Om du kunde resa tillbaka i tiden 41, 000 år till den senaste istiden, din kompass skulle peka söderut istället för norr. Det beror på att under en period av några hundra år, jordens magnetfält var omvänt. Dessa vändningar har hänt upprepade gånger under planetens historia, ibland varar hundratusentals år. Vi vet detta från hur det påverkar bildandet av magnetiska mineraler, som vi nu kan studera på jordens yta.

Det finns flera idéer för att förklara varför magnetfältsvändningar inträffar. En av dessa blev bara mer rimlig. Mina kollegor och jag upptäckte att regioner ovanpå jordens kärna kunde bete sig som gigantiska lavalampor, med stenar som regelbundet stiger och faller djupt inne i vår planet. Detta kan påverka dess magnetfält och få det att vända. Sättet vi gjorde denna upptäckt var genom att studera signaler från några av världens mest destruktiva jordbävningar.

Runt 3, 000 km under våra fötter - 270 gånger längre ner än den djupaste delen av havet - är början på jordens kärna, en flytande sfär av mestadels smält järn och nickel. Vid denna gräns mellan kärnan och den klippiga manteln ovanför, temperaturen är nästan 4, 000 ℃ grader, liknande den på ytan av en stjärna, med ett tryck som är mer än 1,3 m gånger det på jordens yta.

På mantelsidan av denna gräns, fast sten flödar gradvis under miljoner år, driver platttektoniken som får kontinenter att röra sig och ändra form. På kärnsidan, vätska, magnetiskt järn virvlar kraftigt, skapa och upprätthålla jordens magnetfält som skyddar planeten från strålning från rymden som annars skulle ta bort vår atmosfär.

Eftersom det är så långt under jorden, det huvudsakliga sättet vi kan studera gränsen mellan kärnan och manteln är genom att titta på de seismiska signaler som genereras av jordbävningar. Använda information om form och hastighet för seismiska vågor, vi kan räkna ut hur den del av planeten de har rest genom för att nå oss är. Efter en särskilt stor jordbävning, hela planeten vibrerar som en ringande klocka, och att mäta dessa svängningar på olika platser kan berätta hur strukturen varierar inom planeten.

På det här sättet, vi vet att det finns två stora regioner i toppen av kärnan där seismiska vågor färdas långsammare än i omgivande områden. Varje region är så stor att den skulle vara 100 gånger högre än Mount Everest om den fanns på planetens yta. Dessa regioner, kallad provinser med stor låg hastighet eller oftare bara "klumpar", har en betydande inverkan på mantelns dynamik. De påverkar också hur kärnan kyls, vilket förändrar flödet i den yttre kärnan.

Flera särskilt destruktiva jordbävningar under de senaste decennierna har gjort det möjligt för oss att mäta en speciell typ av seismiska svängningar som färdas längs gränsen mellan kärnan och manteln, känd som Stoneley -lägen. Vår senaste forskning om dessa lägen visar att de två klumparna på toppen av kärnan har en lägre densitet jämfört med det omgivande materialet. Detta tyder på att materialet aktivt stiger upp mot ytan, överensstämmer med andra geofysiska observationer.

Ny förklaring

Dessa regioner kan vara mindre täta bara för att de är varmare. Men en spännande alternativ möjlighet är att den kemiska sammansättningen av dessa delar av manteln gör att de beter sig som klumparna i en lavalampa. Detta skulle innebära att de värms upp och periodvis stiger mot ytan, innan den kyls ned och stänker ner på kärnan igen.

Ett sådant beteende skulle förändra sättet på vilket värme utvinns från kärnans yta under miljontals år. Och detta kan förklara varför jordens magnetfält ibland vänder. Det faktum att fältet har förändrats så många gånger i jordens historia tyder på att den inre struktur vi känner idag också kan ha förändrats.

Vi vet att kärnan är täckt av ett landskap av berg och dalar som jordens yta. Genom att använda mer data från jordoscillationer för att studera denna topografi, vi kommer att kunna producera mer detaljerade kartor över kärnan som kommer att ge oss en mycket bättre förståelse för vad som pågår djupt under våra fötter.