รูปร่าง

รูปร่างของดาวเคราะห์โลก แสดงระยะทางระหว่างผิวดาวกับจุดศูนย์กลางมวล จะเห็นว่ายอดแห่งเทือกเขาแอนดีสในทวีปอเมริกาใต้ (แถบสีแดงแนวเหนือ-ใต้บริเวณกลางภาพ) เป็นที่สูง ข้อมูลจากแบบจำลองรูปนูนโลกเอิร์ธ2014[94]

โลกมีรูปร่างประมาณทรงคล้ายทรงกลมแบนขั้ว โลกแบนลงบริเวณแกนทางภูมิศสตร์และโป่งบริเวณแถบศูนย์สูตร[95] การโป่งนี้เป็นผลมาจากการหมุนรอบตัวเองของโลก เส้นผ่านศูนย์กลางในแนวศูนย์สูตรยาวกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางในแนวขั้วเหนือ-ใต้ราว 43 กิโลเมตร[96] จุดบนพื้นผิวโลกที่ห่างจากจุดศูนย์กลางมวลของโลกมากที่สุดคือ ยอดภูเขาไฟชิมโบราโซแถบศูนย์สูตรในประเทศเอกวาดอร์[97] ภูมิประเทศในแต่ละท้องที่มีการเบี่ยงเบนไปจากทรงกลมอุดมคติ แต่เมื่อมองในระดับโลกทั้งใบการเบี่ยงเบนเหล่านี้ก็ถือว่าเล็กน้อย จุดที่ถือว่ามีความเบี่ยงเบนท้องถิ่นมากที่สุดบนพื้นผิวหินของโลกก็คือ ยอดเขาเอเวอร์เรสต์ด้วยระดับความสูง 8,848 เมตรจากระดับน้ำทะเลกลาง คิดเป็นค่าความเบี่ยงเบนร้อยละ 0.14 และร่องลึกก้นสมุทรมาเรียนาที่ระดับความลึก 10,911 เมตรจากระดับน้ำทะเลกลาง คิดเป็นค่าความเบี่ยงเบนร้อยละ 0.17[n 11]

ในวิชาภูมิมาตรศาสตร์ รูปทรงแท้จริงของมหาสมุทรโลกหากปราศจากแผ่นดินและอิทธิพลรบกวนอย่างกระแสน้ำและลม เรียก จีออยด์ กล่าวคือ จีออยด์เป็นผิวสมศักย์ความโน้มถ่วง (surface of gravitational equipotential) ที่ระดับทะเลปานกลาง

องค์ประกอบทางเคมีของเปลือกโลก[99]

สารประกอบ	สูตร	องค์ประกอบ
ทวีป	สมุทร
ซิลิกา	SiO2	60.2%	48.6%
อะลูมินา	Al2O3	15.2%	16.5%
ไลม์	CaO	5.5%	12.3%
แมกนีเซีย	MgO	3.1%	6.8%
ไอเอิร์น(II) ออกไซด์	FeO	3.8%	6.2%
โซเดียมออกไซด์	Na2O	3.0%	2.6%
โพแทสเซียมออกไซด์	K2O	2.8%	0.4%
ไอเอิร์น(III) ออกไซด์	Fe2O3	2.5%	2.3%
น้ำ	H2O	1.4%	1.1%
คาร์บอนไดออกไซด์	CO2	1.2%	1.4%
ไทเทเนียมไดออกไซด์	TiO2	0.7%	1.4%
ฟอสฟอรัสเพนทอกไซด์	P2O5	0.2%	0.3%
รวม	99.6%	99.9%

องค์ประกอบทางเคมี

โลกมีมวลโดยประมาณ 5.97×1024 กิโลกรัม ส่วนมากประกอบขึ้นจากเหล็ก (ร้อยละ 32.1) ออกซิเจน (ร้อยละ 30.1) ซิลิกอน (ร้อยละ 15.1) แมกนีเซียม (ร้อยละ 13.9) กำมะถัน (ร้อยละ 2.9) นิกเกิล (ร้อยละ 1.8) แคลเซียม (ร้อยละ 1.5) และอะลูมิเนียม (ร้อยละ 1.4) ส่วนที่เหลืออีกร้อยละ 1.2 ประกอบด้วยธาตุอื่น ๆ ในปริมาณเล็กน้อย จากกระบวนการการแยกลำดับชั้นโดยมวลทำให้เชื่อว่าบริเวณแกนโลกประกอบขึ้นในขั้นต้นด้วยเหล็กร้อยละ 88.8 มีนิกเกิลในปริมาณเล็กน้อยราวร้อยละ 5.8 กำมะถันร้อยละ 4.5 และน้อยกว่าร้อยละ 1 เป็นธาตุพบน้อยชนิดอื่น[100]

หินที่พบได้ทั่วไปที่เป็นส่วนประกอบของเปลือกโลกนั้นเป็นสารประกอบออกไซด์แทบทั้งหมด ส่วนคลอรีน กำมะถัน และฟลูออรีน ถือเป็นข้อยกเว้นสำคัญในบรรดาหินทั้งหลายซึ่งเมื่อรวมปริมาณทั้งหมดแล้วมักจะต่ำกว่าร้อยละ 1 หินออกไซด์หลักได้แก่ ซิลิกา อลูมินา ปูนขาว แมกนีเซีย ออกไซด์ของเหล็ก โพแทช และโซดา[101]

