Zem je takmer guľaté teleso. Má tvar geoidu (grécky geoidés = podobný Zemi), ku ktorému sa najviac približuje tvar rotačného elipsoidu. Odstredivá sila rotácie spôsobila, že Zem je na póloch sploštená. Z tohto dôvodu je rovníkový priemer Zeme, 12 756,284 km o 42,77 km väčší ako jej polárny priemer.
Dôsledkom odstredivej rotačnej sily je tiež to, že tiažové zrýchlenie je nepatrne menšie na rovníku ako na póloch. Vertikálna členitosť povrchu, čiže rozdiel medzi vrcholkami najvyšších pohorí a dnami najhlbších oceánskych priekop, je asi 20 km. Príliš veľkým výškovým rozdielom bráni gravitácia spoločne s tektonickými procesmi a eróziou.[1] Hmotnosť Zeme je 5,974.1024 kg, čo je približne tri milióntiny hmotnosti Slnka.
Hodnota hustoty Zeme 5 515 kg/m3[2] je najväčšia zo všetkých planét slnečnej sústavy. Dôvodom je čiastočne to, že Zem je najhmotnejšou pevnou planétou, akú poznáme, a gravitácia stlačila materiál v jej vnútri do menšieho objemu.
Zem vrhá do priestoru na strane odvrátenej od Slnka svoj tieň, ktorý má približne tvar zbiehajúceho sa kužeľa. Vrchol úplného tieňa (umbry) Zeme je od zemského povrchu vzdialený približne 1 400 000 km, čo je približne stotina vzdialenosti Zeme od Slnka. Keď do zemského tieňa vstúpi Mesiac, dochádza k jeho zatmeniu. Aj všetky umelé družice Zeme každý deň prechádzajú tieňom, preto ich (s výnimkou obdobia okolo letného slnovratu) možno pozorovať len večer alebo nadránom.
Zem obieha okolo Slnka v strednej vzdialenosti 149,6 miliónov km priemernou rýchlosťou 29,8 km/s. Stredná vzdialenosť Zeme od Slnka sa stala jednou zo základných astronomických jednotiek dĺžky a označuje sa ako astronomická jednotka (skratka AJ alebo AU z anglického Astronomical Unit). V najvzdialenejšom bode svojej dráhy, v aféliu (doslní), je Zem od Slnka vzdialená 152 098 704 km, v najbližšom bode svojej dráhy, v perihéliu (príslní) 147 097 149 km. Zmena vzdialenosti od Slnka však nie je príčinou striedania sa ročných období. Zem prechádza perihéliom okolo 4. januára,[3] dva týždne po zimnom slnovrate, kedy paradoxne na severnej pologuli vrcholí zima. Aféliom zase Zem prechádza dva týždne po letnom slnovrate,[4] kedy je na severnej pologuli leto. V súlade s Keplerovými zákonmi sa Zem v aféliu pohybuje približne o 1 km/s pomalšie ako v perihéliu. Jej priemerná obežná rýchlosť je 29,79 km/s.
Doba obehu Zeme okolo Slnka sa stala jednou zo základných jednotiek času a nazývame ju rok. Obeh Zeme okolo Slnka sa však môže vzťahovať na rôzne body alebo telesá, podľa čoho rozlišujeme niekoľko typov obehov, ktorých dĺžky sa od seba nepatrne líšia. Poznáme rok siderický, tropický a anomalistický. Tropický rok, ktorý je základom kalendárneho roku má dĺžku 365 dní, 5 hodín, 48 minút a 45,4 sekúnd. Priemerná rovina, v ktorej obieha Zem okolo Slnka sa nazýva ekliptika. Používa sa ako základná rovina, voči ktorej určujeme sklony dráh všetkých telies v slnečnej sústave.
Vzhľadom na to, že Zem má veľmi hmotný Mesiac a ťažisko ich vzájomného obehu leží pod povrchom Zeme, Zem vykonáva pri svojom obehu okolo Slnka kývavé pohyby, ktoré planétu jednak mierne striedavo približujú a vzďaľujú od Slnka jednak spôsobujú jej striedavý pohyb nad a pod rovinou ekliptiky.
