بخشی از مقاله
چکیده
مروری کوتاه از استانداردهای علمی و جایگاه فعلی آنها در بین جامعه علمی ارایه گردید. مدلسازی بر اساس تئوریهای بیش از حد ساده شده و استفاده بیرویه از مدلها بدون ورودیهای دقیق و/یا سوءتفسیر آنها تقبیح گردید و کاربران به بازنگری تئوریها و تلاش برای یافتن روشهایی به روز جهت تامین دادههای ورودی دقیقتر توصیه شدند. مثالهایی خاص از فیزیک خاک ارایه گردید تا مدلسازی نادرست یا سوء تفسیر از پدیدههای واقعی در اثر کاربرد تئوریهای پایهای نامناسب نشان داده شود. در پایان، تئوری تراوش به عنوان یک تئوری جایگزین برای تعیین بهتر این ویژگیهای فیزیکی خاک معرفی گردید.
واژه های کلیدی: تئوری تراوش، توزیع اندازه منافذ، مدل، منحنی رطوبتی خاک.
علوم طبیعی، علوم خاک، و جامعه علمی
روز به روز بر پیچیدگیهای جهان افزوده میشود و این پیچیدگی نه تنها در ابعاد سیاسی و فرهنگی که در علم و پژوهش و سیاست علم و پژوهش نیز رخ داده است. بر خلاف گذشته که انتظارات از منابع طبیعی - از جمله خاک - و از پژوهشگر و وظایف و خدمات آنها تصویر نسبتا روشنی داشت، امروزه نه وظایف منابع طبیعی و نه مسئولیتهای جامعه علمی هیچ کدام به روشنی مشخص نیستند. در گذشته، اکثر دانشمندان با تصویری که اندیشمندان مختلف از جاعه علمی ارایه داده بودند - برای مثال مراجعه شود به: Philip، 1991 و منابع موجود در آن - ، موافق بودند. در این دیدگاه، پژوهش به سمت گسترش دانش موثق جهتدهی میشد و دانش به عنوان برآوردهای تایید شده به لحاظ تجربی و منطبق با منطق قلمداد میگردید.
این روند، یعنی تایید با مشاهدات و همخوانی با منطق، نه تنها کارآمد، بلکه راه صحیح و یک ضرورت فنی است. لذا منشور پژوهش مبتنی بر این دیدگاه بر چهار هنجار استوار است: عمومیت - universalism - ، جامعیت - communality - ، عدم دغدغهمندی - disinterestedness - ، و شک و تردید سازمان یافته . - organized skepticism - لزوم عمومیت این است که نژاد، ملیت یا طبقه اجتماعی بر آزادی ورود به جامعه علمی یا قضاوت در مورد اعتبار کار پژوهشگر تاثیر نگذارد. جامعیت بدین معناست که دانش علمی باید در اختیار عموم قرار گیرد یعنی پنهانکاری یا محرمانه بودن بر خلاف این هنجار است و باید ارتباطات آزاد و کامل میسر باشد.
لازمه عدم دغدغهمندی این است که ارزیابی دانشمند از حقیقت یک موضوع علمی آلوده به علاقه وی به شهرت، پاداش یا ارتقا اجتماعی نباشد. شک سازمان یافته یعنی پژوهشگر در نهایت نباید هیچ چیز را با یقین بپذیرد، نه کار پیشینیان و نه تئوریهای موجود را. این چهار هنجار تا زمانی پایدارند که جامعه علمی استقلال کافی داشته باشد و نقض هر کدام از این هنجارها منجر به کاهش کارآیی و یکپارچگی کار علمی می-شود. واقعیت کنونی تقریبا هیچ قرابتی با این هنجارها ندارد. میپذیریم که این منشور یک آرمان است که رسیدن به آن دشوار - و گاهی غیرواقع بینانه - است، اما به هر حال شدت عدول از این استانداردها، شدت انحراف علمی در یک جامعه را نشان می-دهد Philip - ، 1991 و منابع موجود در آن - .