โครงสร้างภายใน

โครงสร้างภายในของโลกแบ่งออกได้เป็นชั้น ๆ ตามคุณสมบัติกายภาพ (วิทยากระแส) หรือเคมีเช่นเดียวกับดาวเคราะห์หินดวงอื่น ชั้นนอกของโลกเป็นเปลือกซิลิเกตแข็งซึ่งแยกออกชัดเจนด้วยคุณสมบัติทางเคมีโดยมีชั้นเนื้อโลก (mantle) แข็งความหนืดสูงอยู่เบื้องล่าง มีความไม่ต่อเนื่องของโมโฮโลวิคซิค (Mohorovičić discontinuity) คั่นระหว่างเปลือกโลกจากเนื้อโลก เปลือกโลกมีความหนาตั้งแต่ประมาณ 6 กิโลเมตรใต้มหาสมุทรไปจนถึง 30–50 กิโลเมตรใต้ทวีป เปลือกโลกและสภาพแข็งเย็นของยอดเนื้อโลกชั้นบนสุดรวมเรียกธรณีภาค (lithosphere) ซึ่งแผ่นธรณีภาคนั้นประกอบขึ้นจากธรณีภาคนี้เอง ใต้ธรณีภาคเป็นฐานธรณีภาค (asthenosphere) ซึ่งเป็นชั้นความหนืดค่อนข้างต่ำที่ธรณีภาคลอยอยู่ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึกในเนื้อโลกเกิดที่ระดับความลึก 410 ถึง 660 กิโลเมตรใต้พื้นผิว เป็นเขตเปลี่ยนผ่านซึ่งแยกระหว่างเนื้อโลกชั้นบนและล่าง ใต้เนื้อโลกเป็นแก่นชั้นนอกที่เป็นของเหลวความหนืดต่ำมากเหนือแก่นชั้นในที่เป็นของแข็ง[102] แก่นชั้นในของโลกอาจหมุนด้วยอัตราเร็วเชิงมุมสูงกว่าส่วนอื่นของดาวเคราะห์เล็กน้อย โดยหมุน 0.1–0.5° ต่อปี[103] รัศมีของแก่นชั้นในคิดเป็นประมาณหนึ่งในห้าของรัศมีโลก

ชั้นทางธรณีของโลก[104]

ภาคตัดขวางของโลกจากแกนถึงเอ็กโซสเฟียร์ (ไม่ตามสัดส่วน)	ความลึก[105] กม.	ชั้น	ความหนาแน่น ก./ซม.3
0–60	ธรณีภาค[n 12]	—
0–35	เปลือก[n 13]	2.2–2.9
35–60	เนื้อโลกชั้นบน	3.4–4.4
35–2890	เนื้อโลก	3.4–5.6
100–700	ฐานธรณีภาค	—
2890–5100	แก่นชั้นนอก	9.9–12.2
5100–6378	แก่นชั้นใน	12.8–13.1

ความร้อน

ความร้อนภายในโลกเป็นผลรวมของความร้อนที่ยังหลงเหลืออยู่จากการงอกพอกพูนของดาวเคราะห์ราวร้อยละ 20 อีกร้อยละ 80 เป็นความร้อนที่ผลิตจากการสลายตัวกัมมันตรังสี[106] ไอโซโทปหลักที่สร้างความร้อนภายในโลกคิอ โพแทสเซียม-40 ยูเรเนียม-238 ยูเรเนียม-235 และทอเรียม-232[107] ที่ใจกลางโลกคาดว่าน่าจะมีอุณหภูมิสูงถึง 6,000 องศาเซลเซียส[108] และมีความดันสูงถึง 360 จิกะปาสกาล[109] ด้วยการที่ความร้อนส่วนใหญ่มาจากการสลายตัวกัมมันตรังสี นักวิทยาศาสตร์จึงเชื่อว่าในช่วงต้นของประวัติศาสตร์โลกก่อนหน้าที่ไอโซปครึ่งชีวิตสั้นทั้งหลายจะหมดไป การสร้างความร้อนของโลกจะต้องสูงกว่าในปัจจุบันมาก คาดว่าประมาณ 3 พันล้านปีก่อน น่าจะมีการผลิตความร้อนมากกว่าปัจจุบันสองเท่า[106] ซึ่งมีผลเพิ่มการพาความร้อนของเนื้อโลกและการแปรสัณฐานแผ่นธรณีภาค และทำให้หินอัคนีบางประเภทอย่างเช่นโคมาไทต์เกิดขึ้นได้ในขณะที่แทบไม่มีเกิดขึ้นในปัจจุบัน[110]

ไอโซโทปหลักที่สร้างความร้อนในปัจจุบัน[111]

ไอโซโทป	ปล่อยความร้อน วัตต์/กก. ไอโซโทป	ครึ่งชีวิต ปี	เนื้อแร่ในแมนเทิลเฉลี่ย กก. ไอโซโทป/กก. เนื้อโลก	ปล่อยความร้อน วัตต์/กก. เนื้อโลก
238U	94.6 × 10−6	4.47 × 109	30.8 × 10−9	2.91 × 10−12
235U	569 × 10−6	0.704 × 109	0.22 × 10−9	0.125 × 10−12
232Th	26.4 × 10−6	14.0 × 109	124 × 10−9	3.27 × 10−12
40K	29.2 × 10−6	1.25 × 109	36.9 × 10−9	1.08 × 10−12

