地球系统是指由大气圈，水圈，陆圈（岩石圈，地幔，地核）和生物圈（包括人类）组成的有机整体。地球系统科学就是研究组成地球系统的这些子系统之间相互联系，相互作用中运转的机制，地球系统变化的规律和控制这些变化的机理的一门科学，它可为全球环境变化预测建立科学基础，并为地球系统的科学管理提供依据。
一、地球系统科学的演化与产生
1.起源（1970年代以前）
苏格兰地质学家JamesHutton(1726--1797)尊称为“现代地质学之父”(Thefatherofmoderngeology)。他的代表性著作1788年出版的《地球理论》(TheoryoftheEarth)。
19世纪，德国地理学家、博物学家亚历山大·冯·洪堡奉行的是一套整体式的治学观——将艺术、历史、诗歌、政治等，与事实数据融为一体的方法。“自然是一个有机的整体”，洪堡说，“它不是僵死的拼合之物”。这成为了洪堡的核心理念。这革新了人类看待自然世界的方式。跟随洪堡形成的洪堡式科学，为科学发展做出了重要贡献，其中的一个重要概念“系统论”就是在其基础上发展形成的。
1926年，生物圈、生物地球化学的创始人，前苏联著名地球化学家维尔纳茨基(1863-1945)，指出生物是地质营力的一部分，地圈与生物圈协同演化。他写到：“生命并非地表上偶然发生的外部演化。相反，它与地壳构造有着密切的关联，没有生命，地球的脸面就会失去表情，变得像月球般木然。”
20世纪中叶，随着各学科的快速发展和各种观测手段技术的提高，科学开始国际化。特别是1957-1958年的国际地球物理年（IGY），整合了67个国家开展了对地球圈层的研究，特别是冰川学，海洋学和气象学。IGY改变了过去认识地球的方法，基于实地观测的解释性，定性研究被现场检测仪器，连续多变量定量化检测和数值模拟所取代。产生了两个构建当代地球科学的体系：现代气候学和板块构造学。
生态与环境科学的迅速发展，生态系统生态学也随之而生，特别是1964-1974年开展的国际生物计划（IBP），共有97个国家参入，是迈向生态学全球研究的重要一步，也为认识生物圈在整个地球系统运行中的作用奠定了基础。
人们对于环境问题的认知不断加强。
1962年，美国海洋生物学家蕾切尔·卡逊的《寂静的春天》出版，引发了公众对环境问题的注意，将环境保护问题提到了各国政府面前。
1972年联合国人类环境会议上，由英国经济学家B.沃德和美国微生物学家R.杜博斯作的“只有一个地球”演讲，从整个地球的发展前景出发，从社会、经济和政治的不同角度，评述经济发展和环境污染对不同国家产生的影响，呼吁各国人民重视维护人类赖以生存的地球。
臭氧消耗和气候变化的第一次警报。英国科学家通过观测首先发现，在地球南极上空的大气层中，臭氧的含量开始逐渐减少，尤其在每年的9-10月(这时相当于南半球的春季)减少更为明显。
美国的德内拉·梅多斯、乔根·兰德斯、丹尼斯·梅多斯等发表的《增长的极限》，提出了由于资源枯竭和环境污染，经济增长会受到限制，描述了低碳经济，生态足迹等，对传统的思维方式和行为模式提出了挑战，是系统思考问题的典范之作。
1972年12月7日发表的“蓝色地球”图像，更突出了研究应将地球作为一个整体，并且强调了其脆弱性。
特别是1972年英国气象学家洛夫洛克提出了“盖亚（Gaia)”的概念，认为生物与地球组成了一个类似生物的有机体，其拥有一个全球规模的自我调解系统。强调了生物圈对全球环境的影响，由生物圈维持在一个最适宜生物圈的动态平衡中。并用希腊神话中的大地女神“Gaia”命名。
这些都让人们对地球有了新的认识，挑战了先前关于地球的地球物理学概念，改变了人们对环境和自然的看法，从而为地球系统科学的产生提供了条件。
2.产生（1980年代）
人们越来越认识到人类活动导致的臭氧层损耗和气候变化等全球变化，于是提出建立一门新的“地球科学”，其将地球视为一个统一整体（即地球系统）。
1983年，美国国家航空航天局（NASA）成立了地球系统科学委员会，1986年NASA首次提出地球系统科学（Earthsystemscience），1988年NASA出版了“EarthSystemScience：ACloserView”,提出了著名的“Bretherton图”，展示了大气，海洋，生物圈之间，在物理过程和生物地球化学循环的相互作用，标志着”地球系统科学“的起步。
