Im vergangenen Dezember habe ich auf der AGU-Herbsttagung in San Francisco ein Poster präsentiert, das keinen einzigen neuen wissenschaftlichen Beitrag enthielt. Dennoch könnte es sich als die wirkungsvollste Präsentation herausstellen, die ich je gehalten habe.

Mit dem Poster haben mehrere Kollegen und ich WALDO der Welt vorgestellt. WALDO, das Worldwide Archive of Low-frequency Data and Observations, ist ein großer – und wachsender – Fundus an niederfrequenten (0,5 bis 50 Kilohertz) Radiodaten, die über Jahrzehnte an Standorten auf der ganzen Welt gesammelt wurden. Mark Golkowski von der University of Colorado Denver (CU Denver) und ich verwalten die Datenbank gemeinsam.

Solche Daten werden in der Geophysik auf vielfältige Weise genutzt, u. a. zur Erkennung und Charakterisierung von Blitzen, zur Fernerkundung ionosphärischer und magnetosphärischer Phänomene sowie zur Erkennung von Sonneneruptionen, Gammastrahlenblitzen und Schwerewellen. Bis vor kurzem wurden die WALDO-Daten jedoch hauptsächlich auf Zehntausenden von DVDs gesammelt und gespeichert – und waren somit für alle, die an ihrer Nutzung interessiert waren, weitgehend unzugänglich.

Unser Ziel mit WALDO ist es, diese historischen Daten, die durch laufende Datenerhebungen ergänzt werden, in ein einziges, standardisiertes, cloudbasiertes Repository zu übertragen und zu organisieren, so dass Wissenschaftler heute und in Zukunft auf sie zugreifen und sie für Studien über Blitze, die Ionosphäre, die Magnetosphäre, das Weltraumwetter und vieles mehr nutzen können.

Die Wissenschaft von ELF/VLF

Jeder der Millionen Blitze, die täglich auf der Erde einschlagen, setzt einen intensiven, etwa 1 Millisekunde langen Impuls extrem niederfrequenter bis sehr niederfrequenter (ELF/VLF) Radioenergie frei, der als Sferic bezeichnet wird. Diese Sferics werden von der unteren Ionosphäre (60-90 Kilometer Höhe) und vom Boden reflektiert, so dass sie sich weltweit ausbreiten und entdeckt werden können. Eine Handvoll VLF-Empfänger, die über den gesamten Globus verteilt sind, kann die meisten Blitze mit einer unglaublichen Genauigkeit von wenigen Kilometern geolokalisieren. Eine VLF/LF-Antenne ist auf der R/V Ronald H. Brown der National Oceanic and Atmospheric Administration montiert

Die von der US-Marine verwendeten Schmalbandbaken, die eigentlich für die U-Boot-Kommunikation gedacht sind, senden auch im ELF/VLF-Frequenzband und bieten damit eine weitere Möglichkeit zur Fernerkundung der Ionosphäre. Obwohl diese Nachrichten aus Sicherheitsgründen verschlüsselt sind, stellen die Funksignale selbst eine nützliche ionosphärische Diagnose dar, die überall auf der Erde empfangen werden kann. Änderungen der ionosphärischen Bedingungen, insbesondere der Elektronendichte, äußern sich in Änderungen der Amplitude oder der Phase der empfangenen Signale. Die Ionosphäre wiederum kann als Sensor zur Überwachung aller möglichen geophysikalischen Phänomene eingesetzt werden, darunter Sonneneruptionen, Elektronenausscheidungen aus der Magnetosphäre, Sonnenfinsternisse, blitzbedingte Erwärmung, kosmische Gammastrahlen, Schwerewellen und vieles mehr. Jedes dieser Phänomene stört VLF-Signale, die sich unter der Ionosphäre ausbreiten, auf unterschiedliche Art und Weise – es beeinflusst zum Beispiel, wie schnell eine Störung beginnt und endet – und anhand dieser Signaturen lassen sie sich voneinander unterscheiden. Einige Störungen in der Ionosphäre sind sehr zuverlässig und wiederholbar, wie z. B. der Effekt des Auf- und Untergangs der Sonne.

