Гравітаційне поле Землі виражається в розподілі сили тяжіння в Землі і на її поверхні. Згідно із законом Ньютона всі тіла у Всесвіті взаємно притягуються, незалежно від складу і відстані між ними. Сила тяжіння (гравітація) вимірюється прискоренням вільно падаючого тіла і позначається в одиницях, які отримали назву гал = 1 см / с2, Мілліган - тисячна частка гала. Середня величина сили тяжіння на земній поверхні обчислюється в 982 гала, або 982 см / с2 (при 983 см / с2 на полюсі і 978 см / с2 на екваторі).
Сила тяжіння на Землі залежить від багатьох причин. На практиці встановлено, що на розподіл сили тяжіння впливають: форма земної поверхні, склад порід, що залягають в надрах Землі; перевищення точки спостереження над рівнем моря та ін. Прискорення вільного падіння над поверхнею Землі визначається як гравітаційної, так і відцентровою силою, зумовленої обертанням Землі.
Так, на полюсах прискорення сили тяжіння більше, ніж на екваторі на 5,7 гала. На кожен метр висоти сила тяжіння зменшується на 0,308 мгал. У напрямку від поверхні в глиб Землі сила тяжіння зростає в середньому на один Мілліган на кожні 12 метрів. Відцентрове прискорення сили тяжіння на екваторі досягає 3,392 гал. Максимальна величина прискорення сили тяжіння, отримана розрахунковим шляхом, становить 1037,7 см / с2, або 1037 гал на глибині 2900 м. У ядрі прискорення вільного падіння починає швидко знижуватися, доходячи в проміжному шарі «F» до 452 см / с2, на глибині 6000 км воно залишає 126 см / с2, а в центрі Землі дорівнює нулю.
На характер зміни сили тяжіння на поверхні Землі впливають відмінності в щільності гірських порід. Щільність гірських порід різна і вона змінюється швидко як по поверхні Землі, так і в глибину. Тому на поверхні Землі фіксуються ділянки, відмінні від середньої величини сили тяжіння. Відомо, що сила тяжіння прямо залежить від щільності порід в конкретній точці земної поверхні. Поєднуючи точки з рівними значеннями сили тяжіння, будують карти рівного значення сили тяжіння для різних ділянок поверхні Землі. Такі карти, на яких зображені аномалії сили тяжіння, називаються гравіметричними. Вивчення аномалій сили тяжіння допомагає при пошуках рудних корисних копалин.
Крім того, океанські припливи на Землі, запізнюється щодня на 50 хвилин, виникають через зміни сумарного гравітаційної дії Сонця і Місяця, яке підтвердили добовим, місячним і річним варіацій, обумовленим обертанням Землі, рухом Місяця по орбіті навколо Землі і рухом Землі навколо Сонця . Деформація за рахунок приливних сил Землі досягає 30 см, Місяця - 40 см, водна поверхня піднімається до 1 метра, а в затоці Фапті (Атлантичний океан) до 18 метрів.
Електричне поле Землі. Його порівнюють зі сферичним конденсатором, негативний заряд якого знаходиться в верхніх шарах Землі, а позитивний - у верхніх шарах атмосфери. Нижні шари атмосфери виступають в якості ізолятора. Напруженість електричного поля Землі змінюється від 130 В / м в середніх широтах до 70-80 В / м у полюсів. Електричне поле не постійно по пори року, протягом доби і залежить від активності Сонця, різних атмосферних явищ, від зміни магнітного поля Землі. У той же час електричне поле Землі, електричні струми, зобов'язані своїм походженням обертанню оболонок Землі і конвекційному переміщенню внутрішнього речовини Землі, тобто Земля працює як звичайна динамомашина, в якій механічна енергія перемішують речовини системи накопичує виникають електричні струми і пов'язаний з ними магнетизм.
Магнітне поле Землі. Понад 4000 років тому людство познайомилося з властивістю природи, яке змушує магнітну стрілку займати орієнтоване положення північ-південь. Але пройшло багато часу, перш ніж в середні століття англійський вчений Уільм Гільберт (1540-1603) в книзі «Про магніті, магнітних тілах і великому магніті - Землі», що вийшла в світ в 1600 р зробив висновок, що Земля має магнітне поле. Походження головного магнітного поля Землі пояснюють, як уже зазначалося вище, дією системи електричних струмів, що виникають при обертанні Землі в зв'язку зі складними конвективними рухами в рідкому зовнішньому ядрі. Напруженість магнітного поля Землі коливається від 0,6-0,7 Ерстед у магнітних полюсів до 0,25-0,42 Ерстед у екватора. Магнітне поле Землі триває в атмосфері, але сила його убуває пропорційно відстані в кубі. Магнітне поле Землі має полюса: північний і південний. Вчені встановили, що північний магнітний полюс розташовується в даний час поблизу Південного географічного полюса (Земля Вікторія в Антарктиді), а південний магнітний полюс - поблизу північного географічного полюса (Північна Гренландія).
