Methodenartikel

Generatieve kunst gebruiken om klimaattransities uit het verleden en de toekomst over te brengen

DOI:

10.3791/65073

⸱

31 maart 2023

 , 
1Graduate School of Oceanography, University of Rhode Island, 2Rhode Island School of Design

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hier wordt een protocol gepresenteerd om klimaatdata als generatieve kunst te visualiseren.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het vermogen om het moderne klimaat te begrijpen, is afhankelijk van een fundamenteel begrip van de klimaatvariabiliteit in het verleden en de manieren waarop de planeet wordt gestabiliseerd door onderling verbonden feedbacks. Dit artikel presenteert een unieke methode voor het vertalen van records van eerdere klimaattransities bewaard in diepzeesedimenten naar een breed publiek door middel van een meeslepende visualisatie. Deze visualisatie is een multimedia-installatie die geochemische records van glaciale en interglaciale overgangen en modelvoorspellingen voor toekomstige antropogene opwarming bevat om een meeslepende ervaring voor kijkers te creëren, hen uit te nodigen om deel te nemen aan en na te denken over de subtiele, genuanceerde verschillen tussen subsets van de geschiedenis van de aarde. Dit werk toont vijf tijdsintervallen, te beginnen met het begin van de moderne glaciaal-interglaciale cycliciteit (~ een miljoen jaar geleden), waarbij het klimaat uit het verleden werd vergeleken met modelresultaten voor geprojecteerde toekomstige antropogene opwarming (tot 2099). De installatie bestaat uit verschillende experimentele projecties, één voor elke deelverzameling van tijd, weergegeven op verschillende oppervlakken in een ruimte. Terwijl kijkers door de ruimte bewegen, fietsen de projecties langzaam door verschillende klimatologische overgangen, met behulp van animatiemethoden zoals snelheid, kleur, gelaagdheid en herhaling, allemaal gegenereerd door locatiespecifieke gegevens om het unieke gedrag van de planeet over te brengen als het gaat om het wereldwijde klimaat. Dit werk biedt een kader voor unieke wetenschappelijke datavisualisatie, met generatieve animaties gemaakt met behulp van een Perlin Noise-algoritme in het midden van de installatie. Onderzoeksvariabelen, zoals de temperatuur van het zeeoppervlak, de dynamiek van voedingsstoffen en de snelheid van klimaatverandering, hebben invloed op formele resultaten zoals kleur, schaal en animatiesnelheid, die allemaal gemakkelijk te manipuleren en te verbinden zijn met specifieke gegevens. Deze aanpak biedt ook de mogelijkheid om gegevens online te publiceren en biedt een mechanisme voor het schalen van visuele parameters naar een breed scala aan kwantitatieve en kwalitatieve gegevens.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Generatieve kunst en de methoden die hier worden gebruikt, maken de directe vertaling van kwantitatieve gegevens naar animaties mogelijk met behoud van de integriteit van de gegevens. Kunstenaars gebruiken generatieve kunst om percepties van ruimte en tijd te verkennen1,2, maar generatieve kunst wordt nog niet vaak gebruikt met ruimtelijke of temporele wetenschappelijke gegevens. Het hier gepresenteerde werk biedt een eenvoudig kader voor het gebruik van generatieve visuele producten om klimaatgegevens te presenteren. Deze producten kunnen op grote schaal worden toegepast, of ze nu worden gebruikt om persoonlijke tentoonstellingen te maken of als visueel hulpmiddel voor een presentatie of online publicatie.

Het gebruik van geochemische metingen of schattingen om elementen zoals kleur, vorm, grootte en snelheid te schalen, biedt een manier om snelheden en grootheden van verandering visueel over te brengen zonder dat de kijker een paper hoeft te lezen, een grafiek hoeft te interpreteren of door een gegevenstabel hoeft te kijken. Als alternatief wordt de randomisatie van geselecteerde variabelen gebruikt om een gebrek aan gegevens of onzekerheid over te brengen, zoals in het geval van toekomstige projecties. De juxtapositie van geologisch verleden en toekomst is misschien een integraal onderdeel van de effectiviteit van deze producten als wetenschappelijke communicatiemiddelen. Recente ervaringen dienen vaak als de basis van vergelijking voor moderne klimaatverandering, waardoor het moeilijk is om de omvang van antropogene klimaatverandering te begrijpen3.

Geochemische metingen die in dit artikel worden gevisualiseerd, beslaan de overgang naar het Midden-Pleistoceen (MPT; 1,2 miljoen tot 600.000 jaar geleden), waarbij veranderingen in de buurt van de noordelijke grens van de Zuidelijke Oceaan worden geregistreerd vanaf de International Ocean Discovery Program Site U1475 4,5. De MPT-gegevens worden gepresenteerd in vier animaties, die veranderingen in oceaanomstandigheden benadrukken naarmate de planeet afkoelt en glaciale en interglaciale variabiliteit wordt versterkt6. Dit biedt een geologische basislijn die het natuurlijke ritme van het klimaat op aarde onthult, met de nadruk op een afkoelingstrend op lange termijn die in schril contrast staat met toekomstige klimaatprojecties. Toekomstige temperatuurschattingen zijn gemiddelde waarden van de resultaten van 20 klimaatmodellen onder de forceringen van Representative Carbon Pathway 8.5 (RCP 8.5; scenario met een stralingsforcering van 8,5 W/m2 in het jaar 2100) voor de locatie New York, NY7. RCP 8.5 vertegenwoordigt een worst-case scenario van aanhoudende emissies die resulteren in een stijging van de gemiddelde mondiale temperatuur met 3,7 °C tegen 21008. Dit artikel demonstreert dus een manier om toekomstige projecties te vergelijken met geologische gegevens om de snelheid van klimaatverandering en klimaatvariabiliteit te vergelijken.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. De bestaande visualisaties afspelen

  1. Download codeer- en visualisatiesoftware (zie Materiaaltabel).
    1. Download de gegevens en code. Dit artikel gebruikt 'mate van onzekerheid' met gegevens van Marcks et al.4 en Cartagena-Sierra et al.5 over het leeftijdsmodel van Starr et al.9.
      OPMERKING: De 'mate van onzekerheid' bevat vijf coderingsbestanden, aanvullend coderingsbestand 1, aanvullend coderingsbestand 2, aanvullend coderingsbestand 3, aanvullend coderingsbestand 4 en aanvullend coderingsbestand 5, met inhoud die betrekking heeft op elke visualisatieperiode (respectievelijk MPT 1, MPT 2, MPT 3, MPT 4 en Future). Elk van deze bevat codeerbibliotheken10 die worden gebruikt voor visualisaties, evenals 'Script'-mappen met gedownloade gegevens in .csv formaat, code die wordt gebruikt om visuals 'deeltje.js' te genereren en een indexbestand 'index.html' dat alle relevante gegevens en code aan elkaar koppelt.
  2. Open de codebewerkingssoftware vanuit de 'mate van onzekerheid'.
  3. Sleep een bestand (MPT 1, MPT 2, MPT 3 of MPT 4) naar de code-editor om het te visualiseren.
    1. De bestanden worden weergegeven in het menu EXPLORER aan de linkerkant van het venster. Controleer de procedure voor het visualiseren van gegevens uit de map 'Toekomst' in stap 1.7.
  4. Klik in het EXPLORER-menu op de map (MPT 1, MPT 2, MPT 3 of MPT 4) om een vervolgkeuzemenu weer te geven, klik op script en klik vervolgens op index.html.
    OPMERKING: De code verschijnt aan de rechterkant van het venster.
  5. Klik met de linkermuisknop op het gedeelte van het venster met code voor 'index.html' en selecteer openen met live server in het menu.
    OPMERKING: Er wordt een internetbrowservenster geopend en de visualisatie wordt afgespeeld.
  6. Het sluiten en opnieuw openen van de code-editor kan nodig zijn tussen visualisaties bij het laden van een visual uit een andere subset van tijd. Herhaal stap 1.4-1.6 voor elke subset van de tijd.
  7. Om de visualisatie te bekijken op basis van toekomstige projecties, opent u de map 'Future' op de computer en sleept u de map 'Accumulation' of 'Transition' naar de code-editor. Het verschil tussen animaties wordt beschreven in de resultatensectie.
  8. Selecteer de mapnaam in het EXPLORER-venster en klik op index.html. Klik met de linkermuisknop op het gedeelte van het venster met code voor 'index.html' en selecteer openen met live server in het menu.
    OPMERKING: Er wordt een internetbrowservenster geopend en wordt de visualisatie afgespeeld, die lokaal op een computer kan worden opgeslagen door middel van schermopname.

2. De visualisaties bewerken

OPMERKING: Als u de visualisaties wilt bewerken, volgt u de stappen 1.1-1.4 hierboven, indien nodig, om de relevante gegevens te laden.

  1. Selecteer de gewenste map in het EXPLORER-venster van de code-editor en open het hoofdscriptbestand door op sketch.js te klikken.
    OPMERKING: Het 'sketch.js'-bestand in het MPT 1 (Supplementary Coding File 1) bevat de meest gedetailleerde annotaties; Dit bestand kan dus het nuttigst zijn om vertrouwd te raken met de code.
    1. De code wordt aan de rechterkant van het code-editorvenster weergegeven. Voer eventuele bewerkingen uit in visualisatieparameters in deze code. Zoek naar code-annotaties met gedetailleerde beschrijvingen van de code en de functie ervan na dubbele schuine strepen "//" en verder geïdentificeerd door groene tekst (aanvullende figuur 1).
    2. Definieer de variabelen die aan gegevens worden gekoppeld of worden gebruikt om visuele parameters aan te passen (aanvullende afbeelding 1).
    3. Laad de gegevens in de werkruimte (aanvullende afbeelding 2).
    4. Definieer de visuele parameters van het canvas. Gebruik een 'for'-lus om gegevens te koppelen aan specifieke kenmerken; hier is de grootte gekoppeld aan de stikstofisotopenwaarde 'd15N' (aanvullende figuur 3).
    5. Gebruik een for-lus om een staartlengte voor elke bol te definiëren. De staart verwijst naar de tijdsduur dat de bollen op het scherm blijven nadat ze zijn verschenen, waardoor een opeenhoping van kleur ontstaat naarmate het beeld vordert (aanvullende figuur 4).
      OPMERKING: Hier wordt de staartlengte geschaald naar de accumulatiesnelheid van alkenonen 'c37.
    6. Teken ten slotte de animatie en pas een Perlin Noise-algoritme11 toe om de vorm van de visuals te definiëren (aanvullende figuur 5).
      OPMERKING: Hier wordt een cirkel gebruikt als de basisvorm met ruis toegepast op de punten langs de omtrek van de cirkel. Deze zullen de grens van de cirkel 'wiebelen', wat een organische bolachtige vorm oplevert die afwijkt van een cirkel in een hoeveelheid die wordt gedefinieerd door het commando 'wiggle'.
    7. Bewerk de code indien nodig met behulp van annotaties om de wijzigingen te ondersteunen.

3. De bewerkingen opslaan

  1. Sla de bewerkingen op door tegelijkertijd op de Command- en S-toetsen te drukken.
  2. Bekijk bijgewerkte beelden door naar het bestand 'index.html' in het EXPLORER-venster te navigeren, met de linkermuisknop te klikken en openen met live server te selecteren in het menu.
    OPMERKING: Er wordt een internetbrowservenster geopend en wordt de visualisatie afgespeeld, die lokaal op de computer kan worden opgeslagen door schermopname.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk produceert zes visualisaties die overeenkomen met vijf unieke intervallen van geologische tijd, met visuele aspecten geschaald naar kwantitatieve gegevens, gemeten op diepzeesediment (figuur 1, figuur 2, figuur 3, figuur 4, video 1, video 2, video 3 en video 4) of gemodelleerd uit de RCP-scenario's van het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (figuur 5 en

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk benadrukt het nut van generatieve kunst voor wetenschapscommunicatie. De workflow kan worden gebruikt om bestaande gegevens te vertalen naar elementen in een animatie. Hoewel de animatie-outputs van dit werk uniek zijn omdat elke keer dat de code wordt uitgevoerd een andere versie van de animatie wordt gemaakt, worden de visuele elementen geschaald naar geochemische en klimaatmodelgegevens; Elementen zoals kleur, snelheid en grootte blijven dus constant, zolang de invoergegevens hetzelfde blijven. Dit maakt het ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs erkennen dat er op dit moment geen bekende belangenconflicten bestaan

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We willen graag de steun erkennen die we hebben ontvangen van Georgia Rhodes en Stuart Copeland bij het begin van dit project - hun aanmoediging en mentorschap was essentieel voor ons succes. We willen ook het nut van https://p5js.org/reference/ benadrukken als een hulpmiddel bij het leren coderen in JavaScript. Dit materiaal is gebaseerd op werk dat gedeeltelijk wordt ondersteund door de National Science Foundation onder EPSCoR Cooperative Agreement #OIA-1655221 en hun Vis-a-Thon-programma en door de Rhode Island Sea Grant [NA23OAR4170086].

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
EaselUlineH-1450SILTelescopische easel om foam core board vast te houden
Foam Core Poster BoardRoyal Brites#753064Foam core board gebruikt als canvas voor projectie
Live ServerMicrosoft; Uitgever: Ritwick DeyVersie 5.7.9Software-extensie voor Visual Studio Code die het bekijken van animaties in een browservenster mogelijk maakt. Gedownload op: https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=ritwickdey.LiveServer
Throw ProjectorOptoma796435814076Elk model throw projector die zal werken voor de gewenste projectieoppervlakte/afstand 
Visual Studio CodeMicrosoftVersie 1.74 voor MAC OSSoftware voor code-editing en uitvoering. Gedownload op: https://code.visualstudio.com/

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Anadol, R. efik Refik Anadol. , Refik Anadol Studio, LLC. refikanadol.com/information/ (2023).
  2. Lieberman, Z. Paint with your Feet. , YesYesNo. www.yesyesno.com/nike-collab-paint-with-your-feet (2011).
  3. Moore, F. C., Obradovich, N., Lehner, F., Baylis, P. Rapidly declining remarkability of temperature anomalies may obscure public perception of climate change. Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (11), 4905-4910 (2019).
  4. Marcks, B. A. δ15N in planktonic foraminifera species G. bulloides and G. inflata from IODP Site 361-U1475. [Dataset]. PANGAEA. , (2022).
  5. Cartagena-Sierra, A. Latitudinal migrations of the subtropical front at the Agulhas plateau through the mid-Pleistocene transition. Paleoceanography and Paleoclimatology. 36 (7), e2020PA004084(2021).
  6. Ford, H. L., Chalk, T. B. The mid-Pleistocene enigma. Oceanography. 33 (2), 101-103 (2020).
  7. U.S. Climate Resilience Toolkit Climate Explorer. , U.S. Federal Government. Available from: https://crt-climate-explorer.nemac.org/ (2021).
  8. Stocker, T. IPCC: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. , Cambridge University Press. Cambridge. 1535(2013).
  9. Starr, A., et al. Antarctic icebergs reorganize ocean circulation during Pleistocene glacials. Nature. 589 (7841), 236-241 (2021).
  10. Li, Q., McCarthy, L. L. P5.js. , p5js.org/ (2023).
  11. Perlin, K. Improving noise. Proceedings of the 29th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques. , 681-682 (2002).
  12. Lisiecki, L. E., Raymo, M. E. A Pliocene-Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic δ18O records. Paleoceanography. 20 (1), PA1003(2005).
  13. Robinson, R. S. Insights from fossil-bound nitrogen isotopes in diatoms, foraminifera, and corals. Annual Review of Marine Science. 15, 407-430 (2023).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

DatavisualisatieImmersieve VisualisatieGlaciaal Interglaciaal CycliDiepzeesedimentenPerlin Noise algoritmeAntropogene OpwarmingZeewatertemperatuurWetenschapscommunicatie

Gerelateerde artikelen