Métodos de investigación en ciencias de la tierra
Los métodos de investigación de las ciencias de la tierra están relacionados con las características de su objeto de investigación. La tierra como objeto de investigación tiene principalmente las siguientes características:
(1) Universalidad y microscopicidad del espacio.
La Tierra es un objeto enorme con una circunferencia superior a 4×104 km y una superficie superior a 5×108 km2. Entonces, ya sea que estés estudiando la atmósfera, la hidrosfera, la biosfera o la tierra sólida, el espacio es muy vasto. Estos vastos espacios y objetos en sí mismos están formados por cuerpos de espacio y materia en diferentes escalas o escalas. Por lo tanto, para estudiar la enorme Tierra, es necesario estudiar los espacios y sus cuerpos materiales a diferentes escalas o escalas, especialmente el espacio microscópico y las características materiales, como la composición química y las características de los elementos químicos de sus objetos correspondientes en diferentes disciplinas. La geología debería estudiar la estructura cristalina de los minerales, la hidrología y la oceanografía deberían estudiar el movimiento de las partículas de agua y la meteorología debería estudiar las actividades de las moléculas de gas. Además, todo el sistema terrestre es un sistema abierto y dinámico, y siempre hay un intercambio de materia y energía entre él y el entorno cósmico (sistema tierra-luna, sistema solar, galaxia, etc.). ). La aparición, el desarrollo y la evolución de diversos fenómenos y procesos naturales en el sistema terrestre son inseparables del entorno cósmico en el que existen. Por lo tanto, las ciencias terrestres modernas han comenzado a prestar plena atención al estudio del impacto del entorno cósmico en el sistema terrestre, es decir, el alcance espacial de la investigación va más allá del sistema terrestre e involucra el entorno más macrocósmico (Figura 0). -1). Sólo combinando la investigación a diferentes escalas y combinando lo macro y lo micro podremos obtener una comprensión correcta y regular.
(2) Holismo (o sistema) y diversidad (o diferencia y diversidad)
La Tierra entera es un todo orgánico, compuesto de diferentes niveles y estrechamente relacionados. Un sistema unificado compuesto de subsistemas; no solo en el espacio, los círculos interior y exterior de la Tierra son un todo continuo, sino que también los círculos interior y exterior de la Tierra, los círculos interior y exterior y los círculos exteriores interactúan, se influyen y se penetran entre sí. El movimiento y los cambios de un círculo o de una parte afectarán los cambios de otras partes o incluso de otros círculos en diversos grados, demostrando plenamente su integridad orgánica. Sin embargo, la tierra también es un cuerpo no isotrópico, y sus diferentes componentes (o subsistemas) tienen ciertas diferencias en el estado material, movimiento y características evolutivas, mostrando diversidad o pluralidad. Por ejemplo, existen diferencias obvias en los entornos geográficos y climáticos de diferentes regiones, y también existen diferencias obvias en las condiciones hidrológicas de diferentes regiones. Las diferencias en la tierra sólida son más significativas, especialmente en diferentes partes de la corteza terrestre, como continentes, océanos, montañas y llanuras. Esta diferencia se manifiesta no sólo en la composición del espacio y la materia, sino también en su movimiento, cambio, formación y desarrollo.
(3) Duración e instantaneidad del tiempo
Según cálculos científicos, la edad actual de la Tierra se remonta a 4.600 millones de años. Durante este largo período de tiempo, han ocurrido en la tierra muchos eventos naturales importantes, como cambios en el mar y la tierra, formación de montañas, evolución de organismos, etc. La mayoría de estos eventos son extremadamente lentos y a menudo tardan millones o incluso decenas de millones de años en completarse. En una vida corta, es difícil presenciar todo el proceso de estos eventos. Solo podemos observar los resultados que quedan después de la finalización del evento y una determinada etapa del evento en curso. Sin embargo, algunos eventos se pueden completar en un corto período de tiempo. Por ejemplo, los fenómenos meteorológicos suelen manifestarse en días, horas o incluso períodos de tiempo más cortos, y los terremotos y las erupciones volcánicas también ocurren en períodos de tiempo extremadamente cortos.
(4) La complejidad y el orden de los procesos naturales.
