Ein Meteorologe und ein Musiktechnologe wandeln Daten von tropischen Stürmen in musikalische Grafiken um. Kann uns das Hören von Stürmen helfen, sie besser zu verstehen?
Hurrikan Sandy, beschallt.
Von Mark Ballora, Pennsylvania Staatsuniversität und Jenni Evans, Pennsylvania Staatsuniversität
Während der Hurrikansaison 2017 verwüsteten schwere Stürme im Nordatlantik die Gemeinden in und um Houston, Florida, Puerto Rico und der Karibik.
Die Zerstörung zeigt, wie wichtig es ist, die ernsten Bedrohungen dieser Stürme zu verstehen und zu kommunizieren. Wissenschaftler haben große Fortschritte bei der Vorhersage vieler Aspekte von Stürmen gemacht. Wenn die gefährdeten Personen die Gefahr, in der sie sich befinden, jedoch nicht verstehen, sind die Auswirkungen verloren.
Wir sind Kollegen aus verschiedenen Bereichen des Penn State Campus: Einer von uns ist Professor für Meteorologie und der andere Professor für Musiktechnologie. Seit 2014 arbeiten wir zusammen, um die Dynamik tropischer Stürme zu beschallen. Mit anderen Worten, wir wandeln Umweltdaten in Musik um.
Hurrikan Maria, September 2017. Bild über lavizzara / shutterstock.com.
Durch die Beschallung von Satellitenvideos, wie sie häufig in Wetterberichten zu sehen sind,
Wir hoffen, dass die Menschen besser verstehen, wie sich diese extremen Stürme entwickeln.
Daten in Ton
Die meisten von uns sind mit der Datenvisualisierung vertraut: Diagramme, Grafiken, Karten und Animationen, die komplexe Zahlenreihen darstellen. Die Beschallung ist ein aufstrebendes Feld, in dem Grafiken mit Ton erstellt werden.
Als einfaches Beispiel könnte ein sonifiziertes Diagramm aus einer steigenden und fallenden Melodie anstelle einer steigenden und fallenden Linie auf einer Seite bestehen.
Ein einfaches Beispiel für die Beschallung.
Die Sonifikation bietet einige Vorteile gegenüber der herkömmlichen Datenvisualisierung. Eine davon ist die Barrierefreiheit: Menschen mit visuellen oder kognitiven Behinderungen sind möglicherweise besser in der Lage, sich mit soundbasierten Medien auseinanderzusetzen.
Sonifikation ist auch gut für die Entdeckung. Unsere Augen können statische Eigenschaften wie Farbe, Größe und Härte gut erkennen. Aber unsere Ohren können besser Eigenschaften wahrnehmen, die sich ändern und schwanken. Qualitäten wie Tonhöhe oder Rhythmus können sich sehr subtil ändern, sind aber dennoch recht leicht wahrzunehmen. Die Ohren sind auch besser als die Augen, wenn sie mehreren Mustern gleichzeitig folgen, was wir tun, wenn wir die ineinander greifenden Teile eines komplexen Musikstücks schätzen.
Sound wird auch schneller und viszeraler verarbeitet als Visuals. Deshalb tippen wir unwillkürlich auf die Füße und singen zu einem Lieblingslied mit.
Stürme in Lieder verwandeln
Die Lebensdauer eines Hurrikans kann zwischen einem Tag und einigen Wochen liegen. Agenturen wie die US-amerikanische National Oceanic and Atmospheric Administration messen kontinuierlich alle möglichen Merkmale eines Sturms.
Wir haben die sich ändernden Eigenschaften eines Hurrikans in vier Merkmale unterteilt, die alle sechs Stunden gemessen werden: Luftdruck, Breite, Länge und Asymmetrie, ein Maß für das Muster der Winde, die um das Zentrum des Sturms wehen.
Um die Sonifikationen zu erstellen, exportieren wir diese Daten in das Musiksynthesoprogramm SuperCollider. Hier können numerische Werte nach Bedarf skaliert und transponiert werden, so dass beispielsweise ein mehrtägiger Sturm über wenige Minuten oder Sekunden hinweg abgespielt werden kann.
Jede Art von Daten wird dann wie ein Teil einer Musikpartitur behandelt. Daten werden verwendet, um synthetisierte Instrumente zu „spielen“, die erstellt wurden, um Klänge zu erzeugen, die an einen Sturm erinnern, und um sich gut zu vermischen.
In unseren Aufnahmen wird der Luftdruck durch ein wirbelndes, windiges Geräusch übertragen, das Druckänderungen widerspiegelt. Intensivere Hurrikane haben niedrigere Luftdruckwerte auf Meereshöhe. Die Winde in Bodennähe sind auch bei starken Stürmen stärker.
Wenn der Druck abnimmt, nimmt die Geschwindigkeit des Wirbels in unseren Schallaufzeichnungen zu, die Lautstärke nimmt zu und der windige Klang wird heller.
Diese Demonstration (nicht auf tatsächlichen Daten basierend) gibt den Klang wieder, der sich aus abnehmenden und dann wieder zunehmenden Druckwerten ergeben würde.
Die Länge des Sturmzentrums spiegelt sich in Stereo Pan wider, der Position einer Schallquelle zwischen dem linken und rechten Lautsprecherkanal.
Die Demonstration (nicht auf tatsächlichen Daten basierend) spielt Längengradpositionen, die sich von West nach Ost (von links nach rechts) bewegen. (Dies ist am besten über Stereokopfhörer zu hören.)
Die Breite spiegelt sich in der Tonhöhe des wirbelnden Geräusches sowie in einem höheren, pulsierenden Geräusch wider. Wenn sich ein Sturm vom Äquator auf einen der Pole zubewegt, sinkt die Tonhöhe, um den Temperaturabfall außerhalb der Tropen widerzuspiegeln.
Dies ist eine Demonstration (nicht basierend auf tatsächlichen Daten) von Breitengraden, die vom Äquator weg und dann zurück in Richtung Äquator verlaufen. Obwohl es nur sehr wenige Ausnahmen gibt, ziehen sich Stürme normalerweise nicht in Richtung Äquator zurück.
Ein eher kreisförmiger Sturm ist normalerweise intensiver.Symmetriewerte spiegeln sich in der Helligkeit eines tiefen, zugrunde liegenden Klangs wider. Wenn der Sturm eine längliche oder ovale Form hat, ist der Klang heller.
Diese Demonstration spielt Werte ab, die den Lebenszyklus eines Sturms umreißen und sich von einer ovalen Form zu einer kreisförmigeren entwickeln, um dann zu einer ovalen Form zurückzukehren. Diese Entwicklung spiegelt wider, was passieren würde, wenn sich ein schwacher Sturm bildet, stärker wird und dann stirbt.
Sound verwenden
Bisher haben wir 11 Stürme beschallt und die globale Sturmaktivität aus dem Jahr 2005 kartiert.
Sturmbeschallungen können potenziell für diejenigen von Vorteil sein, die Sturmsysteme verfolgen oder die Öffentlichkeit über Wetteraktivitäten auf dem Laufenden halten. Sonifikationen könnten zum Beispiel über das Radio abgespielt werden. Sie sind möglicherweise auch nützlich für Personen mit eingeschränkter Telefonbandbreite, die Audio- und Videoinhalte besser empfangen können.
Selbst für Experten der Meteorologie kann es einfacher sein, ein Gefühl für die damit zusammenhängende Sturmdynamik zu bekommen, wenn sie als simultane musikalische Teile gehört werden, als wenn man sich nur auf Grafiken verlässt. Während die Form eines Sturms in der Regel an den Luftdruck gebunden ist, ändern Stürme manchmal ihre Form, ohne dass sich der Luftdruck ändert. Während dieser Unterschied in einem visuellen Diagramm schwierig zu erkennen sein kann, ist er in den beschallten Daten leicht zu hören.
Unser Ziel ist es, Sonifikationen aller Art in den naturwissenschaftlichen Unterricht einzuführen, insbesondere in den Unterricht mit jüngeren Schülern. Die Sonifikation wird zu einer anerkannten Forschungsmethode, und mehrere Studien haben ihre Wirksamkeit bei der Übermittlung komplexer Daten bewiesen. Aber es hat sich nur langsam durchgesetzt.
Bundesweit erkennen Wissenschaftler, Lehrer und Schulverwalter die Bedeutung der Künste, einschließlich Klang und Musik, beim Unterrichten von Naturwissenschaften und Mathematik. Wenn eine Generation von Schülern aufwächst, die Naturwissenschaften mit mehr Sinnen - Sehen, Hören und Berühren - erleben, werden sie die Naturwissenschaften vielleicht einladender und weniger einschüchternd finden.
Mark Ballora, Professor für Musiktechnologie, Pennsylvania Staatsuniversität und Jenni Evans, Professor für Meteorologie, Pennsylvania Staatsuniversität
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.