ค่าเฉลี่ยของการสูญเสียความร้อนจากโลกอยู่ที่ 87 มิลลิวัตต์ต่อตารางเมตร คิดรวมทั้งโลกจะสูญเสียความร้อนที่ 4.42 × 1013 วัตต์[112] พลังงานความร้อนบางส่วนจากแก่นถูกแมนเทิลพลูมส่งผ่านขึ้นมายังเปลือกโลก ซึ่งเป็นการพาความร้อนแบบหนึ่งที่เกิดจากการไหลขึ้นของหินอุณหภูมิสูง พลูมนี้สามารถทำให้เกิดจุดร้อนและทุ่งบะซอลท์[113] ความร้อนจากภายในโลกส่วนใหญ่สูญเสียไปกับการแปรสัณฐานแผ่นธรณีภาค โดยการไหลขึ้นของเนื้อโลกที่สัมพันธ์กับสันกลางมหาสมุทร หนทางการสูญเสียความร้อนสำคัญสุดท้ายคือการนำความร้อนผ่านธรณีภาคซึ่งปรากฏใต้มหาสมุทรเป็นส่วนใหญ่เพราะเปลือกโลกบริเวณนั้นบางมากกว่าแผ่นเปลือกทวีปมาก[114]

แผ่นธรณีภาค

แผ่นเปลือกโลกขนาดใหญ่[115]

ชื่อ	พื้นที่ 106 กม.2
แผ่นแปซิฟิก	103.3
แผ่นแอฟริกา[n 14]	78.0
แผ่นอเมริกาเหนือ	75.9
แผ่นยูเรเชีย	67.8
แผ่นแอนตาร์กติก	60.9
แผ่นอินโด-ออสเตรเลีย	47.2
แผ่นอเมริกาใต้	43.6

ธรณีภาคอันเป็นชั้นนอกแข็งทื่อเชิงกลของโลกนั้นแบ่งออกได้หลายชิ้น เรียกว่า แผ่นธรณีภาค แผ่นเหล่านี้เป็นส่วนแข็งที่เคลื่อนที่ไปโดยสัมพันธ์กับแผ่นใกล้เคียงอื่นโดยมีขอบเขตระหว่างกันอย่างใดอย่างหนึ่งในสามแบบนี้ได้แก่ ขอบเขตแบบเข้าหากัน ซึ่งแผ่นทั้งสองเลื่อนมาชนกัน ขอบเขตแบบแยกจากกัน ซึ่งแผ่นทั้งสองเลื่อนออกห่างกันไป และขอบเขตแปลง (รอยเลื่อนแปรสภาพ) ซึ่งแผ่นทั้งสองไถลผ่านกันทางด้านข้าง การเกิดแผ่นดินไหว กัมมันตภาพภูเขาไฟ การก่อเทือกเขา และการเกิดร่องลึกก้นสมุทร สามารถเกิดได้ตลอดแนวขอบเขตของแผ่นเหล่านี้[116] แผ่นธรณีภาคลอยอยู่บนฐานธรณีภาค ซึ่งเป็นเนื้อโลกชั้นบนส่วนที่มีความแข็งแต่หนืดน้อยกว่า สามารถไหลและเคลื่อนที่ไปพร้อมกับแผ่นธรณีภาคได้[117]

การก่อเทือกเขาเกิดเมื่อแผ่นธรณีภาคเคลื่อนเข้าหากันแล้วบีบหินให้สูงขึ้น ภูเขาสูงสุดในโลกคือ ยอดเขาเอเวอร์เรส

เมื่อแผ่นธรณีภาคมีการเคลื่อนตัว เปลือกโลกส่วนมหาสมุทรจะมุดตัวลงใต้ขอบปะทะของแผ่นเปลือกตามแนวขอบเขตแบบเข้าหากัน ในเวลาเดียวกัน การไหลเลื่อนขึ้นของเนื้อชั้นเนื้อโลกที่ขอบเขตแบบแยกจากกันจะก่อให้เกิดสันกลางมหาสมุทร กระบวนการต่าง ๆ เหล่านี้รวมกันทำให้เกิดการรีไซเคิลแผ่นเปลือกมหาสมุทรกลับสู่เนื้อโลก ด้วยการรีไซเคิลนี้เองพื้นมหาสมุทรส่วนใหญ่จึงมีอายุไม่เกิน 100 ล้านปี เปลือกโลกส่วนมหาสมุทรที่เก่าแก่ที่สุดอยู่ในบริเวณแปซิฟิกตะวันตกโดยมีอายุประมาณกว่า 200 ล้านปี[118][119] เมื่อเทียบกันแล้ว เปลือกโลกส่วนทวีปที่เก่าแก่ที่สุดมีอายุถึง 4,030 ล้านปี[120]

แผ่นธรณีภาคขนาดใหญ่เจ็ดแผ่น ได้แก่ แผ่นแปซิฟิก อเมริกาเหนือ ยูเรเชีย แอฟริกา แอนตาร์กติก อินโด-ออสเตรเลีย และอเมริกาใต้ ส่วนแผ่นที่สำคัญอื่น ประกอบด้วย แผ่นอาระเบีย แผ่นแคริบเบียน แผ่นนาซกานอกชายฝั่งตะวันตกของทวีปอเมริกาใต้ และแผ่นสโกเทียในมหาสมุทรแอตแลนติกใต้ แผ่นออสเตรเลียรวมเข้ากับแผ่นอินเดียระหว่าง 50 ถึง 55 ล้านปีก่อน แผ่นเคลื่อนที่เร็วที่สุดคือแผ่นมหาสมุทร โดยแผ่นโคคอสเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 75 มิลลิเมตร/ปี[121] และแผ่นแปซิฟิกเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 52–69 มิลลิเมตร/ปี ในอีกทางหนึ่ง แผ่นเคลื่อนที่ช้าที่สุดคือแผ่นยูเรเชียซึ่งดำเนินไปด้วยอัตราเร็วปกติประมาณ 21 มิลลิเมตร/ปี[122]

