Viime joulukuussa AGU:n syyskokouksessa San Franciscossa esittelin posterin, joka ei sisältänyt pätkääkään uutta tiedettä. Silti se saattaa osoittautua vaikuttavimmaksi esitykseksi, jonka olen koskaan tehnyt.

Posterin avulla useat kollegat ja minä esittelimme WALDOa maailmalle. WALDO eli Worldwide Archive of Low-frequency Data and Observations on suuri – ja kasvava – matalataajuisten (0,5-50 kilohertsin) radiotietojen arkisto, joka on kerätty vuosikymmenien ajan eri puolilla maailmaa sijaitsevista paikoista. Minä ja Mark Golkowski Coloradon Denverin yliopistosta (CU Denver) hallinnoimme yhdessä tietokantaa.

Tällaisilla tiedoilla on monenlaisia käyttötarkoituksia geofysiikassa, muun muassa salamoiden havaitsemisessa ja karakterisoinnissa, ionosfäärin ja magnetosfäärin ilmiöiden kaukokartoituksessa sekä auringonpurkausten, gammasäteiden välähdyksien ja painovoima-aaltojen havaitsemisessa. Viime aikoihin asti WALDOn tiedot on kuitenkin kerätty ja tallennettu pääasiassa kymmeniin tuhansiin DVD-levyihin – ja näin ollen ne ovat olleet suurelta osin kaikkien niiden käytöstä kiinnostuneiden ulottumattomissa.

Tarkoituksemme WALDOn kanssa on siirtää ja järjestää nämä historialliset tiedot, joita on täydennetty meneillään olevalla tiedonkeruulla, yhdeksi ainoaksi standardoiduksi pilvipohjaiseksi säilytyspaikaksi, niin että nykyiset ja tulevat tiedemiehet pääsevät käsiksi näihin tietoihin ja voivat hyödyntää niitä salamoiden, ionosfäärin, magnetosfäärin, avaruussääilmiöiden ja muiden alojen tutkimuksissa.

ELF/VLF:n tiede

Jokainen miljoonista salamaniskuista päivässä maapallolla vapauttaa voimakkaan, noin 1 millisekunnin pituisen, erittäin matalista taajuuksista erittäin mataliin taajuuksiin (ELF/VLF) vaihtelevan radioenergian pulssin, joka tunnetaan nimellä sferic. Nämä sferikit heijastuvat alemmasta ionosfääristä (60-90 kilometrin korkeudessa) ja maasta, minkä ansiosta ne voivat kulkea – ja ne voidaan havaita – maailmanlaajuisesti. Kourallinen VLF-vastaanottimia, jotka on ripoteltu ympäri maapalloa, voi paikantaa useimmat salamat uskomattomalla kilometrin tarkkuudella. Sferisen havaitsemisen avulla voidaan myös luonnehtia alemman ionosfäärin sähköisiä ominaisuuksia lähteen ja kaukana sijaitsevan vastaanottimen välillä.

Yhdysvaltain laivaston käyttämät kapeakaistaiset majakat, joita käytetään nimellisesti sukellusveneviestintään, lähettävät myös ELF/VLF-taajuuskaistalla, mikä tarjoaa toisen keinon ionosfäärin kaukokartoitukseen. Vaikka nämä viestit on salattu turvallisuussyistä, itse radiosignaalit ovat hyödyllinen ionosfäärin diagnostiikka, joka voidaan havaita missä tahansa maapallolla. Muutokset ionosfäärin olosuhteissa eli elektronitiheydessä ilmenevät muutoksina joko vastaanotettujen signaalien amplitudissa tai vaiheessa. Ionosfääriä voidaan puolestaan käyttää anturina kaikenlaisten geofysikaalisten ilmiöiden, kuten auringonpurkausten, magnetosfäärin elektronisateiden, auringonpimennysten, salamoiden aiheuttaman lämpenemisen, kosmisten gammasäteiden, painovoima-aaltojen ja monien muiden ilmiöiden seurantaan. Kukin näistä ilmiöistä häiritsee ionosfäärin alla eteneviä VLF-signaaleja eri tavoin – ne vaikuttavat esimerkiksi siihen, kuinka nopeasti häiriö alkaa ja loppuu – ja näiden merkkien avulla ne voidaan erottaa toisistaan. Jotkin ionosfäärin häiriöt ovat hyvin luotettavia ja toistuvia, kuten Auringon nousun ja laskun vaikutus.

