對地球的天文學研究——也就是說把地球作為一個天體的研究，屬於廣義的宇宙科學(亦有稱天學)的範疇，與天文學的地球研究不同，地球科學研究的是地球及其附屬物質的狀態、演變規律和動力學機製，也稱地學。地下、地表、大氣、海洋都是地學的研究對象。
天學的和地學的地球研究都起始於對大地是球形這一科學認識。
地學是古老的，因為大地近在我們腳下，我們積累起來的關於大地的一切經驗都是後來地學發展的養料；地學又很年輕，因為地球的曆史太久遠(46億年)，體積太龐大，形態、結構、發展演化也太複雜，直到本世紀初，與其他基礎學科相比，地學仍然是比較落後的。
16世紀以來的一係列地理發現，為地學的發展奠定了資料基礎。20世紀以後，探空火箭、資源衛星、深海鑽探、同位素地質年代測量、電子計算機等新技術手段的使用，使地學從描述、定性、分化的研究進入到理論概括、定量、綜合的發展。
然而，我們真的讀懂了地球嗎?
1、地球的形狀
自古人們就在猜測著腳下大地的形狀，人們曾經以為大地是平展的，下麵有神象或烏龜馱著，烏龜累了，眨一下眼睛，大地就會顫抖，這就是地震。據記載，古希臘哲學家畢達哥拉斯最先提出地球是球體，但是並沒有科學的依據，他隻不過認為隻有圓形的才是完美的。亞裏士多德根據科學的觀察，猜想地球並不是扁平的，而是球形的。後來，古希臘米利都的泰勒斯有個叫埃拉托色尼的學生發現，同一時間在塞伊尼和亞力山大兩地直立兩根等高的杆子，它們的光影卻不等長，也就是說地麵應該是弧形的。他設想如果大地是個球體，兩根立杆的底端延長線就會在球心相交。6月21日，陽光直射塞伊尼城，亞力山大的立杆與陽光的交角就應該是兩條立杆延長線在地心的交角。他依據立杆的長度和影長求出了這個7．5度角，進而求出了地球子午線的長。
這是人類第一次用數學推理的方法證明大地為球形。
15世紀，葡萄牙航海家麥哲倫的船隊成功地進行了環球航行，首次環球航行(1521—1523)的成功，在實踐上第一次證實了大地是球形的，第一次證實了全球海洋是一個整體。這使地理學發生了一場真正的革命。16世紀，波蘭科學家哥白尼提出地球自身存在著自轉，並且圍繞太陽公轉。1851年，法國科學家福科證實了地球的旋轉運動。
實際上，我們生活的地球大體上是一個兩極收縮、赤道突起的稍有些扁平形狀的橢球。赤道的直徑約為12756千米，兩極之間的直徑約為12714千米，地球的體積約為1．083×1021立方厘米、地球的質量約為5．976×1024千克。把質量相對較小的幾個天體一水星、金星、火星、冥王星和月球加在一起，才相當於地球的質量。但若與質量較大的木星、土星比，地球又小得多。從北半球觀察，地球每時每刻都在按逆時針方向自轉，赤道處的轉速最快，大約每小時1600多千米。正是因為自轉的存在，形成了晝夜和北大西洋的颶風以及北太平洋的台風。
已經有46億年曆史的地球，至今仍是一個處於活動中的星球。
2、固體地球的構造
地球由內而外分為地核、地幔、地殼、水圈、大氣圈等圈層。從地表向下直到30千米左右，是固體的地殼。
總的說來，地殼由玄武岩和花崗岩構成，密度小的花崗岩浮在密度大的玄武岩上。在地殼上，陸地最高處是珠穆朗瑪峰，它的高度是海拔8848米。現在所知道的海洋最深處是菲律賓的馬裏亞納海溝，深度超過了6000米。從地殼向下至2900千米，是液態的地幔，地幔的構成可能：主要是矽酸鹽，火山噴發的一個主要的原因就是地幔運動，地幔的運動還會引起地殼板塊的運動，有時還會引起地震。地幔以下，也就是地球的中心部分是由鎳一鐵組成的炙熱的地核。地核的直徑約為地球直徑的一半，質量約為地球質量的1／3。科學家認為，地幔和地核的液態狀態所反映出來的正是地球形成之初時的狀態。
3、地殼的運動
地球上每年約發生100萬次地震，其中約100次是嚴重的，約10次是災難性的。海底地震所引起的大型海浪運動稱為海嘯。一次大型地震所釋放的能量相當於10萬顆大型原子彈或100顆大型氫彈的能量。地震80％在太平洋地區，另有15％在地中海一帶。已知曆史上活動過的火山大約有500多座，其中2／3在太平洋周圍。
