Die Geophysik im weiteren Sinn beinhaltet alle physikalischen Wissenschaften, welche sich auf die Erde beziehen. Dies ist zunächst die Geophysik im engeren Sinn, welche sich mit der Physik der festen Erde befasst. Dazu gehören unter anderem Seismologie und Vulkanologie. Die Physik der Atmosphäre ist Gegenstand der Meteorologie. Mit diesem Gebiet hat die Klimatologie die größten Schnittmengen. Weitere Gebiete sind die Geographie, die Ozeanographie, die Glaziologie (Physik des Eises) und die Geochemie, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist.

Ausführliche Informationen zur Geophysik und ihren verschiedenen Arbeitsgebieten sowie zur aktuellen geophysikalischen Forschung finden sich auf der Website des Instituts für Geophysik der Universität Hamburg: www.geo.uni-hamburg.de/geophysik/

Die feste Erde und ihre Atmosphäre

Die Erde besteht aus einer Erdkruste, einem Erdmantel sowie einem äußeren flüssigen und inneren festen Erdkern. Die Erdkruste hat eine Dicke von rund 50 km und eine Dichte von rund 2,8 g/cm³. Die Temperaturen in der Kruste bewegen sich in einem Bereich von etwa 561 bis 996°C. Der Erdmantel gliedert sich in einen äußeren und einen inneren Mantel. Der äußere Mantel befindet sich in einem Tiefenbereich von etwa 50 bis 1000 km, hat eine Dichte von etwa 3,5 g/cm³ und eine Temperatur von etwa 2.573 °C. Der innere Mantel befindet in einer Tiefe von 1.000 bis 2.900 km. Die Dichte steigt dort auf rund 4,7 g/cm³ und die Temperatur auf 2.973 °C an. Der äußere flüssige Kern befindet sich in einem Tiefenbereich von 2.900 bis 5.100 km. Hier steigen die Dichte auf Werte von 9,0 bis 12,5 g/cm³ und die Temperatur auf 3.573 °C an. Der feste innere Kern befindet sich in einem Tiefenbereich von 5.100 bis 6.370 km und bildet das Zentrum. Dichte und Temperatur steigen auf 13 g/cm³ und 4.073 °C an. Der Erdkern besteht aus Eisen und Nickel. Alle Zahlenwerte sind natürlich auch mit Unsicherheiten behaftet. Das Innere der Erde kann durch die Ausbreitung der Erdbebenwellen (Seismologie) studiert werden. Es gibt zwei Arten von Wellen. Die longitudinalen Kompressionswellen (p-Wellen) breiten sich senkrecht zu ihrer Fortpflanzungsrichtung aus. Dies ist zum Beispiel auch bei Schallwellen der Fall. Des Weiteren können sich p-Wellen in Flüssigkeiten ausbreiten, also auch durch den flüssigen äußeren Erdkern gehen. Transversalwellen (s-Wellen) breiten sich seitlich zu ihrer Fortpflanzungsrichtung aus. Licht bzw. elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen. Sie können sich allerdings nicht in Flüssigkeiten ausbreiten.

Der hohen Temperaturen bzw. der geschmolzene äußere Kern haben ihre Ursache in thermischer Energie, welche vom Erdentstehungsprozess noch übrig blieb und aufgrund von radioaktiven Zerfallsprozessen noch weiterhin nachgeliefert wird. Die flüssige Materie liegt zum Teil als Plasma vor, besteht also aus geladenen Teilchen. Durch die Erdrotation bilden die geladenen Teilchen einen elektrischen Strom, welcher zu einem Dynamoprozess führt und annähernd ein Dipolfeld generiert. Dieses hat am Erdäquator eine Stärke von 0,31 Gauß. Die Magnetfeldachse dieses Feldes ist um 12° gegenüber der Rotationsachse der Erde geneigt. Das Magnetfeld der Erde ändert sich in Perioden von etwa Zehntausend bis Hunderttausend Jahren. Zurzeit nimmt die Feldstärke langsam ab. Die Magnetosphäre der Erde wird auf der sonnenzugewandten durch den Sonnenwind (Teilchenstrahlung der Sonne)  gestaucht und reicht dort etwa 10 Erdradien weit in den Raum. Auf der sonnenabgewandten Seite der Erde bildet die Magnetosphäre hingegen einen Schweif, welcher etwa 100 Erdradien in den Raum reicht. Die Magnetosphäre schützt die Erde vor für Leben gefährlicher Teilchenstrahlung aus dem Weltraum.

Die Erdkruste bildet keine durchgehende Schicht, sondern besteht aus Platten. Diese Platten werden von großen Blöcken gebildet, welche auf dem flüssigen Erdmantel (wo Silikate wie Olivin vorkommen) schwimmen. Die Erdplatten unterliegen daher dynamischen Prozessen, wie in der Theorie der Plattentektonik von 1960 beschrieben wird. Bereits im Jahre 1915 stellte Alfred Wegener (1880 – 1930) seine Theorie über die Kontinentalverschiebung (Kontinentaldrift) auf. Ursprünglich gab es einen Urkontinent, welcher Pangäa genannt wird. Durch die Plattentektonik driftete der Kontinent jedoch auseinander und es bildete sich die heute bekannte Verteilung der Kontinente auf der Erde heraus. Durch die Verteilung der Kontinente werden die Meeresströmungen bestimmt, welche wiederum wesentlichen Einfluss auf das Erdklima haben.

