科学的モデルとは｜定義・役割・種類・作成方法と天気予報の具体例

科学的モデルとは、複雑な現実を単純化した抽象的な見方である。科学的モデルは、科学的研究の基礎として使用されます。説明、予測、試験、あるいはコンピュータ・プログラムや数学の方程式の開発に使用されることがあります。

科学的モデルとは、複雑な対象、事象、物理的プロセスを論理的に表現するものである。モデルは現象の重要な要素を抽出して簡略化することで、理解や判断、設計、政策決定を助ける道具となる。

役割（何のために使うか）

説明：観測データや経験則をつなぎ、なぜその現象が起きるのかを示す。
予測：将来の挙動を推定し、意思決定や準備に役立てる。
検証と仮説検定：仮説の妥当性を試すために用い、実験や観測結果と比較する。
設計・最適化：技術や政策の設計・改善をシミュレーションで行う。
教育・コミュニケーション：概念の可視化や専門家と非専門家の橋渡しに使われる。

種類（よくあるモデルの形）

概念モデル（qualitative model）：言葉や図で関係性を示す。直感的で説明に向く。
数学モデル：微分方程式や代数方程式で系を記述する。物理学や工学で多い。
確率・統計モデル：不確実性を扱い、データに基づいて予測や推定を行う。
計算モデル（シミュレーション）：コンピュータで離散化して数値計算を行う。複雑系の解析に有効。
縮尺モデル（物理モデル）：水槽や風洞など、実物の小型化で実験する物理モデル。
エージェントベースモデル：個々の主体（エージェント）の行動から全体挙動を生成する。

作成方法（基本的な手順）

目的を明確にする：何を予測・説明したいのか、適用範囲と精度要求を決める。
主要要素を特定する：現象に影響する変数や境界条件を洗い出す。
仮定と簡略化：扱いやすくするために、どの要素を無視・近似するかを決める。
モデル形式の選択：数学式、確率モデル、計算シミュレーションなど最適な形式を選ぶ。
定式化：方程式やルールを立て、必要ならパラメータを導入する。
パラメータ推定と同化：観測データでパラメータを決め、初期条件を与える（データ同化）。
検証と検定：独立データで予測精度を評価し、モデルの改良点を見つける。
感度解析と不確実性評価：どの要素が結果に影響するか、不確実性の大きさを調べる。
反復的改善：新しいデータや知見を取り入れてモデルを更新する。

天気予報の具体例

複雑なモデルの例として、天気予報に使われるソフトウェアがあります。このプログラムは、天候に影響を与える変数の方程式に基づいている。気象データを入力すると、プログラムは将来の気象パターンの予測（グラフとデータ）を作成する。

数値天気予報モデルの主要な構成要素：

支配方程式：大気運動を記述する流体力学の方程式（例：ナビエ–ストークス方程式に相当する項）や熱・水蒸気の輸送方程式を用いる。
格子化と離散化：地球大気を三次元の格子に分割し、時間・空間を離散化して数値解を得る。
パラメタ化：雲形成や乱流など格子で解けない過程は近似式（パラメタ化）で表現する。
データ同化：観測（地上観測、衛星、レーダーなど）を組み込んで初期条件を最適化する。
アンサンブル予報：初期誤差やモデル誤差を考慮して複数の実行を行い、不確実性を評価する。
検証と更新：過去の観測と比較して性能を評価し、パラメータやアルゴリズムを改良する。

限界と注意点

単純化の帰結：重要な要素を省くと誤差の原因になる。どの簡略化が許容されるかの判断が重要。
初期値敏感性（カオス）：特に天気予報のような非線形系では初期条件の小さな誤差が大きく増幅する。
解像度とパラメタ化：格子が粗いと小規模現象を捕らえられず、パラメタ化が精度を左右する。
データの質：観測誤差やデータの欠損がモデルの信頼性を低下させる。
過度の信頼は禁物：モデルは現実の近似であり、常に不確実性を伴うことを利用者が理解しておく必要がある。

総じて、科学的モデルは現象理解と意思決定を支える強力な道具だが、その設計・運用には目的の明確化、検証、不確実性の管理が不可欠である。モデルは固定的な正解ではなく、データや知見とともに改良し続けるものだ。

科学的モデリングの一例。大気組成に関連する化学・輸送過程の模式図。

例

例えば、宇宙の模型は、自然界で最も大きなものである天体物理学と、最も小さなものである物理学の一部である。しかし、これは通常、私たちが自然を意味するものではありません。生物学、生態学、経済学、環境衛生学、ヒーリング学などで研究されているモデルを意味しているのです。自然界のモデルのほとんどは、人間が直接影響を与え、また人間に影響を与えるようなものです。