พื้นผิว

ระดับความสูงต่ำและระดับความลึกของโลกในปัจจุบัน ข้อมูลจากแบบจำลองภูมิประเทศดิจิตอลเทอเรนเบสของศูนย์ข้อมูลธรณีฟิสิกส์แห่งชาติ

พื้นที่ผิวทั้งหมดของโลกมีประมาณ 510 ล้านตารางกิโลเมตร พื้นที่กว่าร้อยละ 70.8[13] หรือ 361.13 ล้านตารางกิโลเมตร อยู่ใต้ระดับน้ำทะเลและปกคลุมด้วยน้ำมหาสมุทร[123] พื้นที่ใต้น้ำเหล่านี้มีทั้งที่เป็นไหล่ทวีป ภูเขา ภูเขาไฟ[96] ร่องลึกก้นสมุทร หุบเหวใต้ทะเล ที่ราบสูงพื้นสมุทร ที่ราบก้นสมุทร และระบบสันกลางมหาสมุทรที่ทอดตัวทั่วโลก พื้นที่ที่เหลืออีกราวร้อยละ 29.2 หรือ 148.94 ล้านตารางกิโลเมตร ไม่ถูกน้ำปกคลุม มีภูมิประกาศหลากหลายตามสถานที่ ได้แก่ ภูเขา พื้นที่แห้งแล้ง ที่ราบ ที่ราบสูง และภูมิประเทศรูปแบบอื่น ธรณีแปรสัณฐานและการกร่อน การปะทุของภูเขาไฟ การเกิดอุทกภัย การผุพังอยู่กับที่ การเปลี่ยนสภาพโดยธารน้ำแข็ง การเติบโตของพืดหินปะการัง และการพุ่งชนของอุกกาบาตเป็นกระบวนการที่เปลี่ยนโฉมผิวโลกอยู่เรื่อย ๆ ตามคาบเวลาทางธรณีวิทยา[124]

เปลือกโลกส่วนทวีปประกอบด้วยวัตถุความหนาแน่นต่ำอย่างเช่นหินอัคนีแกรนิตและแอนดีไซต์ ที่พบน้อยกว่าคือบะซอลต์ซึ่งเป็นหินภูเขาไฟความหนาแน่นสูงและเป็นองค์ประกอบหลักของพื้นมหาสมุทร[125] หินตะกอนซึ่งก่อตัวขึ้นจากการสะสมตัวของตะกอนที่ทับถมบีบอัดตัวเข้าด้วยกัน เกือบร้อยละ 75 ของพื้นผิวทวีปถูกปกคลุมด้วยหินตะกอนโดยคิดเป็นประมาณร้อยละ 5 ของเปลือกโลก[126] วัตถุหินที่พบบนโลกรูปแบบที่สามคือหินแปร ก่อกำเนิดโดยการแปรเปลี่ยนมาจากหินดั้งเดิมที่มีอยู่ก่อนผ่านความดันสูง หรืออุณหภูมิสูง หรือทั้งสองอย่าง แร่ซิลิเกตที่พบมากที่สุดบนผิวโลกประกอบด้วย ควอตซ์ เฟลด์สปาร์ แอมฟิโบล ไมกา ไพรอกซีน และโอลิวีน[127] แร่คาร์บอเนตที่พบทั่วไปประกอบด้วย แคลไซต์ (พบในหินปูน) และโดโลไมต์[128]

ระดับความสูงของพื้นผิวดินแตกต่างกันตั้งแต่จุดต่ำสุดที่ −418 เมตร ณ ทะเลเดดซี ไปจนถึงจุดสูงสุดที่ 8,848 เมตร ณ ยอดเขาเอเวอเรสต์ ค่าเฉลี่ยความสูงของพื้นดินเหนือระดับน้ำทะเลอยู่ที่ 797 เมตร[129]

เพโดสเฟียร์ (pedosphere) เป็นชั้นนอกสุดของพื้นผิวทวีปของโลก ประกอบด้วยดินและผ่านกระบวนการกำเนิดดิน ดินเพาะปลูกได้ทั้งหมดคิดเป็นร้อยละ 10.9 ของผิวดิน โดยร้อยละ 1.3 เป็นที่เพาะปลูกพืชผลถาวร[130][131] ผิวดินของโลกเกือบร้อยละ 40 ใช้เพื่อเกษตรกรรม หรือคิดเป็นประมาณ 16.7 ล้านตารางกิโลเมตรสำหรับการเพาะปลูก และประมาณ 33.5 ล้านตารางกิโลเมตรสำหรับทุ่งหญ้าเลี้ยงสัตว์[132]

อุทกภาค

กราฟการแจกแจงความถี่การยกตัวของพื้นผิวโลก

ความอุดมของน้ำบนผิวโลกเป็นลักษณะเอกลักษณ์ซึ่งแยก "ดาวเคราะห์สีน้ำเงิน" ออกจากดาวเคราะห์อื่น ๆ ในระบบสุริยะ อุทกภาคของโลกประกอบด้วยมหาสมุทรเป็นส่วนใหญ่ ที่เหลือประกอบด้วยผิวน้ำทั้งหมดในโลกได้แก่ ทะเลในแผ่นดิน ทะเลสาบ แม่น้ำ น้ำใต้ดินลึกลงไป 2,000 เมตร ตำแหน่งใต้น้ำที่ลึกที่สุดคือ แชลเลนเจอร์ดีปบริเวณร่องลึกก้นสมุทรมาเรียนาในมหาสมุทรแปซิฟิก โดยมีความลึกที่ 10,911.4 เมตร[n 15][133]

