I december sidste år præsenterede jeg en plakat på AGU’s efterårsmøde i San Francisco, hvor der ikke var en skygge af ny videnskab på den. Alligevel kan det vise sig at være den præsentation med størst effekt, jeg har lavet.

Med plakaten præsenterede flere kolleger og jeg WALDO for verden. WALDO, eller Worldwide Archive of Low-frequency Data and Observations, er en stor – og voksende – samling af lavfrekvente (0,5 til 50 kilohertz) radiodata, der er indsamlet gennem årtier på steder rundt om i verden. Mark Golkowski fra University of Colorado Denver (CU Denver) og jeg administrerer databasen i fællesskab.

Disse data kan bruges til alle mulige formål inden for geofysik, herunder til lyndetektion og -karakterisering, telemåling af ionosfæriske og magnetosfæriske fænomener samt detektion af soludbrud, gammastråleblink og tyngdebølger. Indtil for nylig er dataene på WALDO imidlertid blevet samlet og gemt hovedsageligt på titusindvis af dvd’er – og har derfor stort set været utilgængelige for alle, der er interesseret i at bruge dem.

Vores mål med WALDO er at overføre og organisere disse historiske data, suppleret med løbende dataindsamling, til et enkelt, standardiseret skybaseret arkiv, så forskere i dag og i fremtiden kan få adgang til dem og bruge dem i undersøgelser af lyn, ionosfære, magnetosfære, rumvejr og meget mere.

Videnskaben om ELF/VLF

Hvert af de millioner af lynnedslag om dagen på Jorden udsender en intens, ca. 1 millisekund lang puls af ekstremt lavfrekvent til meget lavfrekvent (ELF/VLF) radioenergi, der er kendt som en sferic. Disse sferics reflekteres fra den lavere ionosfære (60-90 kilometers højde) og fra jorden, hvilket gør det muligt for dem at rejse – og blive opdaget – over hele verden. En håndfuld VLF-modtagere spredt ud over hele verden kan geolokalisere de fleste lynnedslag med en utrolig kilometerpræcision. Sferic-detektion kan også bruges til at karakterisere de elektriske egenskaber i den nedre ionosfære mellem kilden og en fjern modtager.

Småbåndssignaler, der anvendes af den amerikanske flåde, nominelt til ubådskommunikation, sender også i ELF/VLF-frekvensbåndet, hvilket giver en anden mulighed for ionosfærisk telemåling. Selv om disse meddelelser er krypteret af sikkerhedshensyn, er selve radiosignalerne en nyttig ionosfærisk diagnose, som kan opfanges overalt på Jorden. Ændringer i ionosfæriske forhold, dvs. elektrontætheden, viser sig som ændringer i enten amplituden eller fasen af de modtagne signaler. Til gengæld kan ionosfæren bruges som en sensor til at overvåge alle former for geofysiske fænomener, herunder soludbrud, elektronudfældning fra magnetosfæren, solformørkelser, lynrelateret opvarmning, kosmisk gammastråling, tyngdebølger og meget mere. Hvert af disse fænomener forstyrrer VLF-signaler, der udbreder sig under ionosfæren, på forskellige måder – f.eks. ved at påvirke, hvor hurtigt en forstyrrelse begynder og slutter – og disse signaturer gør det muligt at skelne dem fra hinanden. Nogle ionosfæriske forstyrrelser er meget pålidelige og gentagelige, som f.eks. effekten af solens op- og nedgang.

En del ELF/VLF-energi slipper også ud i magnetosfæren (som lyngenererede plasmabølger kaldet whistlers), hvor den kan interagere med indfangede energirige elektroner i Jordens strålingsbælte og udløse udfældning af elektroner i atmosfæren. ELF/VLF-bølger genereres og accelereres også i magnetosfæren (som bølger kaldet chorus og hvæs) som følge af bølge-partikel-interaktioner og spiller således en rolle i dynamikken i rumvejret på Jorden. Studiet af ELF/VLF-radiobølger giver os mulighed for både at studere og bedre forstå disse processer og for at stykke sammen mysterier om, hvad der sker under rumvejrshændelser og geomagnetiske storme.

