对地球的天文学研究——也就是说把地球作为一个天体的研究，属于广义的宇宙科学(亦有称天学)的范畴，与天文学的地球研究不同，地球科学研究的是地球及其附属物质的状态、演变规律和动力学机制，也称地学。地下、地表、大气、海洋都是地学的研究对象。
天学的和地学的地球研究都起始于对大地是球形这一科学认识。
地学是古老的，因为大地近在我们脚下，我们积累起来的关于大地的一切经验都是后来地学发展的养料；地学又很年轻，因为地球的历史太久远(46亿年)，体积太庞大，形态、结构、发展演化也太复杂，直到本世纪初，与其他基础学科相比，地学仍然是比较落后的。
16世纪以来的一系列地理发现，为地学的发展奠定了资料基础。20世纪以后，探空火箭、资源卫星、深海钻探、同位素地质年代测量、电子计算机等新技术手段的使用，使地学从描述、定性、分化的研究进入到理论概括、定量、综合的发展。
然而，我们真的读懂了地球吗?
1、地球的形状
自古人们就在猜测着脚下大地的形状，人们曾经以为大地是平展的，下面有神象或乌龟驮着，乌龟累了，眨一下眼睛，大地就会颤抖，这就是地震。据记载，古希腊哲学家毕达哥拉斯最先提出地球是球体，但是并没有科学的依据，他只不过认为只有圆形的才是完美的。亚里士多德根据科学的观察，猜想地球并不是扁平的，而是球形的。后来，古希腊米利都的泰勒斯有个叫埃拉托色尼的学生发现，同一时间在塞伊尼和亚力山大两地直立两根等高的杆子，它们的光影却不等长，也就是说地面应该是弧形的。他设想如果大地是个球体，两根立杆的底端延长线就会在球心相交。6月21日，阳光直射塞伊尼城，亚力山大的立杆与阳光的交角就应该是两条立杆延长线在地心的交角。他依据立杆的长度和影长求出了这个7．5度角，进而求出了地球子午线的长。
这是人类第一次用数学推理的方法证明大地为球形。
15世纪，葡萄牙航海家麦哲伦的船队成功地进行了环球航行，首次环球航行(1521—1523)的成功，在实践上第一次证实了大地是球形的，第一次证实了全球海洋是一个整体。这使地理学发生了一场真正的革命。16世纪，波兰科学家哥白尼提出地球自身存在着自转，并且围绕太阳公转。1851年，法国科学家福科证实了地球的旋转运动。
实际上，我们生活的地球大体上是一个两极收缩、赤道突起的稍有些扁平形状的椭球。赤道的直径约为12756千米，两极之间的直径约为12714千米，地球的体积约为1．083×1021立方厘米、地球的质量约为5．976×1024千克。把质量相对较小的几个天体一水星、金星、火星、冥王星和月球加在一起，才相当于地球的质量。但若与质量较大的木星、土星比，地球又小得多。从北半球观察，地球每时每刻都在按逆时针方向自转，赤道处的转速最快，大约每小时1600多千米。正是因为自转的存在，形成了昼夜和北大西洋的飓风以及北太平洋的台风。
已经有46亿年历史的地球，至今仍是一个处于活动中的星球。
2、固体地球的构造
地球由内而外分为地核、地幔、地壳、水圈、大气圈等圈层。从地表向下直到30千米左右，是固体的地壳。
总的说来，地壳由玄武岩和花岗岩构成，密度小的花岗岩浮在密度大的玄武岩上。在地壳上，陆地最高处是珠穆朗玛峰，它的高度是海拔8848米。现在所知道的海洋最深处是菲律宾的马里亚纳海沟，深度超过了6000米。从地壳向下至2900千米，是液态的地幔，地幔的构成可能：主要是硅酸盐，火山喷发的一个主要的原因就是地幔运动，地幔的运动还会引起地壳板块的运动，有时还会引起地震。地幔以下，也就是地球的中心部分是由镍一铁组成的炙热的地核。地核的直径约为地球直径的一半，质量约为地球质量的1／3。科学家认为，地幔和地核的液态状态所反映出来的正是地球形成之初时的状态。
3、地壳的运动
地球上每年约发生100万次地震，其中约100次是严重的，约10次是灾难性的。海底地震所引起的大型海浪运动称为海啸。一次大型地震所释放的能量相当于10万颗大型原子弹或100颗大型氢弹的能量。地震80％在太平洋地区，另有15％在地中海一带。已知历史上活动过的火山大约有500多座，其中2／3在太平洋周围。