La evolución de la tierra ha pasado por un proceso complejo. Hay tanto cambios físicos como cambios químicos; hay procesos bajo temperatura y presión normales en la superficie y procesos bajo alta temperatura y presión en las profundidades. Además, varios procesos naturales se ven afectados por las condiciones regionales y tienen diferencias regionales. Por lo tanto, los procesos naturales son extremadamente complejos y, debido a su naturaleza prolongada e irreversible, es difícil remodelar y reproducir completamente sus procesos mediante el poder humano, lo que aumenta la dificultad de la investigación en ciencias de la tierra. Sin embargo, estos complejos procesos naturales no son caóticos. Todos tienen condiciones y procesos para su aparición y desarrollo, y todos tienen ciertas leyes a seguir. Esta es también una tarea de investigación importante para los científicos de la tierra.
Las características de los objetos de investigación determinan que las ciencias de la tierra tienen algunos métodos de investigación únicos y, con el desarrollo y el progreso de la ciencia y la tecnología, los métodos de investigación de las ciencias de la tierra continuarán complementándose y mejorándose.
Los métodos de investigación seleccionados se describen brevemente a continuación:
(1) Investigación de campo
La inmensidad del espacio determina que los científicos terrestres primero deben observar la naturaleza en estado salvaje y utilizarla como un recurso natural. laboratorio Es imposible trasladar la enorme y compleja naturaleza al interior para estudiarla. La investigación de campo es el eslabón más básico e importante en el trabajo de las ciencias de la tierra y permite obtener información de primera mano sobre los objetos de investigación. Tales como estudios geológicos de campo, estudios de sistemas hídricos y condiciones hidrológicas, estudios de geografía física, estudios de suelos, estudios ambientales y de recursos, etc. Sólo visitando el sitio y recopilando datos originales cuidadosa y meticulosamente podremos brindar la posibilidad de resolver correctamente los problemas de las ciencias de la tierra.
(2) Observación instrumental
La observación instrumental es un medio importante para que las ciencias de la tierra obtengan datos cualitativos y cuantitativos sobre objetos de investigación. A través de la observación instrumental, podemos comprender diversas propiedades físicas y químicas, características estáticas y cambios dinámicos de los parámetros del objeto de investigación, proporcionando una base para el análisis y el razonamiento científicos. Las observaciones instrumentales proporcionan las condiciones para que la investigación de la Tierra entre en la vía científica. Por ejemplo, la invención de la temperatura, la presión, la humedad y otros instrumentos meteorológicos en los siglos XVI y XVII convirtió gradualmente la meteorología en una disciplina completa. Las observaciones modernas de instrumentos meteorológicos convencionales de alta precisión y a gran altitud siguen siendo una importante base de investigación para la meteorología. Asimismo, las observaciones instrumentales desempeñan un papel particularmente importante en la investigación hidrológica y oceanográfica. La observación instrumental juega un papel extremadamente importante en la investigación geofísica y geológica moderna, en la investigación de las ciencias del suelo, especialmente en diversos monitoreos y evaluaciones de las geociencias ambientales. Las observaciones instrumentales de campo también son información de primera mano. Además de que los científicos realizan diversas observaciones basadas en diferentes propósitos de investigación, las personas a menudo instalan varias estaciones de observación de puntos fijos, como estaciones meteorológicas, estaciones hidrológicas, estaciones sismológicas, estaciones de monitoreo ambiental, etc. , y establecer una red de observación a través de una gran cantidad de estaciones para obtener datos de observación sistemática.
(3) Geodesia
Este es un método de investigación importante antiguo y de rápido desarrollo en las ciencias de la tierra, que ha desempeñado un papel importante en la promoción del desarrollo de las ciencias de la tierra. Ya en la época del antiguo Egipto y China, la gente utilizaba herramientas de medición simples, como pruebas de caminata, para la planificación territorial, estudios topográficos y geográficos y la construcción de proyectos de conservación del agua. En los tiempos modernos, con el avance de los instrumentos topográficos, se desarrollaron gradualmente la nivelación geodésica y la triangulación geodésica tradicionales. La tecnología de detección de océanos (sonar) desarrollada a mediados del siglo XX jugó un papel decisivo en el desarrollo de la oceanografía y la revolución de la geología. El alcance láser y el sistema de posicionamiento global (GPS) desarrollado en los últimos años han tenido un profundo impacto en las ciencias de la Tierra. Los métodos geodésicos son importantes para el estudio de la geografía, la geología, la oceanografía, la hidrología y las ciencias del suelo.
