Summary
Hier wird ein Protokoll vorgestellt, um Klimadaten als generative Kunst zu visualisieren.
Abstract
Die Fähigkeit, das heutige Klima zu verstehen, beruht auf einem grundlegenden Verständnis der Klimavariabilität der Vergangenheit und der Art und Weise, wie der Planet durch miteinander verbundene Rückkopplungen stabilisiert wird. Dieser Artikel stellt eine einzigartige Methode vor, um Aufzeichnungen vergangener Klimaübergänge, die in Tiefseesedimenten erhalten geblieben sind, durch eine immersive Visualisierung einem breiten Publikum zugänglich zu machen. Bei dieser Visualisierung handelt es sich um eine Multimedia-Installation, die geochemische Aufzeichnungen von Gletscher- und Warmzeitübergängen sowie Modellvorhersagen für die zukünftige anthropogene Erwärmung einbezieht, um ein immersives Erlebnis für die Betrachter zu schaffen, das sie einlädt, sich mit den subtilen, nuancierten Unterschieden zwischen Teilmengen der Erdgeschichte auseinanderzusetzen und darüber nachzudenken. Diese Arbeit zeigt fünf Zeitintervalle, beginnend mit dem Beginn der modernen glazial-interglazialen Zyklizität (vor ~ einer Million Jahren), und vergleicht das vergangene Klima mit Modellergebnissen für die prognostizierte zukünftige anthropogene Erwärmung (bis 2099). Die Installation besteht aus mehreren experimentellen Projektionen, eine für jede Teilmenge der Zeit, die auf verschiedenen Oberflächen in einem Raum gezeigt werden. Während sich die Betrachter durch den Raum bewegen, durchlaufen die Projektionen langsam verschiedene klimatische Übergänge und verwenden Animationsmethoden wie Geschwindigkeit, Farbe, Schichtung und Wiederholung, die alle durch ortsspezifische Daten generiert werden, um das einzigartige Verhalten des Planeten in Bezug auf das globale Klima zu vermitteln. Diese Arbeit bietet einen Rahmen für eine einzigartige wissenschaftliche Datenvisualisierung mit generativen Animationen, die mit einem Perlin-Noise-Algorithmus im Zentrum der Installation erstellt wurden. Forschungsvariablen wie die Meeresoberflächentemperatur, die Nährstoffdynamik und die Geschwindigkeit des Klimawandels wirken sich auf formale Ergebnisse wie Farbe, Maßstab und Animationsgeschwindigkeit aus, die alle leicht zu manipulieren und mit bestimmten Daten zu verknüpfen sind. Dieser Ansatz ermöglicht auch die Online-Veröffentlichung von Daten und bietet einen Mechanismus zur Skalierung visueller Parameter auf eine Vielzahl quantitativer und qualitativer Daten.
Introduction
Generative Kunst und die hier verwendeten Methoden ermöglichen die direkte Übersetzung quantitativer Daten in Animationen unter Wahrung der Integrität der Daten. Künstler verwenden generative Kunst, um die Wahrnehmung von Raum und Zeit zu erforschen1,2, aber generative Kunst wird noch nicht häufig mit räumlichen oder zeitlichen wissenschaftlichen Daten verwendet. Die hier vorgestellte Arbeit bietet einen einfachen Rahmen für die Verwendung generativer visueller Produkte zur Darstellung von Klimadaten. Diese Produkte können vielseitig eingesetzt werden, sei es zur Erstellung persönlicher Exponate oder als visuelle Hilfe für eine Präsentation oder Online-Publikation.
Die Verwendung geochemischer Messungen oder Schätzungen zur Skalierung von Elementen wie Farbe, Form, Größe und Geschwindigkeit bietet eine Möglichkeit, Raten und Größenordnungen von Änderungen visuell zu vermitteln, ohne dass der Betrachter ein Papier lesen, ein Diagramm interpretieren oder eine Datentabelle durchsuchen muss. Alternativ wird die Randomisierung ausgewählter Variablen verwendet, um einen Mangel an Daten oder Unsicherheit zu vermitteln, wie im Fall von Zukunftsprojektionen. Die Gegenüberstellung von geologischer Vergangenheit und Zukunft ist vielleicht ein wesentlicher Bestandteil der Wirksamkeit dieser Produkte als Werkzeuge der Wissenschaftskommunikation. Jüngste Erfahrungen dienen oft als Vergleichsgrundlage für den modernen Klimawandel, was es schwierig macht, das Ausmaß des anthropogenen Klimawandels zu erfassen3.
Geochemische Messungen, die in dieser Arbeit visualisiert wurden, erstrecken sich über den Übergang zum mittleren Pleistozän (MPT; vor 1,2 Millionen bis 600.000 Jahren) und zeichnen Veränderungen in der Nähe der nördlichen Grenze des Südlichen Ozeans von der International Ocean Discovery Program Site U1475 4,5 auf. Die MPT-Daten werden in vier Animationen dargestellt, die Veränderungen der Ozeanbedingungen hervorheben, wenn sich der Planet abkühlt und die glaziale und interglaziale Variabilität verstärkt wird6. Dies liefert eine geologische Basislinie, die den natürlichen Rhythmus des Erdklimas offenbart und einen langfristigen Abkühlungstrend hervorhebt, der in starkem Kontrast zu zukünftigen Klimaprojektionen steht. Zukünftige Temperaturschätzungen sind Durchschnittswerte der Ergebnisse von 20 Klimamodellen unter dem Antrieb des Representative Carbon Pathway 8.5 (RCP 8.5; Szenario mit einem Strahlungsantrieb von 8.5 W/m2 im Jahr 2100) für den Standort New York, NY7. RCP 8.5 stellt ein Worst-Case-Szenario für anhaltende Emissionen dar, die bis 2100 zu einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um 3,7 °C führen8. Daher zeigt dieser Artikel eine Möglichkeit, zukünftige Projektionen mit geologischen Daten zu vergleichen, um die Raten des Klimawandels und der Klimavariabilität zu vergleichen.
