地球科學的研究方法與其研究對象的特征有關，地球作為其研究對象主要具有以下特征:
(1)空間的普適性和微觀性
地球是壹個巨大的物體，其周長大於4×104 km，表面積大於5×108 km2。所以無論是研究大氣圈、水圈、生物圈、固體地球，它的空間都是非常廣闊的。如此巨大的空間和物體本身是由不同尺度或尺度的空間和物質體組成的。因此，要研究巨大的地球，就要研究不同尺度或尺度的空間及其物質體，特別是微觀空間和物質特征，如不同學科中其對應物體的化學成分和化學元素特征。地質學要研究礦物的晶體結構，水文海洋學要研究水質點的運動，氣象學要研究氣體分子的活動。而且，整個地球系統是壹個開放的動態系統，它與宇宙環境(地月系統、太陽系、星系等)之間總是存在著物質和能量的交換。).地球系統中各種自然現象和過程的發生、發展和演化都與其所處的宇宙環境密不可分。因此，現代地球科學開始充分重視研究宇宙環境對地球系統的影響；也就是說，研究的空間範圍超越了地球系統，涉及到更宏觀的宇宙環境(圖0-1)。只有把不同尺度的研究結合起來，把宏觀和微觀結合起來，才能得到正確的、規律性的認識。
(2)整體性(或系統性)和多樣性(或差異性和多樣性)
整個地球是壹個有機整體，是由不同層次、密切相關的子系統組成的統壹系統；不僅在空間上，地球內外圈是連續的整體，而且地球內外圈之間、內外圈之間、外圈之間是相互作用、相互影響、相互滲透的。壹個圓或壹個部分的運動和變化，會不同程度地影響其他部分甚至其他圓的變化，充分顯示了它們的有機整體性。然而，地球也是壹個非各向同性體，其不同組成部分(或子系統)在物質狀態、運動和演化特征上存在壹定差異，呈現多樣性或多元性。比如不同地區的地理環境和氣候環境有明顯的差異，不同地區的水文條件也有明顯的差異。固體地球的差異，尤其是地殼不同部位的差異更顯著，比如大陸、海洋、山脈、平原。這種差異不僅表現在空間和物質的構成上，還表現在它們的運動、變化、形成和發展上。
(3)時間的持續性和瞬時性
根據科學計算，目前地球可追溯的年齡長達46億年。在這漫長的時間裏，地球上發生了許多重要的自然事件，如海陸變遷、山脈形成、生物進化等等。這些事件大多極其緩慢，往往需要數百萬年甚至數千萬年才能完成。短暫的生命很難目睹這些事件的全過程，只能觀察事件完成後留下的結果和正在發生的事件的某壹階段。但是，有些事件可以在短時間內完成。比如天氣現象往往以天、小時甚至更短的時間表現出來，地震、火山爆發也是在極短的時間內發生。
(4)自然過程的復雜性和有序性。
地球的演化經歷了壹個復雜的過程。既有物理變化，也有化學變化；既有地表常溫常壓下的作用過程，也有地下深處高溫高壓下的作用過程。此外，各種自然過程會受到地域條件的影響，具有地域差異。因此，自然過程極其復雜，而且由於其漫長性和不可逆性，依靠人類的力量很難完全重塑和再現其過程，從而增加了地球科學研究的艱巨性。但是，這些復雜的自然過程並不是混亂的，它們都有發生發展的條件和過程，都有壹定的規律可循，這也是地球科學家的重要研究任務。
研究對象的特點決定了地球科學有壹些獨特的研究方法，並且隨著科學技術的發展和進步，地球科學的研究方法會不斷得到補充和提升。現將選擇的研究方法簡述如下:
(1)實地調查
空間的廣闊性決定了地球科學家首先要在野外觀察自然，把它作為自然實驗室來研究，而不可能把龐大復雜的自然搬到室內來研究。野外調查是地球科學工作中最基本、最重要的環節，可以獲得研究對象的第壹手資料。如野外地質調查、水系及水文狀況調查、自然地理調查、土壤調查、資源與環境調查等。只有去現場認真細致地收集原始數據，才能為正確解決地球科學問題提供可能。
(2)儀器觀察
儀器觀測是地球科學獲取研究對象定性和定量數據的重要手段。通過儀器觀測，可以了解研究對象的各種物理化學性質、靜態特性和參數的動態變化，為科學分析和推理提供依據。儀器觀測為地球研究步入科學軌道提供了條件。如16 ~ 17世紀溫度、壓力、濕度等氣象儀器的發明創造，使氣象學逐漸發展成為壹門完善的學科。現代高精度常規和高空氣象儀器觀測仍然是氣象學的重要研究基礎。同樣，儀器觀測在水文學和海洋學研究中也占有特別重要的地位。儀器觀測在現代地球物理和地質學研究中，在土壤學研究中，特別是在環境地學的各種監測和評價中，起著極其重要的作用。實地的儀器觀察也屬於第壹手資料。除了科學家根據不同的研究目的進行各種觀測外，人們還經常設立各種定點觀測站，如氣象站、水文站、地震站、環境監測站等。，並通過大量臺站建立觀測網絡，以便獲得系統的觀測數據。
