วิทยาศาสตร์ระบบโลก ( ESS ) คือการประยุกต์ใช้วิทยาศาสตร์ระบบกับโลก^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วิทยาศาสตร์ ระบบโลกจะพิจารณาปฏิสัมพันธ์และ 'ผลตอบรับ' ผ่านการไหลของวัสดุ ^และพลังงานระหว่างวัฏจักร กระบวนการ และ "ทรงกลม" ของระบบย่อยของโลก ได้แก่บรรยากาศอุทกภาคธารน้ำแข็ง [ ^{5 ]}ธรณีภาค ดินภาคธรณีภาคชีวภาค [ ^{6 ]}และแม้กระทั่งสนามแม่เหล็กโลก^{[ 7 ]}รวมถึงผลกระทบของสังคมมนุษย์ต่อองค์ประกอบเหล่านี้[ 8 ^{]ในระดับ}ที่กว้างที่สุด วิทยาศาสตร์ระบบโลกจะรวบรวมนักวิจัยจากทั้ง วิทยาศาสตร์ ธรรมชาติและสังคมศาสตร์จากสาขาต่างๆเช่นนิเวศวิทยาเศรษฐศาสตร์ภูมิศาสตร์ธรณีวิทยาธาร^{น้ำแข็ง}วิทยาอุตุนิยมวิทยาสมุทรศาสตร์ภูมิอากาศวิทยาบรรพชีวินวิทยาสังคมวิทยาและวิทยาศาสตร์อวกาศ^{[ 9 ]}เช่นเดียวกับวิชาระบบวิทยาศาสตร์ในวงกว้าง วิทยาศาสตร์ระบบโลกถือว่ามีมุมมองแบบองค์รวม เกี่ยวกับการปฏิสัมพันธ์แบบไดนามิกระหว่าง ทรงกลมของโลกและฟลักซ์และกระบวนการย่อยต่างๆ ของระบบเหล่านั้น การจัดระเบียบเชิงพื้นที่และวิวัฒนาการตามเวลาของระบบเหล่านี้ ตลอดจนความแปรปรวน ความเสถียร และความไม่เสถียรของระบบเหล่านั้น^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] สาขา ย่อยของ วิทยาศาสตร์}ระบบโลก ได้แก่ธรณีวิทยาระบบ^{[ 13 ] [ 14 ]}และนิเวศวิทยาระบบ [ ^{15 ]}และหลายแง่มุมของวิทยาศาสตร์ระบบโลกเป็นพื้นฐานสำหรับวิชาภูมิศาสตร์กายภาพ^{[ 16 ] [ 17 ]}และวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศ [ ^{18 ]}

ศูนย์ทรัพยากรการศึกษาด้านวิทยาศาสตร์วิทยาลัยคาร์ลตันเสนอคำอธิบายดังต่อไปนี้: "วิทยาศาสตร์ระบบโลกครอบคลุมเคมี ฟิสิกส์ ชีววิทยา คณิตศาสตร์ และวิทยาศาสตร์ประยุกต์ โดยก้าวข้ามขอบเขตทางวินัยเพื่อพิจารณาโลกเป็นระบบแบบบูรณาการ มุ่งเน้นความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพ เคมี ชีววิทยา และมนุษย์ ที่กำหนดสถานะในอดีต ปัจจุบัน และอนาคตของโลก วิทยาศาสตร์ระบบโลกเป็นพื้นฐานทางกายภาพสำหรับการทำความเข้าใจโลกที่เราอาศัยอยู่และที่มนุษยชาติพยายามบรรลุความยั่งยืน" ^{[ 19 ]}

วิทยาศาสตร์ระบบโลกได้ระบุลักษณะสำคัญโดยรวม 4 ประการของระบบโลก ซึ่งได้แก่:

