ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В ЗЕМЛЕВЕДЕНИИ
Научное исседование включает два уровня знаний: эмпирический (опыт) и теоретический. При наблюдениях и тем более при экспериментах используются определенные теоретические представления, так что разграничение эмпирических и теоретических знаний не имеет четких границ.
Эмпирические знания включают следующие этапы: получение информации, ее обработка и простейшие обобщения.
Исходным этапом эмпирического уровня является сбор информации. Известный физиолог И.П.Павлов говорил: «Факты — воздух ученого». По мнению академика А. Е. Ферсмана, «для естествознания факт, правильно наблюденный, точно описанный и продуманно составленный, — основа работы и залог успеха».
Вся информация делится на первичную, получаемую путем натурных измерений или наблюдений, и вторичную, которая является результатом обработки первичной информации. Первичная информация представляет собой массивы (базы) данных по многим физическим величинам (температура, солнечная радиация, концентрация химических элементов и др.), характерным для определенного участка земной поверхности. Вторичная информация выдается обычно в виде осредненных величин (например, средние температуры за май) и может быть представлена в виде описаний (параметров, обобщений), сводок, числовых характеристик, рядов измерений, графиков, таблиц и др. Данные могут относиться к точке, группе точек (пространству) или профилю.
Информация должна отвечать на вопросы: что, где, сколько, как. Каковы внешний вид и структура комплекса, что происходит с ним в данный момент, какое место в среде, в окружении каких объектов находится интересующий нас объект, каковы границы объекта, как осуществляется процесс и какова скорость его протекания и тенденция развития? Следует различать понятия «методы» и «средства» получения и обработки информации. Методы должны отвечать на вопрос: как достичь результата, а средства — определять, с помощью чего возможно это достижение.
Возможность и результативность использования информации при построении теорий или практическом решении поставленных задач определяются многими ее свойствами, среди которых наиболее важными являются надежность, релевантность, кондиционность. Все они составляют в итоге репрезентативность (показательность) информации, доказывающую ее неслучайность.
Рис. 2.1. Организация измерений свойств географической оболочки
Надежность (качество) информации зависит от ряда факторов: надежности исполнителей (наблюдателей), парка и свойства используемых технических средств регистрации и обработки данных (в последнем случае — от характера используемых программ обработки), методов работы (технологии преобразования и применения информации), организации наблюдений (измерений), сбора, систематизации и хранения данных. Критериями надежности служат полнота, точность и достоверность информации.
Полнота напрямую зависит от пространственной и временной плотности (густоты) точек измерений (наблюдений). Она определяется размещением пунктов сбора информации и дискретностью измерений. Результаты (например, гидрометеорологические наблюдения с дискретностью в 3 часа) составляют временные ряды, позволяющие судить о состоянии нашей планеты не только в текущий момент в определенном месте, но и в прошлом.
Точность информации подразумевает точность пространственного положения точек наблюдения и погрешность определения физической величины. Точность во многом зависит от средства регистрации (измерительного прибора и др.).
Достоверность означает отсутствие дезинформации, которая может быть субъективной (перепутывание объектов, событий, величин, их неправильное толкование) и объективной, полученной в результате эксперимента или моделирования, когда исследование базируется на недостоверных данных. Отсюда известное всем географам правило — «пишу, что вижу».
Один из путей повышения надежности — дублирование источников информации.
Релевантность рассматривается как пригодность данных к решению конкретной задачи.
Кондиционность информации означает ее соответствие заданию, которое было составлено в начале наблюдений или эксперимента и где была указана номенклатура необходимых данных.
Со временем сложилась определенная система сбора информации, составляющая основу общих методов изучения географической оболочки. По способу получения информации выделяют экспериментальные и теоретические методы, по месту наблюдения — полевые и камеральные, по используемой технике — визуальные и инструментальные, по характеру информации — количественные и качественные. Особое положение занимают лабораторные методы исследования, включающие работу с пробами в стационарных условиях.
Получение информации возможно при непосредственном контакте исследователя с объектом в ходе наблюдений и экспериментов.
Наблюдения. Следует различать понятия «наблюдение» и «измерение». Наблюдение с древних времен было первоисточником знаний об окружающем мире. Оно дает сведения о географическом объекте в природной среде. К таким объектам относятся радуга, извержение вулкана и другие, свойства которых мы наблюдаем. Но поскольку все географические объекты материальны, они обладают определенным набором физических свойств (параметров), которые измеряют инструментальными средствами. Основные параметры географических объектов общеизвестны: температура, давление, скорость звука и др. В основе измерений лежат физические законы.
Среди измерений выделяют контактные и бесконтактные (рис. 2.1).
К контактным относятся измерения, при которых измеритель непосредственно контактирует с измеряемым объектом (например, измерение температуры воды, почвы, воздуха при помощи термометра). Контактные измерения составляют основу наблюдений географических объектов. К ним относятся измерения, проводимые в научных экспедициях или предоставляемые метеорологической, геофизической и другими сетями.
