地球系統(tǒng)指由大氣圈、水圈、陸圈（巖石圈、地幔、地核）和生物圈（包括人類）組成的有機整體。地球系統(tǒng)科學就是研究組成地球系統(tǒng)的這些子系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互作用中運轉的機制，地球系統(tǒng)變化的規(guī)律和控制這些變化的機理，從而為全球環(huán)境變化預測建立科學基礎，并為地球系統(tǒng)的科學管理提供依據(jù)。地球系統(tǒng)科學研究的空間范圍從地心到地球外層空間，時間尺度從幾百年到幾百萬年。
地球系統(tǒng)科學是從傳統(tǒng)的地球科學脫胎而來的。人類的生活要從環(huán)境中獲取食物、能源，故必然關心所居住的環(huán)境，對所立足的地球產(chǎn)生求知欲，于是逐漸形成了地球科學的各分支，如氣象學、海洋學、地理學、地質(zhì)學、生態(tài)學等。然而，它們是對地球的某一組成部分的分門別類的研究。隨著研究的深入，形成了各自的研究方法、手段和目的。但是，由于地球的空間廣域性，形成它的時間悠久性和組成其要素的復雜性，分門別類的研究盡管有的學科已達定量、半定量化的研究水平，但仍不能完整地認識地球,傳統(tǒng)地學面臨著挑戰(zhàn)。用系統(tǒng)的、多要素相互聯(lián)系、相互作用的觀點去研究、認識地球，越來越為有識之士所倡導。于是，在20世紀80年代中期，特別以美國地球系統(tǒng)科學委員會
（Earth System Sciewce Committee）在1988年出版的《地球系統(tǒng)科學》一書為標志的“地球系統(tǒng)科學”思想和概念被明確提出。事實上，本世紀六七十年代在中國興起的對自然地理各要素進行綜合研究的思想，可以看作是（表層）地球系統(tǒng)科學的萌芽。只是后者涉及的范圍、領域更廣，時間更長，系統(tǒng)的方法和現(xiàn)代技術手段更加先進完善而已。
地球系統(tǒng)科學是應人類面臨的根本生存環(huán)境危機---全球變化的嚴峻挑戰(zhàn)而興起，在近年諸多高新技術在地學上的應用研究而促進其發(fā)展，它反映了現(xiàn)代人類對人－自然界關系的哲學理念。但是，概念盡管已提出，行動卻尚有不少困難。首先就是面對這個復雜的開放的巨系統(tǒng)，如何能適時地、多周期地獲取系統(tǒng)多參數(shù)的海量數(shù)據(jù)？同時，又如何對海量數(shù)據(jù)進行整合、集成以及選取合適的參數(shù)進行數(shù)學建模？模型又如何能適時地檢驗？如何對全世界成千上萬的地學實驗室、科研機構、大專院校的科學研究和獲取的寶貴數(shù)據(jù)能進行共享、交換？這些問題均有待解決。地球系統(tǒng)科學又面臨困境。幸運的是，地球系統(tǒng)科學由于現(xiàn)代工程技術科學的參與與支持，將出現(xiàn)一場新的技術革命。數(shù)字地球就是這場技術革命的集中體現(xiàn)，它有望給地球系統(tǒng)科學帶來研究方法，手段的革命性變化。
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