地球系統(tǒng)科學是把地球看成一個由相互作用的地核、地幔、巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈和人類社會等組成部分構成的統(tǒng)一系統(tǒng)，是一門重點研究地球各組成部分之間相互作用的科學。研究目的是了解地球系統(tǒng)所涉及的過程，各組成部分之間的聯(lián)系和相互作用，維持充足的自然資源供給，減輕地質災害，調節(jié)全球環(huán)境變化并使危害降到最小，獲取在全球尺度上對整個地球系統(tǒng)的科學理解。
地球系統(tǒng)科學的研究步驟由四部分構成：現(xiàn)象的觀測和數據的積累；對觀測數據進行分析和解釋，從物理、化學和生物學的規(guī)律出發(fā)，建立有關地球過程的定量關系；在前兩項的基礎上建立概念模型和數學（數值）模型（和實驗）；驗證模型，并用它對未來的變化趨勢進行統(tǒng)計預測和預報。
隨機性是復雜地球系統(tǒng)的重要特征之一。若地球系統(tǒng)中一個系統(tǒng)的狀態(tài)演化可用一個隨時間變化的隨機變量來描述，則稱該系統(tǒng)為一隨機過程。自組織是地球系統(tǒng)科學的一個重要概念，它是地球復雜系統(tǒng)演化時出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。在地球系統(tǒng)實現(xiàn)空間、時間或功能的結構過程中，如果沒有外界的特定干擾，僅是依靠地球系統(tǒng)內部的相互作用來達到的，便可以說地球系統(tǒng)是自組織的。地球系統(tǒng)科學從系統(tǒng)局部與整體的關系出發(fā)來研究地球系統(tǒng)，簡單地球巨系統(tǒng)是研究的基礎和起點，運用地球系統(tǒng)自組織理論來研究簡單巨系統(tǒng)，使對這一類地球系統(tǒng)有個基本的認識。
地球系統(tǒng)科學研究的對象是從簡單性和簡單系統(tǒng)轉向復雜性和復雜系統(tǒng)，要求在方法論上實現(xiàn)根本轉變。概括地說，凡是不能用還原論方法處理的問題，或者需要用新的科學方法處理的問題，都是復雜性問題，復雜巨系統(tǒng)就是這類問題。因此，在面對復雜的地球系統(tǒng)問題時，總是設法把復雜性簡化掉，即把復雜性當作簡單性處理。當對象是典型的簡單系統(tǒng)，或者屬于不夠典型的復雜性問題時，這樣處理是可行的或近似可行的。這也是地球系統(tǒng)復雜性研究的主要理論基礎。
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