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Sonifikation

Aus Daten werden Klänge

Sonifikation astronomischer Daten

Ein wissenschaftliches Projekt von und mit Paul Hombach

Was ist Sonifikation?
Der Begriff bedeutet „Verklanglichung“. Es geht mir speziell um die Vertonung astronomischer Daten. Das können z.B. Zahlenwerte aus der Planetenbewegung sein, etwa die Helligkeit des Planeten und seine Position am Himmel, oder die Termine von bestimmten Himmelsereignissen.
Die Idee ist, solchen Zahlen Klänge oder Rhythmen zuzuordnen, um astronomische Zusammenhänge nicht nur zu veranschaulichen, sondern quasi zu veran-hör-lichen (es gibt nicht mal ein richtiges Wort dafür…).
Das hat wenig mit Spärenklängen oder Esoterik zu tun, sondern ist in erster Linie eigener Spaß,

 

aber auch ein wissenschafts-didaktisches Experiment: Ob es gelingt, kosmische Abläufe auch über den Hörsinn zu vermitteln.
Angefangen habe ich mit den Astro-Vertonungen 1997 für eine amateurastronmische Tagung. Erst später lernte ich, daß es ähnliche Verfahren in anderen Wissenschaftsbreichen schon gibt (z.B. in der Biologie: die Darstellung der DNA-Sequenz als Tonfolge) und das Prinzip „Sonifikation“ heißt.
Ich begreife mich dabei als eine Art „Astro-Arrangeur“: Die Daten gibt die Natur vor, als Musiker kann ich Auswahl und Umsetzung bestimmen. Zu dem so gewonnenen Material läßt sich ggf. eine weitere Begleitung hinzufügen bzw. improvisieren.

Woher kommen die Daten?

Die o.g. Daten wurden einer langen Tabelle aus den Astronomical Tables von Jean Meeus entnommen und per Hand Ton für Ton in den Sequenzer eines Keyboard gespielt.
Es gibt Astronomische Daten natürlich haufenweise im Internet, in Jahrbüchern, oder man rechnet sie mit Planetariumssoftware o.ä. selbst.

Beispiele mit Sommersonnenwende, Mondphasen, Erdnähe, Marsnähe, Merkur

1: Sommersonnenwende

Zuerst ein einfaches Beispiel: das Datum der Sommersonnenwende. Aus einer Folge von Kalenderdaten soll eine Reihe von Tönen werden. Das Datum des der Sommersonnenwende (kalendarischer Sommeranfangs) fällt gewöhnlich auf den 21. Juni. Es liegt in der Natur des Gregorianischen Kalenders mit seinen Schaltregeln, daß dieses Datum von Jahr zu Jahr ein wenig um den 21.6. schwankt; mal kann es auch der 22., 20. oder gar 19. Juni sein. Über einige Jahrhunderte betrachtet, sollen die Sommeranfänge als eine Folge von Tönen dargestellt werden nach der einfachen Regel: Der 19. Juni sei ein a, der 20.ein h, der 21. ein c‘ und der 22. ein d‘ – also die vier aufeinander folgenden weißen Tasten von a bis d auf dem Klavier.

SolstKeys
Starten wir unsere Sommeranfangszeitreise einmal im Jahre 1891:

Solstitien 1

Wie man hört, dominiert der Ton c‘, also der 21.6., der manchmal über Jahre stabil und monoton reperkussiv erklingt. Um diesen Grundton herum erklingen in unregelmäßiger Folge die Töne h und d‘, man vermeint bisweilen einen Rhythmus wahrzunehmen, dann ändert sich die Struktur wieder. Das ganze erinnert etwas an minimal-music.

Die Tonfolge erscheint uns recht selbstähnlich und suggeriert die Tonart C-Dur, entsprechend dem Tonmaterial das wir wählten und dem Ausgangspunkt 21.6. gleich c‘. Die Struktur des Gregorianischen Kalenders gewährt eine lange Stabilität dieses Eindrucks, doch wenn wir weit in die Zukunft hören, etwa zu Beginn 25. Jahrhunderts, erleben wir eine Überraschung:

Solstitien 2

Mehr und mehr dominiert der Ton h, erstmals auch umspielt vom a. Das tonale Zentrum verschiebt sich, irgendwann nimmt unser Ohr h-Moll statt C-Dur wahr.

