علوم الأرض

يشمل علم الأرض أو علوم الأرض جميع فروع العلوم الطبيعية المتعلقة بكوكب الأرض . ^{[ 1 ]} وهو فرع من العلوم يُعنى بدراسة التركيبات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية المعقدة والروابط التآزرية بين أغلفة الأرض الأربعة: الغلاف الحيوي ، والغلاف المائي / الجليدي ، والغلاف الجوي ، والغلاف الصخري . ويمكن اعتبار علم الأرض فرعًا من فروع علوم الكواكب، ولكنه ذو تاريخ أقدم بكثير.

علم الجيولوجيا هو دراسة بنية الأرض ومكوناتها وعملياتها. وهو يُعنى بشكل أساسي بدراسة الغلاف الصخري ، أو سطح الأرض، بما في ذلك القشرة الأرضية والصخور . ويشمل الخصائص والعمليات الفيزيائية التي تحدث في الغلاف الصخري ، بالإضافة إلى كيفية تأثرها بالطاقة الحرارية الأرضية . كما يدمج جوانب من الكيمياء والفيزياء والأحياء في تفاعل عناصر الجيولوجيا. أما الجيولوجيا التاريخية فهي تطبيق علم الجيولوجيا لتفسير تاريخ الأرض وكيف تغير عبر الزمن.

يدرس علم الجيوكيمياء المكونات والعمليات الكيميائية للأرض. ويدرس علم الجيوفيزياء الخصائص الفيزيائية للأرض. ويدرس علم الأحافير المواد البيولوجية المتحجرة في الغلاف الصخري. ويدرس علم جيولوجيا الكواكب علوم الأرض وعلاقتها بالأجرام السماوية. ويدرس علم شكل الأرض أصل المناظر الطبيعية. ويدرس علم الجيولوجيا البنيوية تشوه الصخور لتكوين الجبال والسهول. ويدرس علم جيولوجيا الموارد كيفية الحصول على موارد الطاقة من المعادن. ويدرس علم الجيولوجيا البيئية كيفية تأثير التلوث والملوثات على التربة والصخور. ^{[ 2 ]} علم المعادن هو دراسة المعادن، ويشمل دراسة تكوين المعادن، والبنية البلورية ، والمخاطر المرتبطة بالمعادن، والخصائص الفيزيائية والكيميائية للمعادن. ^{[ 3 ]} علم الصخور هو دراسة الصخور، بما في ذلك تكوينها وتركيبها. أما علم خواص الصخور فهو دراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للصخور. وعلم وصف الصخور هو فرع من علم الصخور يدرس تصنيف الصخور وأنواعها. ^{[ 4 ]}

تُعدّ الصفائح التكتونية ، والسلاسل الجبلية ، والبراكين ، والزلازل ظواهر جيولوجية يُمكن تفسيرها من خلال العمليات الفيزيائية والكيميائية في قشرة الأرض. ^{[ 6 ]} يقع الوشاح أسفل قشرة الأرض ، وهو يسخن بفعل التحلل الإشعاعي للعناصر الثقيلة . الوشاح ليس صلبًا تمامًا، ويتكون من صهارة في حالة حمل حراري شبه دائم . تتسبب عملية الحمل الحراري هذه في حركة الصفائح الليثوسفيرية، وإن كانت بطيئة. تُعرف العملية الناتجة باسم الصفائح التكتونية. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} تُسمى مناطق القشرة التي تتشكل فيها قشرة جديدة بالحدود المتباعدة ، وتلك التي تعود فيها القشرة إلى باطن الأرض بالحدود المتقاربة ، أما تلك التي تنزلق فيها الصفائح بجانب بعضها البعض، دون أن تتشكل أو تُدمر مادة ليثوسفيرية جديدة، فتُسمى بالحدود التحويلية (أو المحافظة). ^{[ 8 ] [ 10 ] [ 11 ]} تنتج الزلازل عن حركة الصفائح الليثوسفيرية، وغالبًا ما تحدث بالقرب من الحدود المتقاربة حيث تُدفع أجزاء من القشرة الأرضية إلى داخل الأرض كجزء من عملية الاندساس. ^{[ 12 ]}

