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在过去的二三十亿年间，地质证据告诉我们，地球曾经历过至少5次冰期，但我们对导致冰期的机制却不甚了解。其中一个因素一定与地球从太阳那里吸收到的能量有关，因为地球轨道的细微变化，以及地球旋转轴与太阳轨道平面之间的夹角都会影响地球从太阳那里接收能量。其他因素也可能影响太阳释放的能量，但我们不知道它们是什么。另外一个影响因素是地球轨道上其他行星的引力。还有一种说法认为，地球的温度可能受到其轨道所经过的空间温度变化的影响。
1940年左右，塞尔维亚地球物理学家兼工程师米卢廷·米兰科维奇研究了地球运行轨道的变化，并指出地球经历了几次可能影响气候变化的波动，分别以2.1万年、2.6万年和4.1万年为一周期，即现在所说的“米兰科维奇循环”。尽管这种循环与地质数据并不完全吻合，但它一定与地球的周期性冰期有关。
还有大陆漂移和板块构造的问题，它们通过改变海洋和陆地的相对位置和面积来影响地球表面保存的太阳能量，因为海洋比陆地变暖或变冷的速度要慢。另外，温室气体可能也起到了一定的作用。例如，有人认为6.3亿年前大量的火山喷发所释放的气体可能是导致一次冰期结束的主要原因。
更复杂的是，在每一个冰期内还有冰川期，在此期间，冰盖会前进或后退。在过去大约1.1万年里，我们一直处于间冰期
，通常冰原消退，但从1350年，全球温度开始下降，到了17世纪初地球进入一个“小冰期”，并一直持续到19世纪早期，对于这段寒冷时期的出现原因还没有人能给出完整的解释。
在5500万年前的古新世末期，出现了一种异常气候，被称为“古新世-始新世极热事件”。全球海洋表面温度飙升了5℃—8℃，并持续了几千年。在北极，温度更是上升到了23℃左右。气候变暖的主要影响是海水向外扩张，改变了地球上海洋与陆地的比例。气温上升对海洋生物的种类也有显著影响。地质证据、化石记录以及对原始生物化石外壳发现的分子进行的化学分析均证实了这种变化。但却没有人知道是什么导致了如此巨大的温度变化。
1908年6月30日，西伯利亚偏远地区通古斯河附近上空发生了一起大爆炸，其威力大约是投向日本广岛的原子弹的1000倍。关于这个主题的学术论文有数百篇，但我们仍不确定到底发生了什么。一些人认为是一颗彗星或小行星在地球大气层中蒸发造成的，但爆炸却没有留下任何证据，甚至连一个陨石坑也没有被发现。然而，据目击者说，当时一道蓝光如太阳一般明亮地划过天空，接着是一声类似于重型火炮射击的声音。有人形容，当时就好像“天空裂成了两半”。欧亚大陆各地的地震台记录到了这起大爆炸，即便远在英国，大气冲击波也被探测到了。后经调查人员证实，有超过2000平方千米的森林被夷为平地，约8000万棵树被炸倒。地面上还有许多坑洞，最初被认为是陨石坑，但调查人员并未发现任何陨石的痕迹，也没有发现其他任何来自爆炸的产物。
在地表上空，高度在90千米至500千米之间，是地球大气层的最高层——热层。热层吸收来自太阳的紫外线，温度会随着高度的增加而升高，而不像大气层的其他三个部分（对流层、平流层和中间层）一样，温度会随着高度的增加而降低。
然而，在2008年至2009年，地球热层急剧收缩，这一现象至今仍无法解释。众所周知，大气中二氧化碳的增加会使热层收缩；另外我们还知道，太阳活动的减少也会产生这种影响；但将这两方面都考虑在内并进行计算，结果仍有至少60%的热层收缩现象无法解释。显然，太阳对地球的某些影响我们还不甚了解。
在距离地球表面约7万千米的地方，有一片被称为“磁层”的空间区域，直到1958年才被探险者1号太空探测器发现。磁层（并不是一个球体，而更像是一个泪珠形状）是在地球磁场对电离层的自由离子（大气的最外层组织的一部分）和太阳风携带的电子的作用下形成的。事实上，它的磁力就像一道防护罩，能抵御太阳风对地球造成的破坏。然而，每隔8分钟，磁层就会打开一个磁性入口，允许来自太阳的高能粒子穿过地球，这就是所谓的“通量转移事件”。没有人知道这种现象因何所致，也没有人明白为什么这个现象每8分钟就发生一次。