2: Mondphasen und Erdnähe

Hier werden also zwei Parameter miteinander dargestellt. Die Tonhöhe repräsentiert die Mondgestalt: Am höchsten Punkt der Tonkurve ist Vollmond, am tiefsten Neumond. Graphisch würde der Tonhöhenverlauf als Sinuskurve mit 12-13 Amplituden pro Jahr erscheinen. Dieser Tonhöheninformation überlagert ist der Erdabstand des Mondes als Lautstärke: Ein naher Mond erklingt laut, ein ferner leise mit allen entsprechenden Zwischenstufen. Erdnähe und Vollmond fallen in der Regel nicht zusammen, beide Perioden – die Zeit zwischen zwei Vollmonden und die zwischen zwei Erdnähen – sind unterschiedlich lang, entsprechend wandert das Lautstärkemaximum relativ zur Tonhöhe:

Mondphasen

Der Effekt ist hörbar, wenn auch das Resultat dem musikalischen Ohr nicht gerade schmeichelt. Dem Astro-Arrangeur eröffnet die „zu Fuß Methode“ größere Spielräume und die Wahl diskreter statt fließender Tonhöhen wird auch zu musikalisch ansprechenderen Ergebnissen führen.

3: Marsnähe und Deklination

Etwa alle zwei Jahre überholt die Erde unseren äußeren Nachbarplaneten Mars auf der Innenbahn. Sonne, Erde und Mars bilden dann eine Linie, wir sprechen von einer Marsopposition. Da die Planetenbahnen elliptisch sind (besonders die des Mars) kann der dabei erreichte Minimalabstand zwischen Erde und Mars sehr unterschiedlich ausfallen: Zwischen rd. 56 und 101 Mio km! Im Jahre 2003 gab es mit 55.76 Mio km die größte Annäherung seit ca. 60’000 Jahren! Ein kleiner Abstand bedeutet auch, dass Mars am Himmel besonders hell leuchtet bzw. dass er im Teleskop größer erscheint, als in „ungünstigen“ Oppositionsjahren.
Dabei gibt es einen merkwürdigen Zusammenhang: Besonders nahe Marsoppositionen fallen in die Sommermonate, wenn Mars für unsere Breiten dann tief am Himmel steht. Die Marsposition kann zwischen –27° über 0° bis +26° Deklination (das ist sozusagen der „himmlische Breitengrad“) betragen. Das sind 54 Ein-Grad-Schritte, denen auf dem Keyboard die Tasten zwischen dem großen C (-27°) über es’ (0°) bis zum f’’’ (+26°) entsprechen sollen. So erhalten wir die Tonhöhe.
Man kann als zu vertonenden Parameter für die Marsentfernung den Abstand in Mio km, den scheinbaren Durchmesser oder die Marshelligkeit verwenden. Im Folgenden verwende ich den Durchmesser, der zur Opposition zwischen 13“.8 und 25“.1 (Angabe in Bogensekunden) betragen kann. Dabei gilt: Ein naher Mars soll laut erklingen, ein ferner leise. Die Lautstärke entspricht bei Keyboards dem sog. Velocity-Wert, der eine Skala von 0-127 hat. Entsprechend habe ich die Velocytwerte zugeordnet (13“ = Vel 10, 25“ = Vel 127).
Für die Marsvertonung gibt es nun drei einfache Regeln:
1. Jede Marsopposition sei ein Tonereignis.
2. Je nördlicher Mars am dabei Himmel steht, desto höher der Ton.
3. Je näher uns Mars dabei kommt, desto lauter der Ton.
Als Klang verwende ich hier einen Trompetensound, scheint mir passend für den Kriegsgott Mars zu sein. Die „Rekord-Opposition“ von 2003 ist zusätzlich durch einen Glockenton markiert:

Marsoppositionen

Man beachte die nahe beiananderliegenden nördlichen (= hohen, leisen) Oppositionen bzw. die interessanten Intervalle im Baßbereich.