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Protocol
1. Abspielen der vorhandenen Visualisierungen
- Laden Sie die Codierungs- und Visualisierungssoftware herunter (siehe Materialtabelle).
- Laden Sie die Daten und den Code herunter. In diesem Artikel werden "Unsicherheitsgrade" mit Daten von Marcks et al.4 und Cartagena-Sierra et al.5 zum Altersmodell von Starr et al.9 verwendet.
HINWEIS: Die "Unsicherheitsgrade" enthalten fünf Kodierungsdateien, Ergänzende Kodierungsdatei 1, Ergänzende Kodierungsdatei 2, Ergänzende Kodierungsdatei 3, Ergänzende Kodierungsdatei 4 und Ergänzende Kodierungsdatei 5, mit Inhalten, die sich auf jeden Zeitraum der Visualisierung beziehen (MPT 1, MPT 2, MPT 3, MPT 4 bzw. Zukunft). Jede dieser Bibliotheken enthält die Codierungsbibliotheken10, die für Visualisierungen verwendet werden, sowie "Script"-Ordner, die heruntergeladene Daten in .csv Format enthalten, Code, der zum Generieren von visuellen "Partikeln.js verwendet wird, und eine Indexdatei "index.html, die alle relevanten Daten und Codes miteinander verknüpft.
- Laden Sie die Daten und den Code herunter. In diesem Artikel werden "Unsicherheitsgrade" mit Daten von Marcks et al.4 und Cartagena-Sierra et al.5 zum Altersmodell von Starr et al.9 verwendet.
- Öffnen Sie die Codebearbeitungssoftware aus den "Unsicherheitsgraden".
- Ziehen Sie eine Datei (MPT 1, MPT 2, MPT 3 oder MPT 4) in den Code-Editor, um sie zu visualisieren.
- Die Dateien werden im EXPLORER-Menü auf der linken Seite des Fensters angezeigt. Überprüfen Sie das Verfahren zum Visualisieren von Daten aus dem Ordner "Future" in Schritt 1.7.
- Klicken Sie im EXPLORER-Menü auf den Ordner (MPT 1, MPT 2, MPT 3 oder MPT 4), um ein Dropdown-Menü anzuzeigen, klicken Sie auf Skript und dann auf index.html.
HINWEIS: Der Code wird auf der rechten Seite des Fensters angezeigt. - Klicken Sie mit der linken Maustaste auf den Teil des Fensters mit dem Code für "index.html" und wählen Sie im Menü die Option Mit Live-Server öffnen .
HINWEIS: Ein Internetbrowserfenster wird geöffnet und beginnt mit der Wiedergabe der Visualisierung. - Das Schließen und erneute Öffnen des Code-Editors kann zwischen Visualisierungen erforderlich sein, wenn ein Visual aus einer anderen Teilmenge geladen wird. Wiederholen Sie die Schritte 1.4 bis 1.6 für jede Teilmenge der Zeit.
- Um die Visualisierung basierend auf Zukunftsprojektionen anzuzeigen, öffnen Sie den Ordner "Zukunft" auf dem Computer und ziehen Sie entweder den Ordner "Akkumulation" oder "Übergang" in den Code-Editor. Der Unterschied zwischen den Animationen wird im Abschnitt "Ergebnisse" beschrieben.
- Wählen Sie den Ordnernamen im EXPLORER-Fenster aus und klicken Sie auf index.html. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf den Teil des Fensters mit dem Code für "index.html" und wählen Sie im Menü die Option Mit Live-Server öffnen .
HINWEIS: Ein Internetbrowserfenster wird geöffnet und beginnt mit der Wiedergabe der Visualisierung, die durch Bildschirmaufzeichnung lokal auf einem Computer gespeichert werden kann.
2. Bearbeiten der Visualisierungen
HINWEIS: Um die Visualisierungen zu bearbeiten, führen Sie bei Bedarf die obigen Schritte 1.1-1.4 aus, um die relevanten Daten zu laden.
- Wählen Sie den gewünschten Ordner im EXPLORER-Fenster des Code-Editors aus und öffnen Sie die Hauptskriptdatei, indem Sie auf sketch.js klicken.
HINWEIS: Die Datei "sketch.js" im MPT 1 (Supplementary Coding File 1) enthält die detailliertesten Anmerkungen; Daher kann diese Datei am nützlichsten sein, um sich mit dem Code vertraut zu machen.- Der Code wird auf der rechten Seite des Code-Editor-Fensters angezeigt. Führen Sie alle Änderungen an den Visualisierungsparametern in diesem Code durch. Suchen Sie nach Codeanmerkungen mit detaillierten Beschreibungen des Codes und seiner Funktion, die auf doppelte Schrägstriche "//" folgen und weiter durch grünen Text gekennzeichnet sind (ergänzende Abbildung 1).
