该学科以对整个地球系统的过去、现今及未来行为的深入了解为目标。在实践中，我们常常构建地球系统[[动力学]]的简化模式，以便于检验某种时间尺度的过程或解决某些特定问题。例如，对天气系统或板块构造学进行简要图示，通过分析其中各种相互作用和过程，加以定量表示，用于检验已有理论、分析之前现象乃至预测地球环境的未来变化。

地球系统科学中时间尺度是一个关键指标。对地球上的[[生物]]存在威胁的诸如[[气候]]变化、大气成份变化，[[土地]]覆盖变化等，10年到100年的时间尺度尤为重要。由于方法的限制，传统的地质、海洋、地理科学只能基于长时间尺度或定时预测。虽然，水文、气象基于物理客观规律，但是，也只能实现以天、旬为时间尺度的预测。上述两类时间尺度的研究均未能建立走时间尺度为50年的理论体系；而生物过程的时间尺度既可以放大，也可以缩小，其时间尺度必须基于地球系统科学。

地球系统科学最早由美国国家航空与宇航管理局（NASA）1983年提出。20[[世纪]]80年代中期以来，地球科学发展迅猛，科学家明确提出物理过程与生物过程相互作用的观点，进而形成了“地球系统”思想。90年代，这一观点成为地学界共识，美、英、日等国纷纷制定相关计划，这一学科得以确立并蓬勃发展起来。1992年美国22所大学将地球系统科学教育纳入课程之内；与此同时，联合国《21世纪议程》将地球科学作为可持续发展战略的科学基础之一。

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