(3)大地測量
這是地球科學中壹種古老而又迅速發展的重要研究方法，對地球科學的發展起到了重要的推動作用。早在古埃及和中國時代，人們就借助步測等簡單的測量工具進行土地規劃、地形地理測繪、水利工程建設。到了近代，隨著測量儀器的進步，逐漸發展為傳統的大地水準測量和大地三角測量。20世紀中期發展起來的海洋探測技術(聲納)對海洋學的發展和地質學的革命起了決定性的作用。近年來發展起來的激光測距和全球定位系統(GPS)給地球科學帶來了深遠的影響。大地測量方法對於地理學、地質學、海洋學、水文學和土壤學的研究非常重要。
(4)航空、航天和遙感技術
現代航空、航天和遙感技術極大地推動了地球科學的發展，成為現代地球科學中不可或缺的重要研究手段。由於地球空間廣闊，需要充分利用航空、航天、遙感技術，如衛星雲圖、衛星遙感影像、航拍照片等，在短時間內獲取大區域的信息，特別是大區域的動態變化。航空、航天和遙感技術對現代氣象學的發展和進步起了決定性作用，成為其重要支柱。它們也是現代海洋學和地理學的主要研究方法，在現代地質學、土壤學、水文學和環境地學中也起著重要的作用。
(5)實驗室分析、測試和科學實驗
這是地球科學各學科普遍采用的壹種研究方法。它主要是從研究對象中獲取各種樣品或標本，然後在實驗室進行分析測試，從而獲得物質的成分、結構、理化性質和形成歷史等定性和定量信息，通過科學的實驗分析推斷其形成、演化過程和發展趨勢。隨著科學的發展，地球科學中的實驗科學取得了長足的進步。然而，由於自然過程影響因素復雜、時間長、空間廣，以及現代實驗技術的限制，在地球科學中有時很難開展與自然相符的真實實驗。因此，在地球科學中，我們往往簡化影響因素，創造壹些特定的物理化學環境，模擬自然現象的成因、過程和發展規律。這種方法叫做模擬實驗。模擬實驗只能是近似的，實驗結果往往與自然過程有壹定差距，但對再現自然現象的過程，驗證和探索地球科學規律有重要作用。
(6)歷史比較法
這是地質學最基本的方法論。漫長的時間決定了地質學必須用歷史的和辯證的方法來研究。雖然人類不可能目睹地質事件的全過程，但我們可以利用各種地質事件遺留下來的地質現象和結果以及現今地質作用的規律來推斷古代地質事件的條件、過程和特征。這就是所謂“歷史比較法”的原則(或“現實主義原則”)。這個原理是由英國地質學家C·萊爾(1791 ~ 1875，現代地質學的創始人)在赫頓(J·赫頓，1726 ~ 1797，蘇格蘭地質學家，被稱為。萊爾明確指出:“現在是理解過去的關鍵。”例如，現代珊瑚只生活在溫暖、平靜和清潔的淺海環境中。如果在古代形成的巖石中發現珊瑚化石，可以推斷這些巖石也是在古代溫暖清潔的淺海環境中形成的(圖0-4)；再比如現在的火山爆發可以形成壹種特殊的巖石——火山巖。如果在壹個地區發現了古火山巖，就可以推斷當時這個地區發生過火山噴發，等等。歷史比較法是研究地球發展史的壹種分析推理方法，它的提出對現代地質學的發展起到了重要的推動作用。
圖0-2英國地質學家萊爾
(C .萊爾，1791 ~ 1875)
圖0-3蘇格蘭地質學家赫頓
(赫頓，1726 ~ 1797)
圖0-4生活在溫暖清潔的淺水中的珊瑚
a-現代珊瑚；兩億多年前的珊瑚化石
這壹原則的理論基礎是“變分法”。變分法認為，在漫長的地質歷史中，地球的演化總是以漸進的方式進行的，其方式和結果無論過去還是現在都是壹致的。然而，現代地質學的研究證明，變異理論的觀點是片面的、機械的。地球的進化是不可逆的，現在不是過去的簡單重復，而是既相似又進步。例如，地質學中的許多研究揭示，地球演化過程中，地表大氣圈、水圈和生物圈的組成、數量、溫度和壓力，以及地球或地殼的內部結構和構造都在不斷變化，不同程度地不同於現代情況，這必然導致當時地質作用方式和過程的壹系列不同特征。地球的演化並不總是采取漸變和勻速變化的形式，而是在勻速變化的過程中存在壹些短暫而劇烈的變化。例如，在巖層中經常發現物質成分和結構的突然變化；在古生物學的進化過程中，經常會發現大量生物物種在短時間內突然滅絕，比如6500萬年前左右恐龍的快速滅絕。因此，整個地球的發展過程應該是壹個漸變—激變—漸變的遞進往復發展過程，這也符合量變—質變—量變的哲學規律。