- Definieren Sie die Variablen, die mit Daten verknüpft oder zum Anpassen visueller Parameter verwendet werden (ergänzende Abbildung 1).
- Laden Sie die Daten in den Arbeitsbereich (ergänzende Abbildung 2).
- Definieren Sie die visuellen Parameter der Arbeitsfläche. Verwenden Sie eine for-Schleife, um Daten mit bestimmten Merkmalen zu verknüpfen. hier ist die Größe an den Stickstoffisotopenwert 'd15N' gekoppelt (ergänzende Abbildung 3).
- Verwenden Sie eine for-Schleife, um eine Schwanzlänge für jede Kugel zu definieren. Der Schwanz bezieht sich auf die Zeitspanne, in der die Kugeln nach dem Erscheinen auf dem Bildschirm bleiben, wodurch im Laufe der Visualisierung eine Ansammlung von Farbe entsteht (ergänzende Abbildung 4).
HINWEIS: Hier wird die Schwanzlänge auf die Akkumulationsrate von Alkenonen c37 skaliert. - Zeichnen Sie schließlich die Animation, indem Sie einen Perlin-Noise-Algorithmus11 anwenden, um die Form der visuellen Elemente zu definieren (ergänzende Abbildung 5).
HINWEIS: Hier wird ein Kreis als Grundform verwendet, wobei Rauschen auf die Punkte entlang des Kreisumfangs angewendet wird. Diese "wackeln" an der Begrenzung des Kreises, wodurch eine organische, kugelartige Form entsteht, die in einem durch den Befehl "wiggle" definierten Betrag von einem Kreis abweicht. - Bearbeiten Sie den Code nach Bedarf, indem Sie Anmerkungen verwenden, um die Änderungen zu unterstützen.
3. Speichern der Bearbeitungen
- Speichern Sie die Änderungen, indem Sie gleichzeitig die Befehlstaste und die S-Taste drücken.
- Zeigen Sie aktualisierte Visuals an, indem Sie im EXPLORER-Fenster zur Datei "index.html" navigieren, mit der linken Maustaste klicken und im Menü die Option Mit Live-Server öffnen auswählen.
HINWEIS: Ein Internetbrowserfenster wird geöffnet und beginnt mit der Wiedergabe der Visualisierung, die durch Bildschirmaufzeichnung lokal auf dem Computer gespeichert werden kann.
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Representative Results
Diese Arbeit erzeugt sechs Visualisierungen, die fünf einzigartigen geologischen Zeitintervallen entsprechen, mit visuellen Aspekten, die auf quantitative Daten skaliert sind, die entweder an Tiefseesedimenten gemessen wurden (Abbildung 1, Abbildung 2, Abbildung 3, Abbildung 4, Video 1, Video 2, Video 3 und Video 4) oder aus den RCP-Szenarien des Weltklimarats (IPCC) modelliert wurden (Abbildung 5 und Abbildung 6 ). Jede Visualisierung ist einzigartig und generativ, d. h. die gleichen Eingabedaten ergeben bei jeder Ausführung des Codes aufgrund der Randomisierung von Variablen wie Partikeltrajektorie und Formgrenzen leicht unterschiedliche visuelle Ausgaben. In jeder Visualisierung werden Kugeln, die aus einem Perlin-Noise-Algorithmus erstellt wurden, auf die Punkte um einen Kreisdurchgang auf schwarzem Hintergrund angewendet, wobei halbtransparente Enden ihre Flugbahnen aufzeichnen. Die Kugeln bewegen sich auf unbestimmte Zeit über den Bildschirm und sammeln schließlich Farbe auf dem schwarzen Hintergrund an.
In Abbildung 1, Abbildung 2, Abbildung 3 und Abbildung 4, die aus Code in MPT 1-4 (Supplementary Coding File 1, Supplementary Coding File 2, Supplementary Coding File 3 und Supplementary Coding File 4) generiert wurden, werden Elemente wie Farbe, Größe und Geschwindigkeit quantitativ skaliert, um Schätzungen der Meeresoberflächentemperatur, der Stickstoffisotopenzusammensetzung und der Rate des Klimawandels auf der Grundlage geochemischer Messungen von Tiefseesedimenten zu erhalten. Die Farbe reicht von blau bis rot, wobei die kältesten Intervalle durch die größte Fülle an blauen Kugeln gekennzeichnet sind und die wärmsten Intervalle durch rote Kugelndominiert werden 5. Dies wird erreicht, indem der numerische Wert von Rot in den RGB-Farbwerten (Rot, Grün, Blau) geändert wird, während die Werte für Grün und Blau konstant gehalten werden. Der Rotwert variiert zwischen 0 und 200, abhängig von den Schätzungen der Meeresoberflächentemperatur, wobei höhere Temperaturen einem höheren Rotwert entsprechen. Die Größe jeder Kugel wird auf die Stickstoffisotopenzusammensetzung der planktonischen Foraminiferen skaliert, die mit der Menge an Nährstoffen und Kohlenstoff zusammenhängt, die von Phytoplankton4 verbraucht wird. Die Größe der einzelnen Kugeln variiert zwischen 1 und 10, wobei größere Größen höheren Stickstoffisotopenwerten entsprechen. Die Geschwindigkeit jeder Kugel, die sich über den Bildschirm bewegt, wird auf die Geschwindigkeit des Klimawandels skaliert, geschätzt als die Anzahl der Eis- und Warmzeiten innerhalb eines Zeitintervalls, geteilt durch die Anzahl der Jahre, die jedes Intervall umfasst, mit glazialen und interglazialen Grenzen, wie sie in Lisiecki &; Raymo11 definiert sind.