1. ความแปรปรวน: รูปแบบและลักษณะการเปลี่ยนแปลงตามธรรมชาติของระบบโลกในมิติของเวลาและอวกาศหลายอย่างอยู่นอกเหนือประสบการณ์ของมนุษย์ เนื่องจากความเสถียรของยุคโฮโลซีนที่ผ่านมา ดังนั้นวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับระบบโลกส่วนใหญ่จึงอาศัยการศึกษาพฤติกรรมในอดีตของโลกและแบบจำลองเพื่อคาดการณ์พฤติกรรมในอนาคตที่ตอบสนองต่อแรงกดดันต่างๆ
2. ชีวิต: กระบวนการทางชีวภาพมีบทบาทสำคัญต่อการทำงานและการตอบสนองของระบบโลกมากกว่าที่เคยคิดไว้ ดูเหมือนว่ามันจะเป็นส่วนสำคัญของทุกส่วนของระบบโลก
3. การเชื่อมต่อ: กระบวนการต่างๆ เชื่อมโยงกันในรูปแบบและระดับความลึก รวมถึงระยะทางด้านข้างที่ไม่เคยมีมาก่อนและไม่สามารถจินตนาการได้
4. ไม่เป็นเชิงเส้น: พฤติกรรมของระบบโลกนั้นมีลักษณะที่ไม่เป็นเชิงเส้นอย่างมาก ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันอาจเกิดขึ้นได้เมื่อการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยใน 'ฟังก์ชันบังคับ' ผลักดันระบบให้ข้าม ' จุดวิกฤต '

เป็นเวลาหลายพันปีแล้วที่มนุษย์คาดเดาถึงการรวมกันขององค์ประกอบทางกายภาพและสิ่งมีชีวิตบนพื้นผิวโลก โดยมักมีการสันนิษฐานว่าเทพเจ้าและเทพธิดาเป็นตัวแทนขององค์ประกอบเฉพาะต่างๆ แนวคิดที่ว่าโลกเองก็มีชีวิตเป็นหัวข้อปกติของปรัชญาและศาสนากรีก^{[ 20 ]}

การตีความทางวิทยาศาสตร์ในยุคแรกเกี่ยวกับระบบโลกเริ่มต้นในสาขาธรณีวิทยาโดยเริ่มแรกในตะวันออกกลาง^{[ 21 ]}และจีน^{[ 22 ]}และส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่แง่มุมต่างๆ เช่นอายุของโลกและกระบวนการขนาดใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับ การก่อตัวของ ภูเขาและมหาสมุทรเมื่อธรณีวิทยาพัฒนาขึ้นเป็นวิทยาศาสตร์ความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ของแง่มุมต่างๆ ของระบบโลกก็เพิ่มมากขึ้น นำไปสู่การรวมปัจจัยต่างๆ เช่นภายในโลกธรณีวิทยาของดาวเคราะห์ระบบสิ่งมีชีวิตและโลกที่คล้ายโลก

ในหลายแง่มุม แนวคิดพื้นฐานของวิทยาศาสตร์ระบบโลกสามารถพบได้ในปรัชญาธรรมชาติของอเล็กซานเดอร์ ฟอน ฮุมโบลต์ นักภูมิศาสตร์ในศตวรรษที่ 19 [ 23 ^{]ในศตวรรษ}ที่ 20 ว ลาดิมีร์ เวอร์นาดสกี (1863–1945) มองว่าการทำงานของชีวภาคเป็นแรงทางธรณีวิทยาที่สร้างความไม่สมดุลแบบไดนามิก ซึ่งส่งเสริมความหลากหลายของสิ่งมีชีวิต

ในขณะเดียวกัน สาขาวิทยาศาสตร์ระบบก็กำลังพัฒนาไปในสาขาวิทยาศาสตร์อื่นๆ อีกมากมาย โดยส่วนหนึ่งได้รับแรงผลักดันจากความพร้อมใช้งานและพลังของคอมพิวเตอร์ ที่เพิ่มมากขึ้น และนำไปสู่การพัฒนารูปแบบจำลองสภาพภูมิอากาศที่เริ่มอนุญาตให้มีการจำลองสภาพอากาศและภูมิอากาศของโลก อย่างละเอียดและมีการปฏิสัมพันธ์กัน ^{[ 24 ]}การขยายรูปแบบจำลองเหล่านี้ในภายหลังได้นำไปสู่การพัฒนารูปแบบจำลองระบบโลก (ESMs) ซึ่งรวมถึงแง่มุมต่างๆ เช่น ธารน้ำแข็งและชีวภาค^{[ 25 ]}

