אחד המכשירים הפשוטים והמועילים ביותר שהמציא האדם מלמד אותנו לא מעט גם על תהליכים שמתרחשים בבטן האדמה
המצפן, אותו אמצעי ניווט בסיסי שמאפשר כבר מאות שנים לימאים לנווט בלב האוקיינוס אפילו בלילות מעוננים, הוא מכשיר פשוט להפליא. הוא מורכב ממגנט קטן וקל, המכונה "מחט", שמיוצב על ציר בעל חיכוך מזערי. בדרך כלל נהוג לסמן את אחד הקצוות של המחט באות N או בצבע אדום כדי לציין שהוא הצד שמצביע על הצפון. זה כל המצפן. הסיבה לכך שהוא פועל מעניינת הרבה יותר מהמבנה שלו.
כדי להבין את זה טוב יותר, בואו נדמיין לרגע שמגנט מתכת ענקי קבור במרכז כדור הארץ.למגנט יש שני קטבים (צדדים) מנוגדים, שנקראים צפון ודרום. אם ניקח שני מגנטים ונקרב את הקוטב של אחד מהם אל הקוטב המקביל של השני, הם ידחו זה את זה. אם נהפוך אחד מהמגנטים ונחזור על הפעולה, כך שנקרב בין שני קטבים מנוגדים, הם יימשכו זה לזה וייצמדו בחוזקה.
זה גם מה שקורה במצפן. המחט המגנטית שבתוך המצפן מפנה את קוטבה הצפוני בערך לעבר הצפון הגיאוגרפי של כדור הארץ. מזה אנחנו יכולים להבין שאותו מגנט דמיוני בתוך כדור הארץ מונח כך שהקוטב הדרומי שלו נמצא בחצי הכדור הצפוני ומושך אליו את הקוטב הצפוני של מחט המצפן.
מוצק בתוך נוזל
מגנטים מוצקים לא רק נמשכים זה לזה ולמתכות מסוימות, אלא מושפעים גם משדות מגנטיים שנוצרים באמצעים אחרים, למשל במכשיר שנקרא אלקטרומגנט שהשדה נוצר בו באמצעות זרם חשמלי המועבר סביב ליבת מתכת. במציאות אין כמובן מגנט קבוע ענק בלב כדור הארץ, אך מתרחש בו תהליך מעניין אחר, שעדיין איננו מבינים מספיק, והוא זה שיוצר את השדה המגנטי של עולמנו.
גלעין כדור הארץ, ששוכן אלפי קילומטרים מתחת לפני כדור הארץ, מורכב ברובו מברזל ומכמה יסודות נוספים, קלים יותר. חלקו החיצוני של הגלעין שרוי בטמפרטורות גבוהות מאוד (4,800 מעלות צלזיוס ויותר), והוא מותך ונוזלי. חלקו הפנימי נשאר מוצק בגלל הלחץ הגבוה שהוא שרוי בו, אף שהטמפרטורות בו גבוהות עוד יותר. החום הרב בגלעין החיצוני גורם להפרדה איטית בין היסודות הקלים, שצפים וזורמים למעלה, לבין יסודות כבדים כמו ברזל, ששוקעים למטה עד שהם מתמצקים עם הגלעין הפנימי.
התנועה המתמשכת של הנוזלים האלה בעלי מוליכות חשמלית, עם תרומה נוספת של סיבוב כדור הארץ סביב צירו והאנרגיה הרבה שמצויה בסביבה הזו, מחוללים זרמים חשמליים שיוצרים בסופו של דבר שדה מגנטי בעל שני קטבים. השדה הזה אומנם חלש למדי, אך מחט המצפן מסוגלת לקלוט אותו ולמקם את עצמה לפיו. זה מתאפשר בזכות החופש הרב שיש למחט המצפן על הציר שמחזיק אותה. למעשה, כל מגנט קבוע שנניח בסביבה נטולת חיכוך (למשל על מצוף בקערת מים) יפנה בסופו של דבר את הקוטב הצפוני שלו כלפי צפון כדור הארץ.
תבניות הזרימה בגלעין כדור הארץ אינן קבועות, ושינויים שחלים בהן לאורך זמן משפיעים על העוצמה, המקום והכיוון של השדה המגנטי. כיום הקוטב המגנטי בחצי הכדור הצפוני שוכן כ-11 מעלות מדרום לקוטב הגיאוגרפי, ומקומו המדויק משתנה בקצב של עשרות קילומטרים בשנה. פעם בכמה עשרות אלפי שנים או מאות אלפי שנים, הקטבים של כדור הארץ מתהפכים, והקוטב המגנטי שעכשיו בדרום עובר לאזור הקוטב הגיאוגרפי הצפוני.