Disse anvendelser af ELF/VLF-data, der er gennemgået af bl.a. Barr et al. , Inan et al. og Silber og Price , er blevet udviklet siden slutningen af 1800-tallet, hvor man kunne høre naturlige ELF/VLF-signaler koble sig ind i lange telegraflinjer. Men en række andre anvendelser uden for de traditionelle anvendelser af ELF/VLF-data er også dukket op for nylig. F.eks. kan detektion af genstande i metalkasser ved hjælp af ELF/VLF-bølger bruges til at opdage et våbenlager, der er gemt i en skibscontainer.

I samarbejde med en forskningsgruppe for cybersikkerhed ved Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) bruger kolleger og jeg også ELF/VLF-data til at øge sikkerheden i elnettet mod cyberangreb, som f.eks. det store angreb i Ukraine i december 2015, hvor hackere satte flere elektriske understationer ud af drift. ELF/VLF-data, der registreres af radiomodtagere, kan bruges til at overvåge signaler fra elnettet for uregelmæssigheder. Disse data er også spækket med sferics fra lynnedslag rundt om i verden, som ankommer til modtagerne på kvasi-tilfældige tidspunkter, når lynet opstår. Naturen leverer således en effektiv og detekterbar tilfældig talgenerator, som, fordi lynnedslag ikke kan forudsiges på forhånd, gør det muligt at validere integriteten af andre data, der registreres af modtagerne.

Udvikling af WALDO

Den WALDO-database, der i øjeblikket er på omkring 200 terabyte og vokser dagligt, indeholder allerede eller vil snart indeholde data, der kan berige undersøgelser af alle de ovennævnte fænomener og anvendelser. En stor del af dataene er indsamlet af Stanford Universitys ELF/VLF-modtagere og for nylig af nye anlæg, der er opstillet af Georgia Tech og CU Denver.
.

.
WALDO omfatter også ELF/VLF-optagelser fra eksperimenter udført som led i High-frequency Active Auroral Research Program (HAARP) i Alaska , som siden midten af 1990’erne har gennemført eksperimenter til undersøgelse af ionosfæren på høje breddegrader. Den omfatter mange års data fra Palmer Station på den antarktiske halvø. Og den vil med tiden omfatte en masse data fra det berømte Siple Station ELF-eksperiment, som blev gennemført fra 1973 til 1988 for at undersøge forstærkning og udløsning af ELF-signaler i magnetosfæren ved hjælp af en 42 km lang antenne i Antarktis. Ved årets udgang forventer vi at have 500-1.000 terabyte data til rådighed.

Samarbejdet med at samle disse forskellige datasæt i en enkelt database begyndte i efteråret 2018, da den plads på Stanford University, hvor disse data fysisk blev opbevaret – på omkring 80.000 dvd’er og cd’er og på én svært beskadiget server – skulle ryddes. Diskene, hvoraf nogle var beskadiget efter årtiers opbevaring, blev pakket og sendt til enten Georgia Tech eller CU Denver, hvor dvd-læsningsrobotter, der kan rippe en stak på 300 diske ad gangen, bruges til at flytte dataene over på harddiske. I mellemtiden har John DeSilva på Stanford langsomt ekstraheret indholdet af den gamle server og placeret disse data i midlertidig cloud-lagring, så vi kan hente dem.

Når dataene er hentet frem, sendes de gennem en digital sorteringsordning, der opdaterer formateringen, så det hele er konsistent, og derefter placerer dataene i sorterede mapper. Vi har udviklet en online grænseflade, der giver nem adgang til dataene, som efter anmodning også kan deles med alle med en Google-konto. Via webstedet kan brugerne se automatisk genererede quick-look-plots, der gør det nemt at finde ud af, hvad der er tilgængeligt, f.eks. kort over modtagersteder, hvorfra data fra en given dag er tilgængelige, årlige kalendere, der viser datatilgængeligheden, og oversigtsdiagrammer over dataene dag for dag.

Værdien af støvede data

Arbejdet med at bevare data er hårdt og tidskrævende, men det er også givende. Vi har set beviser på dette inden for mange områder. Historiske og langsigtede datasæt har f.eks. været afgørende i undersøgelser af klima og økosystemer, idet de ikke blot har kastet lys over tidligere forhold, men også over nutiden og fremtiden. Og takket være bevaringsindsatsen er vi heldige at have solpletdata, der går mere end 400 år tilbage i tiden – data, der ligger til grund for vigtige tidlige opdagelser af rumvejrets dynamik.