(4) Tecnología aeronáutica, aeroespacial y de teledetección
La tecnología aeronáutica, aeroespacial y de teledetección moderna ha promovido en gran medida el desarrollo de las ciencias de la Tierra y se ha convertido en una investigación indispensable e importante en las ciencias de la Tierra modernas. . medio. Debido al vasto espacio de la Tierra, es necesario hacer pleno uso de las tecnologías aeronáutica, aeroespacial y de teledetección, como imágenes de nubes satelitales, imágenes de teledetección por satélite, fotografías aéreas, etc., para obtener información sobre grandes áreas en un corto período de tiempo, especialmente cambios dinámicos en grandes áreas. Las tecnologías aeronáutica, aeroespacial y de teledetección han desempeñado un papel decisivo en el desarrollo y progreso de la meteorología moderna y se han convertido en sus pilares importantes. También son los principales métodos de investigación de la oceanografía y la geografía modernas, y también desempeñan un papel importante en la geología, la ciencia del suelo, la hidrología y la geología ambiental modernas.
(5) Análisis de laboratorio, pruebas y experimentos científicos
Este es un método de investigación comúnmente utilizado en diversas disciplinas de las ciencias de la tierra. Obtiene principalmente varias muestras o especímenes de los objetos de investigación y luego realiza análisis y pruebas en el laboratorio para obtener información cualitativa y cuantitativa como la composición, estructura, propiedades físicas y químicas y el historial de formación de la sustancia, e infiere su formación y Formación a través del análisis científico experimental del proceso de evolución y tendencias de desarrollo. Con el desarrollo de la ciencia, la ciencia experimental en las ciencias de la tierra ha logrado grandes avances. Sin embargo, debido a los complejos factores que influyen en los procesos naturales, el largo tiempo, el amplio espacio y las limitaciones de la tecnología experimental moderna, a veces resulta difícil llevar a cabo experimentos reales que sean coherentes con la naturaleza en las ciencias de la Tierra. Por lo tanto, en las ciencias de la tierra, a menudo simplificamos los factores que influyen, creamos algunos entornos físicos y químicos específicos y simulamos las causas, procesos y leyes de desarrollo de los fenómenos naturales. Este método se llama experimento de simulación. Los experimentos de simulación sólo pueden ser aproximados y los resultados experimentales a menudo tienen una cierta brecha con los procesos naturales, pero desempeñan un papel importante en la reproducción del proceso de los fenómenos naturales y en la verificación y exploración de las leyes de las ciencias de la tierra.
(6) Método histórico comparativo
Esta es la metodología más básica de la geología. El largo período de tiempo determina que la geología debe estudiarse utilizando métodos históricos y dialécticos.
Aunque es imposible para los humanos presenciar todo el proceso de los eventos geológicos, podemos utilizar los fenómenos geológicos y los resultados dejados por varios eventos geológicos y las leyes de los procesos geológicos actuales para inferir las condiciones, procesos y características de los eventos geológicos antiguos. Éste es el llamado principio del "método histórico comparativo" (o "principio del realismo"). Este principio fue propuesto por el geólogo británico C. Lyell (1791 ~ 1875, fundador de la geología moderna) en Hutton (J. Hutton, 1726 ~ 1797, geólogo escocés, conocido como. Lyell señaló claramente: "El presente es el clave para comprender el pasado". Por ejemplo, los corales modernos sólo viven en ambientes marinos cálidos, tranquilos y limpios y poco profundos. Si se encuentran fósiles de coral en rocas formadas en la antigüedad, se puede inferir que estas rocas también vivieron en ambientes marinos cálidos, limpios y poco profundos. ambientes marinos en la antigüedad (Figura 0-4); para otro ejemplo, las erupciones volcánicas actuales pueden formar un tipo especial de roca: roca volcánica. Si se encuentran rocas volcánicas antiguas en un área, se puede inferir que ocurrió una erupción volcánica. en esta área en ese momento, y así sucesivamente. El método de comparación histórica es un método de razonamiento analítico para estudiar la historia del desarrollo de la Tierra. Su introducción ha jugado un papel importante en la promoción del desarrollo de la geología moderna. >Figura 0-2 geólogo británico Lyell
p>(C. Lyell, 1791 ~ 1875)
Figura 0-3 geólogo escocés Hutton
(Hutton, 1726 ~ 1797)
Figura 0-4 Corales que viven en aguas cálidas y limpias y poco profundas
a-Coral moderno; fósiles de coral de hace más de 200 millones de años
