地球的N極和S極真的會互換嗎？
― 千葉的地層崖壁，刻著77萬年前的「互換」紀錄
是真的。地球這個巨大的磁石，在漫長的歷史中已經把南北方向互換了好幾百次。最近一次互換，大約發生在77萬年前。如果那時候有指南針，指針的N極會指向南方。這是因為地球的磁石並不是一根固定的鐵棒，而是由地底深處持續流動的液態鐵所形成的。
登山或上地圖課時，你可能把指南針放在手掌上看過。指針稍微晃動之後，一定會停在同一個方向。
我們把這個方向當作「不會改變的東西」在使用。船隻和候鳥，也都已經依靠這個方向好幾千年了。
然而，如果把時間倒轉幾十萬年，就會發現有好幾個時期，指針指著和現在完全相反的方向。
互換會發生，而且我們能知道，原因只有兩個
在地底約2900〜5100公里深處，有一層熔化成液態的鐵。這些鐵緩慢地旋轉流動，產生電流，形成一個巨大的電磁石。當流動變得紊亂時，磁石的方向也可能因此翻轉。
熔岩冷卻凝固時，其中所含的微小鐵粒子，會依照當時地球磁場的方向排列並固定下來。岩石會把形成時的「北方」持續記錄好幾百萬年。
第一點回答了「為什麼會互換」，第二點回答了「為什麼我們能知道過去的事」。讓我們依序來看。
地球的磁石，為什麼會翻轉？
理科教科書裡常畫出地球內部有一根大條形磁鐵的圖。但地球中心附近的溫度高達數千℃。鐵製的條形磁鐵一旦加熱，就會失去磁力。所以地球內部並不是裝著一塊固定不變的磁鐵。
真正發揮作用的，是液態鐵的流動。導電物質在磁場中移動時，會產生電流；而這個電流又會產生磁場。據認為，地球的磁場就是靠這種「自己維持自己」的發電機般的機制所維持的。
這股流動，就像天氣中的風一樣，會持續緩慢變化。平時方向大致一致，但有時會大幅紊亂，使磁場減弱。當這種紊亂平息下來時，有時會以與之前相反的方向重新排列整齊。這就是地磁逆轉。
轉動圖1的滑桿，可以看到過去260萬年間的磁場方向。你會發現和現在相同方向的時期、和相反方向的時期，彼此交錯分布。
互換發生的間隔完全沒有規律。有時只隔幾萬年就再次互換，也有時期據稱同一個方向持續了幾千萬年之久。平均來說，最近幾百萬年大約每幾十萬年會發生一次。
為什麼我們知道好幾十萬年前的「北方」在哪裡？
線索是岩石中一種叫磁鐵礦的鐵礦物。在高溫的熔岩中，磁鐵礦顆粒會失去磁性。一旦冷卻到約580℃以下，顆粒就會依照當時地球磁場的方向排列，變成磁石。一旦凝固，這個方向就會保留好幾百萬年。
最早注意到這個「岩石記憶」的人之一，是京都帝國大學的松山基範。1920年代末，他調查了兵庫縣玄武洞等地的岩石，發現有些岩石的磁化方向與現在相反。當時很多人不相信這個說法，但如今相反方向的時期已經以「松山」命名。
確定這件事的關鍵線索來自海底。海底有一種山脈叫海嶺，地球內部的熔岩從這裡湧出，並向左右兩側擴展。湧出的熔岩會記錄下當時的磁場方向，像輸送帶一樣被運往兩側。如圖2所示，以海嶺為中心，兩側會形成左右對稱的條紋狀圖案。
1960年代，人們在實際的海底發現了這種左右對稱的圖案。這一瞬間，同時證實了地磁曾經逆轉，以及海底正在擴展這兩件事。
在千葉縣市原市養老川沿岸的崖壁上，約77萬年前的互換紀錄，在地層中保存得非常完整。2020年，這個地層被選為國際標準，約77萬年前到13萬年前的這段時期因此被命名為「千葉階（Chibanian）」。這是地質年代第一次以日本地名命名。
據認為，互換過程中磁場會花上幾千年左右逐漸減弱。來自宇宙的粒子可能會增加，對人工衛星和電網也可能造成影響。另一方面，人類的祖先已經經歷過好幾次互換，但目前並沒有找到證據顯示每次互換都造成生物大量滅絕。
總結
