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地球科学または地質科学は、地球に関連する自然科学のすべての分野を含みます。[ 1 ]これは、地球の4つの圏（生物圏、水圏/氷圏、大気圏、地圏（または岩石圏））の物理的、化学的、生物学的な複雑な構成と相乗的なつながりを扱う科学の一分野です。地球科学は惑星科学の一分野と考えることができますが、その歴史ははるかに古いものです。
地質学は、地球の構造、物質、およびプロセスを広く研究する学問です。地質学は主に、地球の表面、すなわち岩石圏、地殻、岩石などの研究です。岩石圏で起こる物理的特性やプロセス、そしてそれらが地熱エネルギーによってどのように影響を受けるかなども含まれます。地質学の要素が相互作用するにつれて、化学、物理学、生物学の側面も取り入れられます。歴史地質学は、地球の歴史と、それが時間とともにどのように変化してきたかを解釈するために地質学を応用する学問です。
地球化学は地球の化学成分とプロセスを研究します。地球物理学は地球の物理的性質を研究します。古生物学は岩石圏の化石化した生物物質を研究します。惑星地質学は地球外天体に関連する地球科学を研究します。地形学は景観の起源を研究します。構造地質学は岩石の変形を研究して山や低地を形成します。資源地質学は鉱物からエネルギー資源を得る方法を研究します。環境地質学は汚染物質が土壌や岩石にどのように影響するかを研究します。[ 2 ]鉱物学は鉱物の研究であり、鉱物の形成、結晶構造、鉱物に関連する危険、鉱物の物理的および化学的性質の研究を含みます。[ 3 ]岩石学は岩石の研究であり、岩石の形成と組成を含みます。岩石物理学は岩石の物理的および化学的性質です。岩石学は岩石学の一分野で、岩石の類型と分類を研究します。[ 4 ]
プレートテクトニクス、山脈、火山、地震は、地球の地殻における物理的および化学的プロセスによって説明できる地質学的現象です。 [ 6 ]地球の地殻の下には、重元素の放射性崩壊によって加熱されたマントルがあります。マントルは完全に固体ではなく、半永久的な対流状態にあるマグマで構成されています。この対流プロセスにより、リソスフェアプレートがゆっくりと移動します。結果として生じるプロセスは、プレートテクトニクスとして知られています。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]新しい地殻が生成される地殻の領域は発散境界と呼ばれ、地殻が地球に引き戻される領域は収束境界と呼ばれ、プレートが互いにすれ違うが、新しいリソスフェア物質が生成または破壊されない領域は、トランスフォーム（または保存）境界と呼ばれます。[ 8 ] [ 10 ] [ 11 ]地震はリソスフェアプレートの動きによって発生し、地殻の一部が沈み込みの一部として地球に押し込まれる収束境界付近でよく発生します。[ 12 ]
プレートテクトニクスは、地球の表面が再形成されるプロセスと考えることができます。海底拡大の結果、マントルから地表近くの割れ目を通ってマグマが流れ、そこで冷えて固まることで、新しい地殻と岩石圏が生成されます。沈み込みによって、海洋地殻と岩石圏は激しく対流するマントルに戻ります。[ 8 ] [ 10 ] [ 13 ]火山は主に沈み込んだ地殻物質の融解によって発生します。アセノスフェアに押し込まれた地殻物質は融解し、融解した物質の一部は十分に軽くなり、地表に上昇して火山が生まれます。[ 8 ] [ 12 ]
大気科学は、19世紀後半に気象学（天気の研究）を通して天気を予測する手段として発展しました。大気化学は、20世紀に大気汚染を測定するために発展し、1970年代には酸性雨への対応として拡大しました。気候学は、気候と気候変動を研究します。[ 14 ]
対流圏、成層圏、中間圏、熱圏、外気圏は、地球の大気を構成する 5 つの層です。大気中の質量の 75 パーセントは、最も低い層である対流圏にあります。全体として、大気は約 78.0 パーセントの窒素、20.9 パーセントの酸素、0.92 パーセントのアルゴン、および CO 2や水蒸気などの少量の他のガスで構成されています。 [ 15 ]水蒸気と CO 2 は、温室効果によって地球の大気が太陽のエネルギーを捕捉して保持する原因となります。[ 16 ]これにより、地球の表面は液体の水と生命が存在するのに十分な暖かさになります。熱を閉じ込めることに加えて、大気は地球の表面を宇宙線から遮蔽することによって生物を保護します。[ 17 ]核の内部運動によって生成される磁場は、地球の大気を太陽風から保護する磁気圏を生成します。[ 18 ]地球は45億歳なので、[ 19 ] [ 20 ]保護磁気圏がなければ、今頃は大気を失っているだろう。
地球の磁場（地磁気とも呼ばれる）は、地球内部から宇宙空間にまで広がる磁場であり、太陽から放出される荷電粒子の流れ である太陽風と相互作用する。この磁場は、地球の外核にある溶融した鉄とニッケルの混合物の対流による電流によって生成される。これらの対流は、核から放出される熱によって引き起こされる自然現象であり、地磁気ダイナモと呼ばれる。
地表における地球の磁場の大きさは、25,000～65,000 nT (0.25～0.65 G) の範囲です。[ 23 ]近似的には、地球の中心を通る巨大な棒磁石がその角度で置かれているかのように、現在地球の自転軸に対して約 11° の角度で傾いている磁気双極子の磁場として表されます。北地磁気極(カナダ、ヌナブト準州、エルズミア島) は実際には地球の磁場の南極を表し、逆に南地磁気極は地球の磁場の北極に対応します (反対の磁極は引き合い、磁石の北端は方位磁針のように地球の南磁場を指すため)。
北磁極と南磁極は通常地理上の極付近に位置しますが、地質学的時間スケールでゆっくりと継続的に移動し、通常の羅針盤が航海に役立つほど十分にゆっくりと移動します。しかし、数十万年という平均で不規則な間隔で、地球の磁場が反転し、北磁極と南磁極が突然入れ替わります。これらの地磁気極の反転は岩石に記録を残し、古地磁気学者が過去の地磁気場を計算する際に役立ちます。このような情報は、大陸や海底の動きを研究する際に役立ちます。磁気圏は、宇宙または地空間における地球の磁場の範囲によって定義されます。それは電離層の上、宇宙空間に数万キロメートルまで広がり、太陽風や宇宙線の荷電粒子から地球を保護します。これらの荷電粒子は、そうでなければ、有害な紫外線から地球を保護するオゾン層を含む上層大気を剥ぎ取ってしまうでしょう。
水文学は、地球上の水圏と水の動きを研究する学問です。水文学は、人間が淡水資源をどのように利用し、どのように相互作用するかを研究することに重点を置いています。水の動きの研究は、地形学や地球科学の他の分野と密接に関連しています。応用水文学は、水生環境を維持し、水資源を分配するための工学を含みます。水文学の下位分野には、海洋学、水文地質学、生態水文学、氷河学が含まれます。海洋学は海洋の研究です。[ 24 ]水文地質学は、地下水を研究する学問です。これには、地下水資源のマッピングと地下水汚染物質の分析が含まれます。応用水文地質学は、地下水と鉱泉の汚染を防ぎ、飲料水として利用できるようにすることを目指しています。地下水資源の最も初期の利用は紀元前3000年に遡り、水文地質学は17世紀から水文学者によって科学として発展しました。[ 25 ]生態水文学は、水圏の生態系を研究する学問です。水生生態系の物理的研究と水生生物の生物学的研究に分けられます。生態水文学には、生物と水生生態系が互いに及ぼす影響、およびこれらの生態系が人間によってどのように影響を受けるかが含まれます。[ 26 ]氷河学は、氷河や地球を氷と雪で覆うものを含む、氷圏の研究です。氷河学の関心事には、氷河の淡水へのアクセス、氷河災害の軽減、凍土の下に存在する資源の取得、および気候変動が氷圏に及ぼす影響への対処が含まれます。[ 27 ]
生態学は生物圏の研究です。これには、自然や生物が地球や他の生物とどのように相互作用し、その結果どうなるかの研究が含まれます。生物が酸素、水、栄養素などの地球からの資源をどのように利用して自らを維持しているかを考察します。また、人間や他の生物が自然にどのような変化をもたらすかについても考察します。[ 28 ]
物理地理学は、地球のシステムと、それらが単一の自己完結型システムの一部としてどのように相互作用するかを研究する学問です。天文学、数理地理学、気象学、気候学、地質学、地形学、生物学、生物地理学、土壌学、土壌地理学が含まれます。物理地理学は、地球上の人間の人口を研究する人文地理学とは異なりますが、環境に対する人間の影響も研究対象に含まれます。[ 29 ]
研究方法は、研究対象の性質によって異なります。研究は通常、観察、実験、理論の3つのカテゴリーのいずれかに分類されます。地球科学者は、高度なコンピュータ分析を行ったり、地球現象を研究するために興味深い場所（例えば、南極大陸やホットスポットの島々）を訪れたりすることがよくあります。[ 30 ]
地球科学の基礎的な考え方の一つに斉一説があり、これは「古代の地質学的特徴は、容易に観察できる活発なプロセスを理解することによって解釈される」というものです。言い換えれば、現在作用している地質学的プロセスは、地質時代を通じて同じように作用してきたということです。[ 31 ]これにより、地球の歴史を研究する人々は、地球のプロセスが現在どのように作用しているかについての知識を応用して、惑星が長い歴史を通じてどのように進化し変化してきたかについての洞察を得ることができます。
地球科学では、地球の表面はいくつかの異なる層（しばしば球体と呼ばれる）から構成されていると概念化するのが一般的です。岩石圏、水圏、大気圏、生物圏です。この球体の概念は、地球の表面とそのさまざまなプロセスを理解するための有用なツールです[ 32 ]。これらは、岩石、水、空気、生命に対応します。また、水圏の独立した部分として氷圏（氷に対応）を、活動的で相互に混ざり合った球体として土壌圏（土壌に対応）を含める人もいます。地球科学には、一般的に次の科学分野が含まれます。
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