ในปี พ.ศ. 2526 คณะกรรมการ NASAที่เรียกว่าคณะกรรมการวิทยาศาสตร์ระบบโลก (Earth System Science Committee) ได้ถูกจัดตั้งขึ้น รายงานฉบับแรกของ ESSC ของ NASA คือEarth System Science: Overview (1986) และหนังสือEarth System Science: A Closer View (1988) ถือเป็นหลักสำคัญในการพัฒนาวิทยาศาสตร์ระบบโลกอย่างเป็นทางการ^{[ 26 ]}งานในช่วงแรกๆ ที่กล่าวถึงวิทยาศาสตร์ระบบโลก เช่น รายงานของ NASA เหล่านี้ โดยทั่วไปเน้นย้ำถึงผลกระทบของมนุษย์ที่มีต่อระบบโลกที่เพิ่มมากขึ้นในฐานะปัจจัยหลักที่ผลักดันให้เกิดความจำเป็นในการบูรณาการที่มากขึ้นระหว่างวิทยาศาสตร์ชีวภาพและธรณีวิทยา ทำให้จุดเริ่มต้นของวิทยาศาสตร์ระบบโลกมีความคล้ายคลึงกับจุดเริ่มต้นของการศึกษาและโครงการเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงระดับโลก

ภูมิอากาศวิทยาและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเป็นหัวใจสำคัญของวิทยาศาสตร์ระบบโลกมาตั้งแต่เริ่มแรก ดังที่เห็นได้จากความสำคัญที่มอบให้กับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศในรายงานของ NASA ในช่วงแรกๆ ที่กล่าวถึงข้างต้นระบบภูมิอากาศ ของโลก เป็นตัวอย่างสำคัญของคุณสมบัติที่เกิดขึ้นใหม่ของระบบดาวเคราะห์ทั้งหมด ซึ่งไม่สามารถเข้าใจได้อย่างสมบูรณ์หากไม่พิจารณาว่าเป็นหน่วยบูรณาการเดียว นอกจากนี้ยังเป็นระบบที่ผลกระทบจากมนุษย์เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา ทำให้การพัฒนาและความก้าวหน้าของการวิจัยวิทยาศาสตร์ระบบโลกมีความสำคัญอย่างยิ่ง ตัวอย่างหนึ่งของความสำคัญของภูมิอากาศวิทยาในสาขานี้คือ คำแถลงภารกิจของหนึ่งในศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์ระบบโลกแห่งแรกๆ คือ ศูนย์วิทยาศาสตร์ระบบโลกที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียสเตท ระบุว่า "ศูนย์วิทยาศาสตร์ระบบโลก (ESSC) มีภารกิจในการอธิบาย สร้างแบบจำลอง และทำความเข้าใจระบบภูมิอากาศของโลก" ^{[ 27 ]}

ระบบภูมิอากาศของโลกเป็นระบบที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยองค์ประกอบที่โต้ตอบกัน 5 ส่วน ได้แก่บรรยากาศ (อากาศ) อุทกภาค (น้ำ) ธารน้ำแข็ง (น้ำแข็งและดินเยือกแข็ง) ธรณีภาค (ชั้นหินบนสุดของโลก) และชีวภาค (สิ่งมีชีวิต) ^{[ 28 ] : 1451} ภูมิอากาศคือลักษณะทางสถิติของระบบภูมิอากาศ^{[ 28 ] : 1450}มันแสดงถึงสภาพอากาศ โดยเฉลี่ย โดยทั่วไปในช่วงระยะเวลา 30 ปี และถูกกำหนดโดยการรวมกันของกระบวนการต่างๆ เช่นกระแสน้ำในมหาสมุทรและรูปแบบลม^{[ 29 ] [ 30 ]}การหมุนเวียนในบรรยากาศและมหาสมุทรขนส่งความร้อนจากเขตร้อนไปยังบริเวณที่ได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์น้อยกว่ารังสีจากดวงอาทิตย์เป็นแรงขับเคลื่อนหลักสำหรับการหมุนเวียนนี้วัฏจักรน้ำ ยังเคลื่อนย้ายพลังงานไปทั่วระบบภูมิอากาศ นอกจากนี้ ธาตุเคมีบางชนิดยังเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องระหว่างองค์ประกอบของระบบภูมิอากาศ ตัวอย่างของ วัฏจักรทางชีวเคมีเหล่านี้สองตัวอย่างคือ วัฏจักร คาร์บอนและวัฏจักรไนโตรเจน