Abbildung 5 und Abbildung 6 (Video 5 und Video 6) ergeben sich aus Projektionen der Jahresdurchschnittstemperaturen für New York, NY7. Der Standort New York wurde ausgewählt, da es die Stadt ist, die dem Standort der Projektionsinstallation am nächsten liegt. Sowohl Abbildung 5 (Video 5) als auch Abbildung 6 (Video 6) skalieren die Farbe auf Temperaturschätzungen, wobei kühlere Temperaturen durch größere Grünwerte im RGB-Dezimalcode gekennzeichnet sind, während die Farbwerte Rot und Blau konstant bleiben, was zu einer orangefarbenen Färbung führt. Zukünftige Animationen basieren auf der Generierung von Zufallszahlen, um die Größe und Geschwindigkeit jeder Kugel zu bestimmen, da diese Parameter für die Erstellung dieser Visualisierungen erforderlich sind, die entsprechenden numerischen Werte jedoch in zukünftigen Projektionen ungewiss bleiben. Abbildung 5 (Video 5), die mit dem Code "Akkumulation" generiert wurde, ist eine ähnliche Animation wie die MPT-Visuals. Kugeln haben halbtransparente Schwänze, und die fortgesetzte Bewegung der Kugeln über die Leinwand führt zu einer Ansammlung von Farbe. Abbildung 6 (Video 6), die mit dem Code "Übergang" erstellt wurde, ist eine einfachere Visualisierung ohne Schwänze, sondern zeigt nur die Umrisse von Kugeln, die sich über einen schwarzen Hintergrund bewegen.
Das Produktformat ermöglicht die Anpassung und Darstellung von Daten auf verschiedene Weise. Bildschirmaufnahmen der mit diesem Code generierten Animationen werden verwendet, um immersive Exponate für die Wissenschaftskommunikation zu erstellen, indem einfach ein Computer oder Laptop an einen Projektor angeschlossen und ein geeigneter Ausstellungsraum eingerichtet wird. Immersive und interaktive Exponate entstehen durch die Inszenierung einer Galerie mit mehreren Projektoren, Staffeleien, Schaumstoffplatten, einem Beistelltisch mit Mikroskop, Tiefseeschlamm und Mikrofossilien, die die Gäste untersuchen können (Abbildung 7 und Abbildung 8). Diese Galerie ermöglicht einen gerichteten Fluss des Fußgängerverkehrs, bei dem die Besucher einen Raum mit vier Schaumstoffplatten betreten, die von Staffeleien getragen werden. Jede Tafel dient als Projektionsfläche für eines der MPT 4,5-Visuals (Abbildung 7). Wenn der Betrachter den Raum betritt, zeigt ein weiterer Projektor hinter den MPT-Projektionen die Future-Visuals an den Wänden und auf dem Boden der Galerie und lädt den Betrachter ein, "in die Zukunft zu gehen" (Abbildung 8). Über die Zukunftsprojektion hinaus wird ein Tisch mit einem Seziermikroskop, Objektträgern mit fossilem Plankton und Tiefseesediment sowie Informationen aufgestellt, die erklären, wie Wissenschaftler Tiefseeschlamm verwenden, um vergangenes Klima zu verstehen und zukünftige Klimaprojektionen zu verfeinern. Letztendlich verwandelt diese Arbeit ozeanographische und Klimadaten-Tabellen in Grafiken, die als Grundlage für eine immersive Installation dienen und das Publikum einladen, durch die geologische Zeit zu gehen und unseren Klimawandel aufgrund natürlicher und anthropogener Treiber zu erleben.