地球的磁石，是靠地底液態鐵的流動來維持的，是一個持續運動中的磁石。正因如此，方向才會不時互換，最近一次是在約77萬年前。這個紀錄會在熔岩冷卻凝固時留在岩石中，我們可以在海底或千葉的崖壁上讀取到它。指南針指向北方，在地球漫長的歷史中，只是「現在恰好如此」的狀態。
指南針的「北方」，不是永恆不變的規則。
它只是映照出地球持續流動中的當下模樣。
關於指南針指向北方的原理，詳見「指南針的指針，為什麼會指向北方？」「地球中心明明和太陽表面一樣熱，為什麼沒有熔化？」。地圖北方與磁石北方的偏差，請參考「指南針的北方，為什麼和地圖的北方不一致？」。
- 用磁石的同一個極，從針根部往針尖方向，朝同一方向摩擦縫衣針約20次。把針放在浮在水面的軟木塞上，它就會像指南針一樣指向南北。
- 記下哪一端指向北方，做個標記。
- 接著用磁石相反的極，同樣朝同一方向摩擦，再放回水面一次。如果這次指向北方的是相反的一端，就代表針內磁石的方向已經互換了。
針內微小磁石的方向排列整齊或互換的樣子，和岩石中磁鐵礦記錄方向的機制很相似。操作縫衣針時，請小心不要刺到手指。
想深入了解的人 ― 用語、公式與教科書的對應從國中理科到大學專業科目，會明確標示這是哪個程度的內容
- 國中國中理科會學到的範圍
- 高中高中「物理」「地球科學」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書專欄式的內容
- 大學高中不會學到、屬於大學專業科目（地球物理學、古地磁學）的內容
- 研究即使在大學也不會當作「定論」教授，是研究人員目前正在調查中的內容
國中用語：這個現象有專有名稱
- 地磁：地球所形成的磁場。指南針會指向南北，就是因為這個磁場。
- 地磁逆轉：地磁方向變成南北相反。與現在相同方向的時期稱為「正磁極期」，相反的時期稱為「逆磁極期」。
- 海嶺：海底的一種大山脈。地球內部的熔岩從這裡湧出，使海底向兩側擴展。
國中高中用公式驗證：最近一次互換以來，海底擴展了多少？
圖2中央的白色帶，是從約77萬年前到現在，在海嶺誕生的岩石。我們根據海底擴展的速度，來求出它單側的寬度。
| 用符號寫 | L ＝ v × t |
| 用文字寫 | 條帶寬度 ＝ 海底單側擴展速度 × 同一方向持續的時間 |
| 公式的由來 | 在海嶺誕生的岩石，會以幾乎固定的速度被運往兩側。這正是國中學到的「距離 ＝ 速度 × 時間」。由於岩石記錄的是誕生那一瞬間的磁場方向，方向相同的區間長度，就成了一條條帶的寬度 |
| 符號 | 意義與單位 |
| L | 條帶（同方向的帶狀區域）單側的寬度〔cm〕 |
| v | 海底單側擴展的速度〔cm／年〕 |
| t | 同一方向持續的時間〔年〕 |
| 海底單側擴展的速度（依海嶺不同為1〜數cm，此處作為範例） | 每年約2cm |
| 距最近一次互換的時間 | 約77萬年 |
| 地磁強度的變化（自1800年代前半開始觀測以來） | 約200年減弱不到1成 |
| 以cm表示條帶寬度 | 2 × 770000 ＝ 1540000 cm |
| 換算成km（1km＝100000cm） | 1540000 ÷ 100000 ＝ 15.4 km |
| 以步行速度（時速4km）橫越所需時間 | 15.4 ÷ 4 ≒ 3.9 小時 |
| 參考：若每次減少1成，要幾次才會接近零 | 100 ÷ 10 ＝ 10 次 |
| 參考：所需年數（假設維持目前速度） | 10 × 200 ＝ 2000 年 |