يمكن اعتبار حركة الصفائح التكتونية بمثابة عملية إعادة تشكيل سطح الأرض. فنتيجةً لتوسع قاع المحيط ، تتشكل قشرة جديدة وغلاف صخري جديدان بفعل تدفق الصهارة من الوشاح إلى السطح القريب، عبر الشقوق، حيث تبرد وتتصلب. ومن خلال عملية الاندساس ، تعود القشرة المحيطية والغلاف الصخري بقوة إلى الوشاح المتدفق. ^{[ 8 ] [ 10 ] [ 13 ]} وتنشأ البراكين بشكل أساسي من انصهار مواد القشرة المندسة. إذ تنصهر مواد القشرة التي تُدفع إلى الغلاف المائع ، ويصبح جزء من هذه المواد المنصهرة خفيفًا بما يكفي للصعود إلى السطح، مما يؤدي إلى نشوء البراكين. ^{[ 8 ] [ 12 ]}

بدأ علم الغلاف الجوي في أواخر القرن التاسع عشر كوسيلة للتنبؤ بالطقس من خلال علم الأرصاد الجوية ، وهو دراسة الطقس. وتطور علم كيمياء الغلاف الجوي في القرن العشرين لقياس تلوث الهواء ، وتوسع نطاقه في سبعينيات القرن نفسه استجابةً لظاهرة الأمطار الحمضية . أما علم المناخ فيدرس المناخ وتغيراته . ^{[ 14 ]}

تُشكّل طبقات الغلاف الجوي للأرض خمس طبقات رئيسية: التروبوسفير ، والستراتوسفير ، والميزوسفير ، والثرموسفير ، والإكسوسفير . يتركز 75% من كتلة الغلاف الجوي في طبقة التروبوسفير، وهي الطبقة السفلى. يتكون الغلاف الجوي من حوالي 78% نيتروجين ، و20.9% أكسجين ، و0.92% أرجون ، بالإضافة إلى كميات ضئيلة من غازات أخرى، منها ثاني أكسيد الكربون _وبخار الماء. ^{[ 15 ]} يُساهم بخار الماء وثاني أكسيد الكربون _في امتصاص الغلاف الجوي للأرض لطاقة الشمس من خلال ظاهرة الاحتباس الحراري . ^{[ 16 ]} وهذا ما يجعل سطح الأرض دافئًا بما يكفي لوجود الماء السائل والحياة. إضافةً إلى امتصاص الحرارة، يحمي الغلاف الجوي الكائنات الحية من خلال حجب الأشعة الكونية عن سطح الأرض . ^{[ 17 ]} يُنتج المجال المغناطيسي ، الناتج عن الحركات الداخلية لنواة الأرض، الغلاف المغناطيسي الذي يحمي الغلاف الجوي للأرض من الرياح الشمسية . ^{[ 18 ]} بما أن عمر الأرض يبلغ 4.5 مليار سنة، ^{[ 19 ] [ 20 ]} لكانت قد فقدت غلافها الجوي الآن لو لم يكن هناك غلاف مغناطيسي واقٍ.

علم المياه هو دراسة الغلاف المائي وحركة المياه على سطح الأرض . ويركز على دراسة كيفية استخدام الإنسان لمصادر المياه العذبة وتفاعله معها. وترتبط دراسة حركة المياه ارتباطًا وثيقًا بعلم شكل الأرض وفروع أخرى من علوم الأرض. يشمل علم المياه التطبيقي الهندسة اللازمة للحفاظ على البيئات المائية وتوزيع إمدادات المياه. ومن فروع علم المياه: علم المحيطات ، والهيدروجيولوجيا ، والهيدرولوجيا البيئية ، وعلم الجليد . علم المحيطات هو دراسة المحيطات. ^{[ 24 ]} أما الهيدروجيولوجيا فهي دراسة المياه الجوفية ، وتشمل رسم خرائط مصادر المياه الجوفية وتحليل ملوثاتها. وتسعى الهيدروجيولوجيا التطبيقية إلى منع تلوث المياه الجوفية والينابيع المعدنية وتوفيرها كمياه شرب . يعود تاريخ أقدم استغلال لموارد المياه الجوفية إلى 3000 قبل الميلاد، وقد طوّر علماء المياه علم الهيدروجيولوجيا كعلم بدءًا من القرن السابع عشر. ^{[ 25 ]} أما الهيدرولوجيا البيئية فهي دراسة النظم البيئية في الغلاف المائي . يمكن تقسيم علم البيئة المائية إلى قسمين: الدراسة الفيزيائية للنظم البيئية المائية، والدراسة البيولوجية للكائنات المائية. يشمل علم البيئة المائية التأثيرات المتبادلة بين الكائنات الحية والنظم البيئية المائية، بالإضافة إلى كيفية تأثر هذه النظم بالأنشطة البشرية. ^{[ 26 ]} أما علم الجليديات، فهو دراسة الغلاف الجليدي، بما في ذلك الأنهار الجليدية وتغطية الأرض بالجليد والثلج. تشمل اهتمامات علم الجليديات الوصول إلى المياه العذبة الجليدية، والتخفيف من مخاطرها، واستخراج الموارد الموجودة تحت الأرض المتجمدة، ومعالجة آثار تغير المناخ على الغلاف الجليدي. ^{[ 27 ]}

