地球系统的观测不仅贵在实时，而且有许多内容还必须在原位进行分析。到野外进行现场采样，回室内开展实验分析，这是多少年来地球科学的传统。但是，有许多现象是不能“采样”分析的：热液的温度、pH值，采回来就变了；深海的许多生物，取上来也就死了；甚至沉积物颗粒，本来的团粒，一经采样也就散了，“分析”的结果都不是水层里的真实情况。新的方向是倒过来：不是把样品从海里采回实验室作分析，而是把实验室的仪器投入海里去分析样品。
例如，浮游生物，通常使用浮游网采集，取上后在显微镜下观测鉴定。但是，对细菌之类小于2微米的“微微型”浮游生物，要依靠激光原理用流式细胞计才能统计。近年来发明的下潜流式细胞计（Flow Cytobot）更进一步，可以不必取上水样，而是直接投入海中作自动连续测量。[14]美国Rutgers大学的LEO-15海底观测站，利用下潜流式细胞计取得了两个月的时间序列，发现微微型浮游生物蓝细菌聚球藻（Synechococcus）的丰度有急剧的变化。[15]再进一步发展，一是“水下显微镜”，使下潜的细胞计具有呈像功能，依靠光纤将水中的生物图像发回地面，全面鉴定统计从硅藻到细菌各种不同大小的浮游生物；二是“DNA探针”，放到海里原位测量生物的基因，在分子水平上测定各种浮游生物的丰度，从而发展“微生物海洋学（microbial oceanography）”新学科。
另一个例子是海水中的悬移沉积物，如果将悬移颗粒收集起来分析，脆弱的聚合体就会分解，正确的办法是用光学或声学的手段，进行原位测定。光透式浊度计、光学后散射传感器和多功能的声学多普勒流速剖面仪，都有测量悬浮物浓度的功能。而目前的发展，是用光学方法原位分析悬移物的粒度分布，如美国“激光原位散射与投射测量”（LISST-100）。[16]原位分析的实例不胜枚举，值得一说的是此项技术的发展，也是对行星科学的贡献。例如，木星的卫星“木卫二”（Europe），可能在表面冰层下有5—10千米深的海洋，一旦行星探测器穿透冰层，只有靠原位分析才能获得卫星海洋的信息。(www.xing528.com)
海水中的原位观测，只要将传感器与海底的节点连接，就成了海底观测系统的一部分。这样从海底“向上看”，可以摆脱从海面“向下看”所受到的海况、供电和信息传送的限制，可以进行长期实时的观测。其实，海底观测系统的应用前景，并不限于地球科学。海底不但是探测生命起源和极端环境生物学的理想场所，甚至还是高能物理探测基本粒子的去处。来自宇宙的中微子（neutrino）穿越水层时，会因其产生的μ介子（muon）留下光学效应，从而可以在深海追踪中微子在宇宙中的来源。科学家可以把海洋当作“天文台”，在海底架起“望远镜”进行追踪。当然海水必须深于千米，而且透明度要高、颗粒物要少。自1996年起，欧洲国家在地中海开展“中微子望远镜天文学与深海环境研究”（ANTARES）计划[17]，取的就是地中海水深、寡养、离欧洲的实验室近的优势。
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