但是，“陆地往下5～6km，海洋往下约4km”的界定概念仍然比较模糊。基于以下事实，地球表层的下界应该重新考虑：一是有些大平原与大盆地的地面往下5～6km，尚在新生代形成的尚未完全固结成岩的沉积层厚度以内，人类已经开始在这个深度以下寻找并开发能源；二是如青藏高原，一般地面高程就在4～5km以上，部分地点在7～8.8km以上，那么“地面往下5～6km”深度，实际上还悬在海平面以上，甚至悬在许多平原地面以上；三是“海洋往下4km”，刚接近世界大洋的平均深度（3229m）与印度洋的平均深度（3897m），尚未达到太平洋的平均深度（约4300m），最深点尚在11km以下。考虑到“地球表层”的完整性和系统性，它的下界应明确地定为地壳层的下界。李希霍芬（1833-1905）在谈论地球表层的时候，科学界尚没有“地壳”概念，以后的“莫霍面”是在1925年才被查明的。
（一）地球表层系统是开放系统
系统的性质可以分为孤立系统、封闭系统和开放系统。孤立系统与外界没有能量与物质的交换。封闭系统可与温度确定不变的外界交换能量而不交换物质，体系温度保持恒定。开放系统可与外界交换能量和物质。在孤立系统中实际发生的过程，总是使系统的熵增加，状态只能自发地从非平衡转变为平衡，从有序转变为无序，而不可能逆转。对于封闭系统，当体系和外界同一的绝对温度足够低时，就有可能形成低熵的有序平衡结构，如晶体和相变。对于开放系统，在时间间隔内，体系熵的改变等于熵流加熵的产生，其中的熵流由体系与外界交换能量和物质所引起，熵的产生由体系内部的不可逆过程所引起。当熵流为负，并达到相当数量时，可以使体系的总熵减少并成为远离平衡态，从而可能出现有序的自组织的耗散结构（任振球，1990）。
地球表层系统的特征，从天体演化尺度来看具有相当的稳定性。理由之一是太阳辐射到达地球的能量相当稳定。从短尺度-日平均的几天和年平均的几年，并从全球讨论能量平衡时，可将地球接受太阳短波辐射与向外空放射长波辐射视为处于平衡状态。理由之二是地球在太阳系中的运动轨道相当稳定。不仅地球轨道参数的变化非常规则，可以精确测算，而且地球与其他星体之间的引力相互作用似乎也调制到了相当完美的程度。理由之三是地球各圈层的空间结构、成分、质量、能量收支、物质运动方式与运动规律等，也都处于相对稳定和近似于平衡状态，使地球上所特有的大气、温度、水、土壤、地表环境等在一定时期内保持相对稳定少变，为人类和生物的生存与发展提供了良好的基本条件。地球各圈层都具有各自的相对独立的运动方式和运动规律。各圈层某些时空尺度的变化，可根据内部的因子与条件给予较好的近似，外界因子通过各圈层内部的条件和运动规律而起作用。因此，地球表层系统似已处在与外界有稳定的能量交换而物质交换可以忽略的状态。也许正是由于以上的传统认识，诺贝尔奖金获得者普利高津（1977）在他的较早着作中曾提到“地球近似地是一个封闭系统”，即与外界有能量交换而没有物质交换。其实，当时的认识在很大程度上起因于分别看待地球各圈层的物质组成和物质运动，主观上又受着均衡论的束缚——均衡论认为均衡和运动分不开，在绝对的、永恒的物质运动过程中存在着相对的、暂时的静止和均衡，渐变才是自然界的正常状态，并绝对地看待发展变化中暂时的、相对的统一。
普利高津在后来的着作《探索复杂性》（1986）中，已多次谈到“气候体系的巨大复杂性”，“如果不求助于建立在不可逆性概念基础上的耗散系统”，“气候的历史简直就无法理解”，这“表明气候系统保持在远离热力学平衡态的位置上”。钱学森（1989）则明确地指出，地球表层是一个非常复杂的开放系统，地球表层系统（地球表层往外的部分和地球表层更深的部分即地球表层的）与环境有物质和能量的交换。说地球表层系统是一个开放系统，主要表现在以下几个方面：第一，地球表层依赖太阳源源不断提供的能量（负熵流），不断抵消地球表层的熵增加和降低系统的总熵，从而形成和维持大气圈、水圈、生物圈的丰富多彩的自组织的有序结构。
