地球內部，有一個發電機，在維持地磁場長期運轉。并且，其中的物質交換和熱量交換，讓它可以十分持久。
我們的地球之所以能成為生機勃勃的存在，一個很大的原因在于它有一個可以屏蔽太陽風和宇宙射線中危險帶電粒子的磁場。說到地球磁場，大多數人頭腦中大概會想象出一塊巨大的磁鐵，它的北極大致指向地球的地理南極，南極大致指向地理北極。實際上，這與歷史上人們對于地球磁場的想象頗為相似——地球就像是一塊巨大的磁石，它的磁場穩定，并長期存在。
但事實真的是這樣嗎？地球到底是如何產生磁場的？它又為何可以如此持久？實際情形比想象的要復雜得多。我們知道，磁來自于電，變化的電場可以激發磁場，變化的磁場又可以反過來激發電場，如此往復不絕。20世紀的時候，人們已經用優美的麥克斯韋方程，將電、磁、光三種現象統一了起來，許多科學家因此恍惚感覺，物理學的大廈已經落成，萬事萬物皆在掌握之中。然而，對于地球如何產生磁場這件事情，科學家們卻仍然莫衷一是。許多人都提出了可能的解釋。例如，愛因斯坦認為，這或許是因為在地球內部，電子攜帶的負電荷與質子攜帶的正電荷總數不相等，從而導致整個地球具有磁場。諾貝爾物理學獎得主 Patrick Blackett 試圖通過實驗來尋找地球自轉角動量和磁矩的關系，結果始終一無所獲。愛爾蘭物理學家和數學家拉莫（Joseph Larmor）則猜測，或許有一個發電機產生了地球的磁場……咦，地球內部有一個發電機？這個想法聽起來似乎有些天馬行空，但事實上，目前被普遍接受的地球磁場理論——“地球發電機”理論正是萌芽于此。要了解地球為什么能產生磁場，首先需要了解地球的結構。這是地磁場存在的物質基礎?？梢圆聹y，它和一些磁性物質有關。比如鐵。實際上也的確如此。正如遙遠恒星坍縮產生的各種元素形成了宇宙中新的恒星和行星，地球也是由最初彌漫在太陽系中的氣體和塵埃吸積而成的。在地球形成過程中，密度較大的鐵元素向著核心沉積，與周圍的硅酸鹽分離，最終，不同密度的物質不斷分層，形成了如今的地核、地幔和地殼。雖然我們無法進入到地球深處，但橫穿過地球的地震波卻可以幫助我們了解地球的內部結構。由于地球內部各種物質的密度和物理特性不同，地震波這種最為強大的聲波會受到不同程度的散射，導致地球另一端接收到回波的時間有所差異。我們據此就可以知道，這些物質是固態還是液態，密度是多少，等等。科學家很早就破解了地震波的密碼，他們發現，地核實際上分成兩層，雖然這兩層的主要物質組成都是鐵，但外核是熔融的液態鐵，內核則因為受到更大壓力而呈現為固態。這個堅固的內核大小相當于月球的70%（半徑），溫度則接近熾熱的太陽表面。
就像埋藏于地球深處的化石記錄了生命的演化歷史一樣，古老的巖石也記錄著地球磁場的演化歷史。在巖石最初形成并冷卻的過程中，巖石顆粒中的電子會受到周圍磁場的影響，朝向磁場的方向偏移，從而記錄下當時地球磁場的強度和方向。通過研究巖石中物質的磁性，物理學家Walter Elsasser逐漸揭示了地球磁場的演化歷史，并在上世紀40年代提出了更為完善的地球發電機理論。這個理論認為，是地球外核中處于熔融狀態的金屬鐵的對流持續地產生著磁場。古地磁記錄表明，地球磁場已經存在了至少30億年。然而我們知道，如果地球的磁場是像永久磁鐵那樣，那么它應當在大約2萬年內衰減殆盡，因為地核的溫度太高，熱運動會讓鐵原子（類似一個個小磁針）的指向雜亂無章，無法維持永久磁性。另一方面，古地磁記錄也顯示，地球磁場的兩極在過去曾多次反轉，兩次反轉之間的時間間隔平均而言大約是20萬年，一次反轉事件——從磁場變弱，到消失，再到產生反向磁場——只需要幾千年就可以完成。地球磁場的這些性質都表明，在地球內部存在著一種特殊的機制，可以持續地產生磁場?？茖W家們據此推測，這種機制就是在地球的流體外核中持續運轉的對流發電機。地球發電機理論認為，隨著地球逐漸冷卻，外核中熔融的液態鐵會在內核邊界處緩慢結晶，釋放出熱量和溶解于其中的輕元素。這些釋放的熱量和輕元素的浮力作用為外核中液態鐵的對流提供了源源不斷的驅動力。與此同時，地球自轉產生的科里奧利力*會將流體扭曲成螺旋狀，沿著地球自轉軸的方向排列。這樣，原來的磁場在液態鐵中激發出渦電流，結果就像高中課本上的螺旋線圈一樣，這些帶電的流體又不斷產生新的磁場，來彌補逐漸衰減的磁場。*科里奧利力：在慣性系中，物體原本因為慣性沿著直線運動，但由于地球的自轉，在其上的觀察者看來，物體的運動軌跡會發生偏離，好像受到了一個力的作用，這個假想的力就是科里奧利力?？评飱W利力是一種復合離心力，它讓物體仿佛發生切向的和徑向的偏離。
從上面的描述中我們知道，地球核心的熱量和物質流動驅動了外核中液態鐵的對流，在地球自轉的作用下，渦電流持續地產生磁場。這個過程涉及到熱量的傳輸、流體的運動、電磁場的變化，是一個復雜的磁流體問題，因此地球發電機理論需要使用相應的磁流體力學方程來描述這整個過程。由于問題的復雜性以及計算機能力的限制，直到1995年，人們才得到了第一個自洽的數值計算模型——Glatzmaier-Roberts模型。令人欣喜的是，這個模型成功地產生了地球磁場的一些特征。計算結果顯示，模擬磁場與地球磁場的強度非常接近，并且具有相似的偶極結構——磁感線從一極發出，擴散到空間中，最終又回歸另一極。此外，在模擬的 36000 年時間里，磁極確實發生了反轉，這次反轉大約用了1000年時間，在反轉過程中，磁場強度急劇減小，并在反轉之后立即恢復，與地磁記錄的反轉過程頗為相似。