خاک به عنوان یک سیستم پیچیده سه فازی
واژه پیچیدگی - complexity - واژهای بسیار مبهم است و در کاربردهای عمومی در بیان چیزی با اجزای متعدد و آرایشی شلوغ بکار میرود. معمولا، پیچیدگی با مفهوم "سیستم" گره خورده است. اصطلاح سیستم - سامانه - به گروهی از اجزای به هم پیوسته - interrelated - و وابسته به هم - interdependent - اطلاق میگردد که با هم یک جوهر یکپارچه - integrated - entity را میسازند. از آنجا که کل طبیعت در حقیقت یک جوهر یکپارچه است، در نظر گرفتن هر حوزه - domain - در طبیعت به عنوان یک " سیستم"تا حدّی فرضی است Bartolo et al., 2011 - و منابع موجود در آن - . دراین صورت ما باید به یاد داشته باشیم که هر " سیستم" این چنینی که ما در نظر میگیریم، الزاماٌ یک زیرسیستم در درون سیستمی بزرگتر است.
این زیرسیستم، مرزهایی رخنهپذیر دارد که از طریق آن، حوزه مورد نظر ما، پیوسته با پیرامون خود داد و ستد میکند. هر سیستم در تمامیت و جوهره یکپارچه خود ویژگیها یا رفتارهایی از خود نشان میدهد که از روی ویژگیها یا رفتارهای هر جزء آن قابل تشخیص نیست. ما میتوانیم خاک را سیستمی پیچیده بپنداریم.یک خاک واقعی محصول عمل آب و هوا و موجودات زنده بر روی مواد مادری در شرایط خاص پستی و بلندی در منطقه تشکیل خاک است. طول مدت زمانی که در طی آن این نیروها عمل میکنند در تعیین شخصیت محصول نهایی اهمیت زیادی دارد. شرایط زهکشی نیز مهم بوده و توسط شرایط خاص پستی و بلندی در منطقه، ماهیت مواد مادری و یا لایههای سنگی زیرین، و مقدار بارش و نرخ نفوذ و رواناب کنترل میگردد. بنابراین، پنج عامل اصلی تشکیل خاک شامل مواد مادری، آب و هوا، فعالیت بیولوژیکی، پستی و بلندی و زمان هستند.
این عوامل تشکیل خاک به هم وابسته هستند، بطوریکه هر کدام از اینها اثرگذاری عوامل دیگر را تعدیل مینماید. با توجه به این فرایندهای مختلف مربوط به شکلگیری و پیدایش خاک، پویایی - دینامیک - خاک پیچیدگی بالایی از خود نشان می دهد. افزون بر این ، امروزه خاک از یک پیکره طبیعی به پیکرهای انسانی-طبیعی تغییر ماهیت داده است که این امر به پیچیدگیها و پویایی آن میافزاید Richter - و Yaalon ، . - 2011 سیستمها از نظر درجه پیچیدگی بسیار گوناگونند. خاک سیستمی ناهمگن، چندفازی، دارای ذرات ریز، پراکنده و متخلخل است.امروزه میل به مدلسازی جنبهها و فرآیندهای مختلف خاک بسیار گسترش یافته است - برای مثال مراجعه شود به: Vereecken و همکاران، . - 2016 گرچه این مدلها برای کمک به درک بهتر پدیدهها و فرآیندها و کمک به طراحی و اجرا هستند، اما نگرانیهایی نیز وجود دارد که در زیر به برخی از آنها اشاره شده است.
