En meteorolog og en musikteknolog forvandler data fra tropiske storme til musikalske grafer. Kan det at lytte til storme hjælpe os med at forstå dem bedre?
Orkanen Sandy, sonificeret.
Af Mark Ballora, Pennsylvania State University og Jenni Evans, Pennsylvania State University
I orkansæsonen i 2017 ødelagde store storme i Nordatlanten samfund i og omkring Houston, Florida, Puerto Rico og det bredere Caribien.
Ødelæggelsen viser, hvor vigtigt det er at forstå og kommunikere de alvorlige trusler, som disse storme udgør. Forskere har gjort store fremskridt med at forudsige mange aspekter af storme, men hvis de mennesker, der er i fare, ikke forstår den fare, de er i, er virkningen tabt.
Vi er kolleger fra forskellige områder på Penn State campus: Den ene af os er professor i meteorologi og den anden professor i musikteknologi. Siden 2014 har vi arbejdet sammen for at sonificere dynamikken i tropiske storme. Med andre ord forvandler vi miljødata til musik.
Orkanen Maria, september 2017. Billede via lavizzara / shutterstock.com.
Ved at sonificere satellitvideoer som dem, der ofte ses i vejrrapporter,
vi håber, at folk bedre kan forstå, hvordan disse ekstreme storme udvikler sig.
Data til lyd
De fleste af os er bekendt med datavisualisering: diagrammer, grafer, kort og animationer, der repræsenterer komplekse række numre. Sonificering er et voksende felt, der skaber grafer med lyd.
Som et simpelt eksempel kan en sonificeret graf bestå af en stigende og faldende melodi i stedet for en stigende og faldende linje på en side.
Et simpelt eksempel på sonificering.
Sonification tilbyder et par fordele i forhold til traditionel datavisualisering. Den ene er tilgængelighed: Mennesker med syns- eller kognitive handicap er muligvis bedre i stand til at engagere sig i lydbaserede medier.
Sonificering er også godt til opdagelse. Vores øjne er gode til at registrere statiske egenskaber, som farve, størrelse og ure. Men vores ører er bedre til at registrere egenskaber, der ændrer sig og svinger. Egenskaber som tonehøjde eller rytme kan ændre sig meget subtilt, men sanses stadig ganske let. Ørene er også bedre end øjnene ved at følge flere mønstre samtidig, hvilket er, hvad vi gør, når vi værdsætter de sammenlåste dele i et komplekst stykke musik.
Lyd behandles også hurtigere og mere visceralt end visuals. Derfor tapper vi ufrivilligt på vores fødder og synger med til en yndlingssang.
At forvandle storme til sange
En orkanlevetid kan vare overalt fra en dag til et par uger. Agenturer som U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration måler kontinuerligt alle mulige træk ved en storm.
Vi destillerede de skiftende egenskaber ved en orkan i fire funktioner, der måles hver sjette time: lufttryk, breddegrad, længdegrad og asymmetri, et mål på mønsteret for de vinder, der blæser rundt i stormens centrum.
For at oprette sonificeringer eksporterer vi disse data til musiksynteseprogrammet SuperCollider. Her kan numeriske værdier skaleres og transponeres efter behov, så for eksempel en storm, der varer flere dage, kan spilles over kun få minutter eller sekunder.
Hver type data behandles derefter som en del i en musikalsk score. Data bruges til at "afspille" syntetiserede instrumenter, der er oprettet for at give lyde, der antyder en storm og til at blande godt sammen.
I vores optagelser overføres lufttrykket af en hvirvlende, blæsende lyd, der reflekterer trykændringer. Mere intense orkaner har lavere værdier for lufttryk ved havoverfladen. Vindene nær jorden er også stærkere i intense storme.
Når trykket sænkes, øges hastigheden på det hvirvlende i vores lydoptagelser, lydstyrken øges, og den blæsende lyd bliver lysere.
Denne demonstration (ikke baseret på faktiske data) giver lyden, der ville være resultatet af, at trykværdierne falder og derefter stiger igen.
Stormcentrets længde afspejles i stereopande, placeringen af en lydkilde mellem venstre og højre højttalerkanaler.
Demonstrationen (ikke baseret på faktiske data) spiller længdegrader, der bevæger sig fra vest til øst (venstre til højre). (Dette høres bedst via stereohovedtelefoner.)
Breddegrad afspejles i tonehøjden for den hvirvlende lyd såvel som i en højere, pulserende lyd. Når en storm bevæger sig væk fra ækvator mod en af polerne, falder banen for at afspejle faldet i temperaturer uden for troperne.
Dette er en demonstration (ikke baseret på faktiske data) af breddegrader, der sporer væk fra ækvator og derefter tilbage mod den. Selvom der er meget få undtagelser, bevæger storme sig typisk ikke tilbage mod ækvator.
En mere cirkulær storm er typisk mere intens.Symmetriværdier afspejles i lysstyrken på en lav, underliggende lyd. Når stormen har en aflang eller oval form, er lyden lysere.
Denne demonstration spiller værdier, der skitserer livscyklussen for en storm, der udvikler sig fra en oval form til at blive mere cirkulære og derefter vende tilbage til en oval form. Denne progression afspejler, hvad der ville ske, når en svag storm dannes, bliver stærkere og derefter dør.
Brug af lyd
Indtil videre har vi sonificeret 11 storme samt kortlagt den globale stormaktivitet fra 2005.
Stormsonificeringer kan potentielt komme dem til gode, der sporer stormsystemer eller opdaterer offentligheden om vejraktivitet. Sonifikationer kunne f.eks. Afspilles via radioen. De kan også være nyttige for folk, der har begrænset telefonbåndbredde og er bedre i stand til at modtage lydindhold end videoindhold.
Selv for eksperter i meteorologi kan det være lettere at få en fornemmelse af sammenhængende stormdynamik ved at høre dem som samtidige musikalske dele end ved at stole på grafik alene. For eksempel, mens en storms form typisk er bundet til lufttryk, er der tidspunkter, hvor storme ændrer form uden at ændre lufttrykket. Selvom denne forskel kan være vanskelig at se i en visuel graf, høres den let i de sonificerede data.
Vores mål er at introducere sonificeringer af alle former for grafer i naturfagsklasser, især dem med yngre studerende. Sonificering er ved at blive en anerkendt forskningsmetode, og adskillige undersøgelser har vist den effektiv til at kommunikere komplekse data. Men optagelsen har været langsom.
Landsdækkende anerkender forskere, lærere og skoleadministratorer betydningen af kunst, herunder lyd og musik, når man underviser i videnskab og matematik. Hvis en generation af studerende vokser op med at opleve videnskab gennem flere af deres sanser - syn, hørelse og berøring - kan de synes, at videnskaberne er mere indbydende og mindre skræmmende.
Mark Ballora, professor i musikteknologi, Pennsylvania State University og Jenni Evans, professor i meteorologi, Pennsylvania State University
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.