แก่นโลกมีองค์ประกอบหลักเป็นเหล็ก แก่นโลกชั้นใน (Inner core) มีความกดดันสูงจึงมีสถานะเป็นของแข็ง ส่วนแก่นชั้นนอก (Outer core) มีความกดดันน้อยกว่าจึงมีสถานะเป็นของเหลวหนืด แก่นชั้นในมีอุณหภูมิสูงกว่าแก่นชั้นนอก พลังงานความร้อนจากแก่นชั้นใน จึงถ่ายเทขึ้นสู่แก่นชั้นนอกด้วยการพาความร้อน (Convection) เหล็กหลอมละลายเคลื่อนที่หมุนวนอย่างช้าๆ ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า และเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลก (The Earth’s magnetic field)
สนามแม่เหล็กโลกเกิดจากการกระบวนการไดนาโมของโลก กล่าวคือโลหะหนักที่มีสถานะเป็นของเหลวที่อยู่ในแกนโลกมีการหมุนวน ทำให้เกิดสนามแม่เล็กที่เอียงทำมุมประมาณ 10 องศาจากแกนหมุนของโลก ที่ผิวโลกมีความเข้มของสนามแม่เหล็กโลกประมาณ 30,000 - 60,000 นาโนเทสลา และความเข้มจะค่อยๆ ลดลงเมื่ออยู่ห่างจากผิวโลกมากขึ้น
ขั้วแม่เหล็กแบ่งออกได้ 2 แบบคือ
1. ขั้วแม่เหล็ก (magnetic poles)หมายถึง บริเวณที่ตัวแท่งแม่เหล็กซึ่งมีแรงแม่เหล็กมากที่สุดโดยปกติบริเวณดังกล่าวจะอยู่ใกล้ปลายทั้งสองของแท่งแม่เหล็กแม่เหล็กแต่ละแท่งมี 2 ขั้ว คือ ขั้วเหนือใช้สัญลักษณ์ (N) และขั้วใต้ใช้สัญลักษณ์ (S)
2. ขั้วสนามแม่เหล็กโลก (geomagnetic poles) หมายถึง โลกมีสมบัติแม่เหล็ก บริเวณขั้วโลกเหนือทางภูมิศาสตร์และลึกลงไปจากผิวโลกเปรียบเสมือนมีขั้วแม่เหล็กขนาดใหญ่และเป็น ขั้วแม่เหล็กชนิดขั้วใต้ หรือบางครั้งเรียกว่า ขั้วแม่เหล็กโลกทางทิศเหนือ และบริเวณขั้วโลกใต้ทางภูมิศาสตร์เปรียบเสมือนมีขั้วแม่เหล็กชนิดขั้วเหนือ สนามแม่เหล็กโลกเกิดจากหินหนืดในแก่นโลกชั้นนอก และในส่วนล่างของแมนเทิลไหลวนทำให้มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ คือเกิดกระแสไฟฟ้าไหลวนประมาณ 10,000 ล้านแอมแปร์ ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญที่เกิดสนามแม่เหล็กหุ้มห่อโลก
การกลับขั้วแม่เหล็กโลก
จากผลการศึกษาการไหลเวียนของหินบะซอลต์เหลวผ่านใต้พิภพมีทฤษฎีว่าขั้วแม่เหล็กของโลกสามารถมีการกลับขั้วโดยมีช่วงระยะห่างตั้งแต่หลายหมื่นปีไปจนถึงหลายล้านปีโดยที่มีค่าเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 250,000 ปีเชื่อว่าได้เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 780,000 ปีมาแล้วยังไม่มีทฤษฎีใดสามารถอธิบายได้แน่ชัดว่าการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลกเกิดขึ้นเนื่องจากอะไรนักวิทยาศาสตร์บางส่วนได้สร้างแบบจำลองแกนโลกขึ้นโดยที่ภายในสนามแม่เหล็กและขั้วแม่เหล็กสามารถเปลี่ยนข้างเองได้จากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งเมื่อเวลาผ่านไปหลายร้อยหรือหลายพันปีนักวิทยาศาสตร์อีกส่วนหนึ่งเสนอว่าการเปลี่ยนขั้วแม่เหล็กนี้ไม่ได้เกิดขึ้นเองแต่น่าจะมีการกระตุ้นจากภายนอกเช่นจากการถูกดาวหางพุ่งชนโดยขั้วแม่เหล็กด้าน"เหนือ" อาจจะชี้ไปทางเหนือหรือใต้ก็ได้ปรากฏการณ์ภายนอกนี้ไม่น่าจะสร้างให้เกิดการเปลี่ยนขั้วแม่เหล็กแบบเป็นวงรอบได้เมื่อพิจารณาจากอายุของแอ่งปะทะเทียบกับช่วงเวลาการกลับขั้วที่ศึกษาได้การศึกษาการไหลเวียนของลาวาที่ภูเขาสตีนส์รัฐโอรีกอนบ่งชี้ว่าสนามแม่เหล็กเคยมีการเปลี่ยนแปลงไปในอัตรา6องศาต่อวันในประวัติศาสตร์ของโลกซึ่งเป็นการท้าทายที่สำคัญในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับสาเหตุของการเปลี่ยนขั้วแม่เหล็กของโลกและทำให้สนามแม่เหล็กกลับมาทำงานได้อีกและก็จะไม่มีการกลับขั้วจริงๆแล้วสิ่งที่จะตามมาเข้าใจว่าเมื่อสนามแม่เหล็กโลกปิดตัวลงก็จะยังคงเหลือแรงดึงดูดอยู่เป็นส่วนหนึ่งแต่โลกจะขาดการปกป้อง จนเป็นเหตุให้พลังจากนอกโลกเข้ามาเป็นจำนวนมากเช่นทำให้ไฟฟ้าดับไปทีละประเทศและดับจนหมดโลกในที่สุดเมื่อพลังงานเหล่านั้นสะสมตัวมากพอก็จะเกิดสนามแม่เหล็กขึ้นมาใหม่ซึ่งเข้าใจว่าจะเกิดขึ้นทางขั้วโลกใต้ และท่าเป็นเช่นนั้นจริงก็จะเกิดการสูญพันธ์ครั้งใหญ เพราะแผ่นดินจะเดินทางกลับไปต่อจิกซอกันในขั้วโลกใต้ ซี่งมันจะร้ายกาดรุนแรงกว่าแผ่นดินไหวมาก
เป็นที่ทราบกันมาเป็นเวลานานว่า ขั้วเหนือของแกนหมุนของโลกกับขั้วเหนือของสนามแม่เหล็กโลกไม่ได้อยู่ที่เดียวกัน ขั้วเหนือของแกนหมุนอยู่ที่ละติจูด 90 องศา บนแผ่นน้ำแข็งของมหาสมุทรอาร์กติก ส่วนขั้วเหนือแม่เหล็กโลกอยู่ในเขตของประเทศแคนาดา เจมส์ รอสส์ สำรวจตำแหน่งของขั้วเหนือแม่เหล็กโลกเป็นครั้งแรกในปี 1831 ในการสำรวจครั้งต่อมาในปี 1904 โดย โรอาลด์ อามุนด์เซน พบว่าตำแหน่งของขั้วเหนือเปลี่ยนไปจากเดิมราว 50 กิโลเมตร จึงได้ทราบว่าขั้วแม่เหล็กโลกมีการเปลี่ยนตำแหน่งด้วย
ในช่วงศตวรรษที่ 20 ที่ผ่านมาตำแหน่งขั้วเหนือก็ยังคงเคลื่อนที่เรื่อย ๆ ด้วยอัตรา 10 กิโลเมตรต่อปี แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานี้เคลื่อนที่เร็วถึง 40 กิโลเมตรต่อปี หากอัตราเคลื่อนที่ยังคงเป็นเช่นนี้ต่อไป ขั้วเหนือจะหลุดพ้นออกจากทวีปอเมริกาเหนือและไปอยู่ที่ไซบีเรียภายในอีกไม่กี่สิบปีเท่านั้น
แลร์รี นูวิตต์จากคณะสำรวจทางธรณีวิทยาของแคนาดา กล่าวว่า เดิมตนมีหน้าที่ไปสำรวจวัดตำแหน่งของขั้วเหนือหลายๆ ปีต่อครั้ง แต่ในช่วงหลังจะต้องไปบ่อยขึ้นเนื่องจากขั้วแม่เหล็กโลกเคลื่อนที่เร็วมาก
ไม่เพียงแต่ตำแหน่งของขั้วเปลี่ยนไปเท่านั้น ความเข้มของสนามแม่เหล็กโลกยังลดลงประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์นับตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 เป็นต้นมาอีกด้วย
หลังจากที่ข้อมูลนี้เผยแพร่ต่อสื่อมวลชนในที่ประชุมสหภาพธรณีฟิสิกส์อเมริกันเมื่อเร็ว ๆ นี้ เรื่องถึงกับเป็นข่าวพาดหัวใหญ่ทันทีว่า "สนามแม่เหล็กโลกกำลังหมดหรือ?"
