Loni v prosinci jsem na podzimním zasedání AGU v San Franciscu prezentoval poster, který neobsahoval ani kousek nových vědeckých poznatků. Přesto se z něj možná vyklubala prezentace s největším dopadem, jakou jsem kdy měl.

Posterem jsme s několika kolegy představili světu WALDO. WALDO, neboli Worldwide Archive of Low-frequency Data and Observations (Celosvětový archiv nízkofrekvenčních dat a pozorování), je rozsáhlá – a stále rostoucí – zásobárna nízkofrekvenčních (0,5 až 50 kilohertzů) rádiových dat shromažďovaných po desetiletí na místech po celém světě. Tuto databázi společně spravujeme s Markem Golkowskim z University of Colorado Denver (CU Denver).

Tato data mají nejrůznější využití v geofyzice, včetně detekce a charakterizace blesků, dálkového průzkumu ionosférických a magnetosférických jevů a detekce slunečních erupcí, gama záblesků a gravitačních vln. Až donedávna však byla data na WALDO shromážděna a uložena převážně na desítkách tisíc disků DVD – a tak byla z velké části nedostupná všem, kteří měli zájem je využívat.

Naším cílem v rámci projektu WALDO je přenést a uspořádat tato historická data, doplněná o probíhající sběr dat, do jediného standardizovaného cloudového úložiště, aby k nim vědci dnes i v budoucnu měli přístup a mohli je využít při studiu blesků, ionosféry, magnetosféry, kosmického počasí a dalších.

Věda o ELF/VLF

Každý z milionů úderů blesku denně na Zemi uvolní intenzivní, zhruba 1 milisekundu dlouhý impuls rádiové energie o extrémně nízké až velmi nízké frekvenci (ELF/VLF), známý jako sférický. Tyto sférické částice se odrážejí od nižších vrstev ionosféry (ve výšce 60-90 km) a od země, což jim umožňuje cestovat – a být detekovány – po celém světě. Hrstka VLF přijímačů rozesetých po celém světě dokáže geolokačně určit většinu blesků s neuvěřitelnou kilometrovou přesností. Sferickou detekci lze také použít k charakterizaci elektrických vlastností spodní ionosféry mezi zdrojem a vzdáleným přijímačem.

Úzkopásmové majáky používané americkým námořnictvem, nominálně pro komunikaci s ponorkami, vysílají také ve frekvenčním pásmu ELF/VLF, což poskytuje další prostředek dálkového snímání ionosféry. Ačkoli jsou tyto zprávy z bezpečnostních důvodů šifrovány, samotné rádiové signály představují užitečnou ionosférickou diagnostiku, kterou lze zachytit kdekoli na Zemi. Změny ionosférických podmínek, konkrétně elektronové hustoty, se projevují jako změny amplitudy nebo fáze přijímaných signálů. Ionosféru lze následně využít jako senzor pro sledování nejrůznějších geofyzikálních jevů, včetně slunečních erupcí, srážek elektronů z magnetosféry, zatmění Slunce, ohřevu souvisejícího s blesky, kosmického záření gama, gravitačních vln a mnoha dalších. Každý z těchto jevů narušuje VLF signály šířící se pod ionosférou jiným způsobem – například ovlivňuje, jak rychle porucha začíná a končí – a tyto znaky umožňují jejich vzájemné rozlišení. Některé ionosférické poruchy jsou velmi spolehlivé a opakovatelné, například vliv východu a západu Slunce.

Některé ELF/VLF energie také unikají do magnetosféry (jako bleskem generované vlny plazmatu zvané whistlery), kde mohou interagovat s uvězněnými energetickými elektrony v radiačním pásu Země a vyvolat srážení elektronů do atmosféry. ELF/VLF vlny jsou také generovány a urychlovány v magnetosféře (jako vlny zvané chorus a sykot) v důsledku interakce vln a částic, a hrají tak roli v dynamice kosmického počasí na Zemi. Studium rádiových vln ELF/VLF nám umožňuje jak studovat a lépe pochopit tyto procesy, tak složit dohromady záhady to, co se děje během událostí kosmického počasí a geomagnetických bouří.

Tato využití dat ELF/VLF, jejichž přehled podávají například Barr et al. , Inan et al. a Silber a Price , se rozvíjejí již od konce 19. století, kdy bylo možné slyšet přírodní signály ELF/VLF spojující se do dlouhých telegrafních linek. V poslední době se však objevila i řada dalších aplikací mimo tradiční využití ELF/VLF dat. Například detekce předmětů uvnitř kovových schránek pomocí ELF/VLF vln by mohla být využita k odhalení skrýše zbraní ukrytých v přepravním kontejneru.