มหาสมุทรรวมมีมวลคิดเป็นประมาณ 1.35×1018 เมตริกตัน หรือราว 1 ใน 4,400 ของมวลทั้งหมดของโลก มหาสมุทรปกคลุมเป็นพื้นที่ 3.618×108 ตารางกิโลเมตร โดยมีความลึกเฉลี่ย 3,682 เมตร เป็นผลให้มีปริมาตรโดยประมาณเท่ากับ 1.332×109 ลูกบาศก์กิโลเมตร[134] หากพื้นผิวเปลือกโลกทั้งหมดมีความสูงเท่ากันคือกลมเสมอกันทั้งใบ โลกก็จะกลายเป็นมหาสมุทรทั้งหมดด้วยความลึกราว 2.7 ถึง 2.8 กิโลเมตร[135][136]

น้ำประมาณร้อยละ 97.5 เป็นน้ำเค็ม อีกร้อยละ 2.5 ที่เหลือเป็นน้ำจืด ส่วนใหญ่ของน้ำจืดหรือราวร้อยละ 68.7 อยู่ในรูปของน้ำแข็งในน้ำแข็งขั้วโลกและธารน้ำแข็งต่าง ๆ[137]

ค่าเฉลี่ยความเค็มของมหาสมุทรโลกอยู่ที่ประมาณ 35 กรัมเกลือต่อกิโลกรัมน้ำทะเล (มีเกลือร้อยละ 3.5)[138] เกลือส่วนมากถูกขับออกจากกัมมันตภาพภูเขาไฟหรือชะออกมาจากหินอัคนีเย็น[139] มหาสมุทรยังเป็นแหล่งสะสมของก๊าซในบรรยากาศที่ละลายได้ซึ่งมีความจำเป็นต่อการอยู่รอดของสิ่งมีชีวิตที่อาศัยในน้ำจำนวนมาก[140] น้ำทะเลถือว่ามีอิทธิพลสำคัญต่อภูมิอากาศโลกโดยมหาสมุทรเป็นแหล่งสะสมความร้อนขนาดใหญ่[141] การเปลี่ยนแปลงการกระจายของอุณหภูมิมหาสมุทรสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของลมฟ้าอากาศอย่างสำคัญได้ เช่น เอลนีโญ–ความผันแปรของระบบอากาศในซีกโลกใต้[142]

บรรยากาศ

ภาพถ่ายดาวเทียมแสดงเมฆที่ปกคลุมท้องฟ้าโลก โดยใช้สเปกโตรเรดิโอมิเตอร์ภาพความละเอียดปานกลางของนาซา

ความกดอากาศบนพื้นผิวโลกมีค่าเฉลี่ยที่ 101.325 กิโลปาสกาล คิดเป็นอัตราความสูงประมาณ 8.5 กิโลเมตร[3] มีองค์ประกอบเป็นธาตุไนโตรเจนร้อยละ 78 ธาตุออกซิเจนร้อยละ 21 รวมถึงไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซในรูปโมเลกุลชนิดอื่นปริมาณเล็กน้อย ความสูงของชั้นโทรโพสเฟียร์ผันแปรตามละติจูด มีพิสัยตั้งแต่ 8 กิโลเมตรที่บริเวณขั้วโลกไปจนถึง 17 กิโลเมตรที่เส้นศูนย์สูตร โดยมีความเบี่ยนเบนเล็กน้อยจากผลของสภาพอากาศและปัจจัยหลายประการตามฤดูกาล[143]

ชีวมณฑลของโลกส่งผลเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญต่อบรรยากาศ การสังเคราะห์ด้วยแสงแบบสร้างออกซิเจนวิวัฒน์ขึ้นเมื่อราว 2.7 พันล้านปีก่อน ได้สร้างบรรยากาศที่มีไนโตรเจนและออกซิเจนเป็นหลักดังเช่นในปัจจุบัน[75] การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้สิ่งมีชีวิตที่ใช้ออกซิเจนสามารถแพร่กระจายได้ และมีผลโดยอ้อมเกิดการก่อรูปของชั้นโอโซนเนื่องากการเปลี่ยน O2 ในบรรยากาศเป็น O3 ชั้นโอโซนกั้นการแผ่รังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ ทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถเกิดขึ้นบนโลกได้ บรรยากาศยังทำหน้าที่อื่นที่สำคัญต่อสิ่งมีชีวิตได้แก่ การเคลื่อนย้ายไอน้ำ อำนวยก๊าซที่เป็นประโยชน์ ทำให้สะเก็ดดาวขนาดเล็กเผาไหม้ไปหมดก่อนที่จะกระทบพื้น และการปรับอุณหภูมิไม่ให้ร้อนหรือเย็นเกิน[144] ปรากฏการณ์สุดท้ายนี้เรียก ปรากฏการณ์เรือนกระจก โมเลกุลของก๊าซสัดส่วนเล็กน้อยภายในบรรยากาศทำหน้าที่กักเก็บพลังงานความร้อนที่แผ่ออกจากพื้นดินเป็นผลให้อุณหภูมิเฉลี่ยเพิ่มสูงขึ้น ไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และโอโซน เป็นก๊าซเรือนกระจกหลักในบรรยากาศ หากปราศจากปรากฏการณ์กักเก็บความร้อนนี้ อุณหภูมิเฉลี่ยที่พื้นผิวจะเป็น −18 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับอุณหภูมิปัจจุบันที่ +15 องศาเซลเซียส[145] และอาจไม่มีสิ่งมีชีวิตบนโลกในรูปลักษณ์ปัจจุบัน[146]

ลมฟ้าอากาศและภูมิอากาศ

บรรยากาศของโลกไม่มีขอบเขตชัดเจนโดยจะค่อย ๆ บางลงและเลือนหายไปสู่อวกาศ สามในสี่ของมวลบรรยากาศอยู่ในระยะ 11 กิโลเมตรแรกเหนือพื้นผิว มีชั้นล่างสุดเรียกโทรโพสเฟียร์ พลังงานจากดวงอาทิตย์จะทำให้ชั้นนี้รวมถึงพื้นผิวเบื้องล่างร้อนขึ้น ส่งผลให้อากาศเกิดการขยายตัว อากาศความหนาแน่นต่ำจะลอยขึ้น อากาศความหนาแน่นสูงกว่าและเย็นกว่าจะเข้ามาแทนที่ เกิดเป็นการหมุนเวียนของบรรยากาศซึ่งขับเคลื่อนสภาพอากาศและภูมิอากาศผ่านการกระจายพลังงานความร้อน[147]

แถบการหมุนเวียนของบรรยากาศหลักประกอบด้วยลมค้าในบริเวณศูนย์สูตรที่ละติจูดต่ำกว่า 30° และลมตะวันตก (westerlie) ในแถบละติจูดกลางระหว่าง 30° และ 60°[148] กระแสน้ำมหาสมุทรก็เป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดภูมิอากาศ โดยเฉพาะการหมุนเวียนเทอร์โมเฮไลน์ (thermohaline) ซึ่งกระจายพลังงานความร้อนจากมหาสมุทรแถบศูนย์สูตรไปยังบริเวณขั้วโลก[149]

ไอน้ำที่ระเหยจากพื้นผิวถูกรูปแบบไหลเวียนในบรรยากาศเคลื่อนย้ายไป เมื่อภาวะของบรรยากาศทำให้อากาศร้อนชื้นยกตัวสูงขึ้น น้ำนี้จะควบแน่นและตกลงสู่พื้นผิวในรูปหยาดน้ำฟ้า[147] น้ำส่วนใหญ่จะเคลื่อนย้ายไปยังที่ที่ต่ำกว่าผ่านระบบแม่น้ำและปกติกลับคืนสู่มหาสมุทรหรือไม่ก็สะสมอยู่ในทะเลสาบ วัฏจักรของน้ำนี้เป็นกลไกสำคัญที่ค้ำจุนสรรพชีวิตบนผืนแผ่นดิน และเป็นปัจจัยหลักในการกัดเซาะโครงสร้างภูมิประเทศตามสสมัยธรณีวิทยา รูปแบบของหยาดน้ำฟ้ามีความหลากหลายตั้งแต่ปริมาณน้ำหลายเมตรไปจนถึงเพียงไม่กี่มิลลิเมตรต่อปี ทั้งการหมุนเวียนของบรรยากาศ ภูมิลักษณ์ และความแตกต่างของอุณหภูมิล้วนกำหนดหยาดน้ำฟ้าเฉลี่ยที่ตกในแต่ละบริเวณ[150]

ปริมาณพลังงานจากดวงอาทิตย์ที่มาถึงพื้นผิวโลกลดลงตามละติจูดที่สูงขึ้น ที่ละติจูดสูง ๆ แสงจากดวงอาทิตย์มาถึงพื้นผิวด้วยมุมที่ต่ำลง และต้องส่องผ่านแนวหนาแน่นของบรรยากาศ เป็นผลให้อุณหภูมิของอากาศเฉลี่ยตลอดทั้งปีที่ระดับน้ำทะเลลดลงราว 0.4 องศาเซลเซียสทุก ๆ หนึ่งองศาของละติจูดที่ออกห่างจากเส้นศูนย์สูตร[151] พื้นผิวโลกสามารถแบ่งย่อยได้เป็นแถบละติจูดจำเพาะที่มีภูมิอากาศเช่นเดียวกันโดยประมาณ อาณาเขตตั้งแต่เส้นศูนย์สูตรไปจนถึงบริเวณขั้วโลกจำแนกออกเป็นภูมิอากาศเขตร้อนหรือเขตศูนย์สูตร เขตใกล้เขตร้อน เขตอบอุ่น และเขตขั้วโลก[152]