4: Die Sichtbarkeiten des Planeten Merkur

Das folgende Beispiel ist wieder per Hand auf dem Sequenzer programmiert und nutzt vier grundsätzliche Informationsmöglichkeiten der Musik gleichzeitig: Tonhöhe, Tondauer, Lautstärke und Klangfarbe. Vertont werden die Sichtbarkeiten des Planeten Merkur im Zeitraum 1976 bis 2005.
Merkur ist der innerste Planet des Sonnensystems und entfernt sich von der Erde aus betrachtet nie weit von unserem Zentralgestirn, ab einem gewissen Mindestabstand kann es aber für eine Sichtbarkeit reichen. Da sich Merkur deutlich schneller um die Sonne bewegt als wir, kommt es für einen irdischen Betrachter theoretisch zu insgesamt je vier einander abwechselnden Abend- und Morgensichtbarkeiten pro Jahr. Doch selbst wenn Merkur einen respektablen Winkelabstand, auch Elongation genannt, erreicht, heißt das für unsere Breiten noch nicht, daß wir ihn auch sehen können. Es gilt: Wenn überhaupt, können wir ihn im Zeitraum Januar bis Juni für einige Tage am Abend- und zwischen Juli und Dezember am Morgenhimmel erspähen. Wir Mitteleuropäer bekommen in der Regel nur ein bis zwei Abend- und ebenso viele Morgensichtbarkeiten per anno mit.
Uns interessieren nur die Tage, an denen Merkur seinen maximalen östlichen oder westlichen Abstand zur Sonne erreicht. Das Datum dieses Ereignisses gibt uns die Tonhöhe, in dem wir das Jahr in 24 halbe Monate unterteilen und jedem Halbmonat einen Halbtonschritt auf der chromatischen Tonleiter zuordnen, also erste Januarhälfte = c, zweite Januarhälfte = cis bis zum h‘ der zweiten Dezemberhälfte. Wir kommen ergo mit zwei Oktaven für die Jahresdarstellung aus. Diese Halbmonatsauflösung reicht uns, da eine bestimmte Merkursichtbarkeit von Jahr zu Jahr um etwa 17 Tage früher eintrifft. Wir erleben eine absteigende Folge von gebrochenen Dreiklängen,

hier z.B. die Merkur-Abendsichtbarkeiten der Jahre 1976 ff

Der maximale Winkelabstand des Merkur kann wegen seiner elliptischen Bahn sehr unterschiedlich ausfallen, dieser Umstand wirkt auf die Tondauer: Eine kurze staccato- Achtel steht für eine geringe, eine lange Viertelnote für eine große Maximalelongation.
Die Klangfarbe unterscheidet zwischen Morgen- und Abendsichtbarkeiten. Dabei stellt das Klavier die Abend- und ein Oboensound die Morgenelongationen dar.
Die Lautstärke spiegelt die Sichtbarkeitsbedingungen für Mitteleuropäer wieder. Günstig beobachtbare Elongationen sind laut, ungünstige leise. Entsprechend hören wir in der unteren Oktavlage laute Klaviertöne und eine sehr leise Oboe während in der zweiten Jahreshälfte, also bei den hohen Tönen die Oboe lauter und das Klavier leiser wird.
Lassen Sie das Resultat – 35 Jahre Merkursichtbarkeiten in einer Minute – einmal auf sich wirken:

Merkursichtbarkeiten 1976 – 2005

Auch wenn es sich nur um eine einstimmige Tonreihe handelt, so ist der Informationsgehalt doch recht komplex und dabei durchaus suggestiv.

Beispiele mit Venustransits, Klang von Sternbildern, Planetensystem, Osterteremine

5: Venustransits

Dieses Beispiel zeigt die Kombination von Melodie und Rhythmus in der astronomischen Sonifikation.
Aus Anlaß des 2004 erfogten Transits der Venus vor der Sonnenscheibe – ein ausgesprochen seltenes Ereignis – sollen die Periodizität dieser Transits und ihre langsame kalendarische Vorverlagerung hörbar gemacht werden.

