Wissenschaftliche Modellierung

In der Wissenschaft ist ein Modell eine Darstellung einer Idee, eines Objekts oder sogar eines Prozesses oder eines Systems, mit dem Phänomene beschrieben und erklärt werden, die nicht möglich sind direkt erlebt. Modelle sind sowohl für ihre Forschung als auch für die Kommunikation ihrer Erklärungen von zentraler Bedeutung für das, was Wissenschaftler tun.

Modelle sind eine mental visuelle Art, Theorie zu verknüpfen mit Experimenten, und sie leiten die Forschung, indem sie vereinfachte Darstellungen einer imaginären Realität sind, die es ermöglichen, Vorhersagen durch Experimente zu entwickeln und zu testen.

Warum Wissenschaftler Modelle verwenden

Modelle haben eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten – von der Erklärung komplexer Daten bis zur Darstellung als Hypothese. Es kann mehr als ein Modell geben, das von Wissenschaftlern vorgeschlagen wird, um zu erklären oder vorherzusagen, was unter bestimmten Umständen passieren könnte. Oft streiten sich Wissenschaftler über die „Richtigkeit“ ihres Modells, und dabei entwickelt sich das Modell weiter oder wird abgelehnt. Folglich sind Modelle für den Prozess des Wissensaufbaus in der Wissenschaft von zentraler Bedeutung und zeigen, wie vorläufig wissenschaftliches Wissen ist.

Denken Sie an ein Modell, das die Erde zeigt – ein Globus. Bis 2005 waren Globen immer eine künstlerische Darstellung dessen, wie der Planet unserer Meinung nach aussah. (2005 wurde der erste Globus mit Satellitenbildern der NASA hergestellt.) Der erste bekannte Globus (150 v. Chr.) War nicht sehr genau. Der Globus wurde in Griechenland gebaut, zeigte also vielleicht nur eine kleine Menge Land in Europa und hätte nicht Australien, China oder Neuseeland darauf gehabt! Da sich die Menge an Wissen über Hunderte von Jahren aufgebaut hat, hat sich das Modell verbessert, bis zu dem Zeitpunkt, als ein Globus aus realen Bildern hergestellt wurde, kein Unterschied zwischen der Darstellung und der realen Sache erkennbar war.

Erstellen eines Modells

Wissenschaftler beginnen mit einer kleinen Datenmenge und bauen im Laufe der Zeit eine immer bessere Darstellung der Phänomene auf, die sie erklären oder für die Vorhersage verwenden. Heutzutage sind viele Modelle wahrscheinlich mathematisch und werden auf Computern ausgeführt, anstatt eine visuelle Darstellung zu sein, aber das Prinzip ist dasselbe.

Verwenden von Modellen zur Vorhersage

In einigen Situationen werden Modelle von Wissenschaftlern entwickelt, um zu versuchen, Dinge vorherzusagen. Die besten Beispiele sind Klimamodelle und Klimawandel. Die Menschen wissen nicht, welche Wirkung sie auf den Planeten haben, aber wir wissen viel über Kohlenstoffkreisläufe, Wasserkreisläufe und Wetter. Mit diesen Informationen und dem Verständnis, wie diese Zyklen interagieren, versuchen Wissenschaftler herauszufinden, was passieren könnte. Modelle stützen sich ferner auf die Arbeit von Wissenschaftlern, um Qualitätsdaten zu sammeln, die in die Modelle eingespeist werden. Um mehr über die Arbeit zum Sammeln von Daten für Modelle zu erfahren, schauen Sie sich das Argo-Projekt und die Arbeit an, die zum Sammeln umfangreicher Temperatur- und Salzgehaltdaten durchgeführt wird, um zu verstehen, welche Rolle der Ozean für das Klima und den Klimawandel spielt.

Zum Beispiel können sie Daten verwenden, um vorherzusagen, wie das Klima in 20 Jahren aussehen könnte, wenn wir weiterhin Kohlendioxid mit den aktuellen Raten produzieren – was könnte passieren, wenn wir mehr Kohlendioxid produzieren und was würde passieren, wenn wir weniger produzieren. Die Ergebnisse werden verwendet, um Politiker darüber zu informieren, was mit dem Klima geschehen könnte und was geändert werden kann.

Eine weitere häufige Verwendung von Modellen ist das Management der Fischerei. Das Fischen und Verkaufen von Fisch an Exportmärkte ist für viele Länder, einschließlich Neuseeland, ein wichtiger Wirtschaftszweig (im Wert von 1,4 Milliarden US-Dollar im Jahr 2009). Überfischung ist jedoch ein echtes Risiko und kann zum Zusammenbruch der Fischgründe führen. Wissenschaftler verwenden Informationen über Fischlebenszyklen, Brutmuster, Wetter, Küstenströmungen und Lebensräume, um vorherzusagen, wie viele Fische aus einem bestimmten Gebiet entnommen werden können, bevor die Population unter den Punkt reduziert wird, an dem sie sich nicht mehr erholen kann.

Modelle können auch verwendet werden, wenn Feldversuche zu teuer oder gefährlich sind, z. B. Modelle, mit denen vorhergesagt wird, wie sich Feuer in Straßentunneln ausbreitet und wie sich ein Feuer in einem Gebäude entwickeln kann.

Woher wissen wir, ob ein Modell funktioniert?

Modelle werden häufig verwendet, um sehr wichtige Entscheidungen zu treffen, z. B. um die Anzahl der Fische zu reduzieren kann aus einem Gebiet entnommen werden, das möglicherweise ein Unternehmen aus dem Geschäft schickt oder einen Fischer daran hindert, eine Karriere zu machen, die seit Generationen in seiner Familie ist.

Die mit der Bekämpfung des Klimawandels verbundenen Kosten sind nahezu unvorstellbar Es ist wichtig, dass die Modelle stimmen, aber häufig müssen die besten verfügbaren Informationen verwendet werden. Modelle müssen kontinuierlich getestet werden, um festzustellen, ob die verwendeten Daten nützliche Informationen liefern. Eine Frage, die Wissenschaftler einem Modell stellen können, lautet: Passt es zu den uns bekannten Daten?

Für den Klimawandel ist dies etwas schwierig. Es mag passen, was wir jetzt wissen, aber wissen wir genug? Eine Möglichkeit, ein Modell zum Klimawandel zu testen, besteht darin, es rückwärts auszuführen.Kann es genau vorhersagen, was bereits passiert ist? Wissenschaftler können messen, was in der Vergangenheit passiert ist. Wenn das Modell also zu den Daten passt, wird es als etwas vertrauenswürdiger angesehen. Wenn es nicht passt, ist es an der Zeit, weitere Arbeiten durchzuführen.

Dieser Prozess zum Vergleichen von Modellvorhersagen mit beobachtbaren Daten wird als „Ground-Truthing“ bezeichnet. Für das Fischereimanagement bedeutet Bodenbearbeitung, dass in verschiedenen Gebieten Fischproben entnommen und entnommen werden. Wenn es in der Region nicht so viele Fische gibt, wie das Modell vorhersagt, ist es an der Zeit, weitere Arbeiten durchzuführen.

Erfahren Sie mehr über die Bodenbearbeitung in Satelliten zur Messung der Meereisdicke. Hier validieren Wissenschaftler Satellitendaten zur Eisdicke in der Antarktis, damit anhand dieser Daten modelliert werden kann, wie sich das Klima, die Meerestemperatur und der Meeresspiegel der Erde ändern können.