กฎละติจูดนี้มีความผิดปกติหลายอย่าง

• การอยู่ใกล้มหาสมุทรจะทำให้ภูมิอากาศไม่รุนแรง ตัวอย่างเช่น คาบสมุทรสแกนดิเนเวียมีภูมิอากาศไม่รุนแรงเมื่อเทียบกับทางเหนือของประเทศแคนาดาที่ละติจูดเหนือคล้ายกัน
• ลมยังช่วยบรรเทาผลนี้ แผ่นดินฝั่งปะทะลมมีภูมิอากาศไม่รุนแรงเมื่อเทียบกับฝั่งอับลม ในซีกโลกเหนือ ลมแน่ทิศมีทิศทางตะวันตกไปตะวันออก และชายฝั่งตะวันตกมักมีภูมิอากาศไม่รุนแรงเมื่อเทียบกับชายฝั่งตะวันออก ซึ่งสังเกตได้ในทวีปอเมริกาเหนือฝั่งตะวันออกและยุโรปตะวันตก ซึ่งภูมิอากาศแบบทวีปที่รุนแรงปรากฏในชายฝั่งตะวันออกเทียบกับภูมิอากาศไม่รุนแรงที่อีกฟากหนึ่งของมหาสมุทร[153] ในซีกโลกใต้ ลมแน่ทิศพัดจากทิศตะวันออกไปตะวันตก และชายฝั่งตะวันออกมีภูมิอากาศไม่รุนแรง
• ระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์มีความแปรผัน โลกอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดในเดือนมกราคมซึ่งตรงกับฤดูร้อนในซีกโลกใต้ อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์มากที่สุดในเดือนกรกฎาคมซึ่งตรงกับฤดูร้อนในซีกโลกเหนือ และรังสีจากดวงอาทิตย์ตกสู่พื้นที่หนึ่ง ๆ ประมาณร้อยละ 93.55 เมื่อเทียบกับจุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด แต่ซีกโลกเหนือมีแผ่นดินมากกว่าจึงได้รับความร้อนง่ายกว่าทะเล ผลทำให้ฤดูร้อนในซีกโลกเหนือมีอุณหภูมิสูงกว่าซีกโลกใต้ในภาวะคล้ายกัน 2.3 องศาเซลเซียส[154]
• ภูมิอากาศในที่สูงเย็นกว่าระดับน้ำทะเลเนื่องจากความหนาแน่นของอากาศเบาบางกว่า

ระบบการแบ่งเขตภูมิอากาศแบบเคิปเปนที่ใช้บ่อยมีห้ากลุ่มใหญ่ (ร้อยชื้น แห้งแล้ง ชื้นละติจูดกลาง ทวีป และหนาวขั้วโลก) ซึ่งแบ่งเป็นภูมิอากาศย่อยที่จำเพาะมากขึ้นได้อีกหลายแบบ[148] ระบบเคิปเปนจัดภูมิอากาศเขตต่าง ๆ ตามอุณหภูมิและหยาดน้ำฟ้าที่สังเกต

บรรยากาศเบื้องบน

มุมมองจากวงโคจรแสดงดวงจันทร์เต็มดวงที่ถูกบดบังบางส่วนด้วยบรรยากาศโลก ภาพจากนาซา

เหนือชั้นโทรโพสเฟียร์ขึ้นไป บรรยากาศแบ่งโดยทั่วไปได้เป็นชั้นสตราโทสเฟียร์ มีโซสเฟียร์ และเทอร์โมสเฟียร์[144] แต่ละชั้นมีอัตราการเหลื่อมซ้อนไม่เท่ากันซึ่งกำหนดจากอัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามระดับความสูง พ้นจากชั้นเหล่านี้ขึ้นไปเรียกว่าเอกโซสเฟียร์ ซึ่งบางลงเรื่อย ๆ ไปจนถึงแม็กนีโตสเฟียร์ซึ่งเป็นบริเวณที่สนามธรณีแม่เหล็กกระทบกันกับลมสุริยะ[155] ภายในชั้นสตราโทสเฟียร์มีชั้นโอโซนซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีส่วนช่วยป้องกันพื้นผิวโลกจากรังสีอัลตราไวโอเล็ตอันมีความสำคัญยิ่งต่อสรรพชีวิตบนโลก มีการกำหนดเส้นคาร์มานที่ระดับ 100 กิโลเมตรเหนือผิวโลกเป็นบทนิยามในทางปฏิบัติที่แบ่งขอบเขตระหว่างบรรยากาศและอวกาศ[156]

พลังงานความร้อนทำให้โมเลกุลบางส่วนที่ขอบนอกของบรรยากาศมีความเร็วเพิ่มสูงขึ้นจนถึงจุดหนึ่งที่สามารถหลุดพ้นออกจากแรงโน้มถ่วงของโลกได้ ด้วยเหตุนี้จึงทำให้เกิดการเสียบรรยากาศออกสู่อวกาศอย่างช้า ๆ แต่สม่ำเสมอ เพราะไฮโดรเจนที่ไม่ได้ถูกยึดเหนี่ยวมีมวลโมเลกุลต่ำจึงสามารถขึ้นถึงความเร็วหลุดพ้นได้ง่ายกว่าและรั่วไหลออกสู่อวกาศภายนอกในอัตราที่สูงกว่าก๊าซอื่น[157] การรั่วของไฮโดรเจนสู่อวกาศได้ช่วยสนับสนุนให้บรรยากาศโลกตลอดจนพื้นผิวเกิดการเปลี่ยนผันจากภาวะรีดิวซ์ในช่วงต้นมาเป็นภาวะออกซิไดซ์อย่างเช่นในปัจจุบัน การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นแหล่งช่วยป้อนออกซิเจนอิสระ แต่ด้วยการเสียไปซึ่งสารรีดิวซ์ดังเช่นไฮโดรเจนนี้เองจึงเชื่อกันว่าเป็นภาวะเริ่มต้นที่จำเป็นต่อการเพิ่มพูนขึ้นของออกซิเจนอย่างกว้างขวางในบรรยากาศ[158] การที่ไฮโดรเจนสามารถหนีออกไปจากบรรยากาศได้จึงอาจส่งอิทธิพลต่อธรรมชาติของชึวิตที่พัฒนาขึ้นบนโลก[159] ในบรรยากาศที่มีออกซิเจนเป็นจำนวนมากในปัจจุบันนั้น ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ถูกเปลี่ยนเป็นน้ำก่อนมีโอกาสหนีออกไป แต่การเสียไฮโดรเจนส่วนใหญ่นั้นมาจากการสลายของมีเทนในบรรยากาศชั้นบน[160]