除去这种小尺度的运动之外，人们曾一度以为脚下的大地总体上是固定不动的。1620年，英国哲学家培根曾猜想大陆会发生移动。19世纪末20世纪初，工业国家为了掠夺原料和扩大市场，大批探险队和科考队深人世界各地(20世纪初时只剩两极尚未到过)，收集了大批地质、地理资料，这些资料动摇了大陆固定论的基础。
1912年，德国地质学家魏格纳提出了系统的大陆漂移说。他提出，所有大陆最初的时候都连在一起称之为联合古陆。在地球历史的某个时期，浮在玄武岩上的花岗岩破裂，联合古陆发生分裂和移动。但是魏格纳并未成功地解释花岗岩如何能够在坚硬的玄武岩上移动的问题，未能给出合理的移动机制。所以，大陆漂移说提出来之后被世人冷落了将近50年。1960年，根据海洋学和地质学的证据提出海底扩张说，认为由于洋底熔融地幔的涌出，导致海底的扩张，海底的扩张推动了大陆的移动。
20世纪60年代末，美国勒皮雄、摩根和英国麦肯齐，在大陆漂移、地幔对流、海底扩张说的基础上建立了板块构造说。该理论认为，岩石圈的基本单元是板块；板块的边缘是中洋脊、转换断层、俯冲带和地缝合线；由于地幔对流，板块在中洋脊分离、扩张，在俯冲带和地缝合线俯冲、消减；全球被分为欧亚、美洲、太平洋、澳洲、南极六大板块和一些小板块；全球地壳构造运动的基本原因是这些板块的相互作用；板块强度很大，板块的边缘是构造运动最剧烈的地方，主要变形在其边缘部分。
北美西海岸的圣安德列斯大断层是说明板块整体运动的最好例子，对它的实地考察，以最充分的证据证明，仅仅从第三纪以来，这个断层的东侧相对于西侧，向东南方向就移动了200多千米。
2．25亿年前，也就是恐龙繁盛的时代，地球上的大陆还是连在一起的联合古陆。大约在2亿年前，联合古陆发生明显的分裂，分成了北部(现在的北美洲、欧洲和亚洲)、南部(现在的南美洲、非洲和印度)，南极与大洋洲构成了第三块大陆。大约6500万年前，南美洲与非洲分开，印度与非洲分开并向南亚移动，由于印度板块与亚洲板块的碰撞和挤压，形成了喜马拉雅山脉，大洋洲则离开了南极洲，从而形成了我们现在所看到的大陆分布状况。
总之，地壳的运动可以分为如地震、海啸、火山等小尺度的运动和大尺度的构造运动两种。
4、蓝色的水圈
地球是太阳系惟一表面多水的星体，它适宜的温度可以让水的三态——固态、液态、气态在其上同时存在。地球上的水圈是个贯通的体系——整个海洋是连为一体的，大陆上和大气中的水体、南北两极的冰冠和大陆上的冰川都与海洋相连，而且在一定的意义上也可以说地表上的淡水来自于海洋——每年有33万立方千米的海水蒸发后变成雨雪降于地面，江河湖泊、冰冠、冰川及地下水均来源于此。然后千条江河归大海，地球上的水体就处于这样绵延不断的循环之中。
从地表横向看，海洋极大。海洋总面积5．1亿平方千米，占地球表面71％，体积约为13．58亿立方千米，含水量占地球总水量的97．2％。
沿地球半径纵深看，海洋甚小。海洋虽深——平均深度约为3．75千米，但它大约也只是地球半径的1／580，海洋的质量只是地球总质量的1／4000。著名科普作家阿西莫夫有一个形象的比喻，说：“如果我们把地球设想成台球一样大小的话，那么海洋只不过是球面上一层不引人注目的水膜罢了。”然而，这层薄薄的水膜却是富饶的资源库，它除了是丰富的海洋生物的聚居地外，还有丰富的油气、矿产等多种资源。是地球上一切生命的发源地，也有可能是人类在地球上的最后家园。
看上去混沌一片的海洋水体中，运行着复杂而有序的海流。由于科里奥利效应，在北半球，强大的海洋环流按顺时针方向流动；在南半球，强大的海流按逆时针方向流动。
历史上，对这两个强大的环流人们是一段一段发现的。早在1769年富兰克林就研究过墨西哥湾水流，说“这是海洋中的一条河”。还有从纽芬兰以南流向正东，横过大西洋的北大西洋漂流沿着加那利群岛流动的加那利海流；非洲海岸向西横越人西洋的北赤道海流，以及秘鲁海流、洪堡海流和极地边缘自西向东的环流等。
直接沿着赤道流动的海流不受科里奥利效应的影响，是一条直线流动的细流。它在太平洋中沿赤道向正东流动数千千米。以其发现者之名命名为克伦威尔潜流。
