Tudományos modellezés

A tudományban a modell egy ötlet, egy objektum vagy akár egy folyamat vagy rendszer ábrázolása, amelyet olyan jelenségek leírására és megmagyarázására használnak, amelyeket nem lehet közvetlenül tapasztalt. A modellek központi szerepet játszanak a tudósok tevékenységében, mind a kutatás során, mind a magyarázataik közlésekor.

A modellek az elmélet összekapcsolásának mentálisan vizuális módja kísérletekkel, és egy elképzelt valóság egyszerűsített ábrázolásával irányítják a kutatásokat, amelyek lehetővé teszik az előrejelzések kidolgozását és kísérleti tesztelését.

Miért használják a tudósok a modelleket

A modellek sokféleképpen használhatók – a komplex adatok magyarázatának módjától kezdve a hipotézisként történő bemutatásig. A tudósok egynél több modellt is javasolhatnak annak magyarázatára vagy előrejelzésére, hogy mi történhet adott körülmények között. A tudósok gyakran vitatkoznak modelljük „helyességéről”, és ennek során a modell fejlődik vagy elutasításra kerül. Következésképpen a modellek központi szerepet játszanak a tudomány tudásépítésének folyamatában, és bemutatják, hogy a természettudományos tudás milyen kísérleti jellegű.

Gondolj egy olyan modellre, amely a Földet mutatja – egy földgömb. 2005-ig a földgömbök mindig művészi ábrázolást jelentettek arról, hogy mit gondoltunk a bolygóról. (2005-ben elkészítették az első földgömböt, amely a NASA műholdas képeit használta.) Az első ismert földgömb (150 eKB-ben) nem volt túl pontos. A földgömböt Görögországban építették, így talán csak kis mennyiségű földet mutatott Európában, és nem lett volna rajta Ausztrália, Kína vagy Új-Zéland! Mivel az ismeretek mennyisége évszázadok alatt felhalmozódott, a modell tovább fejlődött, mire a valós képekből készült földgömb előállításáig nem volt észrevehető különbség az ábrázolás és a valós között.

Modell felépítése

A tudósok kis mennyiségű adattal kezdenek, és az idő előrehaladtával jobb és jobb ábrázolást készítenek azokról a jelenségekről, amelyeket magyaráznak vagy előrejelzésre használnak. Manapság sok modell valószínűleg matematikai jellegű, és számítógépeken fut, és nem vizuális ábrázolás, hanem az elv ugyanaz.

Modellek használata előrejelzéshez

Bizonyos helyzetekben a tudósok olyan modelleket fejlesztenek ki, amelyek megpróbálják megjósolni a dolgokat. A legjobb példák az éghajlati modellek és a klímaváltozás. Az emberek nem tudják, milyen teljes hatásuk van a bolygón, de sokat tudunk a szén-dioxid-körforgásról, a vízforgalomról és az időjárásról. Ezen információk felhasználásával és a ciklusok kölcsönhatásának megértésével a tudósok megpróbálják kitalálni, mi történhet. A modellek a tudósok munkájára támaszkodnak, hogy minőségi adatokat gyűjtsenek a modellekhez. Ha többet szeretne megtudni a modellek adatainak összegyűjtésével kapcsolatos munkáról, tekintse meg az Argo projektet, valamint a nagyméretű hőmérsékleti és sótartalmú adatok összegyűjtésére irányuló munkát, hogy megértsék, milyen szerepet játszik az óceán az éghajlatban és a klímaváltozásban.

Például adatok alapján megjósolhatják, milyen lehet az éghajlat 20 év múlva, ha továbbra is a jelenlegi szén-dioxidot termeljük – mi történhet, ha több szén-dioxidot termelünk, és mi történne, ha kevesebbet termelnénk. Az eredményeket arra használják, hogy tájékoztassák a politikusokat arról, hogy mi történhet az éghajlattal és mi változtatható meg.

A modellek másik gyakori alkalmazása a halászat irányítása. A halászat és az exportpiaci értékesítés számos ország számára fontos iparág, ideértve Új-Zélandot is (1,4 milliárd dollár értékben 2009-ben). A túlhalászás azonban valós kockázatot jelent, és a halászterületek összeomlását okozhatja. A tudósok a halak életciklusára, a tenyésztési szokásokra, az időjárásra, a parti áramlatokra és az élőhelyekre vonatkozó információk alapján jósolják, hogy hány halat lehet kifogni egy adott területről, mielőtt a populáció csökkenne azon a pont alatt, ahol az nem tud helyreállni.

Modellek akkor is használhatók, ha a terepi kísérletek túl drágák vagy veszélyesek, például olyan modellek, amelyekkel megjósolják, hogy a tűz hogyan terjed az úti alagutakban, és hogyan alakulhat ki a tűz egy épületben.

Honnan tudhatjuk, hogy működik-e egy modell?

A modelleket gyakran használják nagyon fontos döntések meghozatalához, például csökkentve a halak mennyiségét. elvihető egy területről, felmondhatja a céget, vagy megakadályozhatja a halász karrierjét, amely generációkon át családja óta él.

Az éghajlatváltozás elleni küzdelem költségei szinte elképzelhetetlenek, ezért fontos, hogy a modelleknek igazuk legyen, de gyakran előfordul, hogy az eddigi legjobb információkat használják. A modelleket folyamatosan tesztelni kell, hogy a felhasznált adatok hasznos információkat szolgáltassanak-e. A tudósok felteszik egy modellre a következő kérdést: Megfelelnek-e az általunk ismert adatoknak?

Az éghajlatváltozás szempontjából ez kissé nehéz. Lehet, hogy belefér, amit most tudunk, de vajon tudunk-e eleget? A klímaváltozási modell tesztelésének egyik módja a visszafutás.Pontosan meg tudja-e jósolni, mi történt már? A tudósok meg tudják mérni, mi történt a múltban, tehát ha a modell illeszkedik az adatokhoz, akkor azt egy kicsit megbízhatóbbnak tartják. Ha nem illik rá, itt az ideje még egy kis munkát végezni.

Ez a modelljóslatok és a megfigyelhető adatok összehasonlításának folyamata „földönfutás” néven ismert. A halgazdálkodás szempontjából a talajkezelés magában foglalja a különböző területeken történő halak kimenését és mintavételét. Ha nincs annyi hal a régióban, mint azt a modell előre jelzi, itt az ideje, hogy végezzen még egy kis munkát.

További információ a talajművelésről a műholdakban mérje meg a tengeri jég vastagságát. Itt a tudósok validálják az antarktiszi jégvastagság szatellit adatait, így az adatok felhasználhatók a Föld éghajlatának, a tenger hőmérsékletének és a tengerszint változásának modellezésére.