Die Erdoberfläche hat eine Fläche von rund 510 Millionen km², wovon 71 Prozent mit Wasser (Ozeane und Meere) bedeckt sind. Auf ihrer Landfläche gibt es unterschiedliche Formationen wie flache Ebenen, hügelige Landschaften und Gebirge. Des Weiteren ist die Landschaft, entsprechend dem lokalen Klima, von unterschiedlen Formen von Leben geprägt. Als Nulllinie, worauf sich Höhen und Tiefen auf der Erdoberfläche beziehen, wird die sogenannte mittlere Meereshöhe (Normalnull) definiert. So bildet der Mount Everest mit einer Höhe von 8.848 Metern den höchsten Punkt auf der Erde, während der Marianengraben mit einer Tiefe von 11.000 m den tiefsten Punkt auf der Erde bildet. Die mittlere Tiefe der Ozeane und Meere beträgt etwa 3.500 m. Den tiefsten frei zugänglichen Punkt der Erdoberfläche bildet das Tote Meer, dessen Meeresspiegel und Ufer etwa 423 m unter Normalnull liegen. Durch zivilisatorischen Einfluss hat sich die Oberfläche der Erde stark verändert.

Die Erdatmosphäre bestand ursprünglich aus molekularem Wasserstoff (H₂), Helium (He) und Wasserstoffverbindungen, darunter auch Wasser. Durch Vulkanismus und Entgasungsprozesse wurde die Erdatmosphäre mit molekularem Stickstoff (N₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂), Wasser (H₂O) und Argon angereichert. Mit molekularem Sauerstoff (O₂) wurde die Erde erst aufgrund der Photosynthese angereichert, welche vor etwa 2,5 Milliarden Jahren einsetzte und biologischer Natur ist. Damit bestimmt das Leben auf der Erde die heutige Zusammensetzung der Erdatmosphäre mit. Sie beseht heute zu 78,02 Volumenprozent aus Stickstoff (N₂), zu 20,95 Volumenprozent aus Sauerstoff (O₂), zu 0,934 Volumenprozent aus Argon (Ar), zu 0,033 Volumenprozent aus Kohlenstoffdioxid (CO₂), zu 0,0018 Volumenprozent aus Neon (Ne), zu 0,0018 Volumenprozent aus Helium (He), zu 0,00015 Volumenprozent aus Methan (CH₄) und zu rund 0,0001 Volumenprozent aus Wasserdampf (H₂O).

Die Atmosphäre der Erde gliedert sich in verschiedene Schichten. Die unterste ist die Troposphäre, welche von der Erdoberfläche bis in eine Höhe von 15 km reicht. In ihr finden das Wettergeschehen  und das Erdklima statt. Bis zu ihrer maximalen Höhe nimmt die Temperatur der Troposphäre auf -50°C ab. Der Troposphäre schließt sich die Stratosphäre an, welche bis in eine Höhe von 50 km reicht. In ihr steigt die Temperatur leicht auf -20°C an. Die Mesosphäre folgt auf die Stratosphäre. Sie reicht bis in eine Höhe von 90 km, wobei die Temperatur in dieser Höhe wieder auf -100°C abnimmt. Der Mesosphäre schließt sich die Ionosphäre an, welche bis in eine Höhe von 700 km reicht. Der Bereich von 90 bis 250 km wird als Thermosphäre bezeichnet, da in diesem Bereich die Temperatur auf bis zu 1.500 °C ansteigt. In der Ionosphäre kommt es zur Ionisation der Atome bzw. Moleküle, daher ihr Name. Sie schützt das Leben auf der Erde vor der extrem kurzwelligen Röntgen- und Gammastrahlung. Ihr äußerer Bereich, der fließende Übergang zum Weltraum, wird als Exosphäre bezeichnet. Aufgrund der stärkeren Streuung des kurzwelligeren blauen Anteils des Lichts in der Atmosphäre erscheint der Himmel bläulich. Aus dem gleichen Grund erscheint die Sonne bei ihrem Auf- und Untergang rötlich. In diesem Fall erreicht nur noch der langwelligere rötliche Anteil des Lichts den Beobachter, da der blaue Anteil weggestreut wird. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen der ultravioletten Strahlung der Sonne mit dem irdischen Sauerstoff (O₂) entsteht in einer Schicht von etwa 10 bis 40 km Höhe Ozon (O₃): 30₂ ↔2O₃ .Die Ozonschicht schützt die Erde vor kurzwelligerer ultravioletter Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 300 und 210 Nanometer (nm = 10^-9 m). Dieser Bereich ist für biologisches Leben schädlich.

Das Klima und das Wettergeschehen auf der Erde werden durch die Sonneneinstrahlung und die Rotation der Erde bewirkt. Aufgrund der Bahnbewegung der Erde und der Neigung der Erdachse von rund 23,5° ist die Intensität der Sonnenstrahlung an verschiedenen Orten und zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich, so dass es auf der Erde vier Jahreszeiten und unterschiedliche Klimazonen gibt. Die Klimazonen auf der Erde sind die Polargebiete, die subpolaren Gebiete, die gemäßigten Zonen, die Subtropen und die Tropen. Die Polargebiete befinden sich jeweils am geografischen Nord- und Südpol der Erde. Diese Gebiete sind von einer dicken Eisschicht überzogen, welche als Polkappen bezeichnet werden. Dort werden die niedrigsten Temperaturen auf der Erde erreicht. Die Tropen befinden sich im Bereich des Erdäquators. Dort werden die höchsten Temperaturen erreicht. Die anderen Zonen finden sich jeweils dazwischen. Die subpolaren Gebiete sind der Übergangsbereich zwischen den Polargebieten und den gemäßigten Zonen, während die Subtropen den Übergangsbereich zwischen den gemäßigten Zonen und den Tropen bilden.