Abbildung 1: Bild, das aus MPT 1-Daten und -Code generiert wurde. Dies zeigt den frühesten Zeitabschnitt (vor ~1,2-1,118 Millionen Jahren) vor der Verlängerung der Gletscher-Interglaziale und der Abkühlung der Gletscher. Orbs stellen eindeutige Datenwerte dar, bei denen RGB-Farbwerte auf Alkenon-basierte Meeresoberflächentemperaturschätzungen5 skaliert werden und die Größe in Abhängigkeit von der Stickstoffisotopenzusammensetzung von Foraminiferen4 zunimmt, die mit der Fähigkeit von Primärproduzenten im Ozean zusammenhängt, Kohlenstoff am IODP-Standort U1475 aufzunehmen. Dies ist ein Standbild aus Video 1. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Bild, das aus MPT 2-Daten und -Code generiert wurde. Dies zeigt den zweitfrühesten Zeitabschnitt (vor ~1,112-1,06 Millionen Jahren), der unmittelbar vor der glazial-interglazialen Verlängerung und der glazialen Abkühlung liegt. Orbs stellen eindeutige Datenwerte dar, bei denen RGB-Farbwerte auf Alkenon-basierte Meeresoberflächentemperaturschätzungen5 skaliert werden und die Größe in Abhängigkeit von der Stickstoffisotopenzusammensetzung von Foraminiferen4 zunimmt, die mit der Fähigkeit von Primärproduzenten im Ozean zusammenhängt, Kohlenstoff am IODP-Standort U1475 aufzunehmen. Dies ist ein Standbild aus Video 2. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Bild, das aus MPT 3-Daten und -Code generiert wurde. Dies zeigt den zweitspätesten Zeitabschnitt, in dem sich die Glazial-Interglazial-Zyklen verlängern (~1,06 Millionen bis vor 900.000 Jahren). Orbs stellen eindeutige Datenwerte dar, bei denen RGB-Farbwerte auf Alkenon-basierte Meeresoberflächentemperaturschätzungen5 skaliert werden und die Größe in Abhängigkeit von der Stickstoffisotopenzusammensetzung von Foraminiferen4 zunimmt, die mit der Fähigkeit von Primärproduzenten im Ozean zusammenhängt, Kohlenstoff am IODP-Standort U1475 aufzunehmen. Dies ist ein Standbild aus Video 3. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Bild, das aus MPT 4-Daten und -Code generiert wurde. Dies zeigt den jüngsten Zeitabschnitt, in dem sich längere Glazial-Interglazial-Zyklen etablierten (vor ~900.000-600.000 Jahren). Orbs stellen eindeutige Datenwerte dar, bei denen RGB-Farbwerte auf Alkenon-basierte Meeresoberflächentemperaturschätzungen5 skaliert werden und die Größe in Abhängigkeit von der Stickstoffisotopenzusammensetzung von Foraminiferen4 zunimmt, die mit der Fähigkeit von Primärproduzenten im Ozean zusammenhängt, Kohlenstoff am IODP-Standort U1475 aufzunehmen. Dies ist ein Standbild aus Video 4. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 5: Akkumulationsbild, das aus Future-Daten und -Code generiert wurde. Dies zeigt eine Modellprojektion für die zukünftige anthropogene Erwärmung, die auf Temperaturschätzungen der RCP 8.5-Modellmittelwerte für New York, NY7 basiert. Die Größe und Geschwindigkeit werden zufällig als die Fähigkeit der Primärproduzenten im Ozean bestimmt, Kohlenstoff aufzunehmen, und die Geschwindigkeit des Klimawandels ist ungewiss. Dies ist ein Standbild aus Video 5. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 6: Übergangsbild, das aus Future-Daten und -Code generiert wurde. Dies zeigt eine Modellprojektion für die zukünftige anthropogene Erwärmung, die auf Temperaturschätzungen der RCP 8.5-Modellmittelwerte für New York, NY7 basiert. Die Größe und Geschwindigkeit werden zufällig als die Fähigkeit der Primärproduzenten im Ozean bestimmt, Kohlenstoff aufzunehmen, und die Geschwindigkeit des Klimawandels ist ungewiss. Dies ist ein Standbild aus Video 6. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 7: Bild der vierteiligen Projektionsinstallation, bei der MPT-Daten hinter einem Viewer und einem beleuchteten Informationstisch angezeigt werden. Dies zeigt einen Ausschnitt der Installation, während der Betrachter den Raum betritt, in dem die frühesten MPT-Daten präsentiert werden. Video 1, Video 2, Video 3 und Video4 werden einzeln auf jedes Panel projiziert, und zwar in der Reihenfolge von links nach rechts. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 8: Bild der immersiven Wandprojektion. Dies zeigt, wie die Zuschauer an einer Animation zukünftiger Temperaturschätzungen aus RCP 8.5-Modelldurchschnitten für New York, NY7 vorbeigehen. In dieser Animation (Video 5) wurde der RGB-Grün-Farbwert deutlich erhöht, was zu einer gelberen Darstellung führt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Video 1: Animation, die aus MPT 1-Daten und -Code generiert wurde. Dies zeigt ein auf dem Bildschirm aufgezeichnetes Video der Animation, die aus MPT 1-Daten und -Code generiert wurde. Dies entspricht dem frühesten Zeitabschnitt (vor ~1,2-1,118 Millionen Jahren) vor der Verlängerung der Gletscher-Interglaziale und der Abkühlung der Gletscher. Orbs stellen eindeutige Datenwerte dar, bei denen RGB-Farbwerte auf Alkenon-basierte Meeresoberflächentemperaturschätzungen5 skaliert werden und die Größe in Abhängigkeit von der Stickstoffisotopenzusammensetzung von Foraminiferen4 zunimmt, die mit der Fähigkeit der Primärproduzenten im Ozean zusammenhängt, Kohlenstoff am IODP-Standort U1475 aufzunehmen. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.
Video 2: Animation, die aus MPT 2-Daten und -Code generiert wurde. Dies zeigt ein auf dem Bildschirm aufgezeichnetes Video der Animation, die aus MPT 2-Daten und -Code generiert wurde. Dies entspricht dem zweitfrühesten Zeitabschnitt (vor ~1,112-1,06 Millionen Jahren), der unmittelbar vor der glazial-interglazialen Verlängerung und der glazialen Abkühlung liegt. Orbs stellen eindeutige Datenwerte dar, bei denen RGB-Farbwerte auf Alkenon-basierte Meeresoberflächentemperaturschätzungen5 skaliert werden und die Größe in Abhängigkeit von der Stickstoffisotopenzusammensetzung von Foraminiferen4 zunimmt, die mit der Fähigkeit von Primärproduzenten im Ozean zusammenhängt, Kohlenstoff am IODP-Standort U1475 aufzunehmen. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.
