近年來，科學界已認知到人類對資源的大量消耗與對環境的嚴重污染破壞，是造成南極臭氧破洞、溫室效應、土壤沙漠化、生態滅絕等現象的主因。因此在國際環保事務上，出現以制定環保公約，來強制要求保護環境與生態的現象；在國際學術研究上，則出現合縱連橫的組織性跨領域、跨國界合作交流；在學校教育方面，則出現跨學門合作的學程，充份運用既有資源，協助科學家、學生探索全球變遷的現況與發展趨勢。
萌芽時期
生物圈、生物地球化學的創始人，前蘇聯著名地球化學家維爾納茨基（Vernadsky， 1863-1945），指出生物是地質營力的一部分，地圈與生物圈協同演化。他寫到：「生命並非地表上偶然發生的外部演化。相反，它與地殼構造有著密切的關聯，沒有生命，地球的臉面就會失去表情，變得像月球般木然。」
二十世紀七十年代，英國氣象學家洛夫洛克（Lovelock）認為生物與地球組成了一個類似生物的有機體，其擁有一個全球規模的自我調節系統，是一個「超級有機體」，強調生物圈對全球環境的調節作用，認為地球表面的氣候和化學成分，由生物圈維持在一個最適宜生物圈的動態平衡中，並用希臘神話中大地女神「Gaia蓋婭」命名這個控制系統。
從全球變化到地球系統科學
碳累積的基林曲線
現代氣候變化的先驅，美國斯克里普斯海洋研究所的查爾斯·大衛·基林（Charles David Keeling）於1958年，在夏威夷Mauna Loa火山頂部持續採樣，檢測大氣CO2濃度，發現CO2濃度已經由1958年的318ppm上升到目前的411ppm，是近80萬年以來CO2濃度最高值，在冰期時CO2濃度最低只有185ppm，因此這條著名的大氣CO2濃度變化曲線又名「Keeling 曲線」。他繪製了著名的基林曲線，提供了最為關鍵和令人信服的證據。CO2作為最主要的溫室氣體，是導致全球變暖的主要原因。
南極臭氧層破洞
1985年，英國科學家法曼（Farman）等人總結他們在南極哈雷灣觀測站自1975年來的觀測結果，發現從1975年以來，南極每年早春（南極10月份）總臭氧濃度的減少超過30%，在科學界引起震驚，從而使得南極臭氧層破洞問題廣受關注。1987年世界多個國家簽署《蒙特婁議定書》，1989年1月1日正式生效，1996年，氯氟烴被正式禁止生產，截至目前臭氧層已經穩定下來並逐步開始恢復。
「地球系統科學」名詞的首次提出
將地球作為整體、從圈層相互作用著眼的「地球系統科學」，源自「全球變化」的研究。20世紀８０年代為應對「臭氧層破洞」、「溫室效應」的威脅，首先由大氣科學界發起，在全球範圍內對碳循環等，進行跨越圈層的追蹤。1983年，美國國家航空航天局（NASA）建立了「地球系統科學委員會」；1986年NASA首次將地球系統科學（Earth system science）作為一個名詞提出；1988年NASA出版了「Earth System Science: A Closer View"，提出著名的布雷瑟顿（Bretherton）圖，展示了大氣、海洋、生物圈之間，在物理過程和生物地球化學循環的相互作用，標誌著「地球系統科學」的起步。
發展中的地球系統科學
國際全球變化研究計劃
自二十世紀八十年代開始，國際科學界先後發起並組織實施了以全球變化與地球系統為研究對象，由四大研究計劃組成的全球變化研究計劃，即：世界氣候研究計劃（WCRP，World Climate Research Programme）、國際地圈生物圈計劃（IGBP，International Geosphere-Biosphere Programme）、全球環境變化人文因素計劃（IHDP，International Human Dimension of Global Environmental Change Programme）、生物多樣性計劃（DIVERSITAS）。進入新世紀，四大全球環境變化計劃又聯手建立了「地球系統科學聯盟（ESSP，Earth System Science Partnership）。
未來地球計劃（Future Earth）
2014年，為應對全球環境變化給各區域、國家和社會帶來的挑戰，加強自然科學與社會科學的溝通與合作，為全球可持續發展提供必要的理論知識、研究手段和方法，由國際科學理事會（ICSU）和國際社會科學理事會（ISSC）發起、聯合國教科文組織（UNESCO）、聯合國環境署（UNEP）、聯合國大學（UNU）、貝蒙論壇（Belmont Forum）和國際全球變化研究資助機構（IGFA）等組織共同牽頭，組建了為期十年的大型科學計劃「未來地球計劃（Future Earth）」。