大气运动、海洋水体运动和生命过程之所以得以存在和维持，主要依靠太阳辐射而源源不断来到地球的能量。理论计算表明，如果一旦失去太阳辐射，地球大气本身的能量仅能维持一个星期左右。洋流的动力主要来自大气环流底层的盛行风和热、盐对流，其能源可看作直接、间接地来自太阳辐射。地球上一切生命过程的存在，更是离不开太阳的光和热。第二，地球还接受来自太阳的带电粒子流的影响。
五颜六色的北极光流和南极光流是沿地磁场的磁力线方向运动的（AndersCelsius，1741），在磁暴期间能在较低纬度的波士顿及纽约（Boston，42°22′N；NewYork，40°43′N）见到北极光流。过去认为，极光形成的原因可能是白天太阳照射电离层的原子使它转变为带电的离子，而夜间这些离子再变成原子并释放白天所获能量，从而成为可见的极光的；因为它们是带电粒子，所以它们沿磁力线聚于磁极附近。但是，进一步研究磁暴并用太阳单色光观测镜拍摄太阳耀斑之后发现，只有当太阳耀斑正对着地球喷发的时候，太阳耀斑才会引起地球上的磁暴，即磁暴是由1.5×108km以外的太阳耀斑射向地球的带电粒子洪流所造成的。进一步的观测又建立了“太阳风”、“磁层”等概念。1956年2月，太阳大耀斑曾使地面中子监测器的响应增加了90倍，估计通过这一事件，整个太阳活动周期提供给地球的14C增加了10%左右。1972年8月，一系列的大耀斑曾引起一次相当持续时间长的同温层O3的耗损。此外，太阳还偶尔发射高能量离子电子流，这些粒子进入磁层与地磁场尾端相耦合形成极盖，并能穿透到电离层面，其产生的强电离作用可以使无线电信号中断，从而表明这些粒子与地理环境产生相关（H.Fridman，1984）。为此，阿西莫夫（I.Asimov，1972）曾预言：“如果是这样的话，太阳风的强弱变化就可能变成天气预报科学武器库中的又一件武器。”据周树荣（1992）研究，1991年7月中国江淮大洪水就与同年5月开始的4个强耀斑活动有关。第三，卫星测量射到地球来的太阳辐射常数，实际上也是有变化的。全球平均气温从1930-1970年前后降低了0.45℃，地球上有些地方的降水出现趋势性长期减少，有人曾惊呼疑是新冰期即将来临的预兆，究其原因之一就可能与太阳常数的变化有关，它起了“起博”
的作用。第四，南半球与北半球的冬半年与夏半年的太阳高度角的变化，造成太阳辐射能量收支不平衡，纬度60°地带夏半年的辐射量为冬半年的4.4倍，这直接影响到中高纬地带之间的能量输送与平衡关系。第五，地球表层系统还不断获得来自地球深部的物质与能量的补充，如热流和地核地幔转动惯量的传递与岩浆活动等，而且它们也是因时因地而多变化的。第六，长期天气过程和气候变化的非绝热性、地壳运动的不均匀性、大地水准面的变形等，一般地说也多为远离平衡态的现象。第七，在地球表层系统，当熵流达到相当数量时，体系的总熵减少成为远离平衡态。古气候研究已证实，太阳辐射能量及其积累值的微量变化，通过地球表层系统内的反馈机制与“放大效应”，曾使全球气候与地理环境发生巨大变化。因此，正如任振球（1990）在论述地球表层系统的开放性特征时说，它的开放性质是较为鲜明的，新的认识“对于地球科学和生物科学研究的进一步深化，是相当重要的”。
此外，地球表层系统的开放性，还体现在地球运动能量输入的影响。地球表层以运动的地球为依托，地球表层系统内的物质运动以运动中的地球为参照，并以惯性力的作用影响着地球表层物质运动体系。因此，可以把钱学森（1989）等所述的“地球表层环境”分解为以下三个部分：地球外部环境、地球内部环境和地球运动系统。地球外部环境从地球表层上界从上影响地球表层系统，地球内部环境从地球表层下界从下影响地球表层系统，地球运动系统则包容地球表层系统。
（二）地球表层系统的演化