因此，在運用歷史比較法時，壹定要以歷史的、辯證的、發展的思想為指導，而不能簡單機械地“從現在論過去”，這樣才能得出正確的結論。事實上，地質學中“由今論古”的分析方法，對於地球科學中的地球物理、地球化學、地理學、氣象學、水文學、海洋學、土壤學、環境地學等學科的研究，都具有重要的借鑒意義。
(7)綜合分析
自然過程的復雜性和不可逆性決定了地球科學必須采用綜合分析的研究方法。在地球演化的漫長過程中，不同時期、不同方式(物理、化學、生物等)的自然效應。)和不同的環境(地表、地下、空氣等。)留給我們壹個復雜的結果模式。為了按照這種模式還原和分析自然界的發展過程，需要運用多學科的原理和方法，結合復雜的影響因素進行綜合分析。這和數學、物理、化學等學科單純靠演繹和實驗來學習是很不壹樣的。比如在地質學中，由於過程和影響因素非常復雜，根據某些個體特征，運用單壹學科的原理和方法，往往會得出片面甚至錯誤的結論，這就是地質學研究中經常遇到的“多解”或“不確定性”問題。所以，只有在綜合各方面研究的基礎上，才能得出壹個統壹的、最實際的結論。
(8)計算機技術的應用
有人說，從20世紀下半葉開始，人類社會進入了計算機時代，計算機技術的應用給各種自然科學帶來了深刻的影響和革命性的變化。地球科學也是如此。例如，在現代氣象學、地理學、地質學、地球物理學、海洋學、環境地球科學等領域，計算機技術發揮了巨大的作用，成為不可或缺的研究手段和方法。而且，計算機技術正在滲透到地球科學的各個領域。計算機技術的應用為解決地球科學中研究對象空間廣闊、觀測和處理數據量大、模擬形成和演化過程復雜等問題帶來了無限前景。因此，為了提高地球科學的研究水平，我們必須充分重視、加強和進壹步發展計算機技術在地球科學中的應用。
20世紀末開始在世界範圍內廣泛興起的“數字地球”項目或“數字地球”研究，是現代計算機技術、信息科學和地球科學相結合的產物。“數字地球”主要探討利用現代計算機技術和信息科學對整個地球系統進行全方位定量化、數字化描述的方法，建立相關的“數字地球”資源平臺，服務於地球科學的研究和應用。因此，“數字地球”本質上是地球系統的數字化表示，其基本理論支撐主要包括兩個相互聯系的方面，即與地球科學相關的理論和與數字技術相關的理論。比數字地球更早興起的地理信息系統的成功開發和廣泛應用，可以說為數字地球的興起和發展奠定了良好的基礎。但“數字地球”將涵蓋地球科學的所有研究分支或領域(不僅僅是地理學)，所涉及的科學內容和數據是“地理信息系統”無法比擬的。1998 65438+10月，美國前副總統戈爾在“開放GIS聯盟”年會上首次提出了“數字地球”的概念，認為“數字地球”是指基於地球坐標的多分辨率海量數據和多維顯示的虛擬系統。數字地球的概念壹提出，立即引起了全世界的關註，並取得了快速發展。數字地球的研究和實現具有非常廣闊的應用前景，如資源和環境的監測和管理，氣候和各種自然災害的預測、預報和預防，土地利用和各種生產生活的規劃，以及壹些危機事件的處理等。也為地球科學教育和多學科研究提供了優秀的資源平臺，特別是為地球系統科學中的圈層相互作用、全球變化和人類可持續發展的研究創造了有利條件。
地球科學研究的工作方法通常有以下程序:
(1)數據收集
根據要研究的課題和要解決的問題，盡可能詳細、客觀、系統地收集各種相關數據、樣本等資料。數據來源包括詳細的現場調查、儀器觀察和收集、現有數據和結果的分析等。
(2)歸納、綜合和推理
運用地球科學的研究方法和原理，對收集到的數據進行加工、歸納和綜合，做出符合客觀實際的推斷。
(3)推理的驗證
通過生產實踐或科學實驗驗證或檢驗推論是否正確，並在實踐過程中不斷修正錯誤，提高認識，總結規律。
地球科學是壹門實用科學。通過不斷的科學實踐，人們逐漸形成了許多假說和理論。假設是基於壹些客觀現象得出的結論，需要進壹步驗證；理論是經過實踐檢驗並在某壹學術領域形成的理論或命題。假說和理論對地球科學的發展起著重要的推動作用。它們為探索地球科學的客觀規律指明了方向，在實踐中起到了壹定的指導作用。同時在實踐中不斷檢驗、補充、修正，使之越來越完善。當然，壹些假設和理論也可能在實踐中被拋棄或否定。