Som juniorstuderende på Stanford i januar 2002 henvendte jeg mig til en af mine professorer, Umran Inan, og spurgte, om jeg kunne blive involveret i forskning. Jeg formoder, at han ikke forventede meget fra en studerende, der lige havde fået et C i hans klasse. Få dage senere befandt jeg mig i et støvet, næsten forladt pakhus nær Stanford Dish, hvor jeg rodede rundt i 15 år gamle Betamax- og Ampex-magnetbånd fyldt med ELF/VLF-radiodata. Båndene var stadig pakket i deres originale papkasser og stod på hylder, der var stablet 5 meter høje i flere rækker, hver nok 30 meter lange, på række. Hvorfor var jeg der?

I 1994 blev udbrud af højenergi-gammastråler kaldet terrestriske gammastråleblink (TGF’er) opdaget tilfældigt fra rummet . Det viste sig, at TGF’erne opstod i forbindelse med lynnedslag, men det var stort set alt, hvad vi vidste om dem. ELF/VLF-data kan bruges til at karakterisere det lyn, der forårsagede fænomenet, men forskerne havde kun to eksempler i hånden på TGF’er, der kunne kædes direkte sammen med lyn via ELF/VLF-data. Min opgave var at finde flere eksempler, der var gemt i dataene på alle disse bånd.

Mens jeg hostede spindelvæv væk, tænkte jeg på alle de problemer, folk havde gjort sig for at holde disse Betamax-bånd (som selv på det tidspunkt for længst var et forældet format) i gang. De data, jeg kiggede igennem, blev optaget på Palmer Station i Antarktis af en modtager monteret på en skiftende gletsjer, som blev nøje overvåget af en fuldtidsansat videnskabstekniker og hvert år serviceret af en studerende i gruppen. Ved hver bådtur fra stationen blev båndene sendt ud i store kasser, der derefter blev stablet og opbevaret i dette rodbefængte rum – alt sammen finansieret af de amerikanske skatteyderes penge via National Science Foundation. Og denne form for dataindsamling havde været i gang i årtier på steder over hele verden, der blev vedligeholdt af denne forskningsgruppe.

Living Data Sets

“Var det det værd?” tænkte jeg, mens jeg knoklede løs i det lager. Svaret er, som jeg fandt ud af, et utvetydigt ja (og ikke kun fordi disse data førte til mine første peer-reviewede forskningsartikler og hjalp mig med at få foden indenfor i forskningen). Jeg lærte, at geofysiske datasæt er levende, og at deres intellektuelle værdi skifter i takt med vores videnskabelige prioriteringer.

Da de målinger, der blev optaget på disse Betamax-bånd, blev indhentet, var der ingen, der forestillede sig, at de i sidste ende skulle bruges til at studere TGF’er; målingerne blev oprindeligt indsamlet af andre årsager. Det ville have været let at smide dataene væk, før de viste sig at være nyttige til at studere TGF – eller endda også efter det. Efter brugen af Betamax-bånd gik vi over til at optage digitale data på cd’er, derefter på dvd’er, derefter på eksterne harddiske, derefter på en stor dataserver – og nu er vi ved at flytte dem over i skyen. Ved hvert trin skulle vi trække alle de akkumulerede data fra gamle medier over i nutiden. Men fordi disse data ikke er blevet kasseret, er de stadig tilgængelige i dag til undersøgelse af talrige naturfænomener og -processer.

Det er rimeligt at spørge, om det er det hele værd i betragtning af udgifterne og indsatsen. Det mener jeg, at det er. Man ved aldrig, hvordan disse data kan blive brugt. Jeg ville aldrig have forventet, at geofysiske lyndata ville få indflydelse i f.eks. cybersikkerhedsverdenen. I dag ser vi, at højtydende databehandling og maskinlæring afslører nye indsigter fra gamle data, og tværfaglige projekter finder ofte overraskende anvendelser for historiske datasæt. I en ikke alt for fjern fremtid formoder jeg, at nogen vil finde på en ny måde at se på ELF/VLF-data, der blev indsamlet for ti år siden. Men vil dataene stadig være tilgængelige?

Vi skylder fremtidige forskere – og de amerikanske skatteydere, som har finansieret en stor del af dette arbejde – at sikre, at de er tilgængelige. Siden vi annoncerede WALDO i december, har vi fået adskillige henvendelser og meddelelser fra folk, der bruger databasen. Vores håb er, at vi ved at bevare disse data i WALDO vil åbne døre for overraskende og uventede opdagelser.