Animácia znázorňujúca rotáciu Zeme okolo jej osi
Zemská os je priamka, ktorá prechádza stredom Zeme a pretína povrch Zeme v dvoch bodoch, ktoré nazývame póly. Okolo tejto osi sa Zem otočí takmer konštantnou rýchlosťou, ktorá na rovníku dosahuje hodnotu 465,09 m/s.[2] Jedna otočka okolo jej osi trvá 24 hodín. Táto časová jednotka sa nazýva synodický (slnečný) deň a je o približne 4 minúty dlhšia ako siderický (hviezdny) deň. Tento rozdiel je spôsobený tým, že pri jednej otočke okolo osi sa Zem posunie aj na svojej dráhe okolo Slnka. Rotácia Zeme okolo osi spôsobuje striedanie dňa a noci. Za 1 hodinu sa Zem otočí o 1/24 svojho obvodu, čo je 15° zemepisnej dĺžky. Na každých 15° preto pripadá jedno časové pásmo. Pod vplyvom slapových síl Mesiaca sa rotácia Zeme pomaly spomaľuje, asi o tisícinu sekundy za 100 rokov.
Zemská os nie je rovnobežná s kolmicou na ekliptiku, ale odkláňa sa od nej v uhle, ktorý v súčasnosti dosahuje hodnotu približne 23,5°. Tento sklon zemskej osi spolu s obehom Zeme okolo Slnka má za následok striedanie ročných období. Pri obehu je striedavo severná a južná pologuľa v rôznych dobách privrátená k Slnku. Sklon zemskej osi sa pomaly mení a preto os nesmeruje stále do rovnakého bodu oblohy. V súčasnosti smeruje do blízkosti hviezdy Polárky, ale napríklad zhruba pred 13 000 rokmi smerovala zemská os k hviezde Vega. Tento krúživý pohyb zemskej osi sa nazýva precesia. Jeden precesný obeh zemskej osi okolo pólu ekliptiky sa nazýva Platónsky rok a má dĺžku 25 700 rokov. Ani samotná os nemá pevnú polohu vzhľadom na zemské teleso a v dôsledku toho sa priesečníky osi so zemským povrchom (póly) tiež pomaly pohybujú. Perióda zmien polohy pólov nie je úplne pravidelná a nazýva sa Chandlerova perióda. Naviac sa v cykle 42 000 rokov[5] mení sklon osi ku kolmici na ekliptiku a to v rozsahu 22,1-24,5°.
Okrem spomenutých pohybov vykonáva Zem ešte niekoľko ďalších pohybov. Ako teleso slnečnej sústavy sa Zem napríklad zúčasňuje na obehu okolo jadra Galaxie. Obežná dráha Zeme vykonáva pomalý pohyb vyplývajúci z Ensteinovej teórie relativity nazývaný stáčanie perihélia. Po prvýkrát bolo toto stáčanie objavené pri planéte Merkúr.
