Technik und Wissenschaft

Die Geräusche der Natur sehen: Wie bunte Spektogramme Arten identifizieren

Lauschen Sie einem Morgenchor auf der Mungwezi Ranch im Gonarezhou-Nationalpark in Simbabwe. Merken Sie sich die Geräusche, die Sie hören, und wie Sie sich dabei fühlen.

Soundscape-Forscher verwenden Spektrogramme, um Arten visuell zu identifizieren und stundenlange Audiodaten zu durchsuchen. Mithilfe von maschinellem Lernen und neuronalen Netzen greifen sie spezifische Audiosignale von Tieren und ihrer Umgebung heraus, die einen Eindruck von der Gesundheit dieses Ökosystems vermitteln. Auf diese Weise können Wissenschaftler die Biodiversität überwachen und spezifischere Fragen zum Verhalten einer Art beantworten.

„Wenn Sie sich ein Spektrogramm eines gesunden Ökosystems voller Artenvielfalt ansehen, werden Sie dieses Spektrogramm ziemlich voll mit verschiedenen Geräuschen verschiedener Arten sehen“, sagte Rachel Buxton, Professorin an der Carleton University, die untersucht, wie sich natürliche Geräusche auf den Menschen auswirken Gesundheit.

Gonarezhou-Nationalpark, Simbabwe

Hier begrüßen Vögel, Insekten und Fledermäuse den neuen Tag. Unscharfe horizontale rote Bänder am unteren Rand des Bildes stellen das Dröhnen von Insekten dar, und die aufsteigenden dünnen roten Säulen direkt unter den Bändern zeigen Vogelrufe, einschließlich der des Natal Francolin und der Kinnfleckfledermaus, wie unten abgebildet.

Es hat sich gezeigt, dass das einfache Hören von Naturgeräuschen die Sterblichkeitsrate und den Stress senkt und die psychische Gesundheit, die kognitive Leistungsfähigkeit und sogar die Geburtsergebnisse verbessert. Auch wenn das Zwitschern einiger Vögel 70 Dezibel überschreitet – die gleiche Lautstärke wie ein Staubsauger – ist ein Morgenchor ein beruhigendes Geräusch, kein erschütterndes.

„Wir haben uns als Spezies in diesen Umgebungen entwickelt, die voller verschiedener natürlicher Geräusche sind“, sagte Buxton. „Eine Umgebung voller natürlicher Geräusche ist ein ziemlich guter Indikator für eine sichere Umgebung.“

Spektrogramme stellen ein Bild von Frequenzen über die Zeit dar und vermitteln die Lautstärke eines Tons. Sie werden erzeugt, indem ein Audiosignal in eine Fourier-Transformation eingespeist wird, ein mathematisches Modell zum Übersetzen von Tönen in ein anderes Format.

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Intensive Linien registrieren laute Momente, weiche unscharfe Flecken sind leises Summen, und ein Stapel von nach oben geneigten Balken könnte das Horn eines Elchs oder das Heulen eines Kojoten darstellen. Das Hinzufügen von Farben – wie wir es in den Spektrogrammen in diesem Artikel getan haben – hilft, Töne in einem Bild zu unterscheiden.

In einem Refrain im Morgengrauen „seht ihr viel Farbe, viele Geräusche mit höheren Dezibel“, sagte Buxton.

“Manche [birdsongs] könnte eine Art umfassenden Anruf haben “, sagte Buxton und glitt mit ihrem Finger nach unten, wobei sie ein Komma in der Luft nachahmte. „Die Sommerzikaden sind lebhafter“, fuhr sie fort, „also werden sie sich über den gesamten oberen Frequenzbereich ausbreiten.“

Tensas River National Wildlife Refuge, Louisiana

Froschrufe füllen die holprigen, wolkenähnlichen unteren Bänder. Insekten- und Amphibiengeräusche dominieren das Bild, aber winzige, dünne ansteigende und abfallende Linien in hellerem Blau am unteren Bildrand zeigen einen Schrei der Streifenkauz.

Smith Oaks Sanctuary, Texas

Dies ist eine Geräuschkulisse von Watvögeln in Texas. Die schweineähnlichen Rufe neotropischer Kormorane sind in dem blauen Schleifpapier-ähnlichen Band unten dargestellt. Hellblaue schräge Streifen unten links und unten in der Mitte, die sich über die Rufe der Kormorane erheben, zeigen die Rufe des Großschwanz-Grackels.

In einem Übersichtsartikel aus dem Jahr 2021 stellte Buxton fest, dass Vogelgesang am besten geeignet ist, Stress bei menschlichen Teilnehmern abzubauen, während Wassergeräusche die größten positiven Auswirkungen auf unser Nervensystem hatten.

Ein Grund für die Vorteile von Wassergeräuschen könnte in der Maskierung anderer, störenderer Reize liegen.

Wassergeräusche haben lautere Wellen, die in den niedrigeren Frequenzen ihren Höhepunkt erreichen, während die leiseren Wasserströme sich sanft durch die Frequenzen verbinden und andere Geräusche überdecken und oft maskieren. Spektrogrammbilder von Wasser belegen dies mit Rothko-ähnlichen Farbverläufen – keine gezackten Spitzen oder stark verschwommenen Linien, sondern eher eine beruhigende Leinwand.

Glacier-Nationalpark, Montana

Eine scrimartige Farbwand offenbart die Geräusche eines von Gletschern gespeisten Baches im Glacier National Park. Kleine hellrote Schrägstriche am unteren Rand sind Spritzer und Blasen.