علم البيئة هو دراسة الغلاف الحيوي . ويشمل ذلك دراسة الطبيعة وكيفية تفاعل الكائنات الحية مع الأرض ومع بعضها البعض، وما يترتب على ذلك من نتائج. كما يدرس كيفية استخدام الكائنات الحية للموارد الأرضية ، كالأكسجين والماء والمغذيات، للحفاظ على بقائها. ويدرس أيضًا كيف يُحدث البشر والكائنات الحية الأخرى تغييرات في الطبيعة. ^{[ 28 ]}

الجغرافيا الطبيعية هي دراسة أنظمة الأرض وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض كجزء من نظام واحد متكامل. وهي تشمل علم الفلك، والجغرافيا الرياضية، والأرصاد الجوية، وعلم المناخ، والجيولوجيا، وعلم شكل الأرض، وعلم الأحياء، والجغرافيا الحيوية، وعلم التربة، وجغرافيا التربة. وتختلف الجغرافيا الطبيعية عن الجغرافيا البشرية ، التي تدرس التجمعات البشرية على الأرض، مع أنها تشمل تأثيرات الإنسان على البيئة. ^{[ 29 ]}

تختلف المنهجيات باختلاف طبيعة المواضيع المدروسة. وتنقسم الدراسات عادةً إلى ثلاث فئات: رصدية، وتجريبية، ونظرية. وكثيراً ما يُجري علماء الأرض تحليلات حاسوبية متطورة أو يزورون مواقع مثيرة للاهتمام لدراسة الظواهر الأرضية (مثل القارة القطبية الجنوبية أو سلاسل الجزر ذات البقع الساخنة ). ^{[ 30 ]}

يُعدّ مفهوم التوحيد مبدأً أساسياً في علوم الأرض ، إذ ينصّ على أن "الظواهر الجيولوجية القديمة تُفسَّر بفهم العمليات النشطة التي يُمكن ملاحظتها بسهولة". بعبارة أخرى، فإن أي عمليات جيولوجية تحدث في الوقت الحاضر قد سارت بنفس الطريقة عبر الزمن الجيولوجي. ^{[ 31 ]} وهذا يُمكّن دارسي تاريخ الأرض من تطبيق معرفتهم بكيفية عمل عمليات الأرض في الوقت الحاضر لاكتساب فهم أعمق لكيفية تطور الكوكب وتغيره عبر التاريخ الطويل.

في علوم الأرض، يشيع تصور سطح الأرض على أنه يتكون من عدة طبقات متميزة، يُشار إليها غالبًا بالأغلفة: الغلاف الصخري ، والغلاف المائي ، والغلاف الجوي ، والغلاف الحيوي . يُعد مفهوم الأغلفة أداةً مفيدةً لفهم سطح الأرض وعملياته المختلفة ^{[ 32 ]} ؛ والتي تُقابل الصخور والماء والهواء والحياة . كما يُضيف البعض الغلاف الجليدي (الذي يُقابل الجليد ) كجزءٍ مستقلٍ من الغلاف المائي، والغلاف الترابي ( الذي يُقابل التربة ) كغلافٍ نشطٍ ومتداخل. تُصنف المجالات العلمية التالية عمومًا ضمن علوم الأرض:

• يصف علم الجيولوجيا الأجزاء الصخرية من قشرة الأرض (أو الغلاف الصخري ) وتطورها التاريخي. ومن أهم فروعه: علم المعادن وعلم الصخور ، وعلم شكل الأرض ، وعلم الأحياء القديمة ، وعلم الطبقات ، والجيولوجيا البنيوية ، والجيولوجيا الهندسية ، وعلم الرسوبيات . ^{[ 33 ] [ 34 ]}
• يركز علم الجغرافيا الطبيعية على الجغرافيا كأحد علوم الأرض. وهو دراسة فصول الأرض، ومناخها، وغلافها الجوي، وتربتها، وأنهارها، وتضاريسها، ومحيطاتها. ويمكن تقسيم الجغرافيا الطبيعية إلى عدة فروع أو مجالات ذات صلة، كما يلي: علم شكل الأرض ، والجغرافيا الحيوية ، والجغرافيا البيئية ، والجغرافيا القديمة ، وعلم المناخ ، وعلم الأرصاد الجوية ، والجغرافيا الساحلية ، وعلم المياه ، وعلم البيئة ، وعلم الجليد .
• يدرس علم الجيوفيزياء وعلم الجيوديسيا شكل الأرض ، واستجابتها للقوى، ومجالاتها المغناطيسية والجاذبية . ويستكشف الجيوفيزيائيون لب الأرض ووشاحها، بالإضافة إلى النشاط التكتوني والزلزالي للغلاف الصخري. [ ^{34 ] [ 35 ] [ 36 ] ويُستخدم} علم الجيوفيزياء عادةً لدعم عمل الجيولوجيين في تطوير فهم شامل لجيولوجيا القشرة الأرضية، لا سيما في استكشاف المعادن والبترول. ويستخدم علماء الزلازل علم الجيوفيزياء لفهم حركة الصفائح التكتونية، وكذلك للتنبؤ بالنشاط الزلزالي.
• يدرس علم الجيوكيمياء العمليات التي تتحكم في وفرة وتكوين وتوزيع المركبات الكيميائية والنظائر في البيئات الجيولوجية. يستخدم علماء الجيوكيمياء أدوات ومبادئ الكيمياء لدراسة تكوين الأرض وبنيتها وعملياتها وجوانبها الفيزيائية الأخرى. ومن أهم فروعه: الجيوكيمياء المائية ، والكيمياء الكونية ، وجيوكيمياء النظائر، والجيوكيمياء الحيوية .
• يُعنى علم التربة بالطبقة الخارجية من قشرة الأرض التي تخضع لعمليات تكوين التربة (أو الغلاف التربي ). ^{[ 37 ]} وتشمل التقسيمات الرئيسية في هذا المجال علم التربة وعلم التربيات . ^{[ 38 ]}
• يُعنى علم البيئة بالتفاعلات بين الكائنات الحية وبيئتها. ويُميّز هذا المجال من الدراسة دراسة كوكب الأرض عن الكواكب الأخرى في المجموعة الشمسية ، إذ يُعدّ كوكب الأرض الكوكب الوحيد الذي يزخر بالحياة.
• تُعنى علوم المياه ، وعلم المحيطات، وعلم البحيرات بدراسة حركة المياه وتوزيعها وجودتها، وتشمل جميع مكونات الدورة الهيدرولوجية على سطح الأرض وغلافها الجوي (أو الغلاف المائي ). وتشمل فروع علم المياه: علم الأرصاد الجوية المائية، وعلم المياه السطحية، وعلم المياه الجوفية، وعلم مستجمعات المياه، وعلم هيدرولوجيا الغابات، وكيمياء المياه. ^{[ 39 ]}
• يغطي علم الجليد الأجزاء الجليدية من الأرض (أو الغلاف الجليدي ).
• تغطي علوم الغلاف الجوي الأجزاء الغازية من الأرض (أو الغلاف الجوي ) بين السطح والغلاف الخارجي (حوالي 1000  كم). وتشمل التخصصات الفرعية الرئيسية علم الأرصاد الجوية، وعلم المناخ، وكيمياء الغلاف الجوي ، وفيزياء الغلاف الجوي .

• صورة علوم الأرض اليومية ، وهي خدمة تابعة لجمعية أبحاث الفضاء الجامعية ، برعاية مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا .
• الأخلاقيات الجيولوجية في استكشاف الكواكب والفضاء .
• جيولوجيا باز: علوم الأرض (مؤرشف بتاريخ 4 نوفمبر 2021 في أرشيف الإنترنت)