该结构图是第一个系统-动力学展示，通过一系列复杂的外部条件和反馈将物理学的气候系统与生物-地球-化学循环耦合在一起。人类通过三种作用（二氧化碳排放，污染物排放和土地使用变化）及其影响，构成了一个单独的单元，与地球系统其他部分相连。该结构图也将连接地球系统各组成部分相互作用的物理，化学和生物过程可视化，并且认识到人类活动是系统变化的重要驱动力，代表了ESS的快速发展的领域。
鉴于研究对象的性质，ESS应该是跨学科的，并具有国际性。ESS研究全球现象，其重点是理解物理，化学和生物过程之间的多系统交互。这对把不同学科整合起来研究整个地球系统提出了重大挑战。
国际科学理事会（ICSU）与1986年设立的国际地圈-生物圈计划（IGBP）解决了国际合作和学科融合问题。为了研究地球系统的物理气候部分，后引入了成立于1980年的世界气候研究计划（WCRP）。IGBP最初是围绕地球系统生物地球化学方面建立的核心项目：大洋碳循环，陆地生态系统，大气化学，水循环等。其中两个特别重要的项目是全球以往变化（PAGES），全球分析，集成和建模（GAIM），都具有鲜明的多科学融合特点。此外，IGBP还开发了专门的数据和信息系统（DIS）。
ESS从孤立过程的研究转变为过程相互作用的研究，越来越多的全球观测，分析和建模，促进了从跨学科研究到超学科研究的转变。ESS具有不同认识论框架，采用来自不同学科的基本构件和方法论来处理高度复杂的问题。
1987年2月，在日本东京召开的第八次世界环境与发展委员会上通过了《我们共同的未来》的报告。人们对全球变化的政治理念有了新的认识，对可持续发展日益重视，认为IGBP的设计应该提供更具有政策导向的科学知识，并产生了初步的分支。人们对于全球变化的认识日益加深，以跨学科研究方法的迅速发展为基础，ESS已成为一个新的强有力的科学领域。
3.走向全球（1990年代--21世纪初）
1996年，国际全球环境变化人文因素计划（IHDP）创立，为探索驱动地球系统变化的人类因素以及对人类和社会福祉影响的社会科学研究提供了一个全球平台。这些全球性的国际研究计划，为不同学科科学家的协作提供了“工作空间”，21世纪初，随着新兴的可持续概念，催生了可持续发展的科学。
20世纪90年代后期，H.J.Schellnhuber介绍并发展了ESS的两个基本观点：行星尺度上自然和人类文明之间动态共同演化关系，以及地球系统共同演化空间中发生大灾难的可能。第一个观点提供了将人类动力学充分纳入地球系统的概念框架。第二个观点认为，全球变化可能不会以地球系统运转线性变化的形式展现出来，相反，人类压力可能会引发系统发生迅速而不可逆转的改变，从而进入对人类福祉具有灾难性影响的状态。
1999-2003年，IGBP加快了从单个项目的集成到更加整合的转变，1999年的IGBP大会是实现这一整合的关键。发起了IGBP综合项目，并于2001年召开了一次重要的国际会议。综合项目出版的《全球变化与地球系统》是全球变化研究的集大成者，还为《阿姆斯特丹宣言》提供了科学依据，强调了支撑有关人类世新概念研究的重要性。
2001年IGBP，WCRP，IHDP，DIVERSITAS共同主办了“变化中的地球挑战”会议。介绍了阿姆斯特丹宣言，启动建立了地球系统科学联盟（ESSP）。旨在将基础性的ESS与对人类福祉至关重要的议题（食物，水，健康，碳，能量）联系起来。
与此同时，ESS也加强了与全球可持续性团体的整合，使得IGBP将“地球系统”定义为一系列相互关联的物理，化学，生物和人类过程，这些过程以复杂，动态的方式在系统内循环（运输和转换）物质和能量。其强调了两点：第一，对其运行而言，系统内部包括生物过程在内的强作用力和反馈，与外部驱动力同等重要；第二，人类活动是系统运行不可分割的一部分。1990-2015年，ESS从一个具有挑战性的愿景转变成为一门强大的新科学，并能有效整合一系列学科，认识地球所有的复杂性。
4.当代地球系统科学（2015年以后）