Joitakin ELF/VLF-energioita karkaa myös magnetosfääriin (salaman synnyttäminä plasma-aaltoina, joita kutsutaan whistleriksi), jossa ne voivat olla vuorovaikutuksessa Maan säteilyvyöhykealueelle vangittujen energeettisten elektronien kanssa ja laukaista elektronien saostumisen ilmakehään. ELF/VLF-aaltoja syntyy ja kiihtyy myös magnetosfäärissä (aaltoina, joita kutsutaan chorukseksi ja hissiksi) aalto-hiukkasvuorovaikutusten tuloksena, ja niillä on siten merkitystä Maan avaruussään dynamiikassa. ELF/VLF-radioaaltojen tutkiminen antaa meille mahdollisuuden sekä tutkia ja ymmärtää paremmin näitä prosesseja että koota yhteen mysteerejä siitä, mitä tapahtuu avaruussääilmiöiden ja geomagneettisten myrskyjen aikana.

Tällaisia ELF/VLF-tietojen käyttökohteita, joita ovat tarkastelleet esimerkiksi Barr et al. , Inan et al. sekä Silber ja Price , on kehitetty 1800-luvun lopusta lähtien, jolloin luonnollisten ELF/VLF-signaalien saattoi kuunnella kytkeytyvän pitkiin lennätinlinjoihin. Viime aikoina on kuitenkin tullut esiin myös useita muita sovelluksia, jotka eivät kuulu ELF/VLF-tietojen perinteisiin käyttötarkoituksiin. Esimerkiksi metallilaatikoiden sisällä olevien esineiden havaitsemista ELF/VLF-aaltojen avulla voitaisiin käyttää laivakonttiin kätketyn asekätkön löytämiseen.

Yhteistyössä Georgia Institute of Technologyn (Georgia Tech) kyberturvallisuustutkimusryhmän kanssa kollegani ja minä käytämme ELF/VLF-dataa myös sähköverkon turvallisuuden parantamiseen verkkohyökkäyksiltä, kuten joulukuussa 2015 Ukrainassa tapahtuneelta suurhyökkäykseltä, jossa hakkerit tekivät toimintakyvyttömiksi useita sähköasemia. Radiovastaanottimien havaitsemaa ELF/VLF-dataa voidaan käyttää sähköverkon signaalien seurantaan sääntöjenvastaisuuksien varalta. Näihin tietoihin sisältyy myös eri puolilla maailmaa esiintyvistä salamoista peräisin olevia sirpaleita, jotka saapuvat vastaanottimiin lähes satunnaisina ajankohtina salamoiden sattuessa. Luonto tarjoaa siten tehokkaan ja havaittavan satunnaislukugeneraattorin, jonka avulla voidaan tarkistaa vastaanottimien havaitseman muun datan eheys, koska salamoita ei voida ennustaa etukäteen.

WALDO-tietokannan kehittäminen

WALDO-tietokanta, joka on tällä hetkellä noin 200 teratavua ja joka kasvaa päivittäin, sisältää jo nyt tai pian dataa, joka voi rikastuttaa kaikkien edellä mainittujen ilmiöiden ja sovellusten tutkimuksia. Suuri osa tiedoista on kerätty Stanfordin yliopiston ELF/VLF-vastaanottimilla ja viime aikoina Georgia Techin ja CU Denverin käyttöön ottamilla uusilla laitteilla.
.

.
WALDO sisältää myös ELF/VLF-tallenteita kokeista, jotka on tehty osana Alaskassa sijaitsevaa korkean taajuuden aktiivista auroraalitutkimusohjelmaa (High-frequency Active Auroral Research Program, HAARP) , joka on tehnyt kