Một nhà khí tượng học và một nhà công nghệ âm nhạc đang biến dữ liệu từ các cơn bão nhiệt đới thành các biểu đồ âm nhạc. Có thể lắng nghe những cơn bão giúp chúng ta hiểu chúng hơn?
Bão Sandy, son son.
Bởi Mark Ballora, Đại học Bang Pennsylvania và Jenni Evans, Đại học Bang Pennsylvania
Trong mùa bão năm 2017, những cơn bão lớn ở Bắc Đại Tây Dương đã tàn phá các cộng đồng trong và xung quanh Houston, Florida, Puerto Rico và vùng biển Caribbean rộng lớn hơn.
Sự hủy diệt cho thấy tầm quan trọng của việc hiểu và truyền đạt các mối đe dọa nghiêm trọng mà những cơn bão này gây ra. Các nhà khoa học đã có những bước tiến lớn trong việc dự báo nhiều khía cạnh của bão, nhưng nếu những người có nguy cơ don don hiểu được mối nguy hiểm mà họ gặp phải, thì tác động sẽ mất đi.
Chúng tôi là đồng nghiệp từ các khu vực khác nhau trong khuôn viên bang Pennsylvania: Một trong số chúng tôi là giáo sư khí tượng học, và người còn lại là giáo sư công nghệ âm nhạc. Kể từ năm 2014, chúng tôi đã làm việc cùng nhau để làm sáng tỏ sự năng động của những cơn bão nhiệt đới. Nói cách khác, chúng tôi biến dữ liệu môi trường thành âm nhạc.
Bão Maria, tháng 9 năm 2017. Hình ảnh qua lavizzara / shutstock.com.
Bằng cách siêu âm các video vệ tinh như những video thường thấy trong các báo cáo thời tiết,
chúng tôi hy vọng rằng mọi người sẽ hiểu rõ hơn về những cơn bão cực đoan này phát triển như thế nào.
Dữ liệu thành âm thanh
Hầu hết chúng ta đều quen thuộc với trực quan hóa dữ liệu: biểu đồ, đồ thị, bản đồ và hình động đại diện cho chuỗi số phức tạp. Sonification là một lĩnh vực mới nổi tạo ra các biểu đồ với âm thanh.
Một ví dụ đơn giản, một biểu đồ siêu âm có thể bao gồm giai điệu tăng và giảm, thay vì một dòng tăng và giảm trên một trang.
Một ví dụ đơn giản về sonization.
Sonification cung cấp một vài lợi ích so với trực quan hóa dữ liệu truyền thống. Một là khả năng tiếp cận: Những người bị khuyết tật thị giác hoặc nhận thức có thể tham gia tốt hơn với các phương tiện dựa trên âm thanh.
Sonization cũng tốt cho khám phá. Mắt của chúng ta rất giỏi trong việc phát hiện các thuộc tính tĩnh, như màu sắc, kích thước và ure. Nhưng đôi tai của chúng ta tốt hơn trong việc cảm nhận các đặc tính thay đổi và dao động. Các phẩm chất như cao độ hoặc nhịp điệu có thể thay đổi rất tinh tế, nhưng vẫn được cảm nhận khá dễ dàng. Đôi tai cũng tốt hơn đôi mắt khi theo nhiều mẫu cùng một lúc, đó là những gì chúng ta làm khi chúng ta đánh giá cao các phần lồng vào nhau trong một bản nhạc phức tạp.
Âm thanh cũng được xử lý nhanh hơn và trực quan hơn so với hình ảnh. Đó là lý do tại sao chúng tôi vô tình gõ chân và hát theo một bài hát yêu thích.
Biến bão thành bài hát
Một cuộc đời bão có thể kéo dài bất cứ nơi nào từ một ngày đến một vài tuần. Các cơ quan như Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia Hoa Kỳ liên tục đo lường tất cả các loại tính năng của một cơn bão.
Chúng tôi đã chắt lọc các đặc điểm thay đổi của một cơn bão thành bốn đặc điểm được đo cứ sau sáu giờ: áp suất không khí, vĩ độ, kinh độ và sự bất đối xứng, một thước đo mô hình của gió thổi quanh tâm bão bão.
Để tạo ra các sắc thái, chúng tôi xuất các dữ liệu này vào chương trình tổng hợp âm nhạc SuperCollider. Ở đây, các giá trị số có thể được thu nhỏ và chuyển đổi khi cần thiết để, ví dụ, một cơn bão kéo dài vài ngày có thể được phát trong vài phút hoặc vài giây.
Mỗi loại dữ liệu sau đó được coi như một phần trong bản nhạc. Dữ liệu được sử dụng để chơi các nhạc cụ tổng hợp đã được tạo ra để tạo ra âm thanh gợi lên cơn bão và hòa trộn với nhau.
Trong các bản ghi âm của chúng tôi, áp suất không khí được truyền tải bởi một âm thanh xoáy, gió phản ánh sự thay đổi áp suất. Những cơn bão dữ dội hơn có giá trị áp suất không khí thấp hơn ở mực nước biển. Gió gần mặt đất cũng mạnh hơn trong những cơn bão dữ dội.
Khi áp suất giảm, tốc độ xoáy trong bản ghi âm của chúng tôi tăng lên, âm lượng tăng và âm thanh gió trở nên sáng hơn.
Trình diễn này (không dựa trên dữ liệu thực tế) cho âm thanh phát ra từ các giá trị áp suất giảm và sau đó tăng trở lại.
Kinh độ của tâm bão được phản ánh trong chảo âm thanh nổi, vị trí của nguồn âm thanh giữa các kênh loa trái và phải.
Trình diễn (không dựa trên dữ liệu thực tế) đóng các vị trí kinh độ di chuyển từ tây sang đông (trái sang phải). (Điều này được nghe tốt nhất qua tai nghe âm thanh nổi.)
Vĩ độ được phản ánh trong cao độ của âm thanh xoáy, cũng như âm thanh cao hơn. Khi một cơn bão di chuyển từ xích đạo về phía một trong hai cực, cường độ giảm xuống để phản ánh sự giảm nhiệt độ bên ngoài vùng nhiệt đới.
Đây là một minh chứng (không dựa trên dữ liệu thực tế) của các vĩ độ theo dõi từ xích đạo và sau đó quay trở lại nó. Mặc dù có một vài trường hợp ngoại lệ, bão thường không di chuyển về phía xích đạo.
Một cơn bão tròn hơn thường dữ dội hơn.Các giá trị đối xứng được phản ánh trong độ sáng của âm thanh thấp, tiềm ẩn. Khi bão có hình dạng thuôn dài hoặc hình bầu dục, âm thanh sẽ sáng hơn.
Trình diễn này đóng các giá trị phác thảo vòng đời của một cơn bão, phát triển từ hình dạng hình bầu dục để trở nên tròn hơn, sau đó trở lại hình dạng hình bầu dục. Sự tiến triển này phản ánh những gì sẽ xảy ra khi một cơn bão yếu hình thành, trở nên mạnh hơn, rồi chết.
Sử dụng âm thanh
Cho đến nay, chúng ta đã đánh dấu 11 cơn bão, cũng như lập bản đồ hoạt động của cơn bão toàn cầu từ năm 2005.
Siêu âm bão có thể có lợi cho những người đang theo dõi các hệ thống bão hoặc cập nhật công khai về hoạt động thời tiết. Sonifying có thể được phát qua radio, ví dụ. Chúng cũng có thể hữu ích cho những người có băng thông điện thoại hạn chế và có khả năng nhận nội dung âm thanh tốt hơn nội dung video.
Ngay cả đối với các chuyên gia về khí tượng học, có thể dễ dàng có được cảm giác về động lực bão có liên quan bằng cách nghe chúng như các phần âm nhạc đồng thời hơn là chỉ dựa vào đồ họa. Ví dụ, trong khi hình dạng bão bão thường được gắn với áp suất không khí, có những lúc bão thay đổi hình dạng mà không thay đổi áp suất không khí. Mặc dù sự khác biệt này có thể khó nhìn thấy trong một biểu đồ trực quan, nhưng nó lại dễ dàng nghe thấy trong dữ liệu âm thanh.
Mục tiêu của chúng tôi là giới thiệu các sắc thái của tất cả các loại biểu đồ vào các lớp khoa học, đặc biệt là những người có học sinh nhỏ tuổi hơn. Sonization đang trở thành một phương pháp nghiên cứu được thừa nhận và một số nghiên cứu đã chứng minh rằng nó có hiệu quả trong việc truyền đạt dữ liệu phức tạp. Nhưng sự hấp thu của nó đã bị chậm.
Trên toàn quốc, các nhà khoa học, giáo viên và quản trị viên trường học đang nhận ra tầm quan trọng của nghệ thuật, bao gồm âm thanh và âm nhạc, khi giảng dạy khoa học và toán học. Nếu một thế hệ sinh viên lớn lên trải nghiệm khoa học thông qua nhiều giác quan hơn - thị giác, thính giác và xúc giác - thì họ có thể thấy các ngành khoa học trở nên hấp dẫn hơn và ít đáng sợ hơn.
Mark Ballora, Giáo sư Công nghệ Âm nhạc, Đại học Bang Pennsylvania và Jenni Evans, Giáo sư Khí tượng học, Đại học Bang Pennsylvania
Bài viết này ban đầu được xuất bản trên The Convers. Đọc bài viết gốc.