有害廃棄物

例えば、有害廃棄物を川に捨てると、川下の人に害が及ぶ。しかし、自然界のモデルがなければ、誰が、どの程度の害を及ぼすのかがわかりませんし、害を及ぼすとも言えません。

エフェクト

自然界のモデルは、人間の意思決定に影響を与える。自然モデルは、人間の健康、福祉、経済にとって非常に重要である。また、ほとんどの人が自分の意思決定によって生じる害を減らしたいと願っているので、倫理においても重要です。害は法廷で証明することができるため、法律においても重要です。

森林

森は一度荒廃してしまうと、なかなか元には戻りません。自然の断片を小さな模型にすることで、どれだけ残せば、未来の世代も自然を利用できるかを理解することができるのです。

自然への影響

いろいろな意味で、人間と自然は対立していると言えるでしょう。土や健康な大木など、自然がより多く作るために必要な自然資本は、天然資源として人間にとっても有用です。自然が枯れる前に、どれだけ引き出せるかを知ることは重要です。これも、モデルを作る理由のひとつです。

自然界のモデルが人間の生活に与える影響は、大きく分けて3つあります。

環境

環境と健康は、人間の健康や癒し、栄養に関するものです。これらは、人間の体や感覚の「中に入るもの」に焦点を当て、いかにして寿命を延ばし、活力を増大させるかを考えるものです。この考え方によれば、人間の幸せは、自分の外側にある生きているものの一部であるかどうかにかかっています。例えば、ガーデニングは、成長すること、外に身を置くことに集中するだけで、幸せになれるのです。

経済学

生態学と経済学は、資源、廃棄物、エネルギー、食品、食事、そして選択が他の多くの場所で自然にどのような影響を与えるかを研究しています。これらの考え方は、人間同士の競争を減らすために、いかに地元で買い、エネルギーを節約し、商品を減らし、再利用し、リサイクルするかに焦点を当てると言っています。この考え方によれば、人間の体も自然の一部であり、エコロジー、例えば都市のエコロジーの一部として捉えなければならないのです。

エコロジー

ディープエコロジーやアニマルライツは、自然は自分たちのためだけに存在すべきであると言っています。人間の道徳は、それを放置することであるべきです。このイデオロギーは、生息地を保全し、生物多様性を高め、物事の損傷を助けないように道徳を買うために働くことだけに集中するように言っています。それは、自分自身さえも、人間への測定可能な直接の利益なしで、このすべてを行うために言っている。宗教の一部であるこの考え方では、人間はむしろ世話係のようなものです。例えば、動物実験や遺伝子組み換え食品に反対するなど、科学者の行為に倫理的な制限を設けるものです。科学と対立するものであり、科学の一部とは見なされない。その自然観は多くの科学者には受け入れられませんが、政治の世界では重要です。

保存方法

自然を守るために、エコロジー運動の活動家たちは、現在、グローバルなパワーネットワークで協力しています。それは、政治における政党だけでなく、グリーンピース、アースファースト、世界自然保護基金などのNGOも含まれます。

地図への影響

その中で、エコロジーマップの自然界の境界線であるエコリージョン（生態系）を示す地図が合意された。この地図によると、867の地域が8つのエコゾーンに分かれており、その他に海の中にもエコゾーンがあります。

言語への影響

ほとんどの人類学者は、原住民の言語にはその土地の自然を表す小さなモデルがあることに同意しています。例えば、北極圏の言語では雪を表現する言葉が多くなり、熱帯雨林では緑の濃淡を表現する言葉が多くなります。これは、政治において生態学的境界線を使用する理由の一部です。境界線の内側に住んでいない人々は、自然について同じ区別を見たり作ったりしないためです。

人体への影響

ごく少数の人々は、人間は自然をまったく必要とせず、自然がすることのすべてを代替できると考えています。彼らが間違っていることを証明するために、何人かの経済学者が別の自然のモデルを作りました。

経済学者は、自然が人間にしてくれていることを置き換えることがどれだけ難しいかを調べるために、自然のサービスを研究しています。彼らは1995年に、自然が人間のために行っているサービスは、世界中の人間がお互いのために行っているすべてのサービスよりも価値があることを示しました。地球という生き物の価値は、私たち自身の技術で代替できるものよりもずっと大きなものだったのです。この点については、これまで何ら異論がありませんでした。

地球が人類に与える価値をすべて計算すると、膨大な数字になります。