สนามความโน้มถ่วง

ความโน้มถ่วงของโลกที่วัดได้จากภารกิจ GRACE ของนาซา แสดงความเบี่ยงเบนจากความโน้มถ่วงตามทฤษฎี สีแดงแสดงว่าความโน้มถ่วงเข้มกว่าค่ามาตรฐาน และสีน้ำเงินแสดงที่ที่อ่อนกว่า

ความโน้มถ่วงของโลกเป็นความเร่งที่ถ่ายทอดแก่วัตถุเนื่องจากการกระจายของมวลในโลก ความเร่งความโน้มถ่วงใกล้ผิวโลกมีค่าประมาณ 9.8 เมตรต่อวินาที2 ความแตกต่างท้องถิ่นของภูมิลักษณ์ ธรณีวิทยาและโครงสร้างแปรสัณฐานที่อยู่ลึกลงไปทำให้เกิดความแตกต่างท้องถิ่นและภูมิภาคเป็นวงกว้างในสนามความโน้มถ่วงของโลก เรียก ค่าผิดปกติของความโน้มถ่วง[161]

สนามแม่เหล็ก

ส่วนหลักของสนามแม่เหล็กโลกสร้างขึ้นในแก่น ซึ่งเป็นที่ตั้งของกระบวนการไดนาโมอันเปลี่ยนพลังจลน์ของการเคลื่อนพาของไหลไปเป็นพลังงานไฟฟ้าและพลังงานสนามแม่เหล็ก ตัวสนามแผ่ออกจากบริเวณแก่นผ่านชั้นเนื้อโลกและขึ้นสู่ผิวโลกอันเป็นตำแหน่งที่ประมาณได้อย่างหยาบ ๆ เป็นแม่เหล็กขั้วคู่ ขั้วของแม่เหล็กขั้วคู่มีตำแหน่งใกล้เคียงกับขั้วโลกภูมิศาสตร์ ที่เส้นศูนย์สูตรของสนามแม่เหล็กมีความเข้มสนามแม่เหล็กที่พื้นผิวเท่ากับ 3.05 × 10−5 เทสลา และมีโมเมนต์ขั้วคู่แม่เหล็กโลกที่ 7.91 × 1015 เทสลา.เมตร3[162] การเคลื่อนที่พาในแก่นนั้นมีความยุ่งเหยิงทำให้ขั้วแม่เหล็กมีการเขยื้อนและเปลี่ยนแปลงแนวการวางตัวเป็นระยะ ๆ เป็นสาเหตุของการกลับขั้วสนามแม่เหล็กตามช่วงเวลาอย่างไม่สม่ำเสมอเฉลี่ยไม่กี่ครั้งในทุก ๆ ล้านปี โดยการกลับขั้วครั้งล่าสุดเกิดขึ้นเมื่อราว 700,000 ปีก่อน[163][164]

แม็กนีโตสเฟียร์

แผนภาพแสดงแม็กนีโตสเฟียร์ของโลก ลมสุริยะพัดจากซ้ายไปขวา

ขอบเขตของสนามแม่เหล็กโลกในอวกาศกำหนดขอบเขตของแม็กนีโตสเฟียร์ (magnetosphere) ไอออนและอิเล็กตรอนจากลมสุริยะถูกแม็กนีโตสเฟียร์เบี่ยงเบน ความดันจากลมสุริยะบีบฝั่งกลางวันของแม็กนีโตสเฟียร์ไปประมาณ 10 รัศมีโลก และทำให้ด้านกลางคืนของแม็กนีโตสเฟียร์ยืดขยายออกเป็นหางยาว[165] ด้วยเหตุที่ความเร็วของลมสุริยะสูงกว่าความเร็วของคลื่นที่แผ่ออกจากลมสุริยะมาก จึงเกิดโบว์ช็อค (bowshock) เหนือเสียงในส่วนหน้าด้านกลางวันของแม็กนีโตสเฟียร์ภายในลมสุริยะ[166] อนุภาคมีประจุถูกกักเก็บอยู่ในแม็กนีโตสเฟียร์ พลาสมาสเฟียร์ (plasmasphere) กำหนดเป็นอนุภาคหลังงานต่ำที่ตามเส้นสนามแม่เหล็กเมื่อโลกหมุน[167][168] กระแสวง (ring current) กำหนดโดยอนุภาคพลังงานปานกลางซึ่งเคลื่อนไปสัมพัทธ์กับสนามธรณีแม่เหล็กแต่ยังมีเส้นทางที่ยังอยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กเป็นหลัก[169] และแถบเข็มขัดรังสีแวนอัลเลนซึ่งเกิดจากอนุภาคพลังงานสูงที่เคลื่อนที่อย่างสุ่มเสียมากแต่ยังอยู่ภายในแม็กนีโตสเฟียร์[165][170]

ระหว่างการเกิดพายุแม่เหล็ก อนุภาคมีประจุสามารถเบี่ยงทิศทางจากแม็กนีโตสเฟียร์ส่วนนอกเข้ามาในชั้นไอโอโนสเฟียร์ของโลกได้โดยตรงตามแนวเส้นสนาม ซึ่งในบริเวณนี้อะตอมที่อยู่ในบรรยากาศสามารถถูกกระตุ้นและกลายเป็นประจุอันเป็นสาเหตุของการเกิดออโรรา[171]