除去這種小尺度的運動之外，人們曾一度以為腳下的大地總體上是固定不動的。1620年，英國哲學家培根曾猜想大陸會發生移動。19世紀末20世紀初，工業國家為了掠奪原料和擴大市場，大批探險隊和科考隊深人世界各地(20世紀初時隻剩兩極尚未到過)，收集了大批地質、地理資料，這些資料動搖了大陸固定論的基礎。
1912年，德國地質學家魏格納提出了係統的大陸漂移說。他提出，所有大陸最初的時候都連在一起稱之為聯合古陸。在地球曆史的某個時期，浮在玄武岩上的花崗岩破裂，聯合古陸發生分裂和移動。但是魏格納並未成功地解釋花崗岩如何能夠在堅硬的玄武岩上移動的問題，未能給出合理的移動機製。所以，大陸漂移說提出來之後被世人冷落了將近50年。1960年，根據海洋學和地質學的證據提出海底擴張說，認為由於洋底熔融地幔的湧出，導致海底的擴張，海底的擴張推動了大陸的移動。
20世紀60年代末，美國勒皮雄、摩根和英國麥肯齊，在大陸漂移、地幔對流、海底擴張說的基礎上建立了板塊構造說。該理論認為，岩石圈的基本單元是板塊；板塊的邊緣是中洋脊、轉換斷層、俯衝帶和地縫合線；由於地幔對流，板塊在中洋脊分離、擴張，在俯衝帶和地縫合線俯衝、消減；全球被分為歐亞、美洲、太平洋、澳洲、南極六大板塊和一些小板塊；全球地殼構造運動的基本原因是這些板塊的相互作用；板塊強度很大，板塊的邊緣是構造運動最劇烈的地方，主要變形在其邊緣部分。
北美西海岸的聖安德列斯大斷層是說明板塊整體運動的最好例子，對它的實地考察，以最充分的證據證明，僅僅從第三紀以來，這個斷層的東側相對於西側，向東南方向就移動了200多千米。
2．25億年前，也就是恐龍繁盛的時代，地球上的大陸還是連在一起的聯合古陸。大約在2億年前，聯合古陸發生明顯的分裂，分成了北部(現在的北美洲、歐洲和亞洲)、南部(現在的南美洲、非洲和印度)，南極與大洋洲構成了第三塊大陸。大約6500萬年前，南美洲與非洲分開，印度與非洲分開並向南亞移動，由於印度板塊與亞洲板塊的碰撞和擠壓，形成了喜馬拉雅山脈，大洋洲則離開了南極洲，從而形成了我們現在所看到的大陸分布狀況。
總之，地殼的運動可以分為如地震、海嘯、火山等小尺度的運動和大尺度的構造運動兩種。
4、藍色的水圈
地球是太陽係惟一表麵多水的星體，它適宜的溫度可以讓水的三態——固態、液態、氣態在其上同時存在。地球上的水圈是個貫通的體係——整個海洋是連為一體的，大陸上和大氣中的水體、南北兩極的冰冠和大陸上的冰川都與海洋相連，而且在一定的意義上也可以說地表上的淡水來自於海洋——每年有33萬立方千米的海水蒸發後變成雨雪降於地麵，江河湖泊、冰冠、冰川及地下水均來源於此。然後千條江河歸大海，地球上的水體就處於這樣綿延不斷的循環之中。
從地表橫向看，海洋極大。海洋總麵積5．1億平方千米，占地球表麵71％，體積約為13．58億立方千米，含水量占地球總水量的97．2％。
沿地球半徑縱深看，海洋甚小。海洋雖深——平均深度約為3．75千米，但它大約也隻是地球半徑的1／580，海洋的質量隻是地球總質量的1／4000。著名科普作家阿西莫夫有一個形象的比喻，說：“如果我們把地球設想成台球一樣大小的話，那麽海洋隻不過是球麵上一層不引人注目的水膜罷了。”然而，這層薄薄的水膜卻是富饒的資源庫，它除了是豐富的海洋生物的聚居地外，還有豐富的油氣、礦產等多種資源。是地球上一切生命的發源地，也有可能是人類在地球上的最後家園。
看上去混沌一片的海洋水體中，運行著複雜而有序的海流。由於科裏奧利效應，在北半球，強大的海洋環流按順時針方向流動；在南半球，強大的海流按逆時針方向流動。
曆史上，對這兩個強大的環流人們是一段一段發現的。早在1769年富蘭克林就研究過墨西哥灣水流，說“這是海洋中的一條河”。還有從紐芬蘭以南流向正東，橫過大西洋的北大西洋漂流沿著加那利群島流動的加那利海流；非洲海岸向西橫越人西洋的北赤道海流，以及秘魯海流、洪堡海流和極地邊緣自西向東的環流等。
直接沿著赤道流動的海流不受科裏奧利效應的影響，是一條直線流動的細流。它在太平洋中沿赤道向正東流動數千千米。以其發現者之名命名為克倫威爾潛流。
