Raumzeitliche Darstellung von Vulkanemissionen

Im Rahmen meines Praktikums bei Studio Fluffy habe ich am Projekt „Liquid Dance“ mitgearbeitet und die Aschewolke des Ausbruchs des Vulkans Raikoke 2019 in der Game Engine Unity visualisiert.

Aschewolke in abstrakter Darstellung

Hierzu habe ich eine abstrakte Darstellungsform auf Basis von Würfeln mit farbigen Stäben verwendet, um die Entwicklungen von drei verschiedenen Stoffkonzentrationen zu veranschaulichen. Im zeitlichen Ablauf verändern sich die Längen der einzelnen Stäbe je nach zugrunde liegender Stoffkonzentration. Darüber hinaus verbinden sich im dreidimensionalen Raster die Stäbe benachbarter Würfel miteinander, sodass ein ein kunstvolles Gesamtbild entsteht.

Der Ausbruch des Vulkans Raikoke 2019

Raikoke ist eine russische Vulkaninsel, die zwischen Russland und Japan im Pazifischen Ozean liegt. Die annähernd runde Insel hat einen Durchmesser von 2,5km und erhebt sich bis auf eine Höhe von 551m über dem Meeresspiegel. Am 22. Juni 2019 kam es dort zu einem Ausbruch, der eine 17km hohe Aschewolke erzeugte, welche sich sehr weit ausbreitete und noch mehrere Tage nach der Eruption in der Atmosphäre beobachtet werden konnte.

Zu dieser Aschewolke erstellte eine Forschungsgruppe des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) einen Datensatz, der die gemessenen Konzentration verschiedener in der Wolke enthaltener Stoffe beinhaltet. Studio Fluffy wurden davon die Konzentrationen von Schwefeldioxid (SO2) und Sulfat (SO4) zur Verfügung gestellt. Schwefeldioxid kommt direkt aus dem Inneren des Vulkans und wird bei einem Ausbruch in die Luft geschleudert. Durch Oxidation reagiert es in der Luft zu Sulfat, welches schließlich je nach Partikelgröße und -volumen in mehrere Modi eingeteilt wird. Im Rahmen des Projekts lagen hier der Aitken-Modus sowie der Akkumulations-Modus vor. Der Aitken-Modus enthält Partikel mit Größen von 0,01 bis 0,1μm und repräsentiert eine frühe Form des Sulfats, die kurz nach der beschriebenen Oxidation vorherrscht. Im Lauf der Zeit kondensiert immer mehr Sulfat an der restlichen Asche, sodass das Volumen steigt und das jeweilige Partikel schließlich in den Akkumulations-Modus übergeht, welcher Größen von 0,1 bis 1μm repräsentiert. Somit stehen als Ausgangslage für eine Veranschaulichung der Aschewolke insgesamt drei Stoffkonzentrationen zur Verfügung.

Datenvisualisierung in Datashader

Datashader ist ein Open-Source-Tool, mit welchem in Python zweidimensionale Plots erzeugt werden können. Es ist besonders auf den Umgang mit sehr großen Datensätzen spezialisiert, die den üblichen Funktionsumfang von Python sprengen würden. Dabei kann Datashader bereits in wenigen Schritten aussagekräftige Grafiken erzeugen, die sofort eine tiefergehende Analyse der jeweiligen Daten ermöglichen.

Um einen Einstieg in den Raikoke-Datensatz zu erhalten, war Datashader somit ein ideales Hilfsmittel. Zunächst wurden einzelne Stoffkonzentrationen betrachtet und verglichen, um einen Eindruck der Verhältnisse untereinander zu erlangen. Damit alle drei zur Verfügung stehenden Stoffkonzentrationen mit einbezogen werden können, wurde schließlich eine Darstellung gewählt, in welcher jeder Stoff einem Farbkanal zugeordnet wurde (SO2: rot, SO4-Aitken: grün, SO4– Akkumulation: blau). So ist aufgrund der Einfärbung immer erkennbar, welcher Stoff am jeweiligen Ort vorherrscht, beziehungsweise ob alle drei etwa gleich gewichtet (grau/weiß) oder nicht vorhanden sind (schwarz).

