Tieteellinen mallinnus

Tieteessä malli on idea, esine tai jopa prosessi tai järjestelmä, jota käytetään kuvaamaan ja selittämään ilmiöitä, joita ei voida kokenut suoraan. Mallit ovat keskeisessä asemassa tutkijoiden toiminnassa sekä tutkimuksessaan että selitystensä välityksessä.

Mallit ovat henkisesti visuaalinen tapa yhdistää teoria kokeilun avulla, ja ne ohjaavat tutkimusta yksinkertaistettuina kuvitellun todellisuuden esityksinä, jotka mahdollistavat ennusteiden kehittämisen ja testaamisen kokeilulla.

Miksi tutkijat käyttävät malleja

Malleilla on monenlaisia käyttötarkoituksia – tarjoamalla tapa selittää monimutkaisia tietoja hypoteesina esittämiseen. Tutkijoiden ehdottamia malleja voi olla useampi kuin yksi selittääkseen tai ennustamaan, mitä tietyissä olosuhteissa voi tapahtua. Usein tutkijat kiistävät mallinsa ”oikeellisuudesta”, ja prosessin aikana malli kehittyy tai hylätään. Tämän vuoksi mallit ovat keskeisiä tieteen rakentamisen prosessissa tieteessä ja osoittavat, kuinka tiedetieto on alustavaa.

Ajattele mallia, joka näyttää maapallon – maapallo. Vuoteen 2005 asti maapallot edustivat aina taiteilijan kuvaa siitä, miltä ajattelimme planeetan näyttävän. (Vuonna 2005 tuotettiin ensimmäinen NASAn satelliittikuvia käyttävä maapallo.) Ensimmäinen tunnettu maapallo, joka tehtiin (150 eKr.), Ei ollut kovin tarkka. Maapallo rakennettiin Kreikassa, joten kenties näytti vain vähän maata Euroopassa, eikä sillä olisi ollut Australiaa, Kiinaa tai Uutta-Seelantia! Koska tiedon määrä on kasvanut satojen vuosien ajan, malli on parantunut, kunnes todellisista kuvista tehdyn maapallon tuottamisen aikana esityksen ja todellisen välillä ei ollut havaittavaa eroa.

Mallin rakentaminen

Tutkijat aloittavat pienellä määrällä tietoja ja rakentavat paremman ja paremman kuvauksen ilmiöistä, joita he selittävät tai käyttävät ennustamiseen ajan myötä. Nykyään monet mallit ovat todennäköisesti matemaattisia ja niitä käytetään tietokoneilla sen sijaan, että ne olisivat visuaalisia esityksiä, mutta periaate on sama.

Mallien käyttäminen ennustamiseen

Joissakin tilanteissa tutkijat ovat kehittäneet malleja kokeilemaan ja ennustamaan asioita. Parhaat esimerkit ovat ilmastomallit ja ilmastonmuutos. Ihmiset eivät tiedä täydellistä vaikutusta, joka heillä on planeetalla, mutta tiedämme paljon hiilen kierrosta, vesisyklistä ja säästä. Tämän tiedon avulla ja ymmärtämällä näiden syklien vuorovaikutusta tutkijat yrittävät selvittää, mitä voi tapahtua. Mallit luottavat edelleen tutkijoiden työhön kerätäkseen laatutietoja malleihin syötettäväksi. Jos haluat lisätietoja mallien tietojen keräämisestä, tutustu Argo-projektiin ja suurten lämpötilaa ja suolapitoisuutta koskevien tietojen keräämiseen tehtävään työhön, jotta ymmärrät valtameren roolin ilmastossa ja ilmastonmuutoksessa.

Esimerkiksi, he voivat käyttää tietoja ennustamaan miltä ilmasto voi olla 20 vuoden kuluttua, jos tuotamme jatkuvasti hiilidioksidia nykyisellä nopeudella – mitä voi tapahtua, jos tuotamme enemmän hiilidioksidia ja mitä tapahtuisi, jos tuotamme vähemmän. Tuloksia käytetään poliitikoille tiedottamiseen siitä, mitä ilmastolle voi tapahtua ja mitä voidaan muuttaa.

Toinen yleinen mallien käyttö on kalastuksenhoito. Kalan myynti ja kalamyynti vientimarkkinoille on tärkeä ala monille maille, mukaan lukien Uusi-Seelanti (arvo 1,4 miljardia dollaria vuonna 2009). Ylikalastus on kuitenkin todellinen riski ja voi aiheuttaa kalastusalueiden romahtamisen. Tutkijat käyttävät tietoja kalojen elinkaarista, lisääntymismalleista, säästä, rannikkovirroista ja elinympäristöistä ennustaakseen, kuinka monta kalaa voidaan ottaa tietyltä alueelta, ennen kuin populaatio laskee alle sen pinnan, jossa se ei voi toipua.

Malleja voidaan käyttää myös silloin, kun kenttäkokeet ovat liian kalliita tai vaarallisia, kuten malleja, joita käytetään ennustamaan, kuinka palo leviää tien tunneleissa ja kuinka tulipalo voi kehittyä rakennuksessa.

Mistä tiedämme, toimiiko malli?

Malleja käytetään usein tekemään erittäin tärkeitä päätöksiä, esimerkiksi vähentämään kalojen määrää. voi viedä alueelta, saattaa yrityksen lopettaa tai estää kalastajaa tekemästä uraa, joka on ollut heidän perheessään sukupolvien ajan.

Ilmastonmuutoksen torjuntaan liittyvät kustannukset ovat melkein käsittämättömiä, joten se on On tärkeää, että mallit ovat oikeat, mutta usein on kyse parhaiden käytettävissä olevien tietojen käytöstä. Malleja on testattava jatkuvasti, onko käytetyistä tiedoista hyödyllistä tietoa. Tiedemiehet voivat kysyä mallilta seuraavaa: sopivatko ne tiedossa oleviin tietoihin?

Ilmastonmuutoksen kannalta tämä on vähän vaikeaa. Se saattaa sopia siihen, mitä tiedämme nyt, mutta tiedämmekö tarpeeksi? Yksi tapa testata ilmastonmuutosmalli on ajaa sitä taaksepäin.Voiko se ennustaa tarkasti, mitä on jo tapahtunut? Tutkijat voivat mitata mitä on tapahtunut aiemmin, joten jos malli sopii dataan, sen uskotaan olevan hieman luotettavampi. Jos se ei sovi, on aika tehdä lisää töitä.

Tätä malliennusteiden ja havaittavien tietojen vertailuprosessia kutsutaan nimellä ”maaperä”. Kalatalouden hallintaa varten maaperän kaatamiseen kuuluu ulosmeno ja kalanäytteiden ottaminen eri alueilla. Jos alueella ei ole niin paljon kaloja kuin malli ennustaa, on aika tehdä vielä enemmän työtä.

Lisätietoja satelliittikanavien maaperän uistimista mittaa merijään paksuuden. Täällä tutkijat vahvistavat satelliittitietoja jääpaksuudesta Etelämantereella, jotta tietoja voidaan käyttää mallinnamaan kuinka maapallon ilmasto, meren lämpötila ja merenpinta voivat muuttua.