针对地核磁场在行星环境演化中的作用，着眼于挥发性物质的逃逸过程，采用比较行星学的方法，将地球深部和空间环境作为一个整体，揭示地核磁场变化对电离层粒子逃逸过程的影响，寻找行星演化方向转折的决定性因素。模拟地磁极性倒转、地磁漂移和其它长期变对地球电离层和磁层的影响，计算氧离子等关键成分的逃逸率变化，评估地磁场各种时间尺度的变化对地球储水量和生物圈的影响。

水是行星演化的一个关键组分。以月球样品为研究对象，揭示月球的本征水含量、小行星撞击加入的外来水、以及太阳风注入对月球表面水的贡献和加入机制。以火星陨石为对象，揭示火星幔的水含量、岩浆去气过程、以及水的逃逸机制，研究火星的环境历史；研究金星的水分子通过电离层逃逸的主要机制，分析水逃逸在金星“失控的温室效应”中的作用，为我国自主金星探测计划提出关键科学目标。

从比较行星学的角度探索行星多圈层演化。通过空间物理学、古地磁、生物地磁、地质、地化等领域的交叉，对行星环境的演化过程进行综合研究。以认识地磁场机器变化对生物的影响为目标，选择代表性生物为研究对象，研究地磁环境变化对生物的影响及机理。研究地磁环境的生物效应，揭示生物与地磁场的关系，理解地磁场极性倒转在生物进化中的作用，研究沉积物中生物成因磁性矿物记录古磁场的贡献和可靠性。

针对地球空间环境对不同太阳风结构与扰动的响应，研究空间天气事件中电离层和磁层的扰动变化，揭示不同太阳活动水平对地球空间等离子体和电流体系的控制，获得外部驱动下的地球空间环境变化的全球性特征与区域差异特性。发展地球空间环境的空间布阵观测手段及相关数据处理方法，揭示电离层与大气层的耦合过程中地球高层大气波动的产生传播与耗散，以及不同尺度的电离层过程之间的关联，探索电离层-大气层-磁层的相互作用机理。

采用数值模拟手段，研制磁层/电离层/热层/中间层耦合理论模式，实现地球空间环境过程的耦合模式模拟，进一步揭示电离层和磁层对外部驱动的响应过程及其机理，并开展地球及行星空间环境模式化研究。利用历史和实时观测数据，建立地球空间环境参量的统计经验模式，发展地球空间环境的预报技术，注重发展全球及我国上空电离层等空间环境模式。

研究太阳系各大行星或天体的空间环境。通过数据分析和数值模拟相结合，发现各行星空间环境电、磁场与等离子体的主要分布和变化特征，研究空间等离子体动力学过程揭示太阳风与行星相互作用的普遍物理规律。

在地球内部，地幔转换带、核幔边界和内外核边界是物质和能量输运的关键地带，也是地球深部研究的重要对象。在地球机器运转中，这些界面起着至关重要的作用。结合地震学、矿物物理实验、计算模拟方法和地球化学手段，研究这些区域及界面的精细结构、矿物组成、物质来源，揭示地核和地幔的演化。结合地球动力学模拟和地磁、古地磁学观测，探讨地球深部动力学过程。

物质成分是地球科学的重要研究内容。地球深部物质成分的研究包括三个方面，一是研究地球的整体成分，主要使用宇宙化学和地球化学方法对各种陨石的化学成分进行研究，建立地球初始物质组成。二是研究地幔的成分，通过对高温高压下硅酸盐矿物的各种物理和化学性质的研究，并与地球物理观测相结合，获得不同圈层地幔的化学成分。三是研究地核的成分。通过将元素在核幔之间的配分和地球演化历史相结合，通过将高温高压下不同成分铁合金状态方程、波速和地震学观测相结合，获得固态内核和液态外核的化学成分。