Ve spolupráci se skupinou pro výzkum kybernetické bezpečnosti na Georgijském technologickém institutu (Georgia Tech) využíváme s kolegy také ELF/VLF data ke zvýšení bezpečnosti energetické sítě proti kybernetickým útokům, jako byl například velký útok na Ukrajině v prosinci 2015, při kterém hackeři vyřadili z provozu několik elektrických rozvoden. Data ELF/VLF detekovaná rádiovými přijímači lze využít ke sledování signálů v elektrické síti a hledání nepravidelností. Tato data jsou také poseta sférickými signály z blesků po celém světě, které přicházejí do přijímačů v kvazi náhodných časech při výskytu blesků. Příroda tak poskytuje účinný a zjistitelný generátor náhodných čísel, který vzhledem k tomu, že blesky nelze předem předvídat, umožňuje ověřit integritu ostatních dat zjištěných přijímači .

Vývoj WALDO

Databáze WALDO – v současné době má asi 200 terabytů a denně roste – již obsahuje nebo brzy bude obsahovat data, která by mohla obohatit studium všech výše uvedených jevů a aplikací. Velká část dat byla shromážděna pomocí přijímačů ELF/VLF Stanfordovy univerzity a v nedávné době také pomocí nových stanovišť rozmístěných Georgijskou technikou a UK Denver.
.

.
WALDO zahrnuje také záznamy ELF/VLF z experimentů prováděných v rámci programu HAARP (High-frequency Active Auroral Research Program) na Aljašce , který od poloviny 90. let 20. století provádí experimenty zaměřené na studium ionosféry ve velkých výškách. Zahrnuje mnoho let dat ze stanice Palmer na Antarktickém poloostrově. A nakonec bude obsahovat i mnoho dat ze slavného experimentu ELF stanice Siple, který probíhal v letech 1973-1988 a jehož cílem bylo studovat zesílení a spouštění signálů ELF v magnetosféře pomocí 42kilometrové antény v Antarktidě. Předpokládáme, že do konce roku budeme mít k dispozici 500 až 1000 terabajtů dat.

Úsilí o sestavení těchto nesourodých souborů dat do jedné databáze začalo na podzim 2018, kdy bylo nutné vyklidit prostor na Stanfordově univerzitě, kde byla tato data fyzicky uložena – na zhruba 80 000 discích DVD a CD a na jednom silně poškozeném serveru. Disky, z nichž některé byly po desetiletích skladování poškozené, byly zabaleny a odeslány buď na techniku v Georgii, nebo na univerzitu v Denveru, kde se k přesunu dat na pevné disky používají roboti čtoucí DVD, kteří dokáží roztrhat hromadu 300 disků najednou. Mezitím John DeSilva na Stanfordu pomalu extrahoval obsah starého serveru a umístil tato data do dočasného cloudového úložiště, abychom je mohli získat zpět.

Po získání jsou data podrobena digitálnímu třídicímu schématu, které aktualizuje formátování tak, aby byla všechna konzistentní, a poté umístí data do roztříděných složek. Vyvinuli jsme online rozhraní, které umožňuje snadný přístup k datům, jež lze na požádání sdílet i s kýmkoli, kdo má účet Google. Prostřednictvím webové stránky si uživatelé mohou prohlížet automaticky generované rychlé grafy, které usnadňují zjištění, co je k dispozici, například mapy míst přijímačů, z nichž jsou k dispozici data z daného dne, roční kalendáře zobrazující dostupnost dat a souhrnné grafy dat po jednotlivých dnech.

Cena zaprášených dat

Práce na uchovávání dat je těžká a časově náročná, ale také užitečná. Důkazy o tom jsme viděli v mnoha oblastech. Historické a dlouhodobé soubory dat mají zásadní význam například při studiu klimatu a ekosystémů, neboť vrhají světlo nejen na minulé podmínky, ale také na současnost a budoucnost. A díky úsilí o zachování dat máme to štěstí, že máme k dispozici data o slunečních skvrnách stará více než 400 let – data, která jsou základem prvních kritických objevů dynamiky kosmického počasí.