此时，ESS已经比较成熟，开始在更高层次整合的基础上进行重大机构重整。IGBP，IHDP和DIVERSITAS在2015年合并到新计划“未来地球”中，旨在通过研究和创新加速向全球可持续性转变。该计划以早期地球变化方案的研究为基础，一开始就与管理部门和私营企业密切合作，共同设计和研究面向更加可持续的未来新知识。WCRP继续与一些IGBP核心项目合作。如国际全球大气化学计划（IGAC），PAGES和ESSP全球碳项目等等。
许多研究中心都将工作转向ESS和全球可持续性的研究，著名的有德国波茨坦气候影响研究所（PIK），美国国家大气研究中心（NCSA），斯德哥尔摩复原中心（SRC）和国际应用系统分析研究所（IIASA）。世界范围内许多大学也出现了跨学科的ESS项目。快速发展的数字通讯技术将这些机构和许多其他研究机构联系在一起，共同推动了全球ESS的发展。
地球系统科学（ESS）发展脉络图
二地球系统科学的研究方法
1观测和实验
自下而上的一个典型的例子是全球海洋观测系统（GOOS），围绕越来越多的自主平台而创建，比如不断收集和传输海洋数据的Argo浮标。还有全球长期通量观测网络（FLUXNET），可以测量地表和大气之间的能量和气体通量，以及主要生态系统土壤中的根深。这种过程级的研究为产生动态地球系统模式的基础动力学提供了重要认识，从而对遥感观测进行了补充。
前瞻式实验，如大尺度实验能探究未来某些地球系统的子系统对人类外力驱动或者干预活动的响应。例如，大量实验研究铁的富集效应，模拟利用大洋降低大气圈内二氧化碳的前景。陆地上，二氧化碳（长久以来生态系统已经持续高排放）富集实验探究生态系统对大气变化的响应，以及全球变暖实验探究未来气候。这些实验补充了数字建模和古环境研究的工作，提高了对地球系统将来数十年乃至数百年演化以及人类活动给地球系统带来的变化风险的认识。
2.地球系统模拟
数学模型是ESS研究的关键部分。从概念模型或简化模型开始，阐明了地球系统中的重要过程。特征或反馈，往往借鉴了复杂性科学的原理。例如20世纪60年代，简单的能量平衡模型描述了冰反射率反馈是如何潜在地推动地球进入另一种“雪球”稳定状态的。20世纪80年代的Daisyworld模型进一步表明，生命及其与环境之间的反馈过程可能会导致全球范围内的温度调节。
更复杂的地球系统模型（全球大气环流模型（GCMs）也已经发展起来。GCMs以气候系统的基础物理化学为基础，包括地球表面（陆地，海洋，冰，生物圈）与大气之间的能量和物质交换。它们受到温室气体和气溶胶的影响，可提供未来气候及其影响的可能轨迹，这一轨迹可由政府间气候变化专门委员会（IPCC）进行评估，并用于提供政策和治理信息。然而，长期的GCMs预测存在相当大的不确定性，会受到相互作用的影响，这些反馈作用和过程是参数化的，容易被忽略，或无法充分约束。此外，GCMs未将人类动力学作为模型中一个完整，交互的组成部分，反而将其当作一种干扰生物-地球-物理地球系统的外力。
人类动力学属于综合评估模型（IAMs）领域，该模型通常将复杂程度不同的经济模型与复杂程度较低的气候模型结合起来。IAMs有许多用途，例如模拟特定气候稳定政策的成本，基于一系列潜在的政策探索气候风险和不确定性，为特定的气候目标确定最佳政策，并对耦合系统的反馈提供更普遍的认识。此外，IAMs提供了关于未来温室气体和气溶胶排放的关键信息，这些信息可以用来推动GCM模模拟。然而，IAMs的经济成分很少与GCMs交互结合起来。建立一个完整的地球系统模型。麻省理工学院的全球系统综合明显（IGSM），将可计算的一般均衡经济模型（CGME）与详细的GCM结合起来。
ESS研究群体模拟工具的多样性在研究工作中起着核心作用。模型的最具有价值的方面可能是作为观测站整合工具，将快速增长对于单个过程的认识带入了统一框架中，并产生了新观点和假说，最重要的是模型-观测交互式联系是对我们理解地球系统如何工作的最终检验。
3.评估与综合研究
2001-2005年的千年生态系统评估（MEA），主要记录生物圈情况，重点是人为压力和生物圈可能的未来。开创性和跨学科的科学综合研究直接促使政府间生物多样性和生态系统服务科学-政策平台（IPBES）的创立，提供了不同尺度环境，保护和生态系统服务科学-政策的平台，还发表了重要的评估报告。综合研究也是IGBP和其他全球变化研究工作的重要组成部分。例如，全球碳计划（GCP）提供了年度碳预算，整合了不断增长的碳循环知识体系及其如何受人类活动影响。
三、地球系统科学催生的新概念
随着各种工具和方法的快速发展，ESS催生了新的概念和理论，改变了我们对于地球系统的理解。
尤其是人类作为变化的驱动者所扮演的重要角色。最具影响力的是由P.J.Crutzen提出的“人类世”（Anthropocene）概念，用来描述人类成为一个非常强大的统一概念，将气候变化，生物多样性丧失，污染和其他环境问题，以及诸如高消费，日益加剧的不平等和城市化等社会问题置于同一框架内。
在社会科学和人文科学中，人类世被视为一种崭新的整体架构，体现了复杂的人类动力学及其与自然系统的相互作用。它围绕着不同国家和人民对于人类世的不平等责任的重要性进行讨论，还凸显了人类世在地质学层面上的影响和人类实现全球性可持续发展的挑战。重要的是，人类世正在为自然科学，社会科学和人文科学的深度融合奠定了基础，并且通过研究人类世的起源及其潜在的未来轨迹，为可持续科学发展做出贡献。
“翻转成员”（tippingelement）是又一个源于ESS的概念。它描述了地球系统的重要特征，其不是线性关系，反而显示强烈的非线性特征，有时是不可逆的阈值突变行为。临界元素包括重要的生命群落，主要环流系统，大型冰川等。最新的研究聚焦在翻转成员之间的因果耦合（通过温度变化，降水模式，海洋和大气环流）及其突变串联的潜力。其串联可提供动力过程，推动地球系统从一种状态过渡到另一种状态，成为有效的行星尺度阈值。翻转成员及其串联的研究突出了气候变化，生物圈退化以及整个地球系统不稳定的终极危险。现在比较明确的有以下17个翻转成员：北极海冰，格陵兰冰盖，同生冻土，海洋甲烷水合物，喜马拉雅冰川，西南极冰盖，大西洋热盐环流，北美西南部干旱，印度夏季风，西非季风，ENSO变化，北半球（北美）森林枯萎，冷水珊瑚礁，北半球（欧亚大陆）森林枯萎，亚马孙雨林枯萎，热带珊瑚礁，南大洋海洋生物碳泵等。
还有一个概念是行星边界框架（planetaryboundarisframework），将对地球的生物-物理学理解（状态，通量，非线性，翻转成员）与全球性的政策和社区管理联系起来。行星边界框架围绕九个地球系统过程建立，共同描述了地球系统状态，包括气候变化，生物多样性丧失，生物地球化学流动（氦循环，磷循环），平流层臭氧消耗，海洋酸化，淡水利用，土地使用情况变化，大气气溶胶负载和化学污染（新实体引入）等九个边界。指示人类扰动程度，人类扰动程度可被地球系统吸收同时保持一个稳定的，类全新世的状态（人类的“安全操作空间”），这是我们所知道的唯一能够支持农业，聚落，城市以及复杂人类社会的状态。虽然目前框架是静态的，因为边界被单独考虑，但未来概念的发展将模拟边界之间的相互作用，将整个地球系统动力学整合到行星边界框架中。
四、未来发展方向
20世纪早中期，ESS的出现源于地球的概念化，强调地球的系统特性，认为生命对地球的化学和物理性质有较强的影响，地球作为一个单独有机体，具有自我调节的过程和反馈以维持自身平衡。随后ESS迅速发展，20世纪80年代的“地球新科学”运动，到IGBP等国际项目的全球研究工作。观测活动，地球系统模型和周期性综合研究为科学发展提供了动力。21世纪，“人类世”的提出，不仅挑战了科学界，也挑战了人类自身。ESS目前面临两个关键的挑战：第一，地球系统稳定性和弹性如何？翻转成员的串联会产生一个全球性的临界点吗？系统中是否存在威胁人类福祉的可达状态？第二，我们如何更好地了解人类社会动态？ESS对人类世综合地圈-生物圈-人类圈轨迹的理解或引领有何贡献？
生物-地质-物理学界不断强化研究地球系统的非线性特征，翻转点的相互作用与串联以及潜在的行星尺度阈值和状态变化，从而解决第一项挑战，然而，第二项挑战需要付出更大的努力，我们对地球系统的认识在很大程度上仍然局限于生物-地质-物理动力学成分。最大的挑战是将社会科学和人文科学中的人类动力学与生物-物理动力学充分结合起来，以建立一个真正统一的ESS。下图突出了这一挑战，其中包括了人类圈，地圈和生物圈。人类圈是地球系统整合和相互作用的一个组成部分。各圈之间的作用力和反馈，包括涉及人类圈的心理-社会反馈，描述了整个地球系统的运转。
ESS的人类维度必须远远超出经济模型（IAMs），并包含更深层次的人类特征，这些特征充分体现了我们的核心价值观，以及我们如何看待我们与地球系统其他部分的关系。虽然难以评估这些基本的人类特征是否包含在大尺度计算模型中，但是中等复杂地球系统模型（EMICs）可能提供了第一个框架，在这个框架中这种计算性的“大整合”是可以尝试的。
地球系统的详细系统图
该图受到Bretherton结构图的启发，但是将人类（人类圈）当作一个充分整合，相互作用的领域。人类圈的内部动态被描述为一个由能源系统驱动和人类社会调节的生产消费核。该核受其文化，价值观，制度和知识的影响。人类世和地球系统其他部分之间的相互作用是双向的。人类温室气体排放，资源开采和污染物带来的影响通过地圈-生物圈系统产生反馈。对人类圈的反馈也很重要，包括气候变化和生物圈退化的直接影响，以及来自地球系统其余部分和人类圈内部的心理-社会反馈。
复杂适应性系统的概念可用于理解生物圈和人类文化的共同演化，并构建模拟工具。这些方法也可以为制定人类世的政策和管理提供重要指导。尽管长期以来，被ESS的主流物理学观点所忽视，但理解这些人类驱动作用对掌控系统未来轨迹所需的有指导系统是至关重要的。
未来技术对ESS也非常重要。高速计算，数字化，大数据，人工智能和机器学习的出现，使得我们几乎可以实时感知，处理和解释大量数据。这种新能力为不断理解地球系统重要过程，其相互作用和非线性行为，尤其是人类圈对整个系统的影响，奠定了基础。随着这些工具的进一步发展，我们不仅能更多地了解地球，而且能更多地了解我们自身，社会和治理系统，以及我们的核心价值观和愿望。
为应对挑战，ESS必须更深入地整合大量研究工具，方法和理念，全球化的ESS研究成为一个基本的且不可避免的事实。人类现在是推动地球系统发展的主要力量：我们已不再是“大行星上的小世界”，而是“小行星上的大世界”。
五、我国地球系统科学现状及对策
随着我国的不断高速发展，各项科技能力有了日新月异的提高。地球系统科学人才队伍的数量和质量都有了很大的提高，发表了许多地球系统科学的论文，参与了多项大型的国际合作项目，也自主开展了许多地球系统科学的项目，取得了一系列显著的成就。
特别是如下技术成果的取得，为我国地球系统科学的快速发展提供了条件。
卫星技术的高速发展，风云气象卫星，遥感系列卫星，资源卫星，科学实验系列卫星，海洋卫星，吉林一号系列商用卫星等等。
科学深钻也取得很大进展。如中国大陆科学钻探(CCSD)之亚洲第一井(江苏省东海县)。亚洲国家实施的最深大陆科学钻井之松科二井。国际大陆钻探计划(ICDP)之青海湖国际环境钻探项目。中国地球深部探测技术与实验研究专项(SinoProbe)等。
大洋深潜探测成果累累。蛟龙号载人潜水器，海斗1号无人潜水器及各种类科考测量船等投入使用。
北斗定位系统的建成并商用。
载人空间站的组建。
”天眼“等各类型先进天文望远镜的建成使用。
5G，IPV6，云计算，物联网，人工智能，VR，AR等通讯，互联网技术的广泛使用。
超级计算机及其配套软件的快速发展。可视化技术也越来越成熟。
数字地球项目的投入使用。如“十二五”国家重大科技基础设施——地球系统数值模拟装置于今年3月通过了工艺验收。
这些都为我国地球系统科学的发展提供了良好的基础。
在地球系统科学的范畴内建立新的地学科学理论，也是打开创新思路的必要条件。我们应抓紧培养具有地球系统科学思维的新一代地球科学家队伍，需要创新思路，加速地球科学与社会科学及人文科学的融合，理解生命（包括人类）在地球科学中的重要地位，站在更高的层次来理解地球科学的发展。应在国家层面上培养和扶持一批高水平的人才成为顶尖的地球系统科学家，为国家可持续发展及”碳达峰“，”碳中和“等政策的制定和执行提供可靠的科学依据，在国际上发出中国强有力的声音，以掌握国家发展的主动权。同时，加强地球系统科学的专业教育，提高我国国民的地球系统科学知识，为地球系统科学队伍的建设打好基础。
虽然现阶段与世界先进水平有一定的差距，特别是在学科的引领方面有着较大的差距，但我们相信，经过我国地球系统科学工作者上下一起努力，一定会对地球系统科学的发展做出我们的贡献，为人类可持续发展提供可行的发展道路。