之魅——极光
在地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉。它会轻盈地飘荡，同时忽暗忽明，发出红的、蓝的、绿的、紫的光芒。人们把这种壮丽动人的景象叫做极光。
极光五彩缤纷，多种多样，魅惑无比。在自然界中，还没有哪种现象能与之媲美。它是地球两极空气中嬉戏无常、变幻莫测的炫目之光。
极光是南北极地区特有的一种大气发光现象。
以前，由于人们认识的局限性，它在东西方的神话传说中，留下了一个个美丽的传说、妖艳的倩影。
随着现代科学突飞猛进的发展，现在人类已经能够用平静的心情和理性的眼光来看待极光，对它也能作出合理的科学解读了。
在相当长一段时间内，人们一直认为极光可能是由以下三种原因形成的。一种看法认为极光是地球外面燃起的大火，因为北极区临近地球的边缘，所以能看到这种大火。另一种看法认为，极光是红日西沉以后，透射反照出来的辉光。还有一种看法认为，极地冰雪丰富，它们在白天吸收阳光，贮存起来，到夜晚释放出来，便形成了美丽的极光。
总之，众说纷纭，难以定论。但事实是怎样的呢？20世纪60年代，科学家们将地面的观测结果与卫星和火箭探测到的资料结合起来研究，才逐步形成了极光的物理性描述。
现在人们认识到，极光一方面与地球高空大气和地磁场的大规模相互作用有关；另一方面，又与太阳喷发出来的高速带电粒子流有关，这种粒子流就是我们通常所说的太阳风。
由此可见，形成极光必不可少的条件就是大气、磁场和太阳风，这三者缺一不可。具备这三个条件的太阳系其他行星，如木星和水星，它们的周围也会产生极光。之后，水星和木星上的这种美丽的极光现象，已被实际观察到。
地磁场分布在地球周围，被太阳风包裹着，形成一个棒槌状的胶体，科学上称它为“磁层”。为了更形象化，我们可以把磁层看成一个巨大无比的电视机显像管：它将进入高空大气的太阳风粒子流汇聚成束，聚焦到地磁的极区，极区大气就是显像管的荧光屏，极光则是电视屏幕上移动的图像。但是，这里的电视屏幕是直径为4000千米的极区高空大气。通常，地面上的观众，在某个地方只能见到画面的１/50。在电视显像管中，电子束击中电视屏幕，由于屏上涂有发光物质，因此屏会发射出光，显示成图像。同样，来自空间的电子束，打入极区高空大气层时，也会激发大气中的分子和原子，导致发光，这样，人们便见到了极光的图像显示。在电视显像管中，由一对电极和一个电磁铁作用于电子束，产生并形成一种活动的图像。在极光发生时，极光的显示和运动，则是由于粒子束受到磁层中电场和磁场变化的调制造成的。
极光不仅是个光学现象，而且是个无线电现象。
它会辐射出某些无线电波，因此可以用雷达来进行探测研究。另外，也有人说，极光还能发出各种各样的声音。
极光不仅是科学研究的重要课题，它还直接影响到无线电通信、长电缆通信，以及长的管道和电力传送线等许多实用工程项目。此外，极光还可以影响到气候，影响生物学过程。当然，极光也还有许许多多没有解开的谜。
在地球与月球距离的三分之一处发生的磁暴，使得北极光和南极光突然变亮。数十年来，科学家对触发极光突然变闪耀的机理也一直存有争议。
有关科学家曾经研究证实，极光耀现是由于一种叫做“磁重联”的作用所造成的。磁重联理论认为，“亚暴”（注：即“磁层亚暴”，发生在地球磁层的强烈扰动，持续时间为1～2小时，主要扰动区域包括整个磁尾、等离子体片和极光带附近的电离层）发生在距离地球约12.8万千米的地方，也就是由地球往月球三分之一的路程处。
在极光发生区域，地球磁层两个磁场的磁力线，由于贮存太阳风能量而相互靠近。当两者之间达到一个临界值时，磁力线便重新排布，导致磁能转化为动能和热能。这种能量的释放就会促使极光瞬间变得明亮斑斓。
极光耀现与太阳风有关，地球磁场的磁力线在储存太阳能量时，可辐射到遥远的太空。科学家发现，发生的磁联作用最初离地球很远，不过之后它会向地球方向慢慢传播过来。月球的位置距离地球38.5万千米，而磁联作用则发生在大约距离地球12.8万千米处。
太阳风与地球大气原子冲撞后产生的极光通常极其微弱，肉眼是很难看到的。但人们偶尔也能见到科学家称为动态极光的耀眼光辉。
