علوم زمین یا علوم زمین شامل تمامی رشته های علوم طبیعی مرتبط با سیاره زمین می شود. [1] این شاخه ای از علم است که به ساختارهای پیچیده فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی و پیوندهای هم افزایی چهار کره زمین می پردازد: بیوسفر ، هیدروسفر / کرایوسفر ، جو ، و ژئوسفر (یا لیتوسفر ). علم زمین را می توان شاخه ای از علوم سیاره ای اما با سابقه بسیار قدیمی تر در نظر گرفت.
.jpg/1280px-Layers_of_sedimentary_rock_in_Makhtesh_Ramon_(50754).jpg)
زمین شناسی به طور گسترده به مطالعه ساختار، ماده و فرآیندهای زمین می پردازد. زمین‌شناسی عمدتاً به مطالعه لیتوسفر یا سطح زمین، از جمله پوسته و سنگ‌ها می‌پردازد . این شامل ویژگی‌های فیزیکی و فرآیندهایی است که در لیتوسفر رخ می‌دهند و همچنین نحوه تأثیرپذیری آنها از انرژی زمین گرمایی . این شامل جنبه های شیمی، فیزیک و زیست شناسی به عنوان عناصر زمین شناسی است. زمین شناسی تاریخی کاربرد زمین شناسی برای تفسیر تاریخ زمین و چگونگی تغییر آن در طول زمان است.
ژئوشیمی به بررسی اجزای شیمیایی و فرآیندهای زمین می پردازد. ژئوفیزیک به بررسی خواص فیزیکی زمین می پردازد. دیرینه شناسی مواد بیولوژیکی فسیل شده را در لیتوسفر مطالعه می کند. زمین‌شناسی سیاره‌ای علم زمین‌شناسی را در ارتباط با اجرام فرازمینی مطالعه می‌کند. ژئومورفولوژی منشا مناظر را مطالعه می کند. زمین شناسی ساختاری تغییر شکل سنگ ها برای تولید کوه ها و دشت ها را مطالعه می کند. زمین شناسی منابع مطالعه می کند که چگونه می توان منابع انرژی را از مواد معدنی به دست آورد. زمین شناسی محیطی به مطالعه چگونگی تاثیر آلودگی و آلاینده ها بر خاک و سنگ می پردازد. [2] کانی شناسی مطالعه کانی ها است و شامل مطالعه تشکیل کانی ها، ساختار بلوری ، خطرات مرتبط با کانی ها، و خواص فیزیکی و شیمیایی کانی ها می شود. [3] پترولوژی مطالعه سنگ ها از جمله تشکیل و ترکیب سنگ ها است. پتروگرافی شاخه ای از سنگ شناسی است که به بررسی گونه شناسی و طبقه بندی سنگ ها می پردازد. [4]
تکتونیک صفحات ، رشته کوه ها ، آتشفشان ها و زمین لرزه ها پدیده های زمین شناسی هستند که می توان آنها را از نظر فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی در پوسته زمین توضیح داد. [6] در زیر پوسته زمین گوشته ای قرار دارد که در اثر فروپاشی رادیواکتیو عناصر سنگین گرم می شود . گوشته کاملاً جامد نیست و از ماگما تشکیل شده است که در حالت همرفت نیمه دائمی قرار دارد. این فرآیند همرفت باعث می شود صفحات لیتوسفر حرکت کنند، البته به کندی. فرآیند حاصل به عنوان تکتونیک صفحه ای شناخته می شود. [7] [8] [9] [10] مناطقی از پوسته که در آن پوسته جدید ایجاد می‌شود، مرزهای واگرا نامیده می‌شوند ، مناطقی که در آن به زمین بازگردانده می‌شود مرزهای همگرا و مناطقی که صفحات از کنار یکدیگر می‌لغزند، اما جدید نیستند. مواد لیتوسفر ایجاد شده یا از بین می روند، به عنوان مرزهای تبدیل (یا محافظه کار) شناخته می شوند . [8] [10] [11] زمین لرزه ها از حرکت صفحات لیتوسفر ایجاد می شوند و اغلب در نزدیکی مرزهای همگرا رخ می دهند که در آن بخش هایی از پوسته به عنوان بخشی از فرورانش به داخل زمین می روند. [12]
