Artykuł metodologiczny

Wykorzystanie sztuki generatywnej do przekazania przeszłych i przyszłych przemian klimatycznych

DOI:

10.3791/65073

⸱

31 marca 2023

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Tutaj prezentowany jest protokół do wizualizacji danych klimatycznych jako sztuki generatywnej.

Streszczenie

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

Zdolność do zrozumienia współczesnego klimatu opiera się na podstawowym zrozumieniu przeszłych zmian klimatycznych i sposobów, w jakie planeta jest stabilizowana przez wzajemnie powiązane sprzężenia zwrotne. W tym artykule przedstawiono unikalną metodę tłumaczenia zapisów przeszłych przemian klimatycznych zachowanych w osadach głębinowych dla szerokiego grona odbiorców za pomocą immersyjnej wizualizacji. Ta wizualizacja jest instalacją multimedialną, która zawiera zapisy geochemiczne przejść lodowcowych i interglacjalnych oraz modelowe prognozy przyszłego antropogenicznego ocieplenia, aby stworzyć wciągające doświadczenie dla widzów, zapraszając ich do zaangażowania się i refleksji nad subtelnymi, zniuansowanymi różnicami między podzbiorami historii Ziemi. Praca ta przedstawia pięć przedziałów czasowych, począwszy od powstania współczesnej cykliczności lodowcowo-interglacjalnej (~milion lat temu), porównując przeszły klimat z wynikami modelowymi dla prognozowanego przyszłego ocieplenia antropogenicznego (do 2099 roku). Instalacja składa się z kilku eksperymentalnych projekcji, po jednej dla każdego podzbioru czasu, wyświetlanych na różnych powierzchniach w pomieszczeniu. Gdy widzowie poruszają się po przestrzeni, projekcje powoli przechodzą przez różne przejścia klimatyczne, wykorzystując metody animacji, takie jak prędkość, kolor, warstwy i powtórzenia, a wszystko to generowane przez dane specyficzne dla danego miejsca, aby przekazać unikalne zachowanie planety w odniesieniu do globalnego klimatu. Praca ta stanowi ramy dla unikalnej wizualizacji danych naukowych, z generatywnymi animacjami stworzonymi przy użyciu algorytmu Perlin Noise w centrum instalacji. Zmienne badawcze, takie jak temperatura powierzchni morza, dynamika składników odżywczych i tempo zmian klimatycznych, wpływają na formalne wyniki, takie jak kolor, skala i szybkość animacji, którymi można łatwo manipulować i łączyć z określonymi danymi. Takie podejście dopuszcza również możliwość publikowania danych online i zapewnia mechanizm skalowania parametrów wizualnych do szerokiej gamy danych ilościowych i jakościowych.

Wprowadzenie

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

Sztuka generatywna i zastosowane tu metody pozwalają na bezpośrednie tłumaczenie danych ilościowych na animacje przy jednoczesnym zachowaniu integralności danych. Artyści używają sztuki generatywnej do badania percepcji przestrzeni i czasu1,2, ale sztuka generatywna nie jest jeszcze powszechnie stosowana w przypadku przestrzennych lub czasowych danych naukowych. Przedstawione tu prace zapewniają proste ramy do wykorzystania generatywnych produktów wizualnych do prezentacji danych klimatycznych. Produkty te mogą być szeroko stosowane, zarówno do tworzenia wystaw osobistych, jak i jako pomoc wizualna do prezentacji lub publikacji online.

Używanie pomiarów geochemicznych lub szacunków do skalowania elementów takich jak kolor, kształt, rozmiar i prędkość dostarcza środków do wizualnego przekazywania tempa i wielkości zmian bez konieczności czytania artykułu, interpretowania wykresu lub przeglądania tabeli danych. Alternatywnie, randomizacja wybranych zmiennych jest wykorzystywana do przekazania braku danych lub niepewności, jak w przypadku przyszłych projekcji. Zestawienie geologicznej przeszłości i przyszłości jest być może integralną częścią skuteczności tych produktów jako narzędzi komunikacji naukowej. Niedawne doświadczenia często służą jako punkt odniesienia dla współczesnych zmian klimatu, co utrudnia uchwycenie skali antropogenicznej zmiany klimatu3.