Konzentrationen aller drei Stoffe in RGB-Darstellung, Ansicht von oben (x-Achse: West-Ost, y-Achse: Süd-Nord)

3D-Darstellung in Unity

Da Datashader nur zweidimensionale Bilder erzeugen kann und somit nur dem Betrachten einzelner Ausschnitte dient, wurde in der Folge in Unity weitergearbeitet, einer Game Engine, die in der Lage ist, die bisherigen Ergebnisse auf drei Dimensionen zu erweitern und einen kontinuierlichen Ablauf zu erzeugen. Als Grundlage für die Verarbeitung der Daten wurde die oben beschriebene Darstellung mit der Interpretation der Stoffkonzentrationen als RGB-Werte verwendet.

Zunächst wurde der Datensatz dabei in zwei Dimensionen belassen, und als Übergang von Datashader zu Unity eine Art Kinoleinwand erstellt, die aus vielen einzelnen Würfeln zusammengesetzt ist. Je nach den am jeweiligen Ort zugrunde liegenden Werten nimmt jeder Würfel eine Farbe an, sodass letztendlich ein Bild entsteht, welches abgesehen von einer geringeren Auflösung identisch mit der Datashader-Version ist. Hinzu kommt ein zeitlicher Verlauf, sodass die Entwicklung im gesamten Beobachtungszeitraum betrachtet werden kann.

2D-Darstellung in Unity

Um den Datensatz in drei Dimensionen zu überführen, wurde anschließend eine Darstellung gewählt, in welcher die dreidimensionale Aschewolke aus einzelnen Würfeln zusammengesetzt wird. Hierzu wird zu jedem Zeitpunkt für alle Datenpunkte überprüft, ob eine der drei zugehörigen Stoffkonzentrationen einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Ist dies der Fall, wird an der entsprechenden Stelle ein Würfel erzeugt, welcher die Farbe der jeweils zugrunde liegenden RGB- Darstellung annimmt. So ist als Resultat eine Würfelwolke zu beobachten, welche sich entsprechend der Vorlage immer weiter ausbreitet und bewegt.

3D-Würfelwolke

Um eine alternative Darstellung zu implementieren und das Potenzial des Datensatzes weiter auszunutzen, wurde schließlich die zu Beginn angesprochene abstrakte Darstellung entwickelt. Dabei repräsentieren gelbe Stäbe, welche von den Würfelecken aus zum Mittelpunkt ausgerichtet sind, Schwefeldioxid und rote Stäbe, welche von den Flächenmittelpunkten aus zur Mitte zeigen, Sulfat im Aitken-Modus. Die zweite Sulfatvariante (Akkumulations-Modus) ist durch die Einfärbung des Würfels vertreten, welche sich je nach vorliegender Stoffkonzentration zu einem immer dunkleren blau entwickelt. Hierfür wurde ein Grenzwert festgelegt, unter welchem die Würfelumrisse ausgeblendet werden, sodass mehr der Eindruck einer Wolke entsteht.

Frontalansicht mit Messskala
Seitenansicht
Ansicht von oben
Diagonale Ansicht
Innenansicht

Fazit

Durch die von mir durchgeführten Visualisierungen des Datensatzes ist eine detaillierte Analyse des zeitlichen Verlaufs und der Form der Aschewolke möglich. Da alle drei Dimensionen zu allen Zeitpunkten dargestellt werden, lässt sich ein sehr guter Überblick erhalten, welcher dabei helfen kann, einzelne Ausschnitte oder Zeitpunkte auszuwählen, welche in Zukunft näher betrachtet werden können.

Des Weiteren sind, aufbauend auf dem bisherigen Stand, weitere Anpassungen möglich. Neben der Implementierung zusätzlicher alternativer Darstellungsformen ist auch die Integration einer Virtual- Reality-Umgebung ein denkbarer Schritt, um sich direkt in der Wolke aufzuhalten und das Wachstum der Stäbe aus direkter Nähe betrachten zu können. Hierzu müssen jedoch zunächst einige Anpassungen bezüglich der Performanz durchgeführt werden, da Unity mit der aktuellen Form bereits ausgelastet ist und eine VR-Integration somit noch nicht flüssig realisiert werden kann.

Moritz Reiser studiert Musikinformatik an der Hochschule für Musik in Karlsruhe und war Praktikant bei Studio Fluffy. Inzwischen ist er als Werksstudent bei Studio Fluffy tätig.