แกรี แกลตซ์มายเยอร์ ศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียได้ออกมายับยั้งกระแสว่า คงไม่ถึงขนาดนั้น เพราะการเปลี่ยนแปลงนี้ถือว่าน้อยมากเมื่อเทียบกับในอดีต
ในอดีตสนามแม่เหล็กโลกเคยมีการเปลี่ยนแปลงขนานใหญ่กว่านี้มาก ถึงขนาดสนามแม่เหล็กสลับขั้วก็เคยเกิดมาแล้ว ขั้วเหนือกลายเป็นขั้วใต้ ขั้วใต้กลายเป็นขั้วเหนือ หลักฐานของการเปลี่ยนแปลงนี้ปรากฏชัดในหินโบราณ การเปลี่ยนแปลงนี้ไม่ได้เพียงครั้งเดียว แต่เกิดขึ้นครั้งแล้วครั้งเล่าและคาดการณ์ไม่ได้ ปรกติการสลับขั้วแม่เหล็กเกิดขึ้นทุก 300,000 ปีโดยเฉลี่ย ครั้งล่าสุดที่เกิดขึ้นคือเมื่อ 780,000 ปีที่แล้ว
หรือว่าการเร่งความเร็วของขั้วแม่เหล็กโลกในช่วงหลังนี้จะเป็นสัญญาณว่าถึงเวลาที่สนามแม่เหล็กโลกจะสลับขั้วอีกครั้งแล้ว?
จากการศึกษาบันทึกแม่แหล็กในแผ่นหินพบว่า ความเข้มสนามแม่เหล็กโลกมีการเพิ่มขึ้นและลดลงอยู่ตลอดเวลา และความจริงแล้วสนามแม่เหล็กโลกในขณะนี้มีความเข้มมากกว่าความหนาแน่นเฉลี่ยในช่วงหนึ่งล้านปีที่ผ่านมาถึงสองเท่า
ใจกลางโลกมีแกนชั้นในเป็นเหล็กแข็งที่มีอุณหภูมิสูงใกล้เคียงกับพื้นผิวดวงอาทิตย์ ห่อหุ้มด้วยแกนชั้นนอกที่เป็นเหล็กหลอมเหลว แกนชั้นในหมุนรอบตัวเองเช่นเดียวกับผิวโลกแต่เร็วกว่าภายใต้แกนชั้นนอกที่ปั่นป่วน การเคลื่อนที่ของเหล็กหลอมเหลวที่แกนโลกชั้นนอกทำให้เกิดการเหนี่ยวนำไฟฟ้าขึ้น สนามแม่เหล็กจึงเกิดขึ้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์ไดนาโม
แกลตซ์มายเยอร์ และ พอล รอเบิตส์ ได้สร้างแบบจำลองของโครงสร้างภายในโลกด้วยซูเปอร์คอมพิวเตอร์ โดยให้ความร้อนกับแกนชั้นในและแกนชั้นนอกปั่นป่วนเช่นเดียวกับของจริง หลังจากให้โปรแกรมวิ่งผ่านไปโดยจำลองให้เวลาผ่านไปเป็นเวลานับแสนปี พบว่าสนามแม่เหล็กของโลกจำลองนี้มีการเพิ่มและลดลง ขั้วแม่เหล็กมีการเคลื่อนที่ และบางครั้งก็มีการสลับขั้ว ซึ่งสอดคล้องกับสิ่งที่เกิดกับโลกจริง
นอกจากนี้ยังพบว่าช่วงที่สนามแม่เหล็กสลับขั้วใช้เวลานานหลายพันปีจึงจะเสร็จสิ้น และสิ่งที่เหนือความคาดการณ์ของคนทั่วไปก็คือ ช่วงนี้สนามแม่เหล็กไม่ได้หายไป แต่มีความปั่นป่วนซับซ้อนมากขึ้น เส้นแรงแม่เหล็กบริเวณพื้นผิวโลกมีการบิดเบี้ยวและขมวดปม ขั้วแม่เหล็กเกิดขึ้นใหม่ได้ทุกที่ ขั้วใต้อาจเกิดขึ้นที่แอฟริกา หรือขั้วเหนืออาจผุดขึ้นที่ตาฮีตี แต่ไม่ว่าจะเกิดขึ้นที่ใด สนามแม่เหล็กก็ยังคงมีเหมือนเดิม และยังคงปกป้องโลกจากรังสีอันตรายจากดวงอาทิตย์