Ein Teil der ELF/VLF-Energie entweicht auch in die Magnetosphäre (in Form von durch Blitze erzeugten Plasmawellen, den so genannten Whistlern), wo sie mit gefangenen energiereichen Elektronen im Strahlungsgürtel der Erde in Wechselwirkung treten und den Niederschlag von Elektronen in der Atmosphäre auslösen kann. ELF/VLF-Wellen werden auch in der Magnetosphäre (als Chorus- und Zischwellen) als Ergebnis von Welle-Teilchen-Wechselwirkungen erzeugt und beschleunigt und spielen somit eine Rolle bei der Dynamik des Weltraumwetters auf der Erde. Die Untersuchung von ELF/VLF-Radiowellen ermöglicht es uns, diese Prozesse zu untersuchen und besser zu verstehen und die Geheimnisse der Vorgänge bei Weltraumwetterereignissen und geomagnetischen Stürmen zu lüften.

Diese Verwendungsmöglichkeiten von ELF/VLF-Daten, die beispielsweise von Barr et al. , Inan et al. und Silber und Price untersucht wurden, wurden seit den späten 1800er Jahren entwickelt, als natürliche ELF/VLF-Signale bei der Einkopplung in lange Telegrafenleitungen gehört werden konnten. Aber auch eine Reihe anderer Anwendungen außerhalb der traditionellen Nutzung von ELF/VLF-Daten sind in letzter Zeit aufgetaucht. So könnte die Erkennung von Objekten in Metallboxen mithilfe von ELF/VLF-Wellen dazu dienen, ein in einem Schiffscontainer verstecktes Waffenlager aufzuspüren.

In Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe für Cybersicherheit am Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) nutzen meine Kollegen und ich ELF/VLF-Daten auch, um die Sicherheit des Stromnetzes vor Cyberangriffen zu erhöhen, wie etwa bei dem großen Angriff in der Ukraine im Dezember 2015, bei dem Hacker mehrere Umspannwerke lahmlegten. ELF/VLF-Daten, die von Funkempfängern erfasst werden, können zur Überwachung von Stromnetzsignalen auf Unregelmäßigkeiten verwendet werden. Diese Daten sind auch mit Störsignalen von Blitzen auf der ganzen Welt übersät, die zu quasi zufälligen Zeiten bei den Empfängern ankommen, wenn Blitze auftreten. Die Natur stellt somit einen effektiven und nachweisbaren Zufallszahlengenerator zur Verfügung, der es uns, da Blitze nicht vorhergesagt werden können, ermöglicht, die Integrität anderer von den Empfängern erfasster Daten zu überprüfen.

Entwicklung von WALDO

Die WALDO-Datenbank – derzeit etwa 200 Terabyte groß und täglich wachsend – enthält bereits oder wird bald Daten enthalten, die die Untersuchungen aller oben genannten Phänomene und Anwendungen bereichern könnten. Ein Großteil der Daten wurde von ELF/VLF-Empfängern der Stanford University und in jüngster Zeit von neuen Standorten der Georgia Tech und der CU Denver gesammelt.
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WALDO enthält auch ELF/VLF-Aufzeichnungen von Experimenten, die im Rahmen des High-Frequency Active Auroral Research Program (HAARP) in Alaska durchgeführt wurden, das seit Mitte der 1990er Jahre Experimente zur Untersuchung der Ionosphäre in hohen Breiten durchführt. Es umfasst viele Jahre an Daten von der Palmer Station auf der antarktischen Halbinsel. Und sie wird schließlich auch viele Daten des berühmten ELF-Experiments der Siple Station enthalten, das von 1973 bis 1988 lief, um die Verstärkung und Auslösung von ELF-Signalen in der Magnetosphäre mit Hilfe einer 42-Kilometer-Antenne in der Antarktis zu untersuchen. Bis Ende des Jahres werden voraussichtlich 500-1.000 Terabyte an Daten zur Verfügung stehen.

