1. 지구 대기 중의 현상
지구를 둘러싼 대기는 높이에 따라 다른 성질을 가지고 있습니다. 대기가 가지고 있는 성질은 대기에서 일어나는 여러 가지 현상과 밀접하게 관련되어 있습니다. 어두운 밤 별빛을 제외한 하늘의 밝기는 대부분 상층 대기의 발광에 유리합니다. 그 원인은 태양의 자외선이며, 발광층의 높이와 발과의 원자, 분자는 오로라와 같습니다. 밝기는 약하지만 별빛의 수배에 이릅니다. 이밖에 플레어( 태양면 폭발 )에 수반하여 전리층이 요란되는 델린저 현상과 유성 발광등이 있습니다. 적색이나 녹색 색깔의 커튼 또는 아치 모양으로 하늘 전체에 퍼져서 몇 시간 동안이나 빛나는 발광 현상으로 고위도 지방에서 볼 수 있으며 극광이라고도 합니다. 나타나는 고도는 90km 이상이며 때로는 수백 km에 이르는 경우도 있습니다. 오로라의 빛은 산소와 질소 분자, 원자에 의한 것이며, 주된 성분은 산소 원자가 내는 녹색빛과 적색빛이 있습니다. 겨울철 고위도 지방의 상공 20~30km 부근에 나타나는 권운 또는 렌즈형 고적운과 비슷한 진주조개 색깔과 비슷한 구름입니다. 빙정으로 이루어졌으며 거의 이동하지 않습니다. 북위 50도 이북 상공 80~85km 부근에 나타나는 흐린 은색으로 빛나는 권운과 비슷한 구름입니다. 여름철 일몰 직후나 일출 직전에 많이 볼 수 있습니다. 얼음의 층 싸인 입자로 이루어지며 북동쪽에서 남서쪽으로 빠른 속도로 이동합니다. 대기 성질의 주된 것으로는 온도, 기압, 밀도, 성분 등의 영향이 있습니다.
2. 중력
지구 위에 있는 어떤 물체와 지구 사이에 작용하는 만유인력을 중력이라고 합니다. 우리는 보통 질량과 무게를 구별하지 않고 사용하지만 정확하게 말하면 다른 것입니다. 질량이란 물체에 갖추어진 기본적인 양을 나타내는 것이고, 무게는 그 물체에 작용하는 중력의 크기를 말하는 것입니다. 질량 1 kg의 물체는 지구 위 어디서나 1kg입니다. 즉 질량은 항상 변하지 않습니다. 그러나 질량 1kg의 중력, 즉 무게는 지구 위 어디에서 측정하는가에 따라 달라지고, 달에서는 지구의 약 6분의 1이 됩니다. 그러므로 지구에서의 무게 1kg 은 달에서는 6분의 1 kg 이 되는 것입니다. 두 물체 사이에는 만유인력이 작용합니다. 만유인력은 두 물체 사이의 질량의 곱에 비례하며 거리의 제곱에 반비례합니다. 이것이 뉴턴이 발견한 만유인력의 법칙입니다. 이 법칙은 물체가 무엇으로 되어 있든지 어디에 있든지 성립됩니다. 예를 들어 책상 위의 지우개와 연필 사이에도 만유인력은 작용합니다.
3. 지구 자기
철이나 니켈과 같이 쉽게 자기를 띠는 물질을 강자기성 물질이라 합니다. 이와 같이 강자기성 물질로 된 강력한 영구 자석이 지구 내부에 있다고 생각하면 지구 자기의 원인은 간단히 설명할 수 있습니다. 강자기성 물질에는 가가 고유의 퀴리 온도라는 것이 있어 그 온도 이상에서는 자기성을 잃는 성질이 있습니다. 퀴리 온도는 보통 수백도 이므로 지하 수십 km 가 되면 퀴리 온도를 넘으므로 영구 자석은 그 자기성을 잃게 됩니다. 따라서 영구 자석에 의해 지구 자기를 설명하는 것은 불가능합니다. 지구 자기의 원인으로는 여러 가지 설이 있습니다. 가장 지지를 받는 것으로는 다이너모 이론입니다. 다이너모란 발전기를 말하는 것인데 지구의 핵이 발전기아 같은 활동을 하고 있다는 이론입니다. 즉, 행성 사이에 있는 강한 자기장 속에서 도체의 핵이 운동을 하면 기전력이 생깁니다. 기전력에 의하여 생긴 전류에는 자기장이 생깁니다. 이 자기장이 처음에 있던 자기장을 강화하는 방향으로 생겼다면 더 강한 기전력이 생기고, 그것에 의해 더욱 강한 자기장이 생길 것입니다. 이처럼 자기 증폭 작용의 결과 마침내는 자기장이 일정한 크기로 결정될 것입니다. 이것이 지구 자기의 다이너모 이론입니다. 지구 자기의 측정을 하게 된 것은 천문학 역사에 비하면 훨씬 늦은 16세기 이후의 일입니다. 그러나 그 이전의 지구 자기 역사에 대해서도 여러 가지 방법에 의해서 알 수 있습니다. 지구 자기를 조사하는 학문을 고고 지구 자기학, 수억 년 사이의 지구 자기 역사를 조사하는 학문을 고지구 자기학이라고 합니다. 암석 속에서 강자기성 광물이 들어 있으므로 지구 자기장 속에 놓이면 자기력을 띠게 됩니다. 그러나 실제 암석에는 이와 같은 유도 자기보다 훨씬 강한 자기력을 갖고 있는 것입니다. 암석이 고온의 마그마에서 식어 굳을 때, 있던 자기장을 얻는 성질이 있기 때문입니다. 이렇게 해서 얻은 자연 잔류 자기를 열잔류 자기라 합니다.