科里奥利效应引起海洋横向环流，表层和深层海水的温差引起纵向环流。海洋表层的水在极区变冷下沉，在海底扩散至热带，然后无处可去，即随热带洋面蒸发而浮上表层，再逐渐变暖流向两极。横纵两人环流体系调整着海洋的整体温度和物质分布，也间接调整着海岸温度。有句话说“大海是能自净的”，这种自净力多半是来自于这种整体性流动。
海流是缓慢而有力的强大水流。以墨西哥湾海流为例，它起点宽约80千米，深约0．8千米，流速每小时约6．4千米，每分钟流量约为密西西比河的1000倍。
地球上的蓝色水圈主要是由海洋构成的，但仅占地球总水量2．8％的淡水也是一道亮丽风景线。水体循环由淡水构成一极，陆上生命靠淡水哺育……然而，就这2．8％的淡水也有86％封存在约占地表总面积10％的冰川中，当然从另一个角度我们可以说冰川是地球上最大的淡水资源库。
总之，海洋是地球上的奇观，它的浩瀚使陆地成为其中漂浮的岛屿，它的蔚蓝使宇航员从外太空看地球时看到的像是个蓝色的水球。
5、多彩的大气圈
我们所说的大气通常是指地球大气，指包围地球的一层气体，它由氮、氧、氩、二氧化碳、氧化氮、水汽、一氧化碳、二氧化硫和臭氧等组成。大气自下而上分为对流层、平流层、中间层、热层和外逸层，热层稍低处以下是均匀层，以上是非均匀层，中间层稍低处以下是中性层，以上是电离层；电离层外面还有磁层，臭氧层就处在平流层的中下部。
对流层是上演着我们所熟悉的风雨云雪等天气现象的大舞台，对流层中的温度约以每千米6．5℃的速度递减；平流层的温度由下而上先经过一个较为稳定的区段然后递增，这主要是由于臭氧吸收紫外线引起的增温。在80千米以下的均匀层中，大气自身的湍流扩散作用调整着大气的成分，使大气混合。磁层是最外层，它在向日面可延伸至十多个地球半径之远，背日面可延伸至数百个地球半径之远。
大气中存在着诸如层流、湍流、电流等运动形式。层流平滑而稳定，湍流复杂、疾速而多变。湍流是大气运动的一种主要形式，它由大气动力状态和热力状态的不均匀作用而引起。湍流一方面是许多天气现象的来源，另一方面起着把空气中集中存在的气体和微粒群扩散和混合的作用。这对人类来说都是至关重要的。人类预报天气主要的途径之一是对大气湍流的研究，人类已经知道了许多湍流特有的规律。然而，湍流从整体而言还是人类科学目前面对着的重大难题之一，所以天气预报中存在许多未知的因素也就可以理解了。而对大气成分的扩散和混合作用也是尤为重要，比方说污染物的排放和稀释，核爆炸烟云的稀释和消解……
电流和电波也是大气中特有的运动形式。以地表为一极，以电离层为另一极的空间内存在着晴天地空电流、闪电放电电流、降雨电流、地表尖端放电电流等多种电流。无线电波在大气中的传播更是现代人类所熟悉的现象，正是这种传播使人类的许多现代生活得以实现。
大气又是多姿多彩的生命生存和繁衍的场所，大气和水体、阳光一样是生命必需的物质条件，庞大的地球生物圈交叠在水圈和大气圈之上。
6、我们能否准确地预报天气
世界第一张天气图是1820年由德国布兰德斯绘制的1783年3月6日的天气状况。两个多世纪以来，人类在天气预报和气候研究上取得了许多进展。然而，预测气候、预报天气到现在为止，基本还只是人类努力而为之的一个方向。
气候变迁的原动力是太阳辐射，但是除此之外地球上还有许多因素影响气候的变迁。如自然因素、人为因素，可测因素、不可测因素，可控因素、不可控因素，正反馈因素、负反馈因素……
气候及其动因的特点可以用两个词来概括：复杂和不确定。其中最重要的两条是最简捷易于理解的：按地球冰期、间冰期的自然周期，我们现在处于温暖的间冰期；间冰期在周期中是走向冰期的，而由于人类对地球亿万年存储能量的释放各种温室气体的作用，近十几年内地球平均气温的升高是明显的。所以，未来地球是会变暖还是会变冷?这还是个未解之谜。
与大尺度的气候变迁的复杂性相仿，小尺度的气象预报的情况也是极为复杂。众多的复杂因素决定了我们只能按百分率给出天气状况的预报。人类最终是否可能百分之百地预报天气也是个未解之谜。
这就是我们的地球，一个美丽缤纷而又富饶的地方。