Geofysik är en fysikalisk vetenskap som handlar om jordens processer och egenskaper och dess omgivande rymdmiljö, som studeras med hjälp av kvantitativa observationsmetoder. Geofysiken studerar bland annat jordens gravitation, jordens magnetfält och elektromagnetiska fält. Även jordens inre struktur, sammansättning och dynamik studeras, såsom deras påverkan på ytan i tektonik, vulkanism och bildning av bergarter. Geofysik omfattar också jorden ur ett planetariskt perspektiv, inklusive oceaner, kryosfären, jordens atmosfär, jonosfär och magnetosfär, samt växelverkan mellan solen och jorden och analoga processer på månen, andra planeter och deras månar. Geofysik är en av de äldsta vetenskaperna och kan spåras tillbaka till antiken med utvecklingen av tidiga seismografer och magnetiska kompasser, och vidare till Isaac Newtons analyser av jordens gravitation, tidvatten, precession och jordens fysiska egenskaper. Idag bedrivs geofysik för grundläggande vetenskaplig förståelse och praktiska tillämpningar, inklusive utforskning av mineraltillgångar och energiresurser, bedömning och begränsning av naturkatastrofer, grundvatten- och miljöstudier, arkeologiska undersökningar och miljöövervakning. Geofysik spelar en viktig roll i hållbar utveckling och energiomställningen, då dess metoder används för att prospektera för kritiska råmaterial och för att hitta geologiska strukturer som är lämpliga för att extrahera och lagra geoenergi (t ex geotermisk energi).
Geofysik integrerar teori, observation och experiment för att undersöka jorden och solsystemet över olika rumsliga och tidsmässiga skalor. Dess vetenskapliga metoder inkluderar fältarbete, experiment i laboratorier, fjärranalys och dataanalys, inklusive signalbehandling och matematisk modellering. Som en enande fysisk ram för studier av jorden och andra planeter förbinder geofysiken fenomen från planetens djupa inre till den övre atmosfären och den jordnära miljön i solsystemet, vilket ger grunden för förståelse av planetarisk utveckling, dynamik och beboelighet.
Fysiska fenomen
Geofysik är ett mycket tvärvetenskapligt ämne, och geofysiker bidrar till alla områden av geovetenskaperna, medan vissa geofysiker bedriver forskning inom planetologi. För att ge en tydligare uppfattning om vad som utgör geofysik beskriver detta avsnitt fenomen som studeras i fysiken och hur de relaterar till jorden och dess omgivning. Geofysiker undersöker också jordens fysiska processer och egenskaper, dess skorpa, mantel och kärna såsom jordens magnetfält tillsammans med den jordnära miljön i solsystemet, som inkluderar andra planeter.
Gravitation
thumb|En karta över avvikelser i gravitationen från en perfekt slät, idealiserad jord.
Månens och solens gravitation ger upphov till två höga och två låga tidvatten var 24:e timme och 50 minuter. Därför finns det ett mellanrum på 12 timmar och 25 minuter mellan varje högvatten och mellan varje lågvatten.
Gravitationskrafter gör att ytnära bergarter utövar ett tryck på djupare bergarter, vilket ökar deras densitet när djupet ökar. Mätningar av tyngdacceleration och gravitationspotential vid jordens yta kan användas för att leta efter mineralfyndigheter (se gravimetri) och ger information om dynamiken hos tektoniska plattor.
Samspelet mellan jordens gravitation, rotation och inre processer bestämmer jorden form. Den gravimetriska ekvipotentialyta som kallas geoiden är en definition av jordens geometriska form. Geoiden skulle vara den globala genomsnittliga havsnivån om haven var i jämvikt och kunde förlängas genom kontinenterna (t.ex. med mycket smala kanaler). Jordens rotationsrörelser leder även till fenomen som nutation och Chandler rörelsen.
Noggranna mätningar av position, tillsammans med jordens deformation, gravitation och rotation, omfattar geodesin, som är ett forskningsfält inom geofysiken.