未來地球計劃，不但明確了重整國際全球變化研究組織的時間表和新的組織機構，更是為現有的國際全球變化四大計劃和ESSP確定了消亡路線圖和時間表。該計劃旨在為全球可持續發展提供必要的關鍵知識，打破目前的學科壁壘，重組現有的國際科研項目與資助體制，填補全球變化研究和實踐的鴻溝，使自然科學與社會科學研究成果更積極地服務於可持續發展，以應對全球環境變化所帶來的挑戰。
政府間氣候變化專門委員會（IPCC）
同時也為應對全球氣候變化及其對社會經濟的潛在影響和人類應對策略，1988年由聯合國環境規劃署（UNEP）和世界氣象組織（WMO）共同成立了政府間氣候變化專門委員會（IPCC，Intergovernmental Panel on Climate Change）。IPCC負責評審和評估全世界產生的有關認知氣候變化方面的最新科學技術和社會經濟文獻，目前IPCC有三個工作組和一個專題組。第一工作組的主題是氣候變化的自然科學基礎，第二工作組是氣候變化的影響、適應和脆弱性，第三工作組是減緩氣候變化。國家溫室氣體清單專題組的主要目標是制訂和細化國家溫室氣體排放和清除的計算和報告方法。
人類世（Anthropocene）
工業革命以來，人類活動已經逐漸成為主要的地質營力。農業耕作、城鎮化以及道路交通等建設，大大改變了原有的地表形態；化石燃料燃燒排放的溫室氣體，改變大氣圈的化學組成，對氣候系統造成了顯著影響。自1970年來，世界人口從37億人增長到76億人；全球CO2排放量從149億噸增長到368億噸；由大氣CO2升高導致的海洋酸化，導致了近海生態系統發生了退化，尤其是造礁珊瑚；全球地表溫度增加了約0.97度；海表面溫度增加了約0.6度；每十年，北極海冰消融約13.2%；全球海平面上升了14.4cm。我們比1970年，多生產了約15倍的塑料製品，海洋中總共累積了約1.5億噸的塑料垃圾。
我們認識到全球氣候變化是一個環境問題，由於人類活動對的氣候影響的關注。這種關注大多集中在化石燃料燃燒和森林砍伐的二氧化碳排放上。人類活動還產生其他溫室氣體的排放，如甲烷（來自水稻種植、牲畜、垃圾填埋場和其他來源）和氯氟烴（來自工業來源）。氣候學家毫無疑問，這些溫室氣體會影響地球的輻射平衡，氣候反應的性質和規模是研究活動的主題。來自樹環、珊瑚和冰芯的古氣候記錄表明，整個20世紀和21世紀的第一個十年都呈現出明顯的變暖趨勢。事實上，二十世紀是過去10個世紀中最溫暖的十年，2001〜10年是自現代儀器記錄保存開始以來最熱的十年。許多氣候學家指出，這種變暖模式是溫室氣體產生導致人類引起的氣候變化的明確證據。
第二類人類影響，即通過砍伐森林、植樹造林和農業改變植被，作為氣候變化的進一步來源，正受到越來越多的關注。越來越明顯的是，由於大氣的可理智和潛在的熱通量的變化以及氣候系統內能量的分佈，人類對植被覆蓋的影響可能對氣候產生局部、區域甚至全球的影響。這些因素對近期和持續氣候變化的貢獻程度是一個重要的新興研究領域。
因此有人認為，地球已逐漸進入新的地質時代：「人類世」（Anthropocene）。人類世，又稱人新世，是指地球最近的地質年代。2015年12月，全球197個國家在巴黎氣候變化大會上達成《巴黎協定》，決定共同減少全球碳排放，應對全球氣候變暖。此時地球系統科學已經牢牢地紮根在應對全球環境變化的社會需求和地球與生命科學相結合的基礎之上。
橫跨時空的地球系統科學
2001年，英、美兩國的地質學會在愛丁堡聯合舉辦了「地球系統過程（Earth System Process）」國際大會，將「全球變化」的概念上推了幾十億年，從太古代光合作用的起源，一直到近代暖池演變的氣候效應。與「全球變化」不同，這裡說的「地球系統科學」不但穿越圈層，而且橫跨時空，將「全球變化」的概念應用於地質演變，在探索圈層相互作用的同時，研究時間和空間不同規模的變化過程，揭示不同規模過程的驅動機制和相互關係。地球系統概念進入地質科學，不但是全球變化研究圈層相互作用在時間上的延伸，更標誌著地質科學進入集成研究的新時期。
未來展望
地球系統科學研究進入新的時期，人類上天、下海以及向地球深部進軍的能力逐漸增強，各類探測器漸漸遍布天空、海洋、地表及以下，建立了龐大的對地球系統狀態的觀測網絡，實時獲取地球系統各圈層要素的信息。地史學將地球系統科學的研究橫跨時空，古今過程的結合，幫助我們更好的認知地球的過去、現在和未來。同時超級電腦的出現，極快的運算速度和龐大的存儲容量，使得人們對於高度複雜的非線性地球系統的模擬有了可能，利用大數據、雲端計算等現代信息技術處理分析數據，建立模型，推進著地球系統科學的發展。
專欄屬作者個人意見，文責歸屬作者，本報提供意見交流平台，不代表本報立場。