Последние часто называют реперными, или стационарными, наблюдениями, поскольку они дают све
дения об изменении среды в определенных точках географических регионов и учитывают неизменность положения в пространстве. К бесконтактным (дистанционным) относятся методы, которые осуществляются с помощью дистанционных измерителей параметров, т. е. на расстоянии. Их широкое применение началось с аэрокосмических систем исследования (самолетов, космических аппаратов), используемых при картографировании земной поверхности. С совершенствованием технологий исследователи научились измерять и другие физические свойства подстилающей поверхности. К дистанционным методам можно отнести фотосъемку в видимом (оптическом) и невидимых (инфракрасном, ультрафиолетовом, СВЧ) для глаза диапазонах. При дистанционных измерениях конкретный объект земной поверхности (например, циклон, температура поверхности моря, элементы рельефа) сканируется специальным прибором, настроенным на работу в соответствующем диапазоне частот спектра электромагнитного излучения, после чего сканируемое изображение передается с летательного аппарата на наземные службы слежения. Результаты дистанционных измерений обычно представляют в виде изображений (снимков), которые при дешифрировании могут быть оцифрованы для удобства работы с информацией.
Эксперименты — это измерения, проводимые в контролируемых условиях по заранее составленной программе. Они способствуют научному прогрессу и получению новых данных. В середине 70-х годов XX в. эксперименты на океанологических полигонах изменили наши представления о циркуляции вод Мирового океана. Вместе с тем это наименее разработанная часть методов изучения географической оболочки. Выделяют натурные и модельные эксперименты.
Натурные эксперименты связаны с целенаправленным сбором информации об исследуемых географических процессах и явлениях, организацией направленных воздействий на природные системы и изучением реакций систем на них.
Они реализуются в природных условиях с целью приблизить географический объект к его естественному окружению. Но нельзя забывать, что земная поверхность уникальна и эксперимент может привести к негативным последствиям. Поэтому, во-первых, натурные эксперименты проводятся только в пределах относительно небольших регионов. Во-вторых, широко используются эксперименты не с самими объектами, а с их аналогами (обычно это математические модели). В-третьих, иногда можно воспользоваться результатами, которые были получены ранее в других местах и при сходных условиях.В целях надежности результатов натурного эксперимента их подкрепляют данными из других источников (например, подспутниковые эксперименты служат детализацией дистанционных измерений).
Часто эксперименты ставит и сама природа. Такие явления, как интенсивная вулканическая деятельность и усиление солнечной активности, вызывают факторы, находящиеся за пределами географической оболочки. Тем самым их можно считать экспериментами внешнего природного происхождения. Природными экспериментами можно назвать все явления в географической оболочке, которые выходят за рамки средних значений — аномалии. Это катастрофические наводнения, сильные засухи, пыльные бури и другие аномальные явления. Именно для выяснения причин образования таких явлений и организуют натурные эксперименты. Слежение за реакцией географической оболочки в целом и ее отдельных частей позволяет получать новые данные об этих процессах.
Модельные эксперименты осуществляют на аналогах определенных природных систем в лаборатории или на компьютере. Модель — это упрощенное воспроизведение изучаемого объекта в виде физической конструкции, совокупности математических формул, карт, блок-диаграмм и др. Анализ модели позволяет получить новые знания. Построение моделей является вынужденной мерой, обусловленной невозможностью исследовать реальный объект во всем его многообразии. Не каждый природный процесс может быть описан и смоделирован полностью. Поэтому при моделировании возможны определенные упрощения реальных условий, но они не должны затрагивать суть эксперимента.
Географическая модель обычно строится на основе преобразования масштабов (пространственных и временных), в связи с чем она меньше воспроизводимого объекта. Каждая географическая дисциплина имеет свои приемы моделирования.Модели подразделяются на стационарные и нестационарные (динамические). Первые предполагают неизменность входных параметров, что часто вполне оправдано, вторые — их изменчивость в пространстве и во времени, из-за чего результаты моделирования могут быть различны.
Модели бывают физические и математические. При помощи физических моделей исследователи пытаются воспроизвести географический объект и процесс в искусственных условиях, и в таком понимании физическая модель тождественна конструированию (например, моделирование в искусственном бассейне волнения, изучение механизма передачи энергии ветра волнам и др.).
Гораздо эффективнее математические модели, которые создаются с использованием математических расчетов, уравнений гидромеханики, термодинамики и др. Математическое моделирование позволяет воспроизводить процессы при учете разных факторов, исключая одни и включая другие. Графическое отображение систем уравнений, описывающих исследуемый процесс, удобно представлять в виде функциональных схем (например, схема радиационного баланса).
Среди успешно действующих математических моделей — циркуляционные процессы в атмосфере и океане, изменение уровня Мирового океана, колебания климата и ледников в плейстоцене и др. Однако моделирование не ограничивается глобальными процессами. Наоборот, как правило, ученых интересуют локальные варианты развития ситуаций. В первую очередь, это касается разработки различных экологических моделей, в основе которых лежат реальные описанные математически физические процессы, развивающиеся в природных условиях при антропогенном воздействии на окружающую среду. Таким образом, моделирование всегда имеет прикладной аспект, а сами модели должны подтверждаться эмпирическим материалом. Если этого нет, то модель не работает.
Сложное устройство географической оболочки (ее составные части обладают разными уровнями организации, скоростями изменения и др.) значительно ограничивает возможность использования физических моделей для воспроизведения процессов. Наибольшая трудность состоит в практической невозможности установления критерия соответствия натуры и модели и учета всех факторов.
Информация по географии используется для различных научных и прикладных целей, что требует систематических наблюдений и постоянного сбора данных с определенной дискретностью, обновлением или детализацией собираемой информации по конкретному географическому явлению (например, циклон) или их совокупности (например, цепочка циклонов). Важно уметь организовать сбор и передачу информации, которые способствовали бы не только анализу географического объекта (например, циклона), но и служили принятию решения по предотвращению развития неблагоприятных последствий (например, штормовое предупреждение вследствие приближающегося циклона).