科裏奧利效應引起海洋橫向環流，表層和深層海水的溫差引起縱向環流。海洋表層的水在極區變冷下沉，在海底擴散至熱帶，然後無處可去，即隨熱帶洋麵蒸發而浮上表層，再逐漸變暖流向兩極。橫縱兩人環流體係調整著海洋的整體溫度和物質分布，也間接調整著海岸溫度。有句話說“大海是能自淨的”，這種自淨力多半是來自於這種整體性流動。
海流是緩慢而有力的強大水流。以墨西哥灣海流為例，它起點寬約80千米，深約0．8千米，流速每小時約6．4千米，每分鍾流量約為密西西比河的1000倍。
地球上的藍色水圈主要是由海洋構成的，但僅占地球總水量2．8％的淡水也是一道亮麗風景線。水體循環由淡水構成一極，陸上生命靠淡水哺育……然而，就這2．8％的淡水也有86％封存在約占地表總麵積10％的冰川中，當然從另一個角度我們可以說冰川是地球上最大的淡水資源庫。
總之，海洋是地球上的奇觀，它的浩瀚使陸地成為其中漂浮的島嶼，它的蔚藍使宇航員從外太空看地球時看到的像是個藍色的水球。
5、多彩的大氣圈
我們所說的大氣通常是指地球大氣，指包圍地球的一層氣體，它由氮、氧、氬、二氧化碳、氧化氮、水汽、一氧化碳、二氧化硫和臭氧等組成。大氣自下而上分為對流層、平流層、中間層、熱層和外逸層，熱層稍低處以下是均勻層，以上是非均勻層，中間層稍低處以下是中性層，以上是電離層；電離層外麵還有磁層，臭氧層就處在平流層的中下部。
對流層是上演著我們所熟悉的風雨雲雪等天氣現象的大舞台，對流層中的溫度約以每千米6．5℃的速度遞減；平流層的溫度由下而上先經過一個較為穩定的區段然後遞增，這主要是由於臭氧吸收紫外線引起的增溫。在80千米以下的均勻層中，大氣自身的湍流擴散作用調整著大氣的成分，使大氣混合。磁層是最外層，它在向日麵可延伸至十多個地球半徑之遠，背日麵可延伸至數百個地球半徑之遠。
大氣中存在著諸如層流、湍流、電流等運動形式。層流平滑而穩定，湍流複雜、疾速而多變。湍流是大氣運動的一種主要形式，它由大氣動力狀態和熱力狀態的不均勻作用而引起。湍流一方麵是許多天氣現象的來源，另一方麵起著把空氣中集中存在的氣體和微粒群擴散和混合的作用。這對人類來說都是至關重要的。人類預報天氣主要的途徑之一是對大氣湍流的研究，人類已經知道了許多湍流特有的規律。然而，湍流從整體而言還是人類科學目前麵對著的重大難題之一，所以天氣預報中存在許多未知的因素也就可以理解了。而對大氣成分的擴散和混合作用也是尤為重要，比方說汙染物的排放和稀釋，核爆炸煙雲的稀釋和消解……
電流和電波也是大氣中特有的運動形式。以地表為一極，以電離層為另一極的空間內存在著晴天地空電流、閃電放電電流、降雨電流、地表尖端放電電流等多種電流。無線電波在大氣中的傳播更是現代人類所熟悉的現象，正是這種傳播使人類的許多現代生活得以實現。
大氣又是多姿多彩的生命生存和繁衍的場所，大氣和水體、陽光一樣是生命必需的物質條件，龐大的地球生物圈交疊在水圈和大氣圈之上。
6、我們能否準確地預報天氣
世界第一張天氣圖是1820年由德國布蘭德斯繪製的1783年3月6日的天氣狀況。兩個多世紀以來，人類在天氣預報和氣候研究上取得了許多進展。然而，預測氣候、預報天氣到現在為止，基本還隻是人類努力而為之的一個方向。
氣候變遷的原動力是太陽輻射，但是除此之外地球上還有許多因素影響氣候的變遷。如自然因素、人為因素，可測因素、不可測因素，可控因素、不可控因素，正反饋因素、負反饋因素……
氣候及其動因的特點可以用兩個詞來概括：複雜和不確定。其中最重要的兩條是最簡捷易於理解的：按地球冰期、間冰期的自然周期，我們現在處於溫暖的間冰期；間冰期在周期中是走向冰期的，而由於人類對地球億萬年存儲能量的釋放各種溫室氣體的作用，近十幾年內地球平均氣溫的升高是明顯的。所以，未來地球是會變暖還是會變冷?這還是個未解之謎。
與大尺度的氣候變遷的複雜性相仿，小尺度的氣象預報的情況也是極為複雜。眾多的複雜因素決定了我們隻能按百分率給出天氣狀況的預報。人類最終是否可能百分之百地預報天氣也是個未解之謎。
這就是我們的地球，一個美麗繽紛而又富饒的地方。