Die Transits der Venus zeigen eine Periode von 243 Jahren. In diesem Zeitraum ereignen sich 4 Vorübergänge der Venus vor der Sonne,  im Abstand von 8, 122, 8 und 105 Jahren, der Musiker denkt da an zwei recht nahe beieinanderliegende Paukenschläge mit einer anschließenden sehr langen Generalpause. Die paarweise auftretenden Transits ereignen sich jeweils im Dezember, dann im Juni. Der Transit von 2004 ist der erste von zwei Juni-Transits, der nächste folgt im Jahre 2012. Zwischen den achtjahres- Transitpaaren tun sich wahre zeitliche Abgründe von 122 bzw. 105 Jahren auf. Dies auf einen handlichen Beat zu skalieren ist trickreich. In der folgenden Sequenz wird ein 61/8 Rhythmuspattern als Näherung verwendet. Zur Orientierung läuft die ganze Zeit eine Art Metronomsound mit, der an ein Uhrwerk erinnert. Jeder Schlag entspricht acht Jahren. Zwei hohe und zwei tiefe Tom-Tom-Schläge markieren die Dezember- bzw. Junitransits:

Venustransit-Rhythmus

Betrachten wir in einem zweiten Schritt die kalendarische Verschiebung der Transits. Nach 243 Jahren wiederholt sich das Muster der Transits mit 1-4 Tagen Verspätung. Im folgenden Beispiel sind 9 dieser 243-Jahreszyklen vertont. Im ersten, er beginnt mit einem Transit am 7. Dezember 1631, fallen die Venusvorübergänge auf den 7. und 4. Dezember sowie auf den 6. und 3. Juni. Wir vereinbaren, dass diese vier Termine als  aufgelöster C-Dur Akkord erklingen sollen: Der 7. 12. ist ein g’, der 4.Dezember ein e’, der 6.Juni ein e und der 4.6. ein c. Für jeden Tag Verspätung in der folgenden Periode transponieren wir die entsprechende Note um einen Halbton nach oben.
Beachten sie, dass ab der 7. Periode der zweite der beiden Dezembertransits entfällt.

Venus-Melodie

Für jeden Transit kann diese Verspätung 1-4 Tage betragen, so dass sich dem Ohr deutliche Abweichungen vom ursprünglichen Durdreiklang darbieten. Das Resultat erinnert an eine Bach’sche Fuge und reizt den Musiker zur musikalischen Improvisation rund um die von den Daten erzeugten Harmonien:

Venusmelody

Venus meets Bach

Kombinieren wir abschließend Melodie und Rhythmus. Dazu machen wir zwei leichte Vereinfachungen. Der Rhythmus der Transits findet in einem 15-Takte-Pattern à 4/4 statt, wobei eine Viertel 4 Jahren entspricht. Die Melodie wird von Zyklus zu Zyklus um einen aus den Einzelverspätungen gewichteten Betrag nach oben transponiert, es bleibt also jeweils beim Dur-Dreiklang. Hinzugefügt werden im Sequenzer weitere Instrumentalspuren wie Bass, Schlagzeug und Bläser, wodurch sich ein kleiner Venus-Transit-Groove ergibt…. (hier die Fassung mit 5 Transitperioden)

Venus-Transit-Groove

6. Wie klingen eigentlich Sternbilder?

Zu einem Sternbild wie man es allgemein versteht gehören die hellen Sterne, die das entsprechende und bekannte Muster formen, z.B. die 5 Sterne die das „Himmels-W“ der Cassiopeia (Abk. Cas) bilden, oder die 7 Sterne des „Großen Wagens“ ( „Großer Bär“, Ursa Major, UMa). Tatsächlich gibt es in jedem Sternbild natürlich zahllose weitere, schwächere Sterne und andere Himmelsobjekte. Ich beschränke mich hier auf die o.g. hellen Sterne von Cassiopeia und Ursa Major.
Die zu vertonenden Sterne sind alle mit bloßem Auge in dunkler Nacht bequem sichtbar, doch sind sie nicht gleich hell: In astronomischen Helligkeitsstufen (Größenklassen) ausgedrückt gehören die Cassiopeia-Sterne der 2. und 3. Magnitude an, die des Ursa Major der 1., 2. und 3. (vereinfacht wurden nur Stellen vor dem Komma berücksichtigt!).
Diesen drei Stufen wird als erster Parameter ein Lautstärkewert zugeordnet: Je heller, desto lauter.
Trotz scheinbar ähnlicher Helligkeit können die Sterne in Wahrheit sehr unterschiedlich weit weg sein. Diese Entfernung soll als Tonhöhe erklingen. Ausgangspunkt sei das C (unterster Ton auf einem 5-Oktaven-Keyboard). Jeder Ton entspricht 10 Lichtjahren Entfernung, also: 10 Lichtjahre = C, 20 Lj  = CIS usw.
Hinzu kommt, dass die Sterne verschiedene Farben haben, Astronomen unterteilen sie in Spektralklassen. Vereinfacht kann man sagen: Die Sterne der Spektralklassen O, B und A sind bläulich / weiß, die der Klassen F un G (wie unsere Sonne) gelb, Spektralklassen K und M sind rot.
Dieser Spektralfarbe soll je eine Klangfarbe zugeordnet werden:
blau / weiß  >> Streicher
gelb            >>  Klavier
rot              >>  Orgel