Vibrationer
thumb|upright=1.3|Illustration av deformationerna i ett block orsakad av volymvågor överst och ytvågor nederst (seismisk våg).
Seismiska vågor är vibrationer som färdas genom jordens inre eller längs dess yta. Hela jorden kan dessutom uppvisa globala svängningsmönster, så kallade egensvängningar av jorden. Markrörelser från vågor eller egensvängningar mäts med hjälp av seismografer. Om vågorna kommer från en lokaliserad källa som en jordbävning eller explosion, kan mätningar på mer än en plats användas för att lokalisera källans position. Jordbävningarnas platser ger information om plattektonik och mantelkonvektion.
Mätningar av seismiska vågor från kontrollerade källor ger information om regionen som vågorna färdas genom. Om bergets densitet eller elastiska egenskaper förändras, reflekteras vågorna. Reflektioner som registreras med hjälp av reflektionsseismologi ger information om jordens struktur nära jordytan ända ner till jordens kärna och används för att öka vår förståelse av jordens struktur och geologi samt för att prospektera för olika råvaror såsom kritiska råmaterial, olja och gas. Förändringar i vågens utbredningsriktning genom refraktion kan användas för att härleda jordens djupa struktur.
Jordbävningar utgör ett betydande hot mot mänsklig säkerhet. Genom att fördjupa förståelsen för deras underliggande mekanismer – som varierar beroende på jordbävningstyp, såsom skalv inom tektoniska plattar eller djuphärdsskalv kan vi förbättra bedömningen av seismisk risk och utveckla mer robusta geotekniska lösningar.
Elektriska och elektromagnetiska fenomen
Naturligt förekommande elektromagnetiska fält genereras bland annat av strömmar i jordens yttre kärna, magnetosfären, jonosfären och atmosfären (till exempel blixtnedslag). Dessa strömsystem är kopplade till hydrodynamiska effekter och förklaras genom magnetohydrodynamisk teori. Elektriska strömmar i det högkonduktiva flytande järnet i jordens yttre kärna genererar ett magnetfält genom magnetohydrodynamiska effekter. Detta strömsystem står för den största interna delen av jordens magnetfält (se nedan). Alfvénvågor är magnetohydrodynamiska vågor i magnetosfären eller jordens kärna. Alfvénvågor som sprider sig i jordens kärna har förmodligen liten märkbar effekt på jordens magnetfält, men långsammare vågor som magnetiska Rossbyvågor kan vara en källa till geomagnetisk sekulär variation.
Även om vi främst märker av elektriska fenomen under åskväder, finns det alltid ett nedåtriktad atmosfäriskt elektriskt fält nära jordens yta som i genomsnitt är 120 volt per meter. Joniseringen av planetens atmosfär är ett resultat av att den kosmiska strålningen tränger in i den, vilket lämnar den nedre delen av atmosfären med en positiv nettoladdning. En ström på globalt cirka 1800 ampere flödar nedåt från jonosfären över större delen av jorden och tillbaka uppåt genom åskväder. Flödet manifesteras av blixtar under molnen och så kallade sprites ovanför.
Olika elektriska och elektromagnetiska metoder används i geofysiska undersökningar. Så kallade passiva metoder mäter naturligt förekommande elektriska fält, t. ex. den spontana potentialen, som uppstår i marken på grund av naturliga störningar. Telluriska strömmar flödar i jorden och i haven och har olika orsaker. Tidsmässiga ändringar av jordens magnetfält (främst magnetosfäriska och jonosfäriska strömmar) inducerar telluriska strömmar i jorden, blixtnedslag genererar strömflöde nära nedslagsplatsen och inducerar telluriska strömmar. Rörelsen av elektriskt ledande material (t.ex. havsvatten) i jordens permanenta magnetfält inducerar ett strömflöde i materialet. Så kallade magnetotelluriska mätningar av elektriska och magnetiska fält som uppstår i samband med telluriska strömmar kan användas för att upptäcka variationer av elektrisk resistivitet i geologiska strukturer i jordens skorpa och litosfär. I aktiva elektriska och elektromagnetiska metoder genereras den elektriska strömmen däremot av en egen signalkälla (sändare). Aktiva elektriska metoder omfattar inducerad polarisering och elektrisk resistivitetstomografi. Elektromagnetiska metoder som används i grundforsknings- och prospekteringssyften inkluderar elektromagnetism genererad av transienta källor och jordströmmar skapade av naturliga fenomen på land och till havs för undersökningar av havsbottnen. Dessa aktiva metoder används för att utforska jordens struktur från ca en meters till ett par kilometers djup. Nukleär magnetisk resonans är en elektromagnetisk metod med kontrollerade källor som används i hydrologiska studier för att bestämma vattenhalt och porositet av akviferer, såsom markens vattengenomsläpplighet.