Base teórica de este principio Es el "método variacional". El método variacional cree que en la larga historia geológica, la evolución de la tierra siempre se ha llevado a cabo de manera gradual, y sus métodos y resultados son consistentes en el pasado. y actual Sin embargo, la geología moderna ha demostrado que la visión de la teoría de la mutación es unilateral y mecánica. La evolución de la Tierra no es una simple repetición del pasado, sino que es similar y progresiva. en geología revelan que durante la evolución de la tierra, la composición, cantidad, temperatura y presión de la atmósfera superficial, la hidrosfera y la biosfera, así como la estructura interna y la estructura de la tierra o corteza, están cambiando constantemente y son diferentes a las modernas. condiciones en diversos grados, lo que conducirá inevitablemente a cambios en los métodos y procesos de acción geológica en ese momento. Una serie de características diferentes La evolución de la tierra no siempre se presenta en forma de cambios graduales y uniformes, pero sí algunos breves. y cambios dramáticos en el proceso de cambios uniformes. Por ejemplo, a menudo se encuentran cambios repentinos en la composición y estructura del material en las formaciones rocosas. En el proceso de evolución de la paleontología, a menudo se encuentra que una gran cantidad de especies biológicas se extinguieron repentinamente en un. En un corto período de tiempo, como la rápida extinción de los dinosaurios hace unos 65 millones de años, el proceso de desarrollo de toda la Tierra debería ser un cambio gradual, un cambio repentino, un cambio gradual. en línea con la ley filosófica del cambio cuantitativo-cambio cualitativo-cambio cuantitativo
Por lo tanto, al utilizar el método de comparación histórica, debemos guiarnos por ideas históricas, dialécticas y de desarrollo, no simplemente "de". "del presente al pasado" podemos sacar conclusiones correctas. De hecho, el método de análisis "del presente al pasado" en geología es muy importante para la geofísica, geoquímica, geografía, meteorología, etc. en las ciencias de la tierra. Investigación en hidrología , la oceanografía, la ciencia del suelo, la geociencia ambiental y otras disciplinas tienen un importante significado de referencia.
(7) Análisis integral de la complejidad e irreversibilidad de los procesos naturales. Se determina que las ciencias de la tierra deben adoptar una investigación de análisis integral. método. En el largo proceso de evolución de la Tierra, los efectos naturales se producen en diferentes períodos y de diferentes formas (físicas, químicas, biológicas, etc.). ) y diferentes entornos (superficie, subterráneo, aéreo, etc.) nos dejan un patrón complejo de resultados. Para restaurar y analizar el proceso de desarrollo de la naturaleza según este modelo, es necesario utilizar principios y métodos multidisciplinarios y combinar factores de influencia complejos para un análisis integral. Esto es muy diferente de materias como matemáticas, física y química, que se basan únicamente en la deducción y la experimentación para aprender. Por ejemplo, en geología, debido a que los procesos y los factores que influyen son muy complejos, el uso de principios y métodos de una sola disciplina basados en ciertas características individuales a menudo conducirá a conclusiones unilaterales o incluso erróneas. Estas son a menudo "conclusiones múltiples". encontrado en la investigación geológica” o problema de “incertidumbre”. Por lo tanto, sólo sobre la base de una investigación exhaustiva de todos los aspectos podemos sacar una conclusión unificada y más práctica.
(8) Aplicación de la tecnología informática
Algunas personas dicen que desde la segunda mitad del siglo XX, la sociedad humana ha entrado en la era de la informática y la aplicación de la tecnología informática ha traído Grandes cambios en diversas ciencias naturales de profundo impacto y cambios revolucionarios. Lo mismo ocurre con las ciencias de la tierra. Por ejemplo, en los campos de la meteorología moderna, la geografía, la geología, la geofísica, la oceanografía, las ciencias ambientales de la tierra, etc., la tecnología informática ha desempeñado un papel enorme y se ha convertido en un medio y método de investigación indispensable. Además, la tecnología informática está penetrando en todos los campos de las ciencias de la Tierra. La aplicación de la tecnología informática ha brindado perspectivas ilimitadas para resolver problemas en las ciencias de la Tierra, como el vasto espacio de los objetos de investigación, la gran cantidad de datos de observación y procesamiento y los complejos procesos de simulación de formación y evolución. Por lo tanto, para mejorar el nivel de investigación en ciencias de la tierra, debemos prestar plena atención, fortalecer y desarrollar aún más la aplicación de la tecnología informática en las ciencias de la tierra.
