Измерительные эксперименты

Можно выделить два класса экспериментов: измерительные (пассивные) и управляемые (активные). Измерительные эксперименты включают только проведение наблюдений в одной или нескольких точках пространства или времени; пространство или время – это единственные "экспериментальные" переменные или "факторы воздействия". Оценка значимости воздействия по статистическим критериям осуществляется здесь не всегда. Измерительные эксперименты обычно не включают наложение экспериментатором управляемых внешних факторов на экспериментальные единицы.

Рассмотрим пример № 1. Необходимо определить, как быстро разлагаются листья клена на дне озера на глубине 1 м. Для этого делают 8 маленьких мешков из нейлоновой сетки, наполняют каждый из них кленовыми листьями и помещают все вместе в какой-то точке 1-метровой изобаты. Через месяц вынимают мешочки, определяют потерю разложившегося органического вещества в каждом и вычисляют среднюю скорость разложения. В таком виде эта процедура удовлетворительна. Однако она не дает информации о том, как скорость может варьировать в разных точках 1-метровой изобаты. Средняя скорость, которую вычисляют по 8 мешочкам с листьями – слишком скудное основание для обобщения величины "скорости разложения на 1-метровой изобате в озере".

Такая процедура обычно называется экспериментом просто потому, что процедура измерения достаточно трудоемка, и часто включает вмешательство в саму систему. Если бы мы провели 8 измерений температуры или отобрали 8 проб дночерпателем, мало кто назвал бы эти процедуры и их результаты "экспериментальными".

Исторически сложилось, что термин "экспериментальное" всегда использовался в контексте значений "сложное", "трудоемкое", "подразумевающее вмешательство, и это неизбежно будет продолжаться.

В экологии существуют сравнительные измерительные эксперименты.

Рассмотрим пример № 2. Предположим, что необходимо, используя процедуру примера 1, выяснить, отличается ли скорость разложения кленовых листьев между 1-метровой и 10-метровой изобатами. Для этого помещают 8 мешочков с листьями на 1-метровую изобату и другие 8 мешочков на 10-метровую, ждут месяц, извлекают мешочки и получают данные. Затем применяют статистический критерий (например, t-критерий или U- критерий), чтобы узнать, имеется ли достоверное различие скорости разложения в двух точках.

Этот опыт можно было бы назвать сравнительным измерительным экспериментом. Хотя использовались две изобаты (или два "уровня воздействия"), полноценная проверка научных гипотез, присущих манипулятивным экспериментам, проведена не была. Измеряют свойство системы в двух точках внутри нее и оценивают, существует ли реальное различие ("эффект воздействия") между ними.

Чтобы достигнуть не слишком четко сформулированную цель в примере 1, любой тип пространственного размещения 8 мешочков по изобате, в принципе, был бы приемлемым. В примере же 2 определили цель как сравнение двух изобат в отношении скорости разложения кленовых листьев. Поэтому нельзя расположить наши мешочки в одном месте на каждой изобате. Это не даст никакой информации об изменчивости скорости разложения от точки к точке вдоль изобаты. Такую информацию необходимо получить, прежде чем обоснованно применять статистический критерий для проверки нулевой гипотезы о том, что скорость разложения одинакова на двух изобатах. Поэтому нужно рассеять мешочки на каждой изобате некоторым подходящим образом. Существует много путей выбора такого размещения. В идеальном случае позиции вдоль каждой изобаты должны выбираться случайно, но мешочки могут быть расположены индивидуально (8 точек), либо группами по две (4 точки) или по четыре (2 точки).

Размещение повторных выборок или измерений в пространстве (или времени) подходящим образом, соответствующим конкретной проверяемой гипотезе, – наиболее критичный аспект планирования измерительных экспериментов.

Рассмотрим мнимые повторности в измерительных экспериментах.

Для этого обратимся к примеру № 3. Предположим, что расположили все 8 мешочков в одном месте на каждой из изобат. Так случилось, что одна из точек лежит на 1-метровой изобате, а вторая – на 10-метровой. Выявленное достоверное различие между ними не может быть корректно интерпретировано как различие между двумя изобатами, т.е. как свидетельство "эффекта воздействия". Такое выявленное достоверное различие не более того различия, которое мы обнаружили бы, поместив два набора по 8 мешочков в двух точках на одной и той же изобате.

Если настаивают на интерпретации проверки гипотезы в примере 3 как "эффекта воздействия" с констатацией реальных различий между изобатами, совершают ошибку, связанную с тем, что называют мнимой повторностью. В целом в измерительных экспериментах мнимые повторности часто являются следствием того, что реальное физическое пространство, из которого формируются выборки (либо в котором проводятся измерения), меньше, либо более ограничено, чем то, которое фигурирует в гипотезе. В манипулятивных экспериментах мнимые повторности проявляются в результате использования статистических методов для проверки гипотезы об эффекте воздействия по данным из экспериментов, в которых либо воздействия вообще не имели повторностей (хотя могло быть несколько выборок), либо эти повторности не были статистически независимы. Таким образом, мнимые повторности относятся не к проблеме планирования эксперимента (или выборочного процесса) как такового, а скорее к определенной комбинации планирования эксперимента (или выборочного процесса) и статистического анализа, который неадекватен для проверки поставленных гипотез.

Другие статьи по экологии

Структура и отношения внутри экосистемы
Экологию относят к числу фундаментальных разделов биологии, которые включают морфологию, генетику, эволюционное учение, систематику и биологию развития. Все эти разделы, в том числе и эк ...

Радиационная обстановка в Российской Федерации
Благодаря открытию явления радиоактивности были совершены прорывы во многих сферах человеческой деятельности: в области медицины и различных отраслях промышленности, особенно в энергетике. ...

Формирование комплексных программ природопользования
Необходимость территориальной ориентации в управлении природопользованием в современных условиях диктуется, по крайней мере, четырьмя соображениями. Глубокими политическими преобразованиям ...