Ziemskie pole magnetyczne jest polem naturalnym, które niemal w całości jest generowane we wnętrzu Ziemi.

Obecnie brak jest spójnej teorii, która by w sposób zadowalający opisywała ziemskie pole magnetyczne i jednocześnie wyjaśniała wszystkie zjawiska z nim związane. Przyjmuje się, że źródłem głównej części pola magnetycznego Ziemi są prądy konwekcyjne płynące w zewnętrznej, ciekłej części jądra graniczącej z płaszczem Ziemi. Do opisu tego zjawiska stosuje się teorię dynama magnetohydrodynamicznego. Ta część pola w pierwszym, dużym przybliżeniu może być potraktowana jako jednorodnie namagnesowana kula, co odpowiada dipolowi magnetycznemu umieszczonemu wewnątrz Ziemi (pierwszy człon rozwinięcia natężenia pola magnetycznego w szereg harmoniczny), którego oś przecina powierzchnię Ziemi w miejscach określonych jako bieguny magnetyczne. Bieguny magnetyczne nie pokrywają się z biegunami geograficznymi i ich położenie zmienia się w czasie.

Siły związane z polami magnetycznymi należą do sił dalekiego oddziaływania, stąd zasięg oddziaływania pola magnetycznego wykracza daleko poza powierzchnię Ziemi, tworząc w przestrzeni rozległą przestrzeń oddziaływania określaną terminem magnetosfery. Kształt magnetosfery jest nieregularny. Od strony tarczy słonecznej jest ona spłaszczona, a po stronie przeciwnej zasięg oddziaływania ziemskiego pola magnetycznego znacznie wzrasta. Przyczyną deformacji magnetosfery jest wiatr słoneczny pod postacią strumienia zjonizowanych cząstek wyrzucanych z powierzchni słońca w przestrzeń. Pole elektromagnetyczne towarzyszące ruchowi zjonizowanych cząstek oddziałuje na pole magnetyczne w magnetosferze, powodując deformację magnetosfery. Równocześnie cząstki tworzące wiatr słoneczny w zależności od posiadanego pędu i ładunku elektrycznego w polu magnetycznym Ziemi ulegają dyferencjacji i odchylaniu w kierunku biegunów magnetycznych. W polu magnetycznym tracą również swoją energię, a w okolicach okołobiegunowych są odpowiedzialne za powstawanie zórz polarnych. Poza wiatrem słonecznym zewnętrznymi, znanymi źródłami, które mają wpływ na pole magnetyczne Ziemi, są prądy elektryczne w jonosferze oraz prądy pierścieniowe związane z pasami radiacji Van Allena. Pasy Van Allena są rejonami w przestrzeni okołoziemskiej Ziemi, w których wysokoenergetyczne naładowane cząstki promieniowania kosmicznego są przechwytywane i uwięzione w ziemskim polu magnetycznym. Składowa magnetyczna zewnętrznego pola elektromagnetycznego sumuje się z głównym źródłem pola magnetycznego Ziemi.

Natężenie wiatru słonecznego jest zmienne w czasie i zależne od aktualnego stanu aktywności słonecznej, co jest jedną z wielu przyczyn zmienności pola geomagnetycznego. Zmienność w czasie składowych:

X – składowa północna,

Y – składowa wschodnia,

Z – składowa pionowa

oraz elementów

D – deklinacja ziemskiego pola magnetycznego

I – inklinacja

H_p – składowa pozioma

jest najłatwiej zauważalną cechą charakterystyczną ziemskiego pola magnetycznego. Zmienność w czasie powodują nie tylko czynniki zewnętrzne, takie jak wiatr słoneczny czy oddziaływania elektromagnetyczne z przestrzeni kosmicznej. Te czynniki, choć należą do najłatwiej obserwowalnych ze względu na stosunkowo krótką okresowość, przy powierzchni Ziemi nie mają zbyt dużego wpływu na wartość całkowitego natężenia pola magnetycznego. Głównym czynnikiem zmienności pola są procesy zachodzące w głębi planety, powodujące okresowe zmiany natężenia, dochodzące nawet do 50% obecnie obserwowanych wartości, a także powodujące wielokrotne przebiegunowanie ziemskiego pola magnetycznego w czasie całej historii Ziemi.

Na podstawie regularnych obserwacji zmian natężenia pola magnetycznego Ziemi można stwierdzić, że pole magnetyczne podlega ciągłym fluktuacjom. Wariacje pola mogą być aperiodyczne lub też mogą wykazywać cechy wariacji okresowych. Do zmian aperiodycznych można zaliczyć burze magnetyczne związane z dryfem prądu w pasach radiacji Van Allena, a także z tzw. koronalnymi wyrzutami materii z powierzchni Słońca w kierunku Ziemi. Burze magnetyczne przejawiają się w postaci nieregularnych, wysokoamplitudowych, gwałtownych zmian natężenia pola magnetycznego. W skrajnych przypadkach przekraczają nawet wielkość 1000 nT. Obserwowane czasy trwania burz magnetycznych są różne i wynoszą od kilku godzin do nawet kilku dni. Podobne zaburzenia o mniejszym nasileniu są określane terminem burz zatokowych.

Do zmian periodycznych należą zmiany dobowe pola magnetycznego. Wielkość zmian jest zależy od szerokości geograficznej punktu obserwacji i ma związek z ruchem obrotowym Ziemi, a tym samym z ustawieniem punktu obserwacji do kierunku wiatru słonecznego. W oparciu o następujące po sobie średnie, miesięczne zmiany pola magnetycznego określa się wielkość zmian rocznych. Zmiany roczne w dużym stopniu wykazują również związek z okresami pór roku. Ziemskie pole magnetyczne ulega powolnym zmianom również w dłuższych przedziałach czasu. Zmiany te są nazywane zmianami wiekowymi. Źródło zmian wiekowych tkwi wewnątrz Ziemi i jest zapewne związane z przebiegiem procesów, które generują główną część ziemskiego pola magnetycznego. Zmiany te mają najprawdopodobniej charakter periodyczny rzędu setek, a nawet większej ilości lat.

Z uwagi na zmienność ziemskiego pola magnetycznego prowadzenie monitoringu magnetycznego polega na ciągłej rejestracji wartości składowych i/lub elementów pola magnetycznego oraz modułu całkowitego wektora indukcji magnetycznej T. Rozpatrując całkowity wektor indukcji magnetycznej T w kartezjańskim układzie odniesienia umieszczonym na półkuli północnej w pobliżu powierzchni Ziemi, którego dodatnia oś X została skierowana na północ wzdłuż południka geograficznego, oś Y na wschód, a dodatnia oś Z do środka masy Ziemi, można łatwo wyznaczyć wzajemne relacje, jakie zachodzą pomiędzy wartościami wektora indukcji T a wartościami składowych i elementów ziemskiego pola magnetycznego.

Wzajemne związki pomiędzy wielkościami stosowanymi do opisu pola magnetycznego Ziemi opisują równania:

Wartości pomiarów indukcji całkowitego wektora pola magnetycznego Ziemi (TMI) oraz jego składowych wyrażane są w nanoteslach (nT).

Magnetyka a geologia

Interesującą właściwością pola magnetycznego Ziemi jest jego zdolność do przebiegunowania. Zmiana przebiegunowania zachodzi średnio co ok. 250 tys. lat. Badania namagnesowania resztkowego skał wykazały, że proces przebiegunowania pola, choć w historii planetarnej Ziemi zachodził wielokrotnie, to najprawdopodobniej ma charakter losowy (www.wikipedia.org.pl). Ostatni raz przebiegunowanie nastąpiło przed ok. 780 tys. lat.