El proyecto "Tierra Digital" o investigación "Tierra Digital" que comenzó a surgir ampliamente en todo el mundo a finales del siglo XX es producto de la combinación de la tecnología informática moderna, las ciencias de la información y las ciencias de la tierra. . "Digital Earth" explora principalmente métodos de uso de la tecnología informática y las ciencias de la información modernas para cuantificar y describir digitalmente de manera integral todo el sistema terrestre, y establecer plataformas de recursos relevantes de "Digital Earth" para servir a la investigación y aplicación de las ciencias de la tierra. Por lo tanto, la "Tierra Digital" es esencialmente una representación digital del sistema terrestre, y su soporte teórico básico incluye principalmente dos aspectos interrelacionados, a saber, teorías relacionadas con las ciencias de la Tierra y teorías relacionadas con la tecnología digital. Se puede decir que el desarrollo exitoso y la aplicación generalizada de los sistemas de información geográfica, que surgieron antes que Digital Earth, han sentado una buena base para el surgimiento y desarrollo de Digital Earth. Pero "Tierra Digital" cubrirá todas las ramas o campos de investigación de las ciencias de la Tierra (no sólo la geografía), y el contenido y los datos científicos involucrados no tienen comparación con los "sistemas de información geográfica". En octubre de 1998, el ex vicepresidente de los Estados Unidos, Al Gore, propuso por primera vez el concepto de "Tierra Digital" en la reunión anual de la "Open GIS Alliance". Creía que "Tierra Digital" se refiere a datos masivos de múltiples resoluciones y múltiples. -Visualización dimensional basada en coordenadas terrestres. Tan pronto como se propuso el concepto de Tierra Digital, inmediatamente atrajo la atención mundial y logró un rápido desarrollo. La investigación e implementación de Digital Earth tiene perspectivas de aplicación muy amplias, como el monitoreo y la gestión de recursos y medio ambiente, la predicción, previsión y prevención del clima y diversos desastres naturales, el uso de la tierra y diversos planes de producción y vida, así como la planificación de algunas crisis. procesamiento de eventos, etc. También proporciona una excelente plataforma de recursos para la educación en ciencias de la tierra y la investigación multidisciplinaria, especialmente creando condiciones favorables para la investigación sobre interacciones de esferas, cambio global y desarrollo humano sostenible en la ciencia del sistema terrestre.
Los métodos de trabajo de la investigación en ciencias de la tierra suelen tener los siguientes procedimientos:
(1) Recolección de datos
Según los temas a estudiar y los problemas a tratar resolverse, en la medida de lo posible. Recopilar diversos datos relevantes, muestras y otra información de manera detallada, objetiva y sistemática. Las fuentes de datos incluyen estudios detallados in situ, observaciones y recopilaciones instrumentales, análisis de datos y resultados existentes, etc.
(2) Inducción, síntesis y razonamiento
Utilizar los métodos y principios de investigación de las ciencias de la tierra para procesar, resumir y sintetizar los datos recopilados para hacer inferencias que sean consistentes con la realidad objetiva.
(3) Verificación de la inferencia
Verificar o probar si la inferencia es correcta mediante prácticas de producción o experimentos científicos, y corregir constantemente errores, mejorar la comprensión y resumir reglas durante el proceso de práctica. .
La ciencia de la Tierra es una ciencia práctica. A través de la práctica científica continua, la gente ha ido formando gradualmente muchas hipótesis y teorías. Una hipótesis es una conclusión basada en algún fenómeno objetivo que necesita mayor verificación; una teoría es una teoría o proposición que ha sido probada en la práctica y formada en un determinado campo académico. Las hipótesis y teorías juegan un papel importante en la promoción del desarrollo de las ciencias de la tierra. Indican la dirección para explorar las leyes objetivas de las ciencias de la Tierra y desempeñan un cierto papel orientador en la práctica. Al mismo tiempo, en la práctica se prueba, complementa y revisa constantemente para hacerlo cada vez más perfecto. Por supuesto, algunas suposiciones y teorías también pueden abandonarse o rechazarse en la práctica.