مدل و مدلسازی: واقعیتها و توهمات
امروزه حتی در محافل علمی از "استانداردهای علمی" که هیچ، از "علم" هم صدای رسایی شنیده نمیشود. هر چه می شنویم از "مدیر"، "مدیریت"، " تصمیمگیر" و سهامدار" و غیره است. این فرهنگ لغت جدید، واژگانی را رایج ساخته که سادهلوحی است اگر بپنداریم که محتوای علمی داشته باشند و من "مدل" و "مدلسازی" را از آن قماش میدانم - نقل قول از Philip، . - 1991 شاید بگوید نیوتن و انیشتین نیز مدلساز بوده اند، اما آنچه آنها را از این تهمت دور میدارد این است که آنها به طور خارقالعادهای باهوش و بسیار فروتن بودند. اگر بپذیریم که هدف نهایی از مدل و مدل سازی یافتن حقیقت است آنگاه باید بگوییم که ما بیش از آنکه به اعتبارسنجی مدلها نیاز داشته باشیم به آزمودن و اصلاح تئوریهای - زیربنایی این مدلها - نیازمندیم - نقل قول از Philip، . - 1991
مدل ، نمایشی گرافیکی، ریاضی - نمادین - ، فیزیکی یا کلامی و یا نسخهای ساده شده از یک مفهوم، پدیده، رابطه، ساختار، سیستم، و یا یک جنبه از جهان واقعی است. از آنجا که اکثر اشیاء و پدیدهها بسیار شلوغ - قطعات متعدد - و بیش از حد پیچیده - قطعات واجد ارتباطات متراکم - هستند لذا برای درک آنها در تمامیت خود، یک مدل تنها حاوی ویژگیهای از آن اشیا و پدیده هاست که از نقطه نظر مدلساز دارای اهمیت عمده و اساسی هستند. لذا یک مدل، دنیای واقعی نیست بلکه صرفا ساخته و پرداخته انسان است تا به ما در درک بهتر سیستم جهان واقعی کمک کند. به طور کلی همه مدل ها دارای یک ورودی اطلاعات، پردازنده اطلاعات، و یک خروجی حاوی نتایج مورد انتظار هستند.
ظهور مدلسازی با ظهور کامپیوترها مقارن گشت زیرا کامپیوترها محاسبه کمیتها و پیچیدگیهای ناممکن را ممکن ساختند و در علوم طبیعی نیز کامپیوتر دیدگان بشر را به جوانبی از منابع طبیعی - و خاک - که درک آنها به پردازش بسیار سنگین دادهها و یا محاسبات بسیار سنگین نیاز داشت، گشود. اما خیلی زود کاربران در دام و فریبایی کامپیوتر و مدل گرفتار شدند. مدل که میبایستی ما را در درک بهتر مشاهدات یاری کند، جای مشاهده را گرفت.یکی از جنبههای ناخوشایند مدلسازی کامپیوتری، اختلاف بین مدل و رخدادهای جهان واقعی است، با گذشت زمان - و خو گرفتن کاربران با مدلها و اعتماد به آنها - این شکاف کوچکتر نشد، ولی نگرانی در مورد آن رفته رفته رنگ باخت.
کاربران، دیگر بیش از آنکه نگران طراحی درست مدل و صحت و اعتبار دادههای خود و درجه انطباق فرضیات مدل با پدیده مورد مطالعه خود باشند، تنها به دنبال حداقلهایی هستند که بتوانند با آن مدل را اجرا نمایند. این اعتماد بیاساس نه تنها در پژوهش که در طراحی و اجرا و در تصمیمگیری نیز با شدتی بیشتر وجود دارد. لذا مدلسازی کامپیوتری عمدتا سبب رنگ باختن فعالیتهای آزمایشگاهی و مشاهدات میدانی در مطالعات و تصمیم و اجرا شد، بطوریکه تازه فازغالتحصیلان - و گاهی مدرسین آنها - با افتخار خود را خوره کامپیوتر و مدل معرفی میکنند در حالی که با پدیدههای واقعی و مهارتهای آزمایشگاهی و میدانی بیگانه هستند، بدون آنکه از این ناتوانی خود آگاه باشند.