花了77萬年，海底也只擴展了約15公里左右。即使速度慢得像指甲生長一樣，經過幾十萬年的累積，也能形成用船隻就能測量出來的條紋圖案。另外，下面兩行只是「單純延伸推算」的參考值，實際的地磁會反覆增強與減弱，並不能用來預測下一次逆轉。
高中高中＋電流產生磁場，磁場中的運動產生電流
高中高中物理會學到電流周圍會產生磁場，以及導體在磁場中移動會產生電動勢（電磁感應）。在地球的外核中，液態鐵一邊對流，一邊受地球自轉的影響而扭轉，這兩種現象同時發生。高中地球科學中，海底的磁性條紋圖案，會被當作板塊構造說的證據來介紹。
高中＋磁鐵礦高於約580℃（居里溫度）時會失去磁性，冷卻後會依照當時的磁場方向被磁化。這稱為熱殘留磁化。此外還有一種沉積殘留磁化，是地層中堆積的細小顆粒排列方向而形成的，千葉的地層正是利用這種方式。
大學發電機理論與海底擴張的證明
液態金屬的流動如何自行維持磁場，這個機制正以發電機理論（Dynamo theory）進行研究。外核的對流與科氏力的共同作用，使磁場方向會自發性地逆轉，這一點也已透過電腦模擬實驗再現。從岩石中讀取過去地磁的學科稱為古地磁學，最近一次逆轉稱為松山—布容界線。將海底條紋圖案與逆轉聯繫起來的解釋，稱為1963年的瓦因—馬修斯假說。
📖 公式推導及更深入的內容：發電機理論（維基百科日文版） ／ 地磁逆轉（維基百科日文版）
研究目前尚未完全明白的事
- 下一次互換會在什麼時候發生。 地磁在過去約200年間持續減弱，但這是否就是逆轉的開端，還只是普通的波動，目前尚不清楚。
- 互換過程中會發生什麼事。 磁場會減弱到什麼程度、會呈現什麼樣的紊亂形態、需要多少年，依紀錄而有不同，研究仍在持續進行。
- 間隔不規則的原因。 有些時期長達幾千萬年都沒有發生逆轉，據認為這可能與地球深處的溫度分布有關，但尚未有定論。
也就是說，這篇文章的內容，也只是「目前已知範圍內的解釋」。地球中心是沒有人去過的地方，我們擁有的線索，只有岩石的紀錄，以及在地表測得的磁場。
與教科書的對應（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應之處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科：磁場、大地的變化 | 指南針、距離＝速度×時間 |
| 高中 | 物理：電流與磁場、電磁感應／地球科學：板塊構造說 | 液態鐵形成的電磁石、海底的條紋圖案 |
| 高中＋ | 地球科學進階：岩石的磁化 | 居里溫度、熱殘留磁化 |
| 大學 | 地球物理學、古地磁學 | 發電機理論、松山—布容界線 |
| 研究 | 地球深部研究 | 下一次逆轉的時期、逆轉過程的樣態 |
| ― | 與生活的連結 | 指南針的可靠性、千葉階 |
- 千葉階（チバニアン）（維基百科日文版）
- Vine, F. J. & Matthews, D. H. (1963) Magnetic Anomalies Over Oceanic Ridges. Nature 199
- Matuyama, M. (1929) On the Direction of Magnetisation of Basalt in Japan, Tyôsen and Manchuria. Proceedings of the Imperial Academy 5
- 氣象廳 地磁氣觀測所（気象庁 地磁気観測所）
※本文為大眾科學解說文章。文中所列數值為幫助理解機制的概略估算值。過去逆轉事件的年代，依研究不同可能有數千年左右的誤差。