태양계에 속하는 행성 중의 하나. 지구는 우주선(宇宙線)의 침입을 막는 대기에 싸여 있고 산소와 물이 있어 생물이 번성하고 있는 천체이다.

지구는 태양으로부터 약 1억 5,000만 km(1AU)의 평균거리를 유지하고, 금성과 화성 사이에 위치하며, 질량은 목성 · 토성 · 해왕성 · 천왕성 다음으로 크다.

지구의 형태는 완전한 구(球)가 아닌 회전타원체에 가깝지만, 적도 반지름은 약 6.378km, 극(極)반지름은 약 6,357km로서 그 차는 약 20km에 불과해 편평도(偏平度)가 매우 작다.

적도의 둘레 약 4만km, 표면적 약 5.1억㎢, 부피 약 1조㎦, 질량 약 6조 톤의 10억배, 평균밀도는 약 5.5g/㎤이다.

지구는 크게 암권(岩圈 ; 리소스피어) · 수권(水圈) · 기권(氣圈)으로 나뉘는데, 생물권(生物圈)을 포함시키기도 한다.

암권은 고체로 이루어진 부분으로서 지구의 주된 부분을 차지하는데, 핵(核 ; 코어) · 맨틀 · 지각 등으로 나뉜다.

수권은 대양(大洋)과 호소(湖沼) · 하천 등 물로 된 부분이다.

지하수도 수권에 포함되므로 지표 가까이에서는 암권과 수권이 섞여 있는 셈이다.

기권은 대기로 이루어진다.

대기가 우주로 확산하지 않고 암권 · 수권과 함께 중력의 영향권 안에 있으므로 기권은 기체로 이루어졌지만 지구에 포함시킨다.

지구의 크기는 보통 암권과 수권만으로 결정된다.

이들 각 권은 상호 독립한 것이 아니고, 수권을 이루는 물이 수증기가 되어 기권으로 올라가듯이, 그 구성물질 중 일부가 다른 권 사이로 이동하는 경우가 많다.

생물권의 공간은 이들 각 권의 일부와 겹쳐져 있다.

〔기권〕지구 중력장(重力場)에 붙잡혀 지표를 덮고 있는 기체의 층을 대기라 한다.

대기는 지표에서 약 500km 높이까지 퍼져 있으며, 대기압력은 지표에서 1atm(1,013mb)이다.

지구 대기는 태양으로부터의 복사 에너지를 받아 빠르게 운동하고 있다.

지구대기는 주로 질소 · 산소로 되어 있고, 이산화탄소 · 비활성기체 · 오존 등도 포함되어 있다.

육지와 해면에서의 증발에 의해 공급되는 수증기는 상공에서 응결해 구름이 되고, 비와 눈으로서 지표로 돌아온다.

이 때 숨은열과 현열(顯熱)이 출입하기 때문에, 수증기는 대기 중에서 수직방향의 열수송에 중요한 역할을 한다.

상공 30km 부근에 분포하는 오존은 대기 중의 산소가 태양으로부터의 자외선을 흡수해 광화학반응으로 만들어진다.

수증기 · 오존 · 이산화탄소는 모두 지표로부터의 적외선 복사를 효율적으로 흡수해 대기의 온실효과를 담당하는 물질이며, 이들의 존재량의 변동은 기후변동을 가져오는 중요한 요인이기도 하다.

대기의 압력은 높이와 함께 지수함수적으로 작아지는데, 온도는 높이에 따라 복잡하게 변하므로 대기권은 온도변화의 굴곡점을 경계로 대류권(對流圈) · 성층권 · 중간권 · 열권(熱圈) · 전리권(電離圈)으로 나뉜다.

대기의 온도구조는 태양의 복사에너지의 유입과 대기로부터의 적외선복사의 균형으로 결정된다.

태양으로부터 지구로 오는 에너지는 1,360W/㎡ · min이지만, 대기 중에서의 산란과 지표에서의 반사 때문에 실질적으로 지구가 받는 것은 그 70%에 불과하다.

지표로부터의 적외선복사도 오존 · 이산화탄소 · 수증가 등의 흡수대가 상당한 파장영역을 차지하고, 지구 바깥으로 방출되는 적외선은 파장이 8~13μm가 되는 것인데, 이것을 대기창(大氣窓)이라고 한다.

지상의 단위면적당 수취 에너지는 위도에 따라 다른데, 적도에서는 크고 극지방에서는 작다.

이 때문에 위도방향에 온도차가 생겨 태양복사의 과부족을 보상하는 대기의 움직임이 생긴다.

이것을 대기 대순환이라고 한다.

대기 대순환은 지구회전으로 생기는 전향력(코리올리의 힘)이 작용해 복잡한 운동형태를 취한다.

〔내부구조와 에너지〕지구 내부는 표면에서 중심부로 들어감에 따라 지각 · 상부맨틀 · 하부맨틀 · 외핵(外核) · 내핵 등 5부분의 성층구조로 되어 있다.

표면을 덮고 있는 지각은 대륙지각과 해양지각으로 되어 있다.

대륙지각은 두께가 30~50km이며, 이것은 다시 화강암질의 상부지각과 현무암질 그래뉼라이트로 이루어진 하부지각으로 나뉜다.

해양지각의 두께는 약 5km이며 현무암질의 암석으로 되어 있다.

그 아래의 상부맨틀은 감람석 · 휘석 · 석류석 등의 광물로 이루어진 감람암으로 되어 있다.

이들 광물은 고압하에서는 스피델 등의 밀도 높은 광물로 상전이(相轉移)한다.

외핵은 액체상태라고 생각된다.

외핵의 밀도는 녹은 철 · 니켈 합금의 밀도에 비해 10% 정도 작다.

이 사실은 외핵의 밀도를 작게 하는 가벼운 원소가 다량 녹아 들어가 있음을 의미한다.

외핵의 가벼운 원소는 산소 · 황 · 수소의 혼합물일 가능성이 많다.

지구자유진동의 연구로 내핵은 고체 임이 밝혀졌다.

내핵의 밀도는 그것이 철 · 니켈 합금으로 되어 있음을 시사한다.

따라서 내핵과 외핵의 경계는 상전이에 의한 불연속면일 뿐만 아니라 화학적 불연속면이기도 하다.

내핵은 외핵으로부터 순수에 가까운 금속철이 결정분화(結晶分化)해 이루어진 것이라고 생각된다.

〔지구의 중력〕지구의 내부는 균질하지도 않고 모양도 완전한 구형(球形)이 아니다.

그러므로 지구 내부의 질량에 의해 생기는 중력 포텐셜장(場)과 중력은 지구 중심으로부터의 거리뿐만 아니라 위도 · 경도의 함수로 되어 있다.

해류나 조석(潮汐)의 영향을 제거한 평균해수면은 수평으로 중력과 직교(直交)하며, 중력장의 하나인 등(等)포텐셜면을 이룬다.

이등포텐셜면을 대륙의 아래까지 연장한 가상적인 평균해수면을 생각할 때 지구 전체를 덮는 폐곡면을 지오이드라고 한다.

지오이드의 모양이 완전한 구면이 아닌 가장 큰 원인은 지구가 24시간에 1번꼴로 자전하기 때문이다.

지구의 중력은 지구 내부의 질량에 의한 인력과 회전에 의한 원심력의 합력(合力)이다.

이들 힘은 다같이 위치에너지이다.

등포텐셜면 위에서 포텐셜의 연직기울기(重力)가 측정되면 그 형태를 결정할 수 있다.

따라서 지오이드상의 모든 곳에서 중력측정이 행해지면 지오이드의 모양을 알 수 있다.

지구의 모양은 근사적으로 긴반지름 6,378. 140km, 편평도 1/298.257의 회전타원체라 볼 수 있고, 이것을 근거로 위도의 함수로서 지구상의 표준적인 중력값이 정해져 있다.

이 값은 고위도일수록 커지고, 적도 및 극에서의 중력의 측정값은 978.031846Gal 및 983.217728Gal이다.

〔지구자기장〕지구 주위에는 지구 내부의 원인에 의한 지구 내부 자기장과 태양활동과 대기상층의 전리권에 기인하는 지구 외부 자기장에 의한 자기권이 존재한다.

지구 내부 자기장은 편의상 쌍극자(雙極子)자기장과 비쌍극자자기장으로 나뉜다.

지구 외부자기장은 전체의 6%에 불과하다.

지구 내부 자기장의 약 95% 부분이 쌍극자자기장으로 나타난다.

양극에서의 자기장의 세기는 6.2×10T(테슬라), 적도부근에서 3.1×10T이다.

지구를 에워싸고 있는 자기권의 형태는 지구 내부 자기장과 태양풍의 상호작용으로 정해진다.

지구의 표층으로부터 지구 반지름의 약 10배 되는 곳까지는 자기권의 자기력선(線) 모양은 지구 내부 자기장에 기인하는 자기장으로 표시되지만, 더 상공으로 올라갈수록 지구 외부 자기장의 영향을 강하게 받아 비대칭성이 나타난다.

태양을 향한 쪽(낮쪽)에서는 태양풍에 의해 지구자기장이 일그러진 모양이 되고, 앞쪽 끝에는 충격파면이 형성된다.

그 반대쪽에서는 태양풍에 끌려 자기력선이 상당히 뒤쪽까지 퍼져 있다.

지구자기는 일정하지 않고 시간적으로 변동, 갖가지 현상을 일으킨다.

태양풍은 태양표면활동의 변화에 따라 민감하게 변동하기 때문에, 태양흑점활동의 변화가 생기거나 플레어가 발생하면 태양으로부터 고에너지의 플라즈마 흐름이 발생, 대기상층의 자기권과 상호작용해 오로라와 델린저 현상 등 자기폭풍이라는 일련의 현상이 일어난다.

자기장의 변동은 전자기유도(電磁氣誘導)에 의해 지구 내부에 전류를 발생시키므로 이 전류에 의한 2차적 자기장을 측정함으로써 지구 내부의 전기전도도(傳導度) 분포를 구할 수 있다.

지구자기의 변동은 주기가 짧은 것에서부터 지질학적 시간 스케일인 것까지 여러 가지가 알려져 있다.

고요할 때는 지구자기의 변동은 규칙적인 일주(日周)변동을 하며, 일주변동은 위도가 같은 곳에서는 지방시(地方時)에 따라 거의 같은 변동을 한다고 알려져 있다.

태양활동의 돌발적인 변화에 따른 급격한 자기장의 변동이 종종 일어난다.

27일 주기의 변동은 태양의 자전과 관계가 있고, 반년 및 1년 주기의 변동은 전리층의 계절변동과 관계가 있다.

태양활동의 장주기(長周期) 변동에 대응하는 11년, 60년 변동도 있으며, 더욱 긴 주기의 변동도 존재한다.

실제로 파리 · 런던의 지구자기의 복각과 편각은 지난 수백 년 동안 크게 변한 것으로 알려졌다.

이러한 변동은 그 동안의 연구에 의하면 비쌍극자자기장의 서방이행(西方移行)이라는 지구 전체의 현상이며, 그 크기는 1년에 0.2° 정도이다.

전자기력 세기도 100년에 5% 정도 감소한다는 것이 밝혀졌다.

이와 같은 변동을 통틀어 영년(永年)변화라 한다.

수십 년보다 짧은 주기의 변동은 외부 자기장의 변동에 의해 일어나고, 그보다 긴 것은 지구 내부 자기장의 변동 때문이라고 생각된다.

더 긴 주기의 변동은 암석이나 암체(岩體)에 기록되어 있는 잔류자기의 측정과 그 암석이 형성된 연대를 지구연대학(地球年代學)의 방법으로 측정함으로써 알 수 있다.

이것은 암석 중의 강자성(强磁性) 광물이 마그마로부터 결정화(結晶化)할 때나 수중에서 퇴적할 때 외부 자기장의 영향을 받아 어떤 방향으로 선택적으로 배열해 잔류자기를 만드는 것을 이용한 것이다.

이런 암석에 남은 자기에 의해 과거의 지구자기장의 변동을 고찰하는 학문을 고지구자기학(古地球磁氣學)이라 한다.

고지구자기학에 의해 밝혀진 현상 중 가장 흥미 있는 것은 지구자기장의 역전이다.

현재의 지구자기장은 북극 쪽이 N극, 남극 쪽이 S극으로 되어 있지만, 과거에는 그 방향이 반대로 된 시대가 있었음이 밝혀졌다.

이와 같은 지구자기의 역전은 지난 2,000만 년 동안 약 20만 년에 1회 꼴로 일어났다.

그러나 중생대와 고생대에는 1,000만 년 동안 지구자기의 역전이 없는 정온기(靜穩期)가 있었다는 것도 밝혀졌다.

지구자기의 역전 자체는 지구자기장의 기본적 성질이라 생각된다.

지구자기 역전의 발견은 판구조론의 확립에 중요한 공헌을 했다.

판구조론에 의하면 중앙해령에서 생성한 해양지각은 차츰 해령에서 멀어져 가며, 해저의 확장으로 새로 생기는 해양지각은 그때의 자기장의 방향으로 자화(磁化)한다고 한다.

지구자기의 방향이 정(正) · 역(逆) · 정 · 역으로 반복해서 변하면, 해양상에서 지구자기를 관측할 때 해양저에 새겨진 자화의 영향이 나타나고, 해령축(軸)에 평행한 자기이상의 줄무늬가 관측된다.

지구자기장의 자기극의 위치와 지구의 회전축의 위치는 지질시대를 통해 거의 일치하므로, 각 지역에서 여러 연대의 암석에 대한 암석자기(岩石磁氣) 측정으로부터 과거의 대륙이 놓여 있던 위도를 알 수 있다.

이것은 대륙이 부동(不動)이었다고 가정하면, 지구자기의 극이 이동하고 있는 셈이 된다.

자기극의 위치를 시대를 거슬러 추적해 가면, 각 대륙마다 다르다.

이 사실은 대륙간에 상대운동이 있었음을 의미하고 대륙이동의 증거가 된다.

지구 내부 자기장이 어떻게 해서 생겼는지에 관해서는 이제까지 여러 학설이 제시되었다.

그 중 가장 유력시되는 것이 1940년대부터 발전해 온 다이너모설이다.

이것은 지구의 외핵은 액체인 철-니켈 합금으로 되어 있고, 그 안에서 발전작용이 있어 지구의 쌍극자자기장이 유지된다는 것이다.

외핵에 대류운동이 있어 자기장 속을 도체가 운동하면 전위차가 생기고 전류가 흐른다.

이 전류에 의해 다른 자기장이 발생하고, 또 다른 전류가 흐른다.

이러한 일련의 전자기유도 끝에, 돌고돌아 쌍극자자기장을 만들 만한 피드백이 존재한다고 생각된다.

이와 같은 계는 비선형계(非線型系)이고, 가끔 지구자기의 반전(反轉)이 일어나는 것도 밝혀져 있지만, 지구자기의 관측사실을 정량적(定量的)으로 설명하기는 어렵다.

〔자전과 공전〕지구는 태양을 하나의 초점으로 하는 타원 위를 1년(=365.24일)에 1바퀴 돈다.

이 타원의 이심률(離心率)은 0.01675이고, 대체로 반지름 1.5×10km의 원운동을 하는 셈이다.

지구의 공전운동은 달과 다른 행성의 영향〔攝動〕을 받아 복잡한 운동을 하고 있다.

지구의 공전궤도면은 지구의 자전축에 대해 약 66.5°로 기울어져 있어, 1년 사이에 춘하추동의 4계절이 생긴다.

지구의 자전주기는 23시간 56분이지만 태양의 공전운동 때문에 태양이 어떤 지점에서 남중(南中)하고 나서 다음에 남중할 때까지는 약 24시간이 걸린다.

이 태양의 운동에 의거, 하루를 정한 것을 태양일(太陽日)이라 하고, 1년간 태양일의 평균을 평균태양일이라 하며 24시간으로 정한다.

현재 천구에서의 자전축의 방향은 북극성의 방향을 향하고 있다.

그러나 지구가 완전히 구대칭(球對稱)이 아니라 적도방향으로 부풀어 있기 때문에 달과 태양으로부터 짝힘을 받아 지구의 자전축 방향은 약 2만 6,000년 주기로 공전축의 둘레를 공전과 같은 방향으로 회전운동한다.

이것을 세차(歲差)운동이라 한다.

이 세차운동 중에는 16년 주기 등과 같이 주기가 짧고 진폭이 작은 운동이 있는데, 이것을 장동(章動)이라 한다.

세차운동이나 장동은 팽이의 회전운동에서도 관찰할 수 있다.

이런 운동은 천구상에서 별의 위치를 기준으로 관찰한 지구의 회전운동이다.

지구의 회전운동을 지각을 기준으로 측정하면, 지면에 대해 북극 · 남극의 위치가 변화한 극이동(極移動)이 관측된다.

이것은 지구상의 각 점에서의 위도 변화로서 관측되며, 세차운동과 같이 다른 천체가 미치는 외력에 의해 생기는 것은 아니다.

외력이 작용하지 않는 강체(剛體)가 회전하고 있을 때 회전축과 그 강체의 관성주축(慣性主軸)이 일치하면 등속회전운동을 계속하나, 양자가 어긋날 경우에는 회전축이 관성주축의 둘레를 회전운동한다.

이 운동은 발견자인 미국의 천문학자 S. C. 챈들러의 이름을 따서 챈들러 운동이라 하며, 주기는 440일이고 진폭은 수 m이다.

챈들러 운동은 거대지진에 의한 내부의 질량분포의 급격한 변화 등에 의해 여기(勵起)된다고 여겨지지만, 챈들러 운동 자체의 이론적 해명은 별로 진전되지 않았다.

이와 같은 지구의 자전운동은 장기간에 걸쳐 관찰하면 정상적(定常的) 현상이 아니다.

지구자전의 각(角)운동량은 달에 의해 생기는 조석으로 인해 달 공전의 각운동량으로 조금씩 변환되어, 달이 지구로부터 멀어지고 있음과 동시에 지구의 자전속도는 작아져 하루의 길이가 길어지고 있다.

장주기의 변동에는 주기 약 2만 년, 4만 년, 10만 년의 것이 있다.

이것은 유고슬라비아의 지구물리학자 M. 밀란코비치가 지적한 것인데, 지구의 자전과 공전 궤도의 주기적 변동에 따른 태양복사량의 변화에 기인하는 것으로 여겨진다.

이와 같은 변동은 지구가 받는 태양의 복사 에너지의 증감이나 계절변화의 정도 차이를 일으키고, 기후변동과 빙하의 소장(消長)을 일으킨다고 생각된다.

〔생물권〕생물권은 암권 · 수권 · 기권과는 다른 권으로서 구별된다.

그러나 생물이 사는 공간은 기권의 최하부, 수권 · 암권의 최상부로서 공간적으로는 이들과 겹쳐 있다.

거기에는 육지며 바다 등 여러 가지 환경의 차이가 있고, 오랜 지구의 역사에 걸쳐 다양한 환경변화가 있었다.

생물은 각기 다른 환경에 적응하면서 상이한 계통으로 분화하고 다양하게 진화했으며, 종과 계통의 소멸이 있었다.

현재 지구상에 존재하는 생물은 200만 종 이상에 이른다.

생물은 지구를 생존의 장으로 삼고 있을 뿐 아니라, 그 환경을 변화시키고 조성하며, 또 생물암(生物岩)으로서 대량의 퇴적암을 낳고 있다.

생물의 호흡과 동화작용 등 생명활동은 수권과 기권을 구성하는 물질과 밀접한 관계를 가지며 암권도 생물에게 생존장소를 제공한다.

그러나 가장 중요한 것은 토양이다.

풍화에 의해 생긴 점토를 포함하는 토양은 통기성(通氣性) · 함수성(含水性)이 있어 식물의 생육에 알맞은 장소를 제공하며, 이온교환성이 있으므로 식물에 대한 영양분 공급에 중요한 역할을 한다.

생물과 관련된 암석은 지각이 생긴 지 얼마 안 되었을 무렵부터 나타났다.

생물체가 그 생성에 직접 관여한 암석으로서 중요한 것은 석회암이다.

선캄브리아대의 석회암, 특히 그 전반의 것은 모두 화학적으로 형성되어 있다.

그러나 고생대 캄브리아기 이후가 되면 생물의 골격의 집적이 석회암의 주된 성인이 된다.

오랫동안 산호, 기타 얕은 바다에서 사는 생물의 유해가 석회암을 만들었다.

백악기에 부유성 미생물인 유공충(有孔蟲)이 번성하고부터는 그것이 석회분을 나르는 역할을 담당해, 심해저가 중요한 석회암 퇴적구로 변했다.