Video 3: Animation, die aus MPT 3-Daten und -Code generiert wurde. Dies zeigt ein auf dem Bildschirm aufgezeichnetes Video der Animation, die aus MPT 3-Daten und -Code generiert wurde. Dies entspricht dem zweitspätesten Zeitabschnitt, in dem sich die Glazial-Interglazial-Zyklen verlängern (~1,06 Millionen bis vor 900.000 Jahren). Orbs stellen eindeutige Datenwerte dar, bei denen RGB-Farbwerte auf Alkenon-basierte Meeresoberflächentemperaturschätzungen5 skaliert werden und die Größe in Abhängigkeit von der Stickstoffisotopenzusammensetzung von Foraminiferen4 zunimmt, die mit der Fähigkeit von Primärproduzenten im Ozean zusammenhängt, Kohlenstoff am IODP-Standort U1475 aufzunehmen. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.
Video 4: Animation, die aus MPT 4-Daten und -Code generiert wurde. Dies zeigt ein auf dem Bildschirm aufgezeichnetes Video der Animation, die aus MPT 4-Daten und -Code generiert wurde. Dies entspricht dem jüngsten Zeitabschnitt, in dem sich längere Glazial-Interglazial-Zyklen etablierten (vor ~900.000-600.000 Jahren). Orbs stellen eindeutige Datenwerte dar, bei denen RGB-Farbwerte auf Alkenon-basierte Meeresoberflächentemperaturschätzungen5 skaliert werden und die Größe in Abhängigkeit von der Stickstoffisotopenzusammensetzung von Foraminiferen4 zunimmt, die mit der Fähigkeit von Primärproduzenten im Ozean zusammenhängt, Kohlenstoff am IODP-Standort U1475 aufzunehmen. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.
Video 5: Akkumulationsanimation, die aus Future-Daten und -Code generiert wurde. Dies zeigt ein auf dem Bildschirm aufgezeichnetes Video der Animation, die aus Future-Daten und -Code generiert wurde. Die Farbe wird auf eine Modellprojektion für die zukünftige anthropogene Erwärmung skaliert, die auf Temperaturschätzungen der RCP 8.5-Modellmittelwerte für New York, NY7 basiert. Größe und Geschwindigkeit werden zufällig als die Fähigkeit der Primärproduzenten im Ozean bestimmt, Kohlenstoff aufzunehmen, und die Geschwindigkeit des Klimawandels ist ungewiss. Ein Schwanz ist im Code erlaubt, was zu einer Anhäufung von Farbe führt. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.
Video 6: Übergangsanimation, die aus Future-Daten und -Code generiert wurde. Dies zeigt ein auf dem Bildschirm aufgezeichnetes Video der Animation, die aus Future-Daten und -Code generiert wurde. Die Farbe wird auf eine Modellprojektion für die zukünftige anthropogene Erwärmung skaliert, die auf Temperaturschätzungen der RCP 8.5-Modellmittelwerte für New York, NY7 basiert. Größe und Geschwindigkeit werden zufällig als die Fähigkeit der Primärproduzenten im Ozean bestimmt, Kohlenstoff aufzunehmen, und die Geschwindigkeit des Klimawandels ist ungewiss. Im Code ist kein Schwanz zulässig, was zu keiner Ansammlung von Farbe führt. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 1: Bild einer Codierungssoftware und Code-definierenden Variablen, die mit Daten verknüpft oder zur Anpassung visueller Parameter verwendet werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 2: Bild einer Codierungssoftware und eines Codes, der Daten in den Arbeitsbereich lädt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 3: Bild einer Codierungssoftware und eines Codes, der visuelle Parameter der Leinwand definiert und eine for-Schleife anwendet, um Daten mit bestimmten visuellen Merkmalen zu verknüpfen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 4: Bild einer Codierungssoftware und eines Codes, der eine for-Schleife anwendet, um eine Schwanzlänge für jede Kugel zu definieren. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 5: Bild der Codierungssoftware und des Codes, der die Animation zeichnet, wobei ein Perlin-Rauschalgorithmus angewendet wird, um die Form und Bewegung von Bildern zu definieren. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Kodierungsdatei 1: Die "Unsicherheitsgrade"_MPT 1. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Kodierungsdatei 2: Die "Unsicherheitsgrade"_MPT 2. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Kodierungsdatei 3: Die "Unsicherheitsgrade"_MPT 3. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Kodierungsdatei 4: Die "Unsicherheitsgrade"_MPT 4. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Kodierungsdatei 5: Die "Unsicherheitsgrade" _Future. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
Diese Arbeit unterstreicht den Nutzen generativer Kunst für die Zwecke der Wissenschaftskommunikation. Der Workflow kann verwendet werden, um vorhandene Daten in Elemente innerhalb einer Animation zu übersetzen. Während die Animationsergebnisse dieser Arbeit insofern einzigartig sind, als jedes Mal, wenn der Code ausgeführt wird, eine andere Version der Animation erstellt wird, werden die visuellen Elemente auf geochemische und Klimamodelldaten skaliert. So bleiben Elemente wie Farbe, Geschwindigkeit und Größe konstant, solange die Eingabedaten gleich bleiben. Dies ermöglicht auch den direkten Vergleich dieser visuellen Elemente, um Rückschlüsse auf die Daten zu ziehen.
