Modellazione scientifica

Nella scienza, un modello è una rappresentazione di unidea, un oggetto o anche un processo o un sistema che viene utilizzato per descrivere e spiegare fenomeni che non possono essere sperimentato direttamente. I modelli sono fondamentali per ciò che fanno gli scienziati, sia nella loro ricerca che quando comunicano le loro spiegazioni.

I modelli sono un modo mentalmente visivo di collegare la teoria con lesperimento e guidano la ricerca essendo rappresentazioni semplificate di una realtà immaginata che consentono di sviluppare e testare previsioni mediante esperimenti.

Perché gli scienziati usano i modelli

I modelli hanno una varietà di usi – dal fornire un modo per spiegare dati complessi alla presentazione come ipotesi. Potrebbe esserci più di un modello proposto dagli scienziati per spiegare o prevedere cosa potrebbe accadere in circostanze particolari. Spesso gli scienziati discuteranno della “correttezza” del loro modello e, nel processo, il modello si evolverà o verrà rifiutato. Di conseguenza, i modelli sono fondamentali per il processo di costruzione della conoscenza nella scienza e dimostrano come la conoscenza della scienza sia provvisoria.

Pensa a un modello che mostra la Terra – un globo. Fino al 2005, i globi erano sempre una rappresentazione artistica di come pensavamo fosse il pianeta. (Nel 2005 è stato prodotto il primo globo che utilizzava le immagini satellitari della NASA.) Il primo globo conosciuto (nel 150 a.C.) non era molto preciso. Il globo è stato costruito in Grecia, quindi forse mostrava solo una piccola quantità di terra in Europa, e non avrebbe avuto Australia, Cina o Nuova Zelanda! Poiché la quantità di conoscenza si è accumulata nel corso di centinaia di anni, il modello è migliorato fino a quando, nel momento in cui è stato prodotto un globo composto da immagini reali, non cera alcuna differenza evidente tra la rappresentazione e la cosa reale.

Costruire un modello

Gli scienziati iniziano con una piccola quantità di dati e costruiscono una rappresentazione sempre migliore dei fenomeni che stanno spiegando o utilizzando per la previsione col passare del tempo. Al giorno doggi, è probabile che molti modelli siano matematici e vengano eseguiti su computer, invece di essere una rappresentazione visiva, ma il principio è lo stesso.

Utilizzo di modelli per la previsione

In alcune situazioni, gli scienziati sviluppano modelli per cercare di prevedere le cose. I migliori esempi sono i modelli climatici e il cambiamento climatico. Gli esseri umani non conoscono leffetto completo che stanno avendo sul pianeta, ma sappiamo molto sui cicli del carbonio, sui cicli dellacqua e sul tempo. Usando queste informazioni e comprendendo come interagiscono questi cicli, gli scienziati stanno cercando di capire cosa potrebbe accadere. I modelli si basano inoltre sul lavoro degli scienziati per raccogliere dati di qualità da inserire nei modelli. Per saperne di più sul lavoro per raccogliere dati per i modelli, guarda il progetto Argo e il lavoro svolto per raccogliere dati su temperatura e salinità su larga scala per capire quale ruolo gioca loceano nel clima e nei cambiamenti climatici.

Ad esempio, possono utilizzare i dati per prevedere come potrebbe essere il clima tra 20 anni se continuiamo a produrre anidride carbonica ai tassi attuali: cosa potrebbe accadere se producessimo più anidride carbonica e cosa accadrebbe se producessimo meno. I risultati vengono utilizzati per informare i politici su cosa potrebbe accadere al clima e cosa può essere cambiato.

Un altro uso comune dei modelli è nella gestione della pesca. La pesca e la vendita di pesce sui mercati di esportazione è un settore importante per molti paesi, inclusa la Nuova Zelanda (per un valore di 1,4 miliardi di dollari nel 2009). Tuttavia, la pesca eccessiva è un rischio reale e può causare il collasso delle zone di pesca. Gli scienziati utilizzano le informazioni sui cicli di vita dei pesci, i modelli di riproduzione, il tempo, le correnti costiere e gli habitat per prevedere quanti pesci possono essere prelevati da una particolare area prima che la popolazione si riduca al di sotto del punto in cui non può riprendersi.

I modelli possono essere utilizzati anche quando gli esperimenti sul campo sono troppo costosi o pericolosi, come i modelli utilizzati per prevedere come si diffonde un incendio nelle gallerie stradali e come potrebbe svilupparsi un incendio in un edificio.

Come facciamo a sapere se un modello funziona?

I modelli sono spesso usati per prendere decisioni molto importanti, ad esempio, riducendo la quantità di pesce che può essere prelevato da unarea potrebbe mandare unazienda in bancarotta o impedire a un pescatore di avere una carriera che appartiene alla propria famiglia da generazioni.

I costi associati alla lotta al cambiamento climatico sono quasi inimmaginabili, quindi è importante che i modelli abbiano ragione, ma spesso si tratta di utilizzare le migliori informazioni disponibili fino ad oggi. I modelli devono essere continuamente testati per vedere se i dati utilizzati forniscono informazioni utili. Una domanda che gli scienziati possono porre a un modello è: si adatta ai dati che conosciamo?

Per il cambiamento climatico, questo è un po difficile. Potrebbe adattarsi a ciò che sappiamo ora, ma ne sappiamo abbastanza? Un modo per testare un modello di cambiamento climatico è eseguirlo allindietro.Può prevedere con precisione ciò che è già accaduto? Gli scienziati possono misurare ciò che è accaduto in passato, quindi se il modello si adatta ai dati, si ritiene che sia un po più affidabile. Se non si adatta, è tempo di lavorare ancora.

Questo processo di confronto delle previsioni del modello con i dati osservabili è noto come “ground truthing”. Per la gestione della pesca, la verifica del terreno comporta luscita e il prelievo di campioni di pesce in diverse aree. Se non ci sono tanti pesci nella regione come previsto dal modello, è tempo di lavorare ancora.

Scopri di più sullavvicinamento al suolo in Satelliti per misurare lo spessore del ghiaccio marino. Qui gli scienziati stanno convalidando i dati sateliiti sullo spessore del ghiaccio in Antartide in modo che i dati possano essere utilizzati per modellare come potrebbero cambiare il clima della Terra, la temperatura del mare e il livello del mare.