현재의 글로비게리나 연니(軟泥)가 그것에 해당한다.

이처럼 생물은 지구상의 물질의 고정과 분포의 변경에 중요한 일을 하고, 그것들이 열과 압력에 의해 변질 · 분해되어 이루어진 석탄 · 석유는 에너지자원이 되었다.

서오스트레일리아에 있는 35억 년 전의 바라우나층에서 발견된 화석은 이제까지 알려진 생물 중 가장 오래된 화석이다.

스트로마톨라이트(stromatolite)라는 이 화석은 그 이후의 선캄브리아대층에서 종종 보이는데, 조류(藻類)에 의해 형성된 자잘한 층상(層狀)구조를 이룬다.

남아프리카에서 발견된 약 32억 년 전의 피그트리층에서는 세포 모양의 미소(微小)구조가 발견되었다.

캐나다의 온타리오주의 건플린트층은 20억 년 전의 호상(縞狀) 철광층인데, 단일 세포상 구조 외에 그것이 모인 필라멘트가 있다.

호상 철광층의 철의 침전에 기여하는 것은 남조식물이라 추정된다.

더 진화한 해파리나 절지동물 등과 유사한 것으로 구성된 에디아카라 동물군(Ediacara fauna)은 오스트레일리아의 아들레이드 근방의 약 6억 7,000만 년 전 지층에서 나타난다.

고생대가 되어 캄브리아기에 들어서면 삼엽충 · 두족류 및 기타의 화석이 세계 각지에서 갑자기 많이 발견된다.

이것은 생물에 체제변화가 생겨 화석으로 남기 쉬운 골격을 가진 것이 많아졌다고 추정된다.

분명한 척추동물로 인정되는 가장 오랜 화석은 오르도비스기의 갑주어(甲胄魚)이다.

실루리아기에는 관다발식물이 출현해 이제까지 수중(水中)의 조류뿐이었던 식물이 육상으로 진출하면서 더욱 다양해졌다.

절지동물 중에서 육상에 사는 전갈이 나타났다.

데본기에는 현재 살고 있는 실러캔스 비슷한 물고기로부터 양서류로의 진화가 일어나, 척추동물의 육상으로의 이행이 시작되었다.

석탄기에는 육상에 양치식물이 번성했는데, 그 후기에 파충류가 출현했다.

페름기 중기에는 고생대형 식물에서 중생대형 식물로 변화가 일어났다.

동물군의 변화는 그보다 뒤져 고생대가 끝나고 중생대형으로 변화했다.

그때 대지각변동은 없었지만, 세계적인 대해퇴(大海退)가 있었다.

중생대의 바다에서는 암모나이트와 쌍각류의 조개 · 고둥이 번성했고, 뭍에서는 파충류가 번성해 바다와 공중으로 진입했다.

파충류에서 포유류와 시조새가 갈라진 것은 쥐라기이다.

현재의 조류(鳥類)의 직접조상의 출현은 그보다 나중의 일이다.

파충류는 백악기에 공룡으로서 크게 발전했다.

그때 포유류는 미미한 존재였다.

백악기 중간 무렵에 식물군은 중생대형에서 신생대형으로 크게 변모했다.

이에 반해 바다의 동물군은 백악기가 끝나고 나서 신생대형이 되었다.

육상에서는 파충류가 거의 절멸했다.

그때 대지각변동은 없었지만 고생대 말과 마찬가지로 세계적인 대해퇴가 있었다.

신생대에 접어들어 포유류는 서로 다른 계통으로 폭발적으로 분화하고, 각 계통마다 진화했다.

원원류(原猿類)는 제3기 초기에 나타났는데, 약 3,000만 년 전(올리고세)에는 사람과 원숭이의 공통 조상이 이미 생존하고 있었다.

원인(猿人)은 약 1,500만 년 전(마이오세), 원인(原人 : 호모 에렉투스)은 약 150만년 전(플라이스토세)에 출현했다.

이러한 최고등 영장류의 진화와는 관계없이, 바다에서는 보통 최하등으로 여겨지는 단세포의 유공충 · 방산충 등도 저마다의 계통 안에서 급속히 변화했다.

이들 미생물이 제3계의 가장 좋은 표준화석이 되었다.