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Die Idee, dass Naturgeräusche unserer Gesundheit zugute kommen, stammt aus dem Mittelalter, als Krankenstationen erholsame Gärten einbauten, um Patienten bei der Genesung zu helfen. Wissenschaftler beziehen sich heute auf die Biophilie-Hypothese, bei der wir – wie der Name schon sagt – durch tief entwickelte Anziehungen zu günstigen Landschaften zur Natur hingezogen werden.

Forscher haben die vielen gesundheitlichen Vorteile der Natur und ihre Fähigkeit, Menschen zu helfen, sich reflexartig zu entspannen, dokumentiert. In der Natur zu sein, kann innerhalb von Minuten unseren Fokus wieder auffüllen oder unseren Stress abbauen, wie die Wissenschaft zeigt.

„Ich versuche immer, die Leute zu ermutigen, einfach nach draußen zu gehen und einfach die Realität zu erleben“, sagte Buxton.

„Wissen Sie, die Natur ist wirklich die beste Medizin“, sagte sie. „Es geht nicht nur darum, die Natur zu hören. Es geht auch um all die anderen Sinne, die mit dem Aufenthalt in der Natur einhergehen.“

Rocky-Mountain-Nationalpark, Colorado

Die gezackten ansteigenden Schrägstriche am unteren Rand dieses Bildes stellen Kojoten dar, die die Tonhöhe ihres Heulens erhöhen und verringern. Vogelrufe sehen aus wie dünne helle Stacheln, die aus den Kojotensignalen herausragen.

Jacob Job ist Soundscape-Forscher, Evolutionsbiologe und stellvertretender Direktor des Bird Genoscape Project. Die meisten Aufnahmen, die Sie hier gehört und gesehen haben, stammen von ihm. Job richtet manchmal mehrere Aufnahmeorte ein, legt eine Duftblocker-Tarnung an und verschwindet in der Natur.

„Die einzige Zeit, in der ich im Moment wirklich achtsam bin und nicht an den Rest der Welt denke, sind solche Momente“, sagte Job. „Und so ist es wie eine Freiheit. Ich bin in der Natur. Ich bin dabei.“

Ein großer Teil von Jobs Aufnahmearbeit besteht einfach darin, Orte zu finden, an denen es keine Lärmbelästigung oder Menschen gibt. „Das ist fast unmöglich“, sagte Hiob.

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Forscher finden heraus, dass sich Tiere anpassen, indem sie ihre Rufe über das von Menschen gemachte Dröhnen hinaus verschieben.

Rocky-Mountain-Nationalpark, Colorado

Die dicke Unschärfe ganz unten zeigt das Geräusch eines vorbeifahrenden Autos. Niederfrequente Straßengeräusche trüben den unteren Bereich von Vogelrufen. Ein Kiefernzeisig scheint auf die Autogeräusche zu reagieren, indem er einen Ruf abgibt – sehen Sie den dicken roten vertikalen Fleck etwa drei Viertel des Weges über das Bild – der sich über viele Frequenzen erstreckt.

Der National Park Service hat mit seinen Nachrichten an Parkbesucher über Lärm experimentiert. Beispielsweise erinnern Schilder am Eingang von Cathedral Grove im kalifornischen Muir Woods National Monument die Besucher daran, dass sie sich in einer „Ruhezone“ befinden. Die Schilder senkten den Schallpegel um fast drei Dezibel.

Eine sanfte Führung wie diese, sagte Hiob, sendet eine gute Botschaft.

„Sie sagen den Leuten nicht, wie sie sich verhalten sollen“, sagte er, „aber Sie machen sie für ihre Handlungen verantwortlich und lassen sie andere Möglichkeiten der Beteiligung kennen, die sinnvoller und vorteilhafter sein könnten.“

Der Schutz natürlicher Geräusche hat Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit – und auf die Gesundheit aller Kreaturen in den obigen Audioclips sowie auf den Planeten insgesamt, sagen Forscher. Spektrogramme bieten eine Möglichkeit, diese Botschaft zu verstehen und zu fördern.

„Wir sind aus komplizierten und vielen Gründen eine laute Kultur“, sagte Job. „Und bis wir beginnen, einige Veränderungen bei den Ursachen dafür zu sehen, weiß ich nicht, ob wir einige der nuancierteren und kritischeren Dinge im Zusammenhang mit der Erhaltung und dem Schutz unseres Zugangs zu sauberer Luft, Wasser, Orten zum Anbau gesunder Lebensmittel und erneuern und erholen in.“

Korrektur

Eine frühere Version dieser Geschichte hat Vögel im Spektrogramm des Rocky-Mountain-Nationalparks falsch gekennzeichnet. Es hätte einen Kiefernzeisig zeigen und berichten sollen, dass ein Kiefernzeisig einen Anruf über die Verkehrsgeräusche im Park hinausgesprengt hätte. Diese Version wurde aktualisiert.

Über diese Geschichte

Spektrogramme von Bishop Sand. Alle Audioaufnahmen außer Gonarezhou und Glacier wurden von Jacob Job aufgenommen. Gonarezhou-Audio von Bernie Krause. Gletscher-Audio von Sand. Die Spektrogrammfarben wurden aus künstlerischen Gründen und zur besseren Visualisierung der Klangqualitäten in jedem Bild ausgewählt.

Design und Entwicklung von Garland Potts. Art Direction und zusätzliches Design von Elizabeth von Oehsen.