ระบบภูมิอากาศสามารถเปลี่ยนแปลงได้เนื่องจากความแปรปรวนภายในและแรงกระทำจากภายนอกแรงกระทำจากภายนอกเหล่านี้อาจเป็นธรรมชาติ เช่นการเปลี่ยนแปลงความเข้มของแสงอาทิตย์และการระเบิดของภูเขาไฟ หรือเกิดจากมนุษย์ การสะสมของก๊าซเรือนกระจกในชั้นบรรยากาศ ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการที่มนุษย์เผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศกิจกรรมของมนุษย์ยังปล่อยละอองลอยที่ทำให้เกิดความเย็นออกมาด้วย แต่ผลสุทธิของ ละอองลอยเหล่านี้มีน้อยกว่าก๊าซเรือนกระจกมาก^{[ 28 ] : 1451}การเปลี่ยนแปลงสามารถขยายให้ใหญ่ขึ้นได้ด้วยกระบวนการป้อนกลับในส่วนประกอบต่างๆ ของระบบภูมิอากาศ

วิทยาศาสตร์ระบบโลกสามารถศึกษาได้ในระดับบัณฑิตศึกษาที่มหาวิทยาลัยบางแห่ง ในด้านการศึกษาทั่วไปสหภาพธรณีฟิสิกส์แห่งอเมริการ่วมกับกลุ่มธรณีวิทยาเค็กและได้รับการสนับสนุนจากห้าแผนกภายในมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติได้จัดการประชุมเชิงปฏิบัติการในปี 1996 "เพื่อกำหนดเป้าหมายการศึกษาทั่วไปในทุกสาขาวิชาในวิทยาศาสตร์โลก" ในรายงาน ผู้เข้าร่วมได้กล่าวว่า "สาขาต่างๆ ที่ประกอบขึ้นเป็นวิทยาศาสตร์โลกและอวกาศกำลังมีความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่ส่งเสริมความเข้าใจโลกในฐานะระบบที่เชื่อมโยงกันหลายระบบ" ด้วยการตระหนักถึงการเพิ่มขึ้นของแนวทางระบบ นี้ รายงานการประชุมเชิงปฏิบัติการจึงแนะนำให้พัฒนาหลักสูตรวิทยาศาสตร์ระบบโลกโดยได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ^{[ 31 ]}

ในปี พ.ศ. 2543 ได้มีการเริ่มก่อตั้ง Earth System Science Education Alliance (ESSEA) ซึ่งปัจจุบันมีสถาบันเข้าร่วมกว่า 40 แห่ง โดยมีครูผู้สอนกว่า 3,000 คนที่สำเร็จหลักสูตร ESSEA ณ ฤดูใบไม้ร่วงปี พ.ศ. 2552 ^{[ 32 ]}

แนวคิดของกฎหมายระบบโลก (ซึ่งยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น ณ ปี 2021) เป็นสาขาย่อยของการกำกับดูแลระบบโลกซึ่งเป็นสาขาย่อยของวิทยาศาสตร์ระบบโลกที่วิเคราะห์จากมุมมองของสังคมศาสตร์^{[ 33 ]}

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับวิทยาศาสตร์ระบบโลกในวิกิมีเดียคอมมอนส์
• วิทยาศาสตร์ระบบโลกที่ Nature.com