Magnetfält
Jordens magnetfält skyddar jorden från den dödliga solvinden och har länge använts för navigering till sjöss och till lands. Den genereras i den yttre kärnans flytande rörelser och till en mindre andel i jordskorpan. I den övre atmosfären ger magnetfältet upphov till norrskenet.
thumb|right|upright=1.1|Jordens magnetiska dipolaxel (rosa linje – dipolns symmetriaxel) lutas bort från rotationsaxeln (blå linje).
thumb|left|Datorsimulering av jordens magnetfält i en period av normal polaritet mellan polomkastningar.
mini|upright=1.3|Ålder för olika delar av havsbottnen. Jordens magnetfält är ungefär som en lutad dipol, men det förändras över tiden (ett fenomen som kallas geomagnetisk sekulär variation). Mestadels stannar den magnetiska nordpolen nära den geografiska nordpolen, men med slumpmässiga intervaller av i genomsnitt 440 000 till en miljon år eller så, byter jordens magnetfält polaritet. Dessa geomagnetiska polomkastningar lämnar en signatur i form av parallella linjära magnetiska anomalier (magnetiska strimmor) på havsbottnen. Dessa strimmor ger kvantitativ information om havsbottenspridning, en del av plattektoniken. De är grunden för magnetostratigrafi, som korrelerar magnetiska omkastningar med annan stratigrafisk information för att konstruera geologiska tidsskalor. Dessutom kan magnetiseringen av bergarter användas för att mäta kontinenternas tidigare rörelser. Baserat på en analys av de geomagnetiska strimmorna på havsbottnen har en geomagnetisk polaritetstidsskala etablerats, som innehåller 184 polaritetsintervall under de senaste 83 miljoner åren (och därmed 183 polomkastningar). Frekvensen av omkastningar ändras över tiden. Den senaste korta fullständiga omkastningen (Laschamp-händelsen) inträffade för 41 000 år sedan under den senaste istiden.
Radioaktivitet
thumb|Exempel på radioaktivt sönderfallskedja (se radiometrisk datering)
Radioaktivt sönderfall står för cirka 80% av jordens inre värme, vilket driver geodynamon och plattektoniken. De viktigaste värmeproducerande isotoperna är kalium-40, uran-238, uran-235 och thorium-232. Radioaktiva element används för radiometrisk datering, den primära metoden för att fastställa en absolut tidsskala i geokronologi.
Instabila isotoper sönderfaller med förutsägbara hastigheter, och sönderfallsfrekvensen för olika isotoper täcker flera storleksordningar. Därmed kan radioaktivt sönderfall användas för att datera både de senaste händelserna och händelserna i tidigare geologiska epoker. Mark- och luftburen gammaspektrometri kan användas för att kartlägga koncentrationen och distributionen av radioisotoper nära jordens yta, vilket är användbart för kartläggning av litologi och omvandling.
Fluidmekanik
Flytande rörelser förekommer i magnetosfären, atmosfären, havet, manteln och kärnan. Även manteln flyter som en vätska över långa tidsintervaller, fast den har en enorm viskositet. Detta flöde återspeglas i fenomen som isostasi, postglacial landhöjning och mantelplymer. Mantelflödet driver plattektoniken och flödet i jordens kärna driver geodynamon.