Jordens magnetfält verkar stabilt och sant – tillräckligt tillförlitligt för att navigera efter.

Än, till stor del dolda från det dagliga livet, fältet driver, växer och avtar. Den magnetiska nordpolen vänder sig för närvarande mot Sibirien, vilket nyligen tvingade Global Positioning System som ligger till grund för modern navigering att uppdatera sin mjukvara snabbare än väntat för att förklara förändringen.

Och vart hundratusen år eller så, magnetfältet skiftar dramatiskt och vänder sin polaritet:magnetiska nord skiftar till den geografiska sydpolen och, så småningom, tillbaks igen. Denna vändning har hänt otaliga gånger under jordens historia, men forskare har bara en begränsad förståelse för varför fältet vänder och hur det händer.

Nytt arbete från University of Wisconsin-Madison geolog Brad Singer och hans kollegor finner att den senaste fältomkastningen, cirka 770, 000 år sedan, tog minst 22, 000 år att slutföra. Det är flera gånger längre än man tidigare trott, och resultaten ifrågasätter ytterligare kontroversiella fynd om att vissa vändningar kan inträffa inom en mänsklig livstid.

Den nya analysen – baserad på framsteg inom mätkapacitet och en global undersökning av lavaflöden, havssediment och antarktiska iskärnor – ger en detaljerad titt på en turbulent tid för jordens magnetfält. Under årtusenden, fältet försvagades, delvis förskjuten, stabiliserades igen och vände slutligen för gott till den inriktning vi känner idag.

Resultaten ger en tydligare och mer nyanserad bild av vändningar i en tid då vissa forskare tror att vi kan uppleva de tidiga stadierna av en vändning när fältet försvagas och rör sig. Andra forskare ifrågasätter föreställningen om en dagens omsvängning, vilket sannolikt skulle påverka vår kraftigt elektroniska värld på ovanliga sätt.

Singer publicerade sitt verk den 7 augusti i tidskriften Vetenskapens framsteg . Han samarbetade med forskare vid Kumamoto University i Japan och University of California, Santa Cruz.

"Vändningar genereras i de djupaste delarna av jordens inre, men effekterna visar sig hela vägen genom jorden och speciellt på jordens yta och i atmosfären, " förklarar Singer. "Om du inte har en komplett, exakt och högupplöst registrering av hur en fältomkastning verkligen är på jordens yta, det är svårt att ens diskutera vad mekaniken för att generera en reversering är."

Jordens magnetfält produceras av planetens yttre kärna av flytande järn när det snurrar runt den fasta inre kärnan. Denna dynamo-aktion skapar ett fält som är mest stabilt som går genom ungefär de geografiska nord- och sydpolerna, men fältet skiftar och försvagas avsevärt under vändningar.

När nya stenar bildas - vanligtvis antingen som vulkaniska lavaströmmar eller sediment som avsätts på havsbotten - registrerar de magnetfältet när de skapades. Geologer som Singer kan kartlägga detta globala rekord för att sammanställa historien om magnetfält som sträcker sig miljontals år tillbaka. Rekordet är tydligast för den senaste vändningen, döpt Matuyama-Brunhes efter forskarna som först beskrev vändningar.

För den aktuella analysen, Singer och hans team fokuserade på lavaflöden från Chile, Tahiti, Hawaii, Karibien och Kanarieöarna. Teamet samlade in prover från dessa lavaflöden under flera fältsäsonger.

"Lavaflöden är idealiska registrerare av magnetfältet. De har många järnhaltiga mineraler, och när de svalnar, de låser i riktning mot fältet, " säger Singer. "Men det är en prickig skiva. Inga vulkaner bryter ut kontinuerligt. Så vi förlitar oss på noggrant fältarbete för att identifiera rätt poster."

Forskarna kombinerade magnetiska avläsningar och radioisotopdatering av prover från sju lavaflödessekvenser för att återskapa magnetfältet över ett spann på cirka 70, 000 år centrerat på vändningen i Matuyama-Brunhes. De förlitade sig på uppgraderade metoder som utvecklats i Singers WiscAr geokronologilabb för att mer exakt datera lavaflödena genom att mäta argon som produceras från radioaktivt sönderfall av kalium i stenarna.

De fann att den slutliga vändningen var snabb med geologiska standarder, mindre än 4, 000 år. Men det föregicks av en längre period av instabilitet som innefattade två utflykter – tillfälliga, partiella reverseringar – sträcker tillbaka ytterligare 18, 000 år. Det intervallet är mer än dubbelt så långt som antyddes av de senaste förslagen att alla återföringar avslutas inom 9, 000 år.

Lavaflödesdata bekräftades av magnetiska avläsningar från havsbotten, vilket ger en mer kontinuerlig men mindre exakt datakälla än lavastenar. Forskarna använde också iskärnor i Antarktis för att spåra avsättningen av beryllium, som produceras av kosmisk strålning som kolliderar med atmosfären. När magnetfältet vänder, det försvagas och tillåter mer strålning att träffa atmosfären, producerar mer beryllium.

Sedan mänskligheten började registrera styrkan i magnetfältet, den har minskat i styrka cirka fem procent varje århundrade. Som skivor som Singers show, ett försvagningsfält verkar vara en föregångare till en eventuell vändning, även om det är långt ifrån klart att en vändning är nära förestående.

Ett backningsfält kan avsevärt påverka navigering och satellit- och markkommunikation. Men den aktuella studien tyder på att samhället skulle ha generationer att anpassa sig till en lång period av magnetisk instabilitet.

"Jag har arbetat med det här problemet i 25 år, säger Singer, som snubblade in i paleomagnetism när han insåg vulkanerna han studerade fungerade som ett bra register över jordens magnetfält. "Och nu har vi ett rikare rekord och bättre daterad rekord av denna senaste vändning än någonsin tidigare."