- 1991 - Philip اظهار میدارد که دانشگاهها رسالت آموزش موثر برای ایجاد یا توسعه یک حرفه و تربیت افراد حرفهای را دارند، ولی عموما در گذشته این پیام به دانشجویان تلقین میشد که همه زوایای علم معلوم گشته و آنچه یک دانش آموخته یا مهندس جوان باید بداند این است که در کدام کتاب به دنبال مطلب موردنظر خود باشد و امروزه نیز نسخهای جدید از همین پیام قدیمی داریم که همه چیز معلوم است و تنها باید بدانیم که در کدام نرمافزار یا مدل به دنبال خواسته خود باشیم. یک فرد حرفهای می خواهد که با کمترین تلاش و صرف کمترین وقت به خواسته خود برسد و بر اساس آموزشهای عمومی و دانشگاهی، کتاب و مدل او را به این هدف نزدیکتر میکنند. اما اگر کسی بخواهد این کار را به روش علمی انجام دهد بین علم و حرفه به دام میافتد و نمیتواند تکلیف خود را با ارزشها و انگیزههای خود روشن سازد. گو اینکه راه حل مشخص و مدونی برای حذف این دوگانگی وجود ندارد، اما اگر علم و حرفه هر یک به ارزشهای دیگری واقف بوده و خود را ملزم به رعایت آنها کند یک آشتی مسالمتآمیز بین این دو بوجود خواهد آمد.
فیزیک خاک چیست؟
واژه فیزیک برگرفته از واژه باستانی یونانی "physis" به معنای "طبیعت و ماهیت"است . ظاهراً، فیلسوفان آسیای صغیر نخستین کسانی بودند که در سده هفتم پیش از میلاد مسیح پرسشهایی درباره طبیعت و ماهیت یا فیزیک دنیای مادی مطرح کردند. گواینکه دلایل این فیلسوفان در توجیه باورهای علمی خویش با شیوههای استدلال علمی امروزی همخوانی نداشت، از تصورات خرافی مردم آن زمان کاملاً دور بود. اندیشه علمی این فیلسوفان، پس از آن در کشورهای تحت نفوذ یونان پیگیری شد . مباحث ایستاشناسی - static - و هیدروستاتیک ارشمیدس که مربوط به این دوران بود، رهیافتی بسیار نزدیک به علوم امروزی داشت.
پس از ظهور اسلام، دانشمندان اسلامی از جمله ابوریحان بیرونی، ابن هیثم، خواجه نصیرالدین طوسی و دیگران، علم فیزیک را گسترش دادند که پژوهشهای گالیله بر آنها استوار است. گالیله را میتوان پایهگذار روش نوین در بررسی سیستمهای ساده به کمک "اندازهگیری تجربی" و "تجزیه و تحلیل ریاضی" دانست. گالیله نشان داد که قوانین طبیعت از معادلهای ریاضی معمولاً سادهای پیروی میکنند. تلاش فیزیکدانان از آن زمان تاکنون، یافتن این روابط ریاضی برای تحلیل و بررسی اندازهگیریهایی است که در میدان مطالعاتی خود گرد میآورند.فیزیک خاک، شاخهای از فیزیک است که در مورد وضعیت و حرکت انرژی و ماده در محیطی متخلخل و بسیار تغییرپذیر به نام "خاک" بحث میکند.
برای افزایش توانایی خاک در انجام وظایف خود، باید فاکتورها و فرآیندهایی که کیفیت خاک را در کشاورزی و سایر کاربریها مثل جنگل، شهرنشینی، صنعت، نظامی و غیره تحت تاثیر قرار میدهند، بشناسیم. فیزیک خاک با معرفی پارامترهایی کمّی، فرآیندهای انتقال ماده - مثل آب، املاح، آلایندهها، میکروبها وغیره - و انرژی - مثل گرما - را در خاک بررسی میکند. در فیزیک خاک تلاش بر آن است تا مدلهایی ساده برای مطالعه این فرآیندها ارایه گردد، به گونهای
