L'axe du champ géomagnétique est approximativement aligné avec l'axe de rotation de la Terre et il a la forme d'un dipôle, analogue au champ d'un barreau aimanté avec ces pôles nord et sud. C'est la situation courante, mais parfois le champ magnétique inverse sa polarité, les pôles nord et sud échangent leur position, et le champ pointe en direction opposée. On utilise plusieurs expressions pour désigner ce phénomène, notamment «inversion du champ géomagnétique», et «inversion des pôles».

Les inversions magnétiques remontant jusqu'à 330 millions d'années ont été documentées. Depuis cette époque, plus 400 inversions ont eu lieu, en moyenne une à tous les 700 000 ans environ. Toutefois, l'intervalle entre les inversions n'est pas constant. Il varie de moins de 100 000 ans à des dizaines de millions d'années. Récemment – géologiquement parlant – le champ magnétique s'est inversé en moyenne à tous les 200 000 ans et la dernière remonte à 780 000 ans. Lors de cette inversion, le champ géomagnétique est passé d'un état «inversé» à l'«état normal» actuel.

Nos connaissances des inversions sont tirées de certains types de roches dans lesquelles la direction du champ magnétique est figée. Lors de leur formation, – sous terre ou à la surface – les roches ignées en se refroidissant et en se solidifiant acquièrent une aimantation parallèle aux lignes du champ magnétique ambiant Si, à l'instar de la lave, la roche refroidit rapidement, elle préservera un instantané de l'état du champ magnétique. Si elle refroidit lentement, comme c'est le cas des roches formées à l'intérieur de la Terre, elle contiendra un mélange d'informations sur le champ magnétique sur une période beaucoup plus long. L'aimantation des roches sédimentaires se fait petit à petit, alors que chaque particule de sédiment s'aligne dans la direction du champ magnétique au moment où elle se dépose.

Certains roches peuvent parfois révéler davantage que l'orientation du champ magnétique au moment de leur formation. Dans certains cas, l'écoulement de la lave est assez fréquent, ou le dépôt de sédiments assez rapide, pour pouvoir mesurer le changement d'orientation et d'intensité du champ au cours de l'inversion. Ces combinaisons de circonstances sont rares et les renseignements qu'on en tire ambigus. Toutefois les chercheurs ont rassemblé les faits suivants :

• Bien que rapides d'un point de vue géologique, les inversions progressent lentement à l'échelle de la vie humaine. En moyenne 5 000 ans sont nécessaires pour une inversion, bien qu'elles puissent nécessiter aussi peu que 1 000 ans et aussi longtemps 8 000 ans pour s'accomplir.

• Au cours d'une inversion, le champ magnétique total, y compris sa composante dipolaire, diminue grandement pour atteindre une valeur comprise entre 10 et 25 % de son intensité initiale.

• Les inversions ne se déroulent pas uniformément. Des changements importants et rapides en direction et en intensité sont ponctués de périodes de stabilité. Au cours de certaines inversions, le champ aurait commencé à changer, puis serait retourné à l'état initial avant que s'achève l'inversion.

• La rareté et l'ambiguïté des observations ont donné naissance à deux théories opposées pour expliquer l'inversion des champs magnétiques et le comportement des pôles magnétiques durant l'inversion. Une première théorie prédit que le champ magnétique demeure principalement dipolaire pendant une inversion et que les pôles migrent le long d'une trajectoire préférentielle d'un hémisphère à l'autre. La deuxième soutient que la portion dipôle du champ magnétique s'évanouit s'annule puis croît de nouveau avec une polarité inverse. Pendant la période où le champ dipolaire est nul, la portion non dipôle existe toujours et les pôles magnétiques ne migrent pas de façon systématique.

Bien que d'autre mécanismes, notamment les impacts météoritiques, aient été proposés, on croit généralement que les inversions sont causées par un changement au phénomène de dynamo qui cause le champ magnétique. L'explication la plus simple est l'arrêt de la convection dans le noyau externe causant l'évanouissement du champ magnétique. Éventuellement, l'accumulation de chaleur déclenche la convection et l'apparition d'un nouveau champ dont la polarité dépendra de la polarité du champ résiduel, à l'endroit où la convection redémarre. Cette théorie n'explique pas pourquoi les inversions se réalisent en seulement 5 000 ans, alors que 15 000 années sont nécessaires pour la décroissance du champ. En dernière analyse, la venue des inversions doit être liée aux changements dans l'écoulement fluide du manteau extérieur. De fait, les simulations informatiques semblent démontrer que les mouvements liquides tendent à inverser le champ à une fréquence de quelques milliers d'années, mais que le noyau intérieur empêche les inversions parce que le champ ne peut se diffuser aussi rapidement dans le noyau central que dans le noyau externe, plus fluide. À de rares occasions seulement les conditions thermodynamiques, les mouvements liquides et le champ magnétique évoluent de concert pour permettre la diffusion complète du champ original, hors du noyau interne de façon à ce qu'une nouvelle polarité dipolaire diffuse dans le noyau interne et crée un champ d'une polarité inverse.

Plusieurs auteurs ont signalé l'affaiblissement du champ dipôle depuis la fin de la préhistoire et prédisent que si la tendance observée se maintient, il s'annulera dans 1 500 ans. Certains scientifiques interprètent cette tendance comme le début d'une inversion. Bien que nous ne puissions pas écarter totalement cette possibilité, la plupart des chercheurs croient que cette tendance ne se poursuivra pas et que, comme cela s'est produit plusieurs fois dans le passé, l'intensité du champ augmentera de nouveau.