Wetenschappelijke modellering

In de wetenschap is een model een weergave van een idee, een object of zelfs een proces of een systeem dat wordt gebruikt om fenomenen te beschrijven en te verklaren die niet kunnen worden direct ervaren. Modellen staan centraal in wat wetenschappers doen, zowel in hun onderzoek als bij het communiceren van hun verklaringen.

Modellen zijn een mentaal visuele manier om theorie met elkaar te verbinden met experiment, en ze begeleiden onderzoek door vereenvoudigde representaties te zijn van een ingebeelde realiteit waardoor voorspellingen kunnen worden ontwikkeld en getest door experiment.

Waarom wetenschappers modellen gebruiken

Modellen kunnen op verschillende manieren worden gebruikt – van het geven van een manier om complexe data uit te leggen tot het presenteren als hypothese. Wetenschappers kunnen meer dan één model voorstellen om uit te leggen of te voorspellen wat er in bepaalde omstandigheden kan gebeuren. Wetenschappers zullen vaak discussiëren over de ‘juistheid’ van hun model, en in het proces zal het model evolueren of worden afgewezen. Daarom staan modellen centraal in het proces van kennisopbouw in de wetenschap en laten ze zien hoe wetenschappelijke kennis voorlopig is.

Denk aan een model dat de aarde laat zien – een globe. Tot 2005 waren globes altijd de representatie van een kunstenaar van hoe we dachten dat de planeet eruit zag. (In 2005 werd de eerste wereldbol met satellietbeelden van NASA geproduceerd.) De eerste bekende wereldbol die werd gemaakt (in 150 v.Chr.) Was niet erg nauwkeurig. De aardbol is gebouwd in Griekenland, dus toonde misschien maar een kleine hoeveelheid land in Europa, en zou er geen Australië, China of Nieuw-Zeeland op hebben gehad! Aangezien de hoeveelheid kennis gedurende honderden jaren is opgebouwd, is het model verbeterd totdat er tegen de tijd dat een wereldbol gemaakt van echte beelden werd geproduceerd, er geen merkbaar verschil was tussen de weergave en het echte werk.

Een model bouwen

Wetenschappers beginnen met een kleine hoeveelheid gegevens en bouwen een betere en betere weergave op van de verschijnselen die ze verklaren of gebruiken voor voorspellingen naarmate de tijd verstrijkt. Tegenwoordig zijn veel modellen waarschijnlijk wiskundig en worden ze op computers uitgevoerd in plaats van een visuele weergave te zijn, maar het principe is hetzelfde.

Modellen gebruiken om te voorspellen

In sommige situaties worden modellen ontwikkeld door wetenschappers om dingen te proberen te voorspellen. De beste voorbeelden zijn klimaatmodellen en klimaatverandering. Mensen weten niet het volledige effect dat ze op de planeet hebben, maar we weten wel veel over koolstofcycli, waterkringlopen en weer. Met behulp van deze informatie en een goed begrip van hoe deze cycli op elkaar inwerken, proberen wetenschappers erachter te komen wat er kan gebeuren. Modellen vertrouwen verder op het werk van wetenschappers om kwaliteitsgegevens te verzamelen die in de modellen kunnen worden ingevoerd. Voor meer informatie over het verzamelen van gegevens voor modellen, bekijk het Argo-project en het werk dat wordt gedaan om grootschalige gegevens over temperatuur en zoutgehalte te verzamelen om te begrijpen welke rol de oceaan speelt in klimaat en klimaatverandering.

Ze kunnen bijvoorbeeld gegevens gebruiken om te voorspellen hoe het klimaat er over twintig jaar uitziet als we kooldioxide blijven produceren met de huidige snelheid – wat zou er kunnen gebeuren als we meer kooldioxide produceren en wat er zou gebeuren als we minder produceren. De resultaten worden gebruikt om politici te informeren over wat er met het klimaat zou kunnen gebeuren en wat er kan worden veranderd.

Een ander veelgebruikt gebruik van modellen is bij het beheer van de visserij. Visserij en verkoop van vis aan exportmarkten is een belangrijke industrie voor veel landen, waaronder Nieuw-Zeeland (ter waarde van $ 1,4 miljard dollar in 2009). Overbevissing is echter een reëel risico en kan ertoe leiden dat visgronden instorten. Wetenschappers gebruiken informatie over de levenscycli, broedpatronen, het weer, kuststromingen en habitats van vissen om te voorspellen hoeveel vissen uit een bepaald gebied kunnen worden gehaald voordat de populatie wordt teruggebracht tot onder het punt waarop ze niet meer kunnen herstellen.

Modellen kunnen ook worden gebruikt wanneer veldexperimenten te duur of gevaarlijk zijn, zoals modellen die worden gebruikt om te voorspellen hoe brand zich verspreidt in wegtunnels en hoe brand zich kan ontwikkelen in een gebouw.

Hoe weten we of een model werkt?

Modellen worden vaak gebruikt om zeer belangrijke beslissingen te nemen, bijvoorbeeld om de hoeveelheid vis die kan uit een gebied worden gehaald, kan een bedrijf failliet laten gaan of een visser beletten een carrière te hebben die al generaties lang in zijn familie zit.

De kosten die gepaard gaan met het bestrijden van klimaatverandering zijn bijna onvoorstelbaar, dus het is belangrijk dat de modellen kloppen, maar vaak is het een kwestie van gebruik maken van de beste informatie die tot nu toe beschikbaar is. Modellen moeten continu worden getest om te zien of de gebruikte data bruikbare informatie opleveren. Een vraag die wetenschappers aan een model kunnen stellen is: past het bij de gegevens die we kennen?

Voor klimaatverandering is dit een beetje moeilijk. Het past misschien bij wat we nu weten, maar weten we genoeg? Een manier om een klimaatveranderingsmodel te testen, is door het achteruit te draaien.Kan het nauwkeurig voorspellen wat er al is gebeurd? Wetenschappers kunnen meten wat er in het verleden is gebeurd, dus als het model bij de gegevens past, wordt het als iets betrouwbaarder beschouwd. Als het niet past, is het tijd om wat meer werk te doen.

Dit proces van het vergelijken van modelvoorspellingen met waarneembare gegevens staat bekend als ‘ground-truthing’. Voor visserijbeheer houdt grondonderzoek in dat u op pad gaat en monsters van vis neemt in verschillende gebieden. Als er niet zoveel vissen in de regio zijn als het model voorspelt, is het tijd om wat meer werk te doen.

Lees meer over grondonderzoek in Satellieten meten de dikte van het zeeijs. Hier valideren wetenschappers satellietgegevens over de ijsdikte op Antarctica, zodat de gegevens kunnen worden gebruikt om te modelleren hoe het klimaat, de zeetemperatuur en de zeespiegel op aarde kunnen veranderen.