人类世是人类-环境高度相互作用的时代，人类活动影响在多数情况下已经超过了地球系统本身的自然作用。大量人造物质与全球宇宙核素沉降和化石燃料燃烧所产生的大气颗粒物同时存在与多种自然沉积物中；碳、氮和磷循环在过去一个世纪里被人类活动大大改变；海平面上升速率和人类活动影响气候的程度远远超过了晚全新世的变化；生物变化加剧，如全世界的物种入侵和绝灭速度加速。

人类面临的各种可持续发展挑战在过程和结果表现上是错综复杂的、在尺度上是多层次并最终多表现为系统性和全球性的，需要表层地球系统科学的理论和方法。研究这一系统内部各圈层之间的相互作用和动力学的科学为表层地球系统科学。表层地球系统科学是跨学科研究表层地球系统关键带各组成单元及其整体系统运行规律以及社会和环境相互作用的科学，是人类应对可持续发展挑战的关键科学。