Die Bemühungen, diese disparaten Datensätze in einer einzigen Datenbank zusammenzuführen, begannen im Herbst 2018, als der Raum an der Stanford University, in dem diese Daten physisch gespeichert waren – auf etwa 80.000 DVDs und CDs und auf einem stark beschädigten Server -, geräumt werden musste. Die Datenträger, von denen einige nach jahrzehntelanger Lagerung beschädigt waren, wurden verpackt und entweder zur Georgia Tech oder zur CU Denver transportiert, wo DVD-Leseroboter, die einen Stapel von 300 Datenträgern auf einmal rippen können, eingesetzt werden, um die Daten auf Festplatten zu übertragen. In der Zwischenzeit hat John DeSilva in Stanford nach und nach den Inhalt des alten Servers extrahiert und diese Daten in einem temporären Cloud-Speicher abgelegt, damit wir sie abrufen können.

Nach dem Abrufen durchlaufen die Daten ein digitales Sortierverfahren, das die Formatierung aktualisiert, damit alles einheitlich ist, und die Daten dann in sortierte Ordner ablegt. Wir haben eine Online-Schnittstelle entwickelt, die einen einfachen Zugriff auf die Daten ermöglicht, die auf Wunsch auch für alle Personen mit einem Google-Konto freigegeben werden können. Über die Website können die Nutzer automatisch generierte Übersichtsgrafiken anzeigen, um leicht herauszufinden, was verfügbar ist, z. B. Karten der Empfängerstandorte, von denen Daten eines bestimmten Tages verfügbar sind, Jahreskalender mit der Datenverfügbarkeit und zusammenfassende Diagramme der Daten auf Tagesbasis.

Der Wert staubiger Daten

Die Arbeit der Datenerhaltung ist hart und zeitaufwändig, aber auch lohnend. Das haben wir in vielen Bereichen gesehen. Historische und langfristige Datensätze sind zum Beispiel für Studien über Klima und Ökosysteme von entscheidender Bedeutung, da sie nicht nur Aufschluss über vergangene Bedingungen, sondern auch über die Gegenwart und die Zukunft geben. Und dank der Bemühungen um die Bewahrung der Daten können wir uns glücklich schätzen, über Sonnenfleckendaten zu verfügen, die mehr als 400 Jahre zurückreichen – Daten, die die Grundlage für wichtige frühe Entdeckungen der Dynamik des Weltraumwetters bilden.

Als ich im Januar 2002 in Stanford studierte, wandte ich mich an einen meiner Professoren, Umran Inan, und fragte ihn, ob ich mich an der Forschung beteiligen könnte. Ich vermute, er erwartete nicht viel von einem Studenten, der gerade eine Drei in seinem Kurs bekommen hatte. Tage später fand ich mich in einem staubigen, fast verlassenen Lagerhaus in der Nähe des Stanford Dish wieder und wühlte mich durch 15 Jahre alte Betamax- und Ampex-Magnetbänder, die mit ELF/VLF-Funkdaten gefüllt waren. Die Bänder befanden sich noch in ihren Originalkartons und waren in Regalen aufgereiht, die 5 Meter hoch in mehreren Reihen gestapelt waren, jede wahrscheinlich 30 Meter lang. Warum war ich dort?

Im Jahr 1994 wurden Ausbrüche hochenergetischer Gammastrahlen, so genannte terrestrische Gammastrahlenblitze (TGFs), zufällig aus dem Weltraum entdeckt. Es schien, dass TGFs von Blitzen verursacht werden, aber das war auch schon alles, was wir über sie wussten. ELF/VLF-Daten können zur Charakterisierung der Blitze, die das Phänomen verursachen, verwendet werden, aber die Wissenschaftler hatten nur zwei Beispiele für TGFs, die über ELF/VLF-Daten direkt mit Blitzen in Verbindung gebracht werden konnten. Meine Aufgabe war es, weitere Beispiele zu finden, die in den Daten auf all diesen Bändern versteckt waren.