Магнітне поле Землі з часом змінює своє положення. Воно як би «блукає» по Землі. Можна відновити становище магнітного поля Землі, яке воно займало в стародавні геологічні епохи. Для цього використовують палеомагнітний метод. За цим методом визначають намагніченість гірських порід, придбану ними в момент утворення (так звана залишкова намагніченість). Виявилося, що всі гірські породи мають залишкової намагніченістю. Так, магматичні породи, кристаллизуясь з магми, стають магнітними і набувають магнітне поле, яке існувало в цей момент. А осадові породи намагнічуються в момент накопичення осаду. В осадових породах майже завжди присутні частинки гематиту, магнетиту, титаномагнетиту та ін. (Феромагнітні мінерали). Вони-то і намагнічуються. За даними палеомагнітного методу встановлено, що магнітне поле Землі змінює своє положення через кожні 1200-1500 років, тобто північний магнітний полюс стає південним, а південний - північним, тобто відбуваються інверсії (від лат. «Інверсія» - перевертання) магнітного поля. Магнітні полюси Землі і географічні полюси не збігаються. Між магнітним полюсом і географічним присутній деякий кут, рівний близько 11,5 °, званий магнітним відміною. Ось магнітного диполя зараз нахилена до осі обертання Землі під кутом 10,5 °.
На Землі реєструються три найбільші магнітні аномалії: одна - між Єнісеєм і Леною, друга - в Антарктиді і третя - в Канаді. Магнітні аномалії роблять повний оборот навколо Землі, а саме магнітне поле Землі зменшується приблизно на 0,15% за 100 років.
Магнітне поле Землі і навколишнього простору в житті планети має важливе значення. Воно охороняє Землю від магнітних сонячних бурь. Простір, в якому проявляється напруженість магнітного поля, називається магнітосферою (рис. 2.5).
Мал. 2.5. Магнітне поле Землі
Тепловий режим Землі. Температура Землі на поверхні залежить від тепла, одержуваного від Сонця, і припливу внутрішнього тепла. Сонце забезпечує температурний режим поверхні Землі на 99,5% і лише 0,5% припадають на внутрішні джерела.
Температура внутрішніх частин Землі не залежить від енергії Сонця, і з глибиною вона зростає. Глибина положення поясу постійних температур в різних районах Землі коливається від перших метрів до 20-30 м, а глибше розподіл температур досить складне і в кожному регіоні відрізняється. Мірою підвищення температури з глибиною є геотермічна щабель, тобто відстань по вертикалі, на якій температура підвищується на 1 ° С, а наростання температури в градусах Цельсія на одиницю глибини називається геотермічних градієнтом. Найбільший геотермічний градієнт, рівний 150 ° С на 1 км, зареєстрований в штаті Орегон (США), геотермічна щабель тут дорівнює 167 м. Найменший градієнт, рівний 6 ° С на 1 км, відзначений в Південній Африці (геотермічна щабель дорівнює 167 м). В середньому для верхніх шарів Землі температура збільшується на 1 ° С через кожні 32 м. Дані буріння глибоких свердловин показали, що теоретичні розрахунки не завжди збігаються з практичними вимірами. Так, в свердловині на Кольському півострові на глибині 12 км припускали температуру 150 ° С, а вона виявилася 220 ° С. В свердловині, пробуреної в Північному Прикаспії на глибині 3000 м, замість 150 ° С зустріли температуру 108 ° С. Для верхніх 100 км знайдені геотермії, засновані на припущенні, що температура на глибині 100 км близька до 1000 ° С, але не вище 1300-1500 ° С. З цієї геотермії температуру можна з натяжкою визначити на будь-який шуканої глибині від поверхні Землі до 100 км. Про температуру глибших зон Землі можна судити по температурі лав, що викидаються вулканами, що досягає 1250 ° С (вулкан Ключевський), 1200 ° С (гавайський вулкан Кілауеа) і 1300 ° С (вулкан Етна). Незважаючи на дискусійність питання про розподіл температур в мантії і ядрі, передбачається, що температура з глибиною продовжує наростати, але при цьому геотермічний градієнт знижується і зростає розмір геотермической ступені. Висловлюється думка, що температура в ядрі Землі знаходиться в межах 4000-5000 ° С.
Виділяють кілька джерел теплової енергії Землі. Головні - це радиогенное тепло, хіміко-плотностная диференціація речовини Землі і приливна тертя. Важливим джерелом тепла є енергія розпаду радіоактивних елементів: 238U, 235U, 232Тh, 40К, 87Rb. Ще одне джерело тепла виступає процес хіміко-плотностной диференціації речовини геосфер Землі. В результаті цієї диференціації важкі хімічні елементи і з'єднання перетікають в ядро, а легкі спливають в мантію, літосферу і дегазируют в гідросферу і атмосферу. При цьому відбувається вивільнення певної кількості теплової енергії. Мала кількість тепла проявляється в процесі уповільнення обертання Землі через приливну взаємодії з Місяцем і, ймовірно, з Сонцем - приливної тертя.
Сумарний тепловий потік, що проходить через поверхню Землі, дорівнює (4,2 - 4,5) · 1020 ерг / с. Значна частина теплового потоку втрачається в навколишньому космічному просторі через континенти і океани. Через континенти втрачається приблизно 1,2 · 1020 ерг / с, а через океанське дно 3,1 · 1020 ерг / с.