1912年，德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳提出地球曾经由一个单一的超级大陆组成，但这个想法遭到了严重的怀疑。这片假想的大陆直到1926年才有了名字，当时在一次关于魏格纳大陆漂移理论的会议上，人们将这片大陆命名为 Pangaea（盘古大陆，源自希腊语，意为“所有的陆地”），将其周围的海洋命名为 Panthalassa（意为“所有的海洋”）。随着化石证据越来越多，人们对魏格纳理论的怀疑逐渐消失，并在20世纪60年代证明了该理论的正确性，认为板块构造论不仅为大陆漂移，而且为地震活动和火山活动提供了一个较为合理的理论基础。但是，在盘古大陆之前地球是什么样的，人们仍在猜测之中。
这其中，有一个理论得到了一些地质证据的支持。该理论认为，地球在3亿年到5亿年的周期里会经历超级大陆形成然后又分裂的过程。但是在这些周期里地球是什么样的呢？这在很大程度上仍然是一个谜。
相比我们现在对宇宙其他部分的了解，我们对地球深处知之甚少。我们可以根据地球引力的大小计算出它的质量；可以直接测量地球表面附近物质的密度；还可以从这些数字中推断出，地球内部的密度肯定比我们所知道的其他部分大得多。
除此之外，我们对地核性质的主要证据来自对地震引起的地震波的分析。地球表面不同地区的地震仪监测到的意想不到的模式，表明地震波在传导过程中遇到了一些阻碍，并由此得知地球固体内核半径约为1220千米，其周围的液体外核从地球中心向上延伸了约3400千米。
根据其密度，再加上对那些与地球形成方式相同的陨石的研究，我们得出了这样的结论：地球内核主要由铁和镍组成。然而人们普遍认为内核中应该还有其他元素，但目前尚未确认。几十亿年前“星子”
相互碰撞形成地球，2006年，通过研究与这些“星子”相类似的陨石的成分，澳大利亚地质学家伯纳德·伍德得出结论，地球上有99%的黄金不知所踪，这些黄金必然是下沉到了地核中，而且地核中一定还包含有地球上大部分的铂金。要想知道地核的构成，我们就需要钻到地下5000千米的地方看看。
在但丁的《地狱》中（《神曲》共为分三部分，《地狱》是其中一部分，另外两部分分别是《天堂》和《炼狱》），地球的中心流淌着一个冰冻湖，名叫悲河悲叹河。悲河悲叹河在地狱的第九层，同时也是最底层，在那里像犹大那样的叛徒会受到永恒的惩罚。撒旦就被困在它的中心，他的眼泪持续不断地流入冰冷的悲河悲叹河中。
从科学的角度来看，书中展现的地球中心景象纯属虚构，但是人们对地球中心温度的估计仍然有很大的差异，大约从4000℃到7000℃不等。这些估计都是在地心已知巨大压力下，根据对地球内核和外核边界处铁熔点的计算得出的。
化石记录显示，在过去的5亿年里，地球上发生了5次大灭绝，每一次发生都会导致地球上一半以上的生物灭绝。最近一次灭绝发生在6500万年前，最终导致了恐龙的灭绝。
有大量的证据表明，物种灭绝是由小行星撞击造成的，尽管对此还有其他解释，包括火山爆发导致气候变化，哺乳动物进化为以恐龙蛋为食，以及植物生长的变化导致食草恐龙便秘致死。其他大规模物种灭绝的原因尚不清楚，这使我们很难估计下一次物种灭绝的时间。未来物种灭绝的潜在原因包括人为造成的环境变化、来自银河系外的能量爆发、我们无法控制的气候变化以及小行星撞击地球。无论情况如何，太阳都将在50亿年后燃烧殆尽，并爆炸成为一颗红巨星吞没地球，以目前每1亿年1次大灭绝的速度计算，太阳爆炸之前我们至少还会经历50次大灭绝。
化石记录表明，地球上的生命大约始于35亿年前，而地球形成的时间大约在46亿年前，相比之下，生命形成的时间相对较短。有人怀疑这段时间是否足以形成由碳、氧、氢和氮构成的生命所必需的复杂分子。大约在地球上出现生命的同一时期，我们的星球经历了“晚期重击”，当时地球和月球受到大量来自太空的岩石撞击。由于在地球形成前，宇宙已经存在了大约90亿年，因此有足够长的时间让所谓的“生命起源前分子”甚至是基本生命形式在其他地方出现，这些可能是由陨石撞击地球而产生的。这一理论被称为“外生”（exogenesis，意为“从外部诞生”），但这一理论需要在宇宙其他地方找到生命存在的证据来予以支持。