Als ich die Spinnweben abhustete, dachte ich an all die Mühe, die die Menschen auf sich genommen hatten, um diese Betamax-Bänder (die damals schon längst ein veraltetes Format waren) am Laufen zu halten. Die Daten, die ich mir ansah, wurden in der Palmer Station in der Antarktis von einem Empfänger aufgezeichnet, der auf einem sich bewegenden Gletscher montiert war und von einem Vollzeit-Wissenschaftstechniker sorgfältig überwacht und jedes Jahr von einem Studenten der Gruppe gewartet wurde. Bei jeder Bootsfahrt von der Station aus wurden die Bänder in großen Kisten verschifft, dann gestapelt und in diesem von Nagetieren verseuchten Raum gelagert – und das alles finanziert von amerikanischen Steuergeldern über die National Science Foundation. Und diese Art der Datenerfassung wurde schon seit Jahrzehnten an Standorten auf der ganzen Welt durchgeführt, die von dieser Forschungsgruppe unterhalten wurden.

Lebende Datensätze

„War es das wert?“ dachte ich, während ich mich in dem Lagerhaus abrackerte. Die Antwort, so fand ich heraus, ist ein eindeutiges Ja (und das nicht nur, weil diese Daten zu meinen ersten von Fachleuten begutachteten Forschungsarbeiten führten und mir halfen, einen Fuß in die Tür der Forschung zu bekommen). Ich habe gelernt, dass geophysikalische Datensätze lebendig sind und dass sich ihr intellektueller Wert in dem Maße ändert, wie sich unsere wissenschaftlichen Prioritäten ändern.

Als die Messungen auf diesen Betamax-Bändern aufgezeichnet wurden, dachte niemand daran, dass man sie eines Tages für die Untersuchung von TGFs benötigen würde; die Messungen wurden ursprünglich aus anderen Gründen durchgeführt. Es wäre ein Leichtes gewesen, die Daten wegzuwerfen, bevor sie sich für die Untersuchung von TGFs als nützlich erwiesen – oder sogar noch später. Nach der Verwendung von Betamax-Kassetten sind wir dazu übergegangen, digitale Daten auf CDs, dann auf DVDs, dann auf externen Festplatten, dann auf einem großen Datenserver aufzuzeichnen – und jetzt sind wir dabei, sie in die Cloud zu verschieben. Bei jedem Schritt mussten wir alle gesammelten Daten von den alten Medien in die heutige Zeit übertragen. Aber weil diese Daten nicht weggeworfen wurden, stehen sie auch heute noch für die Erforschung zahlreicher Naturphänomene und -prozesse zur Verfügung.

Die Frage ist berechtigt, ob sich das angesichts der Kosten und Mühen lohnt. Ich denke schon. Man weiß nie, wie diese Daten genutzt werden können. Ich hätte nie erwartet, dass geophysikalische Blitzdaten z. B. in der Welt der Cybersicherheit eine Rolle spielen würden. Heute sehen wir, wie Hochleistungscomputer und maschinelles Lernen neue Erkenntnisse aus alten Daten gewinnen, und interdisziplinäre Projekte finden oft überraschende Verwendungsmöglichkeiten für historische Datensätze. Ich vermute, dass in nicht allzu ferner Zukunft jemandem eine neue Möglichkeit einfallen wird, ELF/VLF-Daten zu betrachten, die vor zehn Jahren gesammelt wurden. Aber werden die Daten dann noch verfügbar sein?

Wir sind es den zukünftigen Wissenschaftlern und den amerikanischen Steuerzahlern, die einen Großteil dieser Arbeit finanziert haben, schuldig, dafür zu sorgen, dass sie verfügbar sind. Seit der Ankündigung von WALDO im Dezember haben wir mehrere Anfragen und Benachrichtigungen von Nutzern der Datenbank erhalten. Wir hoffen, dass wir durch die Aufbewahrung dieser Daten in WALDO Türen für überraschende und unerwartete Entdeckungen öffnen können.