Demnach wäre der Stern Dubhe (alpha UMa) mit dem Spektraltyp K, der Entfernung 80 Lj und der Helligkeit 1,8m ein lautes Orgel- G.
Im folgenden Beispiel bauen sich die 7 „Wagensterne“ in der Reihenfolge ihrer Entfernung als „Akkord“ auf:

Ursa Major

Beachten Sie, dass die Töne alle nahe beieinander ligen, noch dazu im Bereich tiefer Töne und bis auf alpha Uma (= Orgel, s.o.) alle mit Streicher-Sound, also weiße / blaue Sterne. Tatsächlich gehören die meisten Sterne des großen Wagens einer Art Sternhaufen in relativer Nähe an.

Anders bei der Cassiopeia: Die Sterne des Himmels-W verteilen sich auf alle drei Farbgruppen, wobei drei von fünfen wieder blau/weiße Sterne sind. Anders als beim Großen Bären sind mit epsilon Cas (500 Lj >> des“‘) und gamma Cas (800 Lj >> g““ – das „viergestrichene gis“ ist mit dem Streichersample kaum noch hörbar) auch weitentfernte Sterne dabei:

Cassiopeia

7. Das Keyboard quer zum Planetensystem

Stellen Sie sich ein Modell des Sonnensystem von oben betrachtet vor. In der Mitte ist natürlich die Sonne, dann folgen von innen nach außen die Planeten Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter usw. Wir legen jetzt in Gedanken ein 5-oktaviges Keyboard quer auf die „linke Seite“ des Modells. Immer wenn ein Planet auf seiner Umkreisung diese „Keyboardschranke“ überquert, soll der entsprechende Tastenton erklingen. Das hohe c ist hier ein Dauerton, „verursacht“ durch die Sonne. Mit unterschiedlichen Sounds  machen sich die Planeten einmal pro Umlauf auf ihrer maßstabsgerechten Tonhöhe bemerkbar, Merkur bis Mars mit recht hohen Tönen, der langsame Jupiter entsprechend selten als tiefes As (äußeren Planeten passen in diesem Maßstab nicht mehr drauf…). Merkur (Klaviersound auf dem hohen as) gibt regelrecht den Takt vor.
Ich habe im folgenden Beispiel die Planeten nacheinander im Sequenzer „zugeschaltet“.
Der daraus entstehende „Planetengroove“ kann wieder Ausgangspunkt einer kleinen Improvisation sein….

Planetensystem

8. Ostertermine

In diesem Beispiel wurden die Daten aller Ostertermine seit der Kalenderreform von 1582 bis zum Jahr 2100 vertont.
Ostern findet am ersten Sonntag nach dem ersten Frühlingsvollmond statt.
Beispiel 2005: Frühlingsanfang: 20. März,  nächster Vollmond am Fr., den  25.3., Ostersonntag am  27.3.
Ostern kann auf alle Tage zwischen dem 22. März und 25. April einschließlich fallen, also 35 mögliche Termine.

Diesen 35  Tagen ordne ich Tasten auf dem Keyboard zu, von 22.3. = des bis 25.4. = h“:

Osterkeys

Die über 500 Jahre Ostern wurden von Hand in einen Sequenzer eingegeben, jeder Ostertermin entspricht einer 1/16 – Note.
Die Sequenz läuft mit 1/4 = 120, dadurch entsteht der verblüffende Eindruck einer scheinbar endlos aufsteigenden Tonreihe…

„Oster-Toccata“

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