地球表层物质是早期地球演化的产物。原始地球表层物质按颗粒集合体形态分为固态、液态和气态。由于三态物质的密度有很大的差异，于是在地球引力作用下它们分别汇聚为岩石圈、水圈和气圈，具流动性特性的水和气充填了岩石圈层中的颗粒孔隙和表面的洼地。这时期的地球表层的基本特征是：（1）受到地球的吸引，地球表层物质按密度分出层次，下重上轻，相对比较稳定，并以运动的地球为依托，地球表层与地球内部层（上地幔）之间也保持相对稳定；（2）继续获得来自地球内部的物质与能量，如地热、岩浆侵入，中深源地震释放能量等，但在强度与量值方面已大为削弱；（3）仍有少量宇宙物质进入地球表层，并且太阳辐射的能量输入在地球表层开始占主导地位；（4）地球表层有物质与能量的输出，如有一部分物质在地壳层底部相变或直接插入地幔层，另有一部分气体与热辐射输向平流层直至散逸入星际空间等。但是，太阳辐射能在地球表层内流通转化形成负熵流，仍然占主导地位。
当负熵流达到相当数量时，地球表层的总熵减少成为远离平衡态，从而出现有序的结构和稳定的功能，成为具有耗散结构的开放系统（浦汉昕，1983）。特别是由于地壳层因放射性衰变而增热，太阳辐射被地表吸收并转化为热能，因此在地球表层中出现不稳定能量结构，而有利于不可逆过程所引起的熵的产生。地球表层的演化过程中的第一次飞跃是原始大气圈及其水圈的形成，第二次飞跃就是原始生命的出现及其大量繁衍，并改变了大气圈的组成。之后，关于地球表层的演化，景才瑞（1989）等还认为人类的诞生是第三次飞跃，人类能够通过社会生产的方式增强在地球表层利用太阳能量，延长太阳能在地球表层中的流通转化的时间。
目前，已在澳大利亚中部发现古冰川作用堆积的岩石，并发现了同期汇集冰融水分湖泊沉积（季候泥）。它们的特点是具条带状花纹，夏季冰融水量大，纹泥层厚，冬季冰融水量少，纹泥层薄，厚层与薄层互层，每隔11层成一组，还具有145、290个薄层的周期韵律。重要的是，纹泥的11、145、290年周期与太阳黑子周期非常接近。它能说明，早在6.7亿年以前，气候对太阳变化的反应已非常敏感，而且与近、现代的太阳变化周期没有多大差别（H.Fridman，1984）。当时，大气圈中的氧气含量大约增加到了目前水平的7%左右，以后又很快增加到接近目前大气中氧气含量水平。
生物圈的形成对地球表层的演化有极为重要的贡献。生物圈是一个获取-贮存-输送能量的巨大的新陈代谢装置，地球表层化学元素的1／3以上都参与生物循环。硅、碳、铁、锰、硫的富集都是生物成因的，可能还有石油。地球上的稀有元素之所以远远高出原有的宇宙丰度也是生物造成的——每天由植物返回大气中的各种有机挥发物（有的含金属）有上千吨之多。生物，从微生物到灵长类，是有机物质的“岛屿”，它们不断地降低熵值并向更高的种属演化。为了产生高级种属，有机体必须在一定的时间内保持稳定，必须有能力在不可预知的环境变化中保存自己，还必须为了自身利益去改造环境。总的来说，生物圈的储能体向更有序的方向演化，即减少混乱，而以周围环境中的混乱的加剧来补偿。这也显示了生物圈-地球表层系统相互作用的最基本的非线性性质，即新陈代谢过程必须适应自己造成的变化。
土壤是岩石、大气、水和生物共同作用的产物，其中的生物是促成土壤发育的最活跃的因素。通过生物的循环，大量的太阳能消耗于成土过程，包括矿物的分解和次生矿物的形成、有机质的分解与合成、胶体的凝聚、溶液的保蓄，等等。土壤还参与许多物质与元素在地球表层系统中的循环和部分元素的富集。土壤系统是地球表层系统的多个分支系统之一，是个开放的子系统，它不仅有降低熵值、促进有序的作用，而且生物圈的功能也是依赖土壤基础而得以发挥的。
所以，地球表层系统的负熵过程导致地球表层系统愈来愈远离平衡态，形成有序结构，具体表现为顺序演化出岩石圈地壳-大气与大气圈-水与水圈-土壤与土壤（圈）层。
