La quantification d’un système naturel n’est possible que si les mécanismes majeurs et leurs interactions sont connus. Cela n’est pas toujours le cas, notamment pour des systèmes à grande échelle où les observations directes sont compliquées (en profondeur ou sur des longues périodes de temps). Dès lors, les observations et caractérisations ne sont plus suffisantes pour déterminer les mécanismes principaux utilisés dans les modèles prédictifs. Ainsi, une procédure développée pour vérifier, valider ou réfuter une hypothèse est requise : une expérience dans laquelle une série de paramètres est contrôlée permet d’obtenir des pistes de réflexion sur les rapports de cause à effet se basant sur les résultats d’expérience obtenus. Cela se réalise (i) dans le travail de terrain où, par exemple, le milieu naturel est stimulé grâce à l’injection de traceurs spécifiques ou par la génération d’écoulements artificiels, et (ii) dans le travail en laboratoire, où les conditions chimiques, biologique et physiques peuvent être précisément contrôlées. Des expériences sur les systèmes animaliers existants peuvent également fournir des proxys pour comprendre les écosystèmes passés ainsi que les interactions entre la biosphère et son environnement géologique.