Pomiary geochemiczne zwizualizowane w tym artykule obejmują przejście środkowego plejstocenu (MPT; 1,2 miliona do 600 000 lat temu), rejestrując zmiany w pobliżu północnej granicy Oceanu Południowego z Międzynarodowego Programu Odkrywania Oceanów Site U14754,5. Dane MPT są przedstawione w czterech animacjach, które podkreślają zmiany warunków oceanicznych w miarę ochładzania się planety oraz wzmacniania zmienności lodowców i interglacjałów6. Stanowi to geologiczną linię bazową ujawniającą naturalny rytm klimatu Ziemi, podkreślając długoterminowy trend ochłodzenia, który wyraźnie kontrastuje z przyszłymi prognozami klimatycznymi. Przyszłe szacunki temperatury są średnimi wartościami wyników 20 modeli klimatycznych pod naciskiem Representative Carbon Pathway 8.5 (RCP 8.5; scenariusz z wymuszaniem radiacyjnym 8,5 W/m2 w roku 2100) dla lokalizacji Nowy Jork, NY7. RCP 8.5 reprezentuje najgorszy scenariusz trwałych emisji skutkujących wzrostem średniej temperatury na świecie o 3,7 °C do 2100 roku8. W związku z tym w niniejszym artykule przedstawiono sposób porównywania przyszłych prognoz z danymi geologicznymi w celu porównania tempa zmian klimatycznych i zmienności klimatu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Odtwarzanie istniejących wizualizacji

  1. Pobierz oprogramowanie do kodowania i wizualizacji (patrz tabela materiałów).
    1. Pobierz dane i kod. W tym artykule użyto "stopni niepewności" z danymi z Marcks et al.4 i Cartagena-Sierra et al.5 na modelu wieku z Starr et al.9.
      UWAGA: "Stopnie niepewności" zawierają pięć plików kodowania: Dodatkowy plik kodowania 1, Uzupełniający plik kodowania 2, Uzupełniający plik kodowania 3, Uzupełniający plik kodowania 4 i Uzupełniający plik kodowania 5, z zawartością odnoszącą się do każdego okresu wizualizacji (odpowiednio MPT 1, MPT 2, MPT 3, MPT 4 i Przyszłość). Każdy z nich zawiera biblioteki kodowania10 używane do wizualizacji, a także foldery 'Script' zawierające pobrane dane w formacie .csv, kod używany do generowania wizualizacji 'particle.js' oraz plik indeksu 'index.html', który łączy ze sobą wszystkie istotne dane i kod.
  2. Otwórz oprogramowanie do edycji kodu z "stopni niepewności".
  3. Przeciągnij plik (MPT 1, MPT 2, MPT 3 lub MPT 4) do edytora kodu, aby go zwizualizować.
    1. Pliki pojawią się w menu EKSPLORATOR po lewej stronie okna. Zapoznaj się z procedurą wizualizacji danych z folderu "Przyszłość" w kroku 1.7.
  4. W menu EKSPLORATORA kliknij folder (MPT 1, MPT 2, MPT 3 lub MPT 4), aby wyświetlić menu rozwijane, kliknij skrypt, a następnie kliknij index.html.
    UWAGA: Kod pojawi się po prawej stronie okna.
  5. Kliknij lewym przyciskiem myszy część okna z kodem "index.html" i wybierz z menu otwórz z serwerem na żywo.
    UWAGA: Otworzy się okno przeglądarki internetowej i rozpocznie się odtwarzanie wizualizacji.
  6. Zamknięcie i ponowne otwarcie edytora kodu może być konieczne między wizualizacjami podczas ładowania wizualizacji z innego podzbioru czasu. Powtórz kroki 1.4-1.6 dla każdego podzbioru czasu.
  7. Aby wyświetlić wizualizację na podstawie przyszłych projekcji, otwórz folder "Przyszłość" na komputerze i przeciągnij folder "Akumulacja" lub "Przejście" do edytora kodu. Różnica między animacjami jest opisana w sekcji wyników.
  8. Wybierz nazwę folderu w oknie EXPLORER i kliknij index.html. Kliknij lewym przyciskiem myszy część okna z kodem "index.html" i wybierz z menu otwórz z serwerem na żywo.
    UWAGA: Otworzy się okno przeglądarki internetowej i rozpocznie się odtwarzanie wizualizacji, którą można zapisać lokalnie na komputerze poprzez nagrywanie ekranu.

2. Edycja wizualizacji

UWAGA: Aby edytować wizualizacje, wykonaj kroki 1.1-1.4 powyżej, jeśli to konieczne, aby załadować odpowiednie dane.