Zem sa pravdepodobne sformovala podobne ako ostatné terestrické planéty z protoplanetárneho disku, ktorý obklopoval vznikajúce Slnko (praslnko). Slnečný vietor, ktorý vyžarovalo praslnko, sa postaral o odstránenie najľahších prvkov - vodíka a hélia - z vnútorných častí disku. Až do vzdialenosti asi 700 miliónov kilometrov od praslnka zostal len prach tvorený ťažšími prvkami, preto sa z neho utvorili planéty s pevným povrchom. Postupným zhlukovaním vznikli v disku väčšie nepravidelné telesá - planetezimály, z ktorých sa vzájomnými zrážkami sformovali väčšie guľaté telesá - protoplanéty. M. Bizzarro a kol. ukázali, že akrécia Zeme z planetesimál trvala približne 30 miliónov rokov. Vyplýva to zo zastúpenia izotopov 176Lu a 178Hf v chondritoch.[6]
V roztavenom vnútri Zeme dochádzalo ku gravitačnej diferenciácii, čo znamená, že ťažšie chemické prvky klesali pod vplyvom gravitácie do hlbších vrstiev zemského telesa a ľahké stúpali na povrch. Tento proces prebiehal približne prvú stovku miliónov rokov po vzniku slnečnej sústavy.[6] Výsledkom tohto procesu bolo, že najťažšie prvy sa dostali do stredu telesa, kde utvorili jadro, ľahší materiál plášť okolo jadra a najľahšie, prchavé prvky utvorili prvotnú atmosféru Zeme. Tá sa však len málo podobala na súčasnú: tvorili ju porevažne vodík a hélium, v menšej miere amoniak, metán, vodné pary a oxid uhličitý.[7] Plášť postupne chladol a stával sa čoraz menej tekutým, zemské jadro však zostáva doteraz horúce, zahrievané teplom z rozpadu rádioaktívnych látok. Najstaršie známe horniny pochádzajú z oblasti Isua v západnom Grónsku a ich vek sa odhaduje na 3,8 miliárd rokov.[6]
Nejasný zostáva pôvod vody na Zemi, ktorej bolo v prvotnej atmosfére Zeme príliš málo na vznik oceánov. Väčšina vedcov sa prikláňa k teórii, že hlavná časť vody sa dostala na Zem až po skončení jej formovania v podobe komét, ktoré dopadali na jej povrch.[6][7]
Zem má magnetické pole, ktoré sa vytvára trením pri rotácii vonkajšieho, zrejme tekutého zemského jadra o pevné vnútorné jadro. Tento proces funguje ako obrovské hydrodynamické dynamo. Magnetické pole Zeme má dipólový charakter, to znamená, že rozloženie jeho siločiar je podobné siločiaram v okolí tyčového magnetu. Magnetické siločiary sa zbiehajú v severnom a južnom magnetickom póle. Magnetická os je sklonená k rotačnej osi pod uhlom približne 11°. Merania magnetizmu v horninách rôzneho veku ukázali, že magnetické póly putujú po povrchu Zeme a pole dokonca periodicky mení svoju polaritu.[1]
Oblasť okolo Zeme, v ktorej dominuje magnetické pole sa nazýva magnetosféra. Tvar magnetosféry silne ovplyvňuje slnečný vietor, ktorý na náveternej strane (strane najbližšej k Slnku) pôsobí tlakom približne 1,7 nPa. Tým zatláča magnetosféru do vzdialenosti asi desiatich zemských priemerov (asi 60 000 km). Oblasť, v ktorej geomagnetické pole začína slnečný vietor odchyšľovať, sa nazýva nárazový front.[5] Na strane odvrátenej od Slnka je magnetosféra predĺžená do chvosta siahajúceho ďaleko za obežnú dráhu Mesiaca. Hranica medzi magnetosférou a medziplanetárnym magnetickým poľom sa nazýva magnetopauza.
Magnetosféra Zeme nedovoľuje elektricky nabitým časticiam zo Slnka dostať sa k povrchu. Nabité častice musia pri svojom pohybe sledovať siločiary magnetického poľa a zostávajú dlhodobo zachytené v oblastiach vysoko nad zemským povrchom, ktoré nazývame Van Allenove radiačné pásy. Magnetické pole plní teda ochrannú funkciu, bez ktorej by život na Zemi nebol možný. Pokiaľ častice predsa preniknú do vrchnej vrstvy zemskej atmosféry, zrazia sa s molekulami vzduchu a vybudia ich elektróny na vyššie energetické hladiny. Pri návrate elektrónov späť na nižšie energetické hladiny sa uvoľňuje svetlo, ktoré pozorujeme ako polárnu žiaru.
Atmosféra Zeme je plynný obal Zeme, ktorého hustota vo väčších vzdialenostiach od povrchu klesá. Existovala už od vzniku Zeme, ale jej chemické zloženie sa značne menilo pôsobením mnohých procesov, naporíklad aj živých organizmov. Je zložená z dusíka (78 %), kyslíka (21 %), argónu (necelé 1 %) a zvyšok tvorí premenlivé množstvo vodných pár, oxid uhličitý a ďalšie plyny. Táto zmes sa bežne nazýva vzduch. Hmotnosť zemskej atmosféry je 5 700 miliárd ton. Atmosférický tlak sa pri morskej hladine pohybuje okolo hodnoty 100 kPa.