Jako student prvního ročníku na Stanfordu jsem v lednu 2002 oslovil jednoho ze svých profesorů, Umrana Inana, a zeptal se ho, zda bych se mohl zapojit do výzkumu. Mám podezření, že od studenta, který právě dostal trojku z předmětu, mnoho neočekával. O několik dní později jsem se ocitl v zaprášeném, téměř opuštěném skladišti poblíž Stanford Dish, kde jsem se prohrabával patnáct let starými magnetickými páskami Betamax a Ampex plnými rádiových dat ELF/VLF. Pásky byly stále nacpané v původních kartonových krabicích a byly seřazené na policích naskládaných pět metrů vysoko v několika řadách, z nichž každá byla dlouhá pravděpodobně 30 metrů. Proč jsem tam byl?

V roce 1994 byly z vesmíru náhodně objeveny záblesky vysokoenergetického gama záření zvané terestrické záblesky gama (TGF) . Ukázalo se, že TGFs mají původ v blesku, ale to bylo v podstatě vše, co jsme o nich věděli. Data ELF/VLF lze použít k charakterizaci blesku, který jev způsobil, ale vědci měli k dispozici pouze dva příklady TGF, které bylo možné přímo spojit s bleskem prostřednictvím dat ELF/VLF. Mým úkolem bylo najít další příklady ukryté v datech na všech těch páskách.

Když jsem odkašlával pavučiny, přemýšlel jsem o tom, kolik námahy si lidé dali, aby tyto pásky Betamax (i v té době už dávno zastaralý formát) udržovali v chodu. Data, která jsem si prohlížel, byla zaznamenána na Palmerově stanici v Antarktidě pomocí přijímače umístěného na pohyblivém ledovci, který pečlivě sledoval vědecký technik na plný úvazek a každý rok ho obsluhoval jeden student ze skupiny. Při každé cestě lodí ze stanice byly pásky odeslány ve velkých krabicích, pak naskládány na sebe a uloženy v tomto hlodavci zamořeném prostoru – to vše bylo financováno z peněz amerických daňových poplatníků prostřednictvím Národní vědecké nadace. A tento druh sběru dat probíhal po celá desetiletí na pracovištích po celém světě, která tato výzkumná skupina udržovala.

Živé datové soubory

„Stálo to za to?“ Přemýšlel jsem, zatímco jsem se lopotil v tom skladišti. Jak jsem zjistil, odpověď zní jednoznačně ano (a nejen proto, že tato data vedla k mým prvním recenzovaným vědeckým článkům a pomohla mi dostat se do výzkumu). Naučil jsem se, že soubory geofyzikálních dat jsou živé a že jejich intelektuální hodnota se mění tak, jak se mění naše vědecké priority.

Když se získávala měření zaznamenaná na kazetách Betamax, nikdo nepředpokládal, že je bude nakonec potřebovat ke studiu TGF; měření byla původně shromažďována z jiných důvodů. Bylo by snadné vyhodit data dříve, než by se ukázala jako užitečná pro studium TGF – nebo dokonce i poté. Po používání kazet Betamax jsme přešli na nahrávání digitálních dat na CD, pak na DVD, pak na externí pevné disky, pak na velký datový server – a nyní je přesouváme do cloudu. V každém kroku jsme museli všechna nahromaděná data ze starých médií přetáhnout do současnosti. Protože však tato data nebyla vyřazena, jsou dodnes k dispozici pro studium mnoha přírodních jevů a procesů.

Je na místě se ptát, zda se to vzhledem k vynaloženým nákladům a úsilí vyplatí. Já si myslím, že ano. Nikdy nevíte, jak mohou být tato data využita. Nikdy bych nečekal, že geofyzikální data o blesku budou mít dopad například na svět kybernetické bezpečnosti. Dnes jsme svědky toho, že vysoce výkonná výpočetní technika a strojové učení odhalují nové poznatky ze starých dat a mezioborové projekty často nacházejí překvapivé využití historických datových souborů. Předpokládám, že v nepříliš vzdálené budoucnosti někoho napadne nový způsob, jak se podívat na data ELF/VLF shromážděná před deseti lety. Budou však tato data stále dostupná?

Dlužíme to budoucím vědcům – a americkým daňovým poplatníkům, kteří financovali velkou část této práce -, abychom zajistili jejich dostupnost. Od oznámení databáze WALDO v prosinci jsme obdrželi několik dotazů a oznámení od lidí, kteří databázi využívají. Doufáme, že uchováním těchto údajů ve WALDO otevřeme dveře překvapivým a nečekaným objevům.