Geochemische Messungen von Tiefseesedimenten und Modellschätzungen für die zukünftige anthropogene Erwärmung werden innerhalb eines Perlin-Noise-Algorithmus11 verwendet und in immersive Installationen transformiert. Animationen, die aus paläozeanographischen Daten generiert werden, dienen als Vergleichsbasis für die Modellschätzungen zukünftiger Temperaturen. Tiefseesedimente sind ein Archiv des vergangenen Klimas und eine unschätzbare Ressource für das Verständnis des Klimasystems12,13. Visuals werden mit einem Perlin-Noise-Algorithmus generiert, der aufgrund seiner Fähigkeit, die Begrenzung der generierten Formen reibungslos zu verschieben, ausgewählt wurde. Hier wird ein Perlin-Noise-Algorithmus auf die Punkte angewendet, die einen Kreis umreißen, wodurch letztendlich eine organische Form entsteht, die sich sanft über den Hintergrund bewegt. Der Kreis wird aufgrund seiner Ähnlichkeit in der Form mit dem Querschnitt eines Sedimentkerns sowie der Ähnlichkeit mit einer Zelle ausgewählt, sobald dem Umriss Rauschen hinzugefügt wird. Dadurch entstehen organische Formen, die die Natur dieser geochemischen Aufzeichnungen berühren, da sie von marinen Primärproduzenten oder kleinen Organismen stammen, die Photosynthese betreiben und Nährstoffe und Kohlenstoff im Ozean verbrauchen13. Diese Organismen verändern sowohl das globale Klima durch den Verbrauch von Kohlenstoff als auch vergangene Veränderungen im Ozean durch die Erhaltung von Klimasignalen in der chemischen Zusammensetzung ihrer Schalen, die in Ozeansedimenten konserviert werden. Die Überlagerung von Formen oder Kugeln in jedem Bild erzeugt eine Anhäufung von Farben innerhalb der Animationen und deutet auf die Erhaltung dieser paläozeanographischen Aufzeichnungen hin, die durch die Schichtung von Sedimenten in Ozeanbecken erhalten bleiben, wodurch die Visualisierung weiter mit geologischen Prozessen verknüpft wird.
Der Dezimalcode Rot, Grün, Blau (RGB) wird verwendet, um die Farbe quantitativ mit Temperaturschätzungen von marinen Primärproduzenten zu skalieren, die an Alkenonen oder langen Kohlenstoffketten gemessen werden, deren Struktur sich mit Temperatur5 ändert. In diesen Bildern weisen die Farben Rot und Orange auf wärmere Temperaturen hin. Bei der Skalierung geochemischer Daten und Zukunftsprojektionen werden unterschiedliche Farben verwendet, da die hier verwendeten Daten nicht direkt zuordenbar sind (aufgrund der Art der verfügbaren Projektionsdaten und der für die Autoren interessanten Regionen). In zukünftigen Iterationen kann die Farbe zwischen allen Animationen ähnlich skaliert werden, um einen direkten Vergleich der Daten zu ermöglichen.
Die Geschwindigkeit von Kugeln wird durch die relative Rate des Klimawandels definiert, die als Anzahl der Eis- oder Warmzeiten geteilt durch die Zeit in Jahren geschätzt wird. Dies wird berechnet, indem die Anzahl der Eis- oder Warmzeiten in jedem Zeitintervall gezählt wird, wobei jede Periode durch Lisiecki & Raymo12 definiert wird. Die Zukunftsprojektionen (Abbildung 5 und Abbildung 6) haben zufällige Geschwindigkeiten, da sie keinen vollständigen Glazial- oder Interglazialzyklus abdecken und eine signifikante Abweichung vom natürlichen Rhythmus des Erdklimas widerspiegeln. In der Zwischenzeit ist die Randomisierung von Daten in den Bildern nicht klar und dient vielleicht eher als notwendiger Schritt, um sicherzustellen, dass ein Bild auch ohne Daten erstellt werden kann, anstatt ein signifikantes Symbol der Unsicherheit für den Betrachter zu sein. Es gibt sicherlich Raum für Experimente in zukünftigen Iterationen, wie Unsicherheit in ergreifenderen Formen vermittelt werden kann, da Unsicherheit nicht trivial ist, wenn es darum geht, das zukünftige Klima zu verstehen.
Die Größe der Kugeln hängt von der Stickstoffisotopenzusammensetzung des fossilen Planktons ab, einem Indikator für die Aufnahme von Nährstoffen und Kohlenstoff durch Primärproduzenten, was den Klimawandel verschärfen oder abschwächen kann. Es wurde ausgewählt, weil es eine Verbindung zwischen Biologie und dem globalen Klimadarstellt 13. Es bleibt ungewiss, inwieweit die Biologie in der Lage sein wird, den zukünftigen Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxids zu kompensieren, aber die Einbeziehung dieser Daten in die Visualisierung erinnert an die Komplexität des Klimasystems und die Schnittstelle von Biologie und Geologie. Ähnlich wie bei der Geschwindigkeit von Kugeln gibt es für diese Metrik in Zukunftsprojektionen keine Daten, daher werden in Abwesenheit von Daten zufällige Geschwindigkeiten verwendet. Andere Iterationen dieser Arbeit könnten die Stickstoffisotopenzusammensetzung von Foraminiferen durch die Sauerstoffisotopenzusammensetzung benthischer Foraminiferen ersetzen, von der angenommen wird, dass sie globale Änderungen der Temperatur und des Eisvolumens widerspiegelt12. Trotz der Herausforderungen bei der Gegenüberstellung von Animationen von Vergangenheit und Zukunft beleuchtet diese Arbeit die Unterschiede zwischen natürlichem und anthropogenem Klimawandel und dient als nützlicher erster Schritt in der Schaffung generativer Klimakunst.
Um Animationen in greifbare Erlebnisse zu integrieren, werden Projektionstechniken eingesetzt, um ein immersives Exponat zu schaffen, in dem die Gäste durch die geologische Zeit und in die Zukunft gehen. Es ist wichtig zu beachten, dass Temperaturprojektionen aus RCP-Szenarien nicht direkt mit den Meeresoberflächentemperaturen in der Vergangenheit in Verbindung gebracht werden können, und dass die Proxys aus den geologischen Aufzeichnungen unvollkommen sind und ihre eigenen Verzerrungen aufweisen. Nichtsdestotrotz bietet diese Arbeit eine Grundlage für die Einbeziehung geochemischer Tiefseeaufzeichnungen und Klimamodellergebnisse in die moderne Kunst und beseitigt gleichzeitig Zugangsbarrieren zur Klimawissenschaft.
Diese Arbeit stützt sich auf die abstrakte Intuition des Publikums, um Unterschiede zwischen diesen diskreten Teilmengen der Zeit zu erkennen, und bietet eine neue Möglichkeit, sich mit wissenschaftlichen Daten auseinanderzusetzen. Ohne sich auf Text, Audio oder Hintergrundwissen zu verlassen, das für die genaue Interpretation von Daten erforderlich ist, gewinnen die Zuschauer ein Gefühl für das Ausmaß und die Geschwindigkeit des Klimawandels durch diskrete Teilmengen der Zeit, wobei einfache Elemente wie Farbe und Geschwindigkeit ihre Intuition leiten. Diese Arbeit ist nicht ohne Grenzen; Wie bereits erwähnt, bestehen deutliche Diskrepanzen bei der Verfügbarkeit, Vergleichbarkeit und dem Standort der Daten. Während wir diese Animationen auf die Regionen und Zeiträume des Autors beschränkt haben, kann dieses Protokoll leicht auf Daten von viel mehr Orten angewendet werden, die sich über verschiedene Zeitintervalle erstrecken und in Formaten geteilt werden, die wir noch nicht erforscht haben. Darüber hinaus wurden die Betrachter während der Ausstellungen dieser Animationen durch Poster, Mikroskope und kurze verbale Erklärungen unterstützt, die den Kontext lieferten, der für das Verständnis des Zwecks der Ausstellung unerlässlich war. Während diese Studie die Wirksamkeit dieser Strategie auf die Wissenschaftskommunikation nicht untersuchte, würde zukünftige Arbeiten von Umfragen oder einer sozialwissenschaftlichen Analyse profitieren, um die Wirksamkeit dieser Bilder sowohl bei der Vermittlung von Klimadaten als auch bei der Neugier des Publikums zu bewerten. Trotz dieser Einschränkungen bietet dieser Rahmen die Möglichkeit, ein breites Spektrum geologischer und/oder klimatischer Daten in generative Kunst einzubinden, die zum Zwecke der Wissenschaftskommunikation in digitale und interaktive Formate integriert werden kann.
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Disclosures
Die Autoren erkennen an, dass derzeit keine Interessenkonflikte bekannt sind
Acknowledgments
Wir möchten uns für die Unterstützung bedanken, die wir von Georgia Rhodes und Stuart Copeland zu Beginn dieses Projekts erhalten haben - ihre Ermutigung und ihr Mentoring waren für unseren Erfolg von entscheidender Bedeutung. Wir möchten auch die Nützlichkeit von https://p5js.org/reference/ als Ressource beim Erlernen des Programmierens in JavaScript hervorheben. Dieses Material basiert auf Arbeiten, die teilweise von der National Science Foundation im Rahmen des EPSCoR-Kooperationsabkommens #OIA-1655221 und ihres Vis-a-Thon-Programms sowie durch den Rhode Island Sea Grant [NA23OAR4170086] unterstützt wurden.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Easel | Uline | H-1450SIL | Telescoping easel to hold foam core board |
| Foam Core Poster Board | Royal Brites | #753064 | Foam core board used as a canvas for projection |
| Live Server | Microsoft; Publisher: Ritwick Dey | Version 5.7.9 | Software extension for Visual Studio Code which allows for viewing of animations in a browser window. Downloaded at: https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=ritwickdey.LiveServer |
| Throw Projector | Optoma | 796435814076 | Any model throw projector which will work for projection surface/distance desired |
| Visual Studio Code | Microsoft | Version 1.74 for MAC OS | Software for code editing and execusion. Downloaded at : https://code.visualstudio.com/ |
References
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