V atmosfére rozlišujeme päť vrstiev, ktorých chemické zloženie je pozoruhodne uniformné. Pre život je najdôležitejšia najspodnejšia vrstva atmosféry, troposféra, ktorá je pod vplyvom zemskej gravitácie najhustejšia. V nej prebiehajú všetky procesy vytvárajúce počasie. Vzduch sa v nej pohybuje vertikálne a horizontálne a dôkladne sa mieša.[1]
Viditeľné svetlo preniká všetkými vrstvami atmosféry, infračervené a rádiové vlny čiastočne pohltí stratosféra (vrstva nad troposférou). Vo výške 20-30 km sa vyskytuje zvýšená koncentrácia ozónu. Táto ozónová vrstva nás chráni pred nebezpečným ultrafialovým žiarením. Monitorovaním obsahu ozónu z družíc bolo zistené, že najmä v oblasti zemských pólov dochádza v posledných rokoch k značnému poklesu obsahu ozónu. Oblasť s prudko zníženou koncentráciou ozónu sa nazýva ozónová diera. Nad stratosférou sa nachádza ďalšia vrstva, mezosféra, ktorá pohlcuje röntgenové žiarenie. Atmosféra nás tiež chráni pred dopadmi telies z kozmu, ktoré v nej obvykle zhoria a pozorujeme ich ako svetelné úkazy nazývané meteory. Funguje tiež ako regulátor teploty. Teploty na povrchu Zeme sa pohybujú v extrémnych prípadoch zhruba od mínus 90 °C (v Antarktíde) do plus 60 °C (Sahara, Údolie smrti v USA). Priemerná teplota na povrchu planéty je cca 15 °C.[5]
Časti zemskej atmosféry sú v neustálom pohybe. Do pohybu ich dáva slnečná energia, ktorú pohlcujú kontinenty a oceány a od nich sa druhotne ohreje aj vzduch. Zahriaty, menej hustý a tým aj ľahší vzduch stúpa nad chladnejší, menej ťažký. Pri stúpaní sa zahriaty vzduch rozpína a chladne, lebo má nad sebou už menšiu vrstvu atmosféry, ktorá naň pôsobí menším tlakom. Stúpanie sa zastaví, keď sa tlak pôvodne horúceho vzduchu vyrovná s tlakom okolitého vzduchu.Horizontálny pohyb vzduchu sa deje vďaka cirkulácii atmosféry medzi rovníkom a pólmi, ale aj vďaka cirkulácii oceánov a rotácii Zeme. Slnečné žiarenie poskytuje tiež energiu na vyparovanie vody. Vodná para v atmosfére je neviditeľná, ale môže sa skondenzovať do mikroskopických čiastočiek, ktoré sú vo veľkých množstvách viditeľné ako oblaky. Zemská oblačnosť je v neustálom pohybe v súlade s tým, ako sa vyvíja počasie. Oblačnosť zakrýva v každom okamihu približne polovicu zemského povrchu. Rozoznávame nízku, strednú a vysokú oblačnosť. Väčšina oblakov, z ktorých padajú významnejšie zrážky, patrí medzi stredné a nízke oblaky (s výškou do 7 km).
Počasie je na Zemi veľmi premenlivé. Veľké výkyvy sú charakteristické hlavne pre stredné zemepisné šírky. Rovníkové oblasti sú zase poznačené búrlivými zmenami počasia (hurikány, tajfúny a cyklóny). Pre tieto búrky sú charakteristické silné elektrické výboje, vysoká rýchlosť vetra (aj 200 km/h) a sú lokalizované prevažne do oblastí oceánov, nad pevninou strácajú na intenzite.
Dlhodobý, nie však nemenný stav ovzdušia sa nazýva podnebie. Podľa podnebia možno rozdeliť povrch Zeme na klimatické oblasti, ktorých hranice sú určované predovšetkým zemepisnou šírkou. Podnebie však veľmi ovplyvňuje aj nadmorská výška a vzdialenosť miesta od oceánu. Svoju úlohu zohrávajú aj oceánske prúdy. Smerom od rovníka k pólom rozoznávame horúce podnebie s celoročným dažďom, horúce podnebie s monzúnovým dažďom, horúce podnebie so sezónnym dažďom, horúce a suché podnebie, chladné a mierne prímorské podnebie, teplé a mierne podnebie, chladné a mierne kontinentálne podnebie a studené podnebie. Osobitnou kategóriou je horské podnebie.
Odklon zemskej osi od kolmice na ekliptiku spôsobuje, že množstvo žiarenia dopadajúce na určité miesto povrchu Zeme nie je vždy rovnaké. Keď dopadá pod menším uhlom, viac sa ho pohltí v zemskej atmosfére a preto menej zahrieva povrch ako vtedy, keď dopadá pod väčším uhlom. Slnečné svetlo dopadá pod menším uhlom preto, lebo jeho výška nad horizontom je menšia a nad horizontom daného miesta prejde len malú dráhu. Z toho vyplývajú kratšie dni a dlhšie noci v určitých častiach roka. Tento jav nazývame ročné obdobia. Zmena ročného obdobia prináša zmeny počasia, dĺžky dňa aj priemerných teplôt. V miernom a polárnom pásme sa obvykle rozlišujú štyri ročné obdobia podľa teploty: jar, leto, jeseň a zima. V tropickom a subtropickom pásme sú zmeny teplôt zanedbateľné a omnoho výraznejšie sú zmeny množstva zrážok.
Povrch Zeme je veľmi rôznorodý, pretože ho utváralo veľké množstvo najrozličnejších procesov, z ktorých niektoré nepoznáme nikde inde v slnečnej sústave, iba na Zemi. Zem je pravdepodobne jediná planéta slnečnej sústavy, ktorá si dodnes zachovala sopečnú aktivitu a platňovú tektoniku (hoci existujú predbežné dôkazy o vulkanickej aktivite Merkúra[8] a Venuše aj v súčasnosti. Tieto dva procesy sa výrazne podieľajú na pretváraní povrchu Zeme. Vrásnením vznikli a stále vznikajú nové pohoria, sopky sa výrazne podieľajú na vyvretí, ale aj čiastočnom či úplnom zničení sopečných ostrovov, pohyb tektonických platní v dlhodobom merítku výrazne pozmieňa vzhľad kontinentov. Prítomnosť kvapalnej vody a atmosféry umožňuje výraznú eróziu. Vodná erózia je v súčasnosti v slnečnej sústave jedinečný proces, aj keď v minulosti sa mohol vyskytovať aj na Marse.[9]
Oproti iným planétam a ich mesiacom nachádzame na povrchu Zeme len veľmi málo impaktných kráterov. V prepočte na rovnakú plochu má Mesiac 1350-krát viac kráterov a Venuša 1,5-krát viac kráterov ako Zem.[10] V súčasnosti je ich na celom svete známych 170.[6] Dôvodom je jednak prítomnosť hustej atmosféry Zeme, ktorá nedovolí väčším telesám dopadnúť na jej povrch (zhoria v nej) a jednak erozívne procesy, ktoré krátery postupne zahladzujú. Najväčší známy zemský kráter je Vredefort v Južnej Afrike, ktorý má priemer 300 km.[6]
Povrch Zeme pokrývajú kontinenty (pevniny) a oceány. Kontinenty dnes zaberajú 29% povrchu Zeme. 71% povrchu je zaliaty vodami morí a oceánov. Tieto dve hlavné zložky povrchu sa od seba neodlišujú len prítomnosťou/neprítomnosťou vody, ale aj stavbou zemskej kôry. Pred miliónmi rokov mali kontinenty oproti dnešku odlišné tvary a polohy a podobný vývoj očakávame i do budúcnosti. Príčina je v tom, že kontinenty sa v zemskej kôre pomaličky pohybujú na obrovských doskách v rôznom smere.