  1. Wybierz interesujący Cię folder w oknie EKSPLORATORA edytora kodu i otwórz główny plik skryptu, klikając sketch.js.
    UWAGA: Plik "sketch.js" w MPT 1 (Supplementary Coding File 1) zawiera najbardziej szczegółowe adnotacje; W związku z tym ten plik może być najbardziej przydatny do zapoznania się z kodem.
    1. Kod zostanie wyświetlony po prawej stronie okna edytora kodu. Wykonaj wszelkie zmiany parametrów wizualizacji w tym kodzie. Poszukaj adnotacji do kodu ze szczegółowymi opisami kodu i jego funkcji po podwójnych ukośnikach "//" i dalej oznaczonych zielonym tekstem (Rysunek uzupełniający 1).
    2. Zdefiniuj zmienne, które będą powiązane z danymi lub używane do dostosowywania parametrów wizualnych (Rysunek uzupełniający 1).
    3. Załaduj dane do obszaru roboczego (Rysunek uzupełniający 2).
    4. Zdefiniuj parametry wizualne płótna. Użyj pętli "for", aby powiązać dane z określonymi cechami; w tym przypadku wielkość jest powiązana z wartością izotopową azotu "d15N" (rysunek uzupełniający 3).
    5. Użyj pętli for, aby zdefiniować długość ogona dla każdej kuli. Ogon odnosi się do czasu, w którym kule pozostają na ekranie po pojawieniu się, tworząc akumulację koloru w miarę postępu wizualnego (rysunek uzupełniający 4).
      UWAGA: Tutaj długość ogona jest skalowana do szybkości akumulacji alkenonów c37.
    6. Na koniec narysuj animację, stosując algorytm Perlin Noise11, aby zdefiniować kształt elementów wizualnych (rysunek uzupełniający 5).
      UWAGA: W tym przypadku okrąg jest używany jako kształt bazowy z szumem zastosowanym do punktów na obwodzie koła. Będą one "poruszać" granicą okręgu, dając organiczny kształt przypominający kulę, który odchyla się od okręgu w ilości określonej przez polecenie "poruszaj się".
    7. W razie potrzeby edytuj kod, korzystając z adnotacji, aby ułatwić wprowadzanie zmian.

3. Zapisywanie zmian

  1. Zapisz zmiany, naciskając jednocześnie Command i S.
  2. Wyświetl zaktualizowane wizualizacje, przechodząc do pliku "index.html" w oknie EKSPLORATORA, klikając lewym przyciskiem myszy i wybierając z menu opcję Otwórz za pomocą serwera na żywo.
    UWAGA: Otworzy się okno przeglądarki internetowej i rozpocznie się odtwarzanie wizualizacji, którą można zapisać lokalnie na komputerze poprzez nagranie ekranu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Ta praca tworzy sześć wizualizacji odpowiadających pięciu unikalnym interwałom czasu geologicznego, z aspektami wizualnymi przeskalowanymi do danych ilościowych mierzonych na osadach głębinowych (Rysunek 1, Rysunek 2, Rysunek 3, Rysunek 4, Wideo 1, Wideo 2, Wideo 3 i Wideo 4) lub wzorowane na podstawie scenariuszy RCP Międzyrządowego Ze...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Praca ta podkreśla użyteczność sztuki generatywnej dla celów komunikacji naukowej. Obieg pracy może służyć do przekształcania istniejących danych w elementy w animacji. Chociaż wyniki animacji wynikające z tej pracy są wyjątkowe, ponieważ za każdym razem, gdy kod jest uruchamiany, tworzona jest inna wersja animacji, elementy wizualne są skalowane do danych modelu geochemicznego i klimatycznego; W związku z tym elementy takie jak kolor, szybkość i rozmiar pozostają stałe, o ile dane wejściowe pozostają takie same. Pozwala...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy przyznają, że w chwili obecnej nie ma znanych konfliktów interesów

Podziękowania

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

Chcielibyśmy podziękować za wsparcie otrzymane od Georgii Rhodes i Stuarta Copelanda na początku tego projektu - ich zachęta i mentoring były niezbędne dla naszego sukcesu. Chcielibyśmy również podkreślić użyteczność https://p5js.org/reference/ jako zasobu w nauce kodowania w JavaScript. Materiał ten opiera się na pracach wspieranych częściowo przez National Science Foundation w ramach EPSCoR Cooperative Agreement #OIA-1655221 i ich programu Vis-a-Thon oraz przez Rhode Island Sea Grant [NA23OAR4170086].

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
SztalugaUlineH-1450SILSztaluga teleskopowa do trzymania płyty z pianką
Tablica plakatowa z rdzeniem piankowymRoyal Brites#753064Płyta z pianki używana jako płótno do projekcji
Live ServerMicrosoft; Wydawca: Ritwick DeyVersion 5.7.9Rozszerzenie oprogramowania dla Visual Studio Code, które umożliwia przeglądanie animacji w oknie przeglądarki. Pobrane na: https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=ritwickdey.LiveServer
Throw ProjectorOptoma796435814076Dowolny model projektora rzutowego, który będzie działał dla pożądanej powierzchni / odległości projekcyjnej 
Visual Studio CodeMicrosoft w wersji 1.74 dla systemu MAC OSOprogramowanie do edycji i wykonywania kodu. Pobrane pod adresem : https://code.visualstudio.com/

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Wizualizacja danychwizualizacja immersyjnacykle glacjalne i interglacjalneosady g bokomorskiealgorytm szumu Perlinaantropogeniczne ocieplenietemperatura powierzchni morzakomunikacja naukowa

Powiązane artykuły