地球系統(tǒng)科學(xué)是把地球看成一個(gè)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(huì)等組成部分構(gòu)成的統(tǒng)一系統(tǒng)，是一門重點(diǎn)研究地球各組成部分之間相互作用的科學(xué)。研究目的是了解地球系統(tǒng)所涉及的過(guò)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(zhì)災(zāi)害，調(diào)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(duì)整個(gè)地球系統(tǒng)的科學(xué)理解。
地球系統(tǒng)科學(xué)的研究步驟由四部分構(gòu)成：現(xiàn)象的觀測(cè)和數(shù)據(jù)的積累；對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋，從物理、化學(xué)和生物學(xué)的規(guī)律出發(fā)，建立有關(guān)地球過(guò)程的定量關(guān)系；在前兩項(xiàng)的基礎(chǔ)上建立概念模型和數(shù)學(xué)（數(shù)值）模型（和實(shí)驗(yàn)）；驗(yàn)證模型，并用它對(duì)未來(lái)的變化趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)。
隨機(jī)性是復(fù)雜地球系統(tǒng)的重要特征之一。若地球系統(tǒng)中一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)演化可用一個(gè)隨時(shí)間變化的隨機(jī)變量來(lái)描述，則稱該系統(tǒng)為一隨機(jī)過(guò)程。自組織是地球系統(tǒng)科學(xué)的一個(gè)重要概念，它是地球復(fù)雜系統(tǒng)演化時(shí)出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。在地球系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空間、時(shí)間或功能的結(jié)構(gòu)過(guò)程中，如果沒(méi)有外界的特定干擾，僅是依靠地球系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用來(lái)達(dá)到的，便可以說(shuō)地球系統(tǒng)是自組織的。地球系統(tǒng)科學(xué)從系統(tǒng)局部與整體的關(guān)系出發(fā)來(lái)研究地球系統(tǒng)，簡(jiǎn)單地球巨系統(tǒng)是研究的基礎(chǔ)和起點(diǎn)，運(yùn)用地球系統(tǒng)自組織理論來(lái)研究簡(jiǎn)單巨系統(tǒng)，使對(duì)這一類地球系統(tǒng)有個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。
地球系統(tǒng)科學(xué)研究的對(duì)象是從簡(jiǎn)單性和簡(jiǎn)單系統(tǒng)轉(zhuǎn)向復(fù)雜性和復(fù)雜系統(tǒng)，要求在方法論上實(shí)現(xiàn)根本轉(zhuǎn)變。概括地說(shuō)，凡是不能用還原論方法處理的問(wèn)題，或者需要用新的科學(xué)方法處理的問(wèn)題，都是復(fù)雜性問(wèn)題，復(fù)雜巨系統(tǒng)就是這類問(wèn)題。因此，在面對(duì)復(fù)雜的地球系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)，總是設(shè)法把復(fù)雜性簡(jiǎn)化掉，即把復(fù)雜性當(dāng)作簡(jiǎn)單性處理。當(dāng)對(duì)象是典型的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，或者屬于不夠典型的復(fù)雜性問(wèn)題時(shí)，這樣處理是可行的或近似可行的。這也是地球系統(tǒng)復(fù)雜性研究的主要理論基礎(chǔ)。
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