ممکن است تکتونیک صفحه ای به عنوان فرآیندی در نظر گرفته شود که توسط آن زمین دوباره ظاهر می شود. در نتیجه گسترش کف دریا ، پوسته و لیتوسفر جدید با جریان ماگما از گوشته به سطح نزدیک، از طریق شکاف‌ها، ایجاد می‌شود، جایی که سرد و جامد می‌شود. از طریق فرورانش ، پوسته اقیانوسی و لیتوسفر شدیداً به گوشته همرفت بازمی‌گردند. [8] [10] [13] آتشفشان ها عمدتاً از ذوب مواد پوسته فرورانش شده به وجود می آیند. مواد پوسته‌ای که به زور وارد استنوسفر می‌شوند ، ذوب می‌شوند و بخشی از مواد ذوب شده به اندازه‌ای سبک می‌شود که به سطح برود و آتشفشان‌ها را به وجود می‌آورد. [8] [12]
علم جو در ابتدا در اواخر قرن نوزدهم به عنوان وسیله ای برای پیش بینی آب و هوا از طریق هواشناسی ، مطالعه آب و هوا، توسعه یافت. شیمی اتمسفر در قرن بیستم برای اندازه گیری آلودگی هوا توسعه یافت و در دهه 1970 در پاسخ به باران اسیدی گسترش یافت . اقلیم شناسی به مطالعه اقلیم و تغییرات آب و هوایی می پردازد . [14]
تروپوسفر ، استراتوسفر ، مزوسفر ، ترموسفر و اگزوسفر پنج لایه ای هستند که جو زمین را تشکیل می دهند . 75 درصد از جرم جو در تروپوسفر، پایین ترین لایه، قرار دارد. در مجموع، اتمسفر از حدود 78.0 درصد نیتروژن ، 20.9 درصد اکسیژن و 0.92 درصد آرگون و مقادیر کمی از گازهای دیگر از جمله CO2 و بخار آب تشکیل شده است. [15] بخار آب و CO 2 باعث می شود جو زمین انرژی خورشید را از طریق اثر گلخانه ای جذب و نگه دارد . [16] این باعث می شود که سطح زمین به اندازه کافی برای آب مایع و حیات گرم شود. علاوه بر به دام انداختن گرما، جو همچنین از موجودات زنده با محافظت از سطح زمین در برابر پرتوهای کیهانی محافظت می کند . [17] میدان مغناطیسی - که توسط حرکات داخلی هسته ایجاد می شود - مگنتوسفر را تولید می کند که از جو زمین در برابر بادهای خورشیدی محافظت می کند . [18] از آنجایی که زمین 4.5 میلیارد سال سن دارد، [19] [20] اگر هیچ مگنتوسفر محافظی وجود نداشت، اتمسفر خود را از دست داده بود.
میدان مغناطیسی زمین که به عنوان میدان ژئومغناطیسی نیز شناخته می‌شود، میدان مغناطیسی است که از درون زمین به فضا گسترش می‌یابد، جایی که با باد خورشیدی ، جریانی از ذرات باردار که از خورشید سرچشمه می‌گیرد، در تعامل است . میدان مغناطیسی توسط جریان‌های الکتریکی به دلیل حرکت جریان‌های همرفتی مخلوطی از آهن مذاب و نیکل در هسته بیرونی زمین ایجاد می‌شود : این جریان‌های همرفتی ناشی از خروج گرما از هسته است، فرآیندی طبیعی به نام ژئودینامو .
قدر میدان مغناطیسی زمین در سطح آن از 25 تا 65 میکروT (0.25 تا 0.65 G) متغیر است. [23] به طور تقریبی، با میدانی از یک دوقطبی مغناطیسی نشان داده می‌شود که در حال حاضر با زاویه حدود 11 درجه نسبت به محور چرخشی زمین کج شده است ، گویی یک آهنربای میله‌ای عظیم در آن زاویه در مرکز زمین قرار گرفته است. . قطب ژئومغناطیسی شمال در واقع نشان دهنده قطب جنوب میدان مغناطیسی زمین است و بالعکس قطب ژئومغناطیسی جنوبی با قطب شمال میدان مغناطیسی زمین مطابقت دارد (زیرا قطب های مغناطیسی مخالف جذب می شوند و انتهای شمالی آهنربا، مانند سوزن قطب نما، به سمت خود می رود. میدان مغناطیسی جنوبی زمین، جزیره المر ، نوناووت ، کانادا).
در حالی که قطب‌های مغناطیسی شمال و جنوب معمولاً در نزدیکی قطب‌های جغرافیایی قرار دارند، به آرامی و پیوسته در مقیاس‌های زمانی زمین‌شناسی حرکت می‌کنند، اما به اندازه‌ای آهسته هستند که قطب‌نماهای معمولی برای ناوبری مفید باقی بمانند. با این حال، در فواصل نامنظم به طور متوسط چند صد هزار سال، میدان زمین معکوس می شود و قطب های مغناطیسی شمال و جنوب به طور ناگهانی مکان خود را تغییر می دهند. این واژگونی‌های قطب‌های ژئومغناطیسی رکوردی را در سنگ‌هایی به جا می‌گذارد که برای دیرینه‌مغناطیس‌ها در محاسبه میدان‌های ژئومغناطیسی در گذشته ارزشمند بودند . چنین اطلاعاتی به نوبه خود در مطالعه حرکت قاره ها و کف اقیانوس ها مفید است. مگنتوسفر بالاتر از یونوسفر است که با وسعت میدان مغناطیسی زمین در فضا یا ژئوفضا تعریف می شود . چندین ده هزار کیلومتر در فضا امتداد می یابد و از زمین در برابر ذرات باردار باد خورشیدی و پرتوهای کیهانی محافظت می کند که در غیر این صورت سطح بالایی جو را از بین می برد، از جمله لایه اوزون که از زمین در برابر تشعشعات مضر فرابنفش محافظت می کند .
هیدرولوژی مطالعه هیدروسفر و حرکت آب در زمین است . این بر مطالعه نحوه استفاده و تعامل انسان با منابع آب شیرین تأکید دارد. مطالعه حرکت آب ارتباط تنگاتنگی با ژئومورفولوژی و سایر شاخه های علوم زمین دارد. هیدرولوژی کاربردی شامل مهندسی برای حفظ محیط های آبی و توزیع منابع آب است. زیرشاخه های هیدرولوژی شامل اقیانوس شناسی ، هیدروژئولوژی ، اکوهیدرولوژی و یخچال شناسی است . اقیانوس شناسی مطالعه اقیانوس ها است. [24] هیدروژئولوژی مطالعه آبهای زیرزمینی است . این شامل نقشه برداری از منابع آب زیرزمینی و تجزیه و تحلیل آلاینده های آب زیرزمینی است. هیدروژئولوژی کاربردی به دنبال جلوگیری از آلودگی آب های زیرزمینی و چشمه های معدنی و در دسترس قرار دادن آن به عنوان آب آشامیدنی است . اولین بهره برداری از منابع آب زیرزمینی به 3000 سال قبل از میلاد برمی گردد و هیدروژئولوژی به عنوان یک علم توسط هیدرولوژیست ها در قرن هفدهم توسعه یافت. [25] اکوهیدرولوژی مطالعه سیستم های اکولوژیکی در هیدروسفر است . می توان آن را به مطالعه فیزیکی اکوسیستم های آبی و مطالعه بیولوژیکی موجودات آبزی تقسیم کرد. اکوهیدرولوژی شامل اثراتی است که موجودات زنده و اکوسیستم‌های آبی بر یکدیگر دارند و همچنین نحوه تأثیرگذاری این اکوسیستم‌ها توسط انسان. [26] یخبندان به مطالعه کرایوسفر، از جمله یخچال ها و پوشش زمین توسط یخ و برف می پردازد. نگرانی های یخبندان شامل دسترسی به آب شیرین یخبندان، کاهش خطرات یخبندان، به دست آوردن منابعی که در زیر زمین های یخ زده وجود دارد، و پرداختن به اثرات تغییرات آب و هوایی بر کرایوسفر است. [27]
اکولوژی مطالعه زیست کره است . این شامل مطالعه طبیعت و نحوه تعامل موجودات زنده با زمین و یکدیگر و پیامدهای آن است. این بررسی می کند که چگونه موجودات زنده از منابعی مانند اکسیژن ، آب و مواد مغذی زمین برای حفظ خود استفاده می کنند. همچنین در نظر می گیرد که چگونه انسان ها و دیگر موجودات زنده باعث تغییرات در طبیعت می شوند. [28]
جغرافیای فیزیکی مطالعه سیستم های زمین و نحوه تعامل آنها با یکدیگر به عنوان بخشی از یک سیستم منفرد است. این شامل نجوم، جغرافیای ریاضی، هواشناسی، اقلیم شناسی، زمین شناسی، ژئومورفولوژی، زیست شناسی، جغرافیای زیستی، خاک شناسی، و جغرافیای خاک است. جغرافیای فیزیکی متمایز از جغرافیای انسانی است که جمعیت های انسانی روی زمین را مطالعه می کند، هرچند که شامل اثرات انسان بر محیط زیست می شود. [29]
روش ها بسته به ماهیت موضوعات مورد مطالعه متفاوت است. مطالعات معمولاً به یکی از سه دسته تقسیم می شوند: مشاهده ای، تجربی یا نظری. دانشمندان زمین اغلب تجزیه و تحلیل کامپیوتری پیچیده ای را انجام می دهند یا از یک مکان جالب برای مطالعه پدیده های زمین (مانند قطب جنوب یا زنجیره جزیره های نقطه داغ ) بازدید می کنند.
یک ایده اساسی در علم زمین، مفهوم یکنواختگرایی است ، که بیان می کند که "ویژگی های زمین شناسی باستانی با درک فرآیندهای فعالی که به راحتی مشاهده می شوند تفسیر می شوند." به عبارت دیگر، هر فرآیند زمین شناسی در حال حاضر در طول زمان زمین شناسی به همان شیوه عمل کرده است. این به کسانی که تاریخ زمین را مطالعه می‌کنند، قادر می‌سازد تا از دانش نحوه عملکرد فرآیندهای زمین در زمان حال استفاده کنند تا بینشی در مورد چگونگی تکامل و تغییر سیاره در طول تاریخ طولانی به دست آورند.
در علم زمین، تصور مفهومی سطح زمین متشکل از چندین لایه متمایز است که اغلب به آنها کره گفته می شود: لیتوسفر ، هیدروسفر ، جو و زیست کره ، این مفهوم از کره ابزار مفیدی برای درک زمین است. سطح و فرآیندهای مختلف آن [30] اینها مربوط به سنگ ، آب ، هوا و حیات است . همچنین توسط برخی شامل کرایوسفر ( مرتبط با یخ ) به عنوان بخش متمایز از هیدروسفر و پدوسفر (مرتبط با خاک ) به عنوان یک کره فعال و مخلوط شده است. رشته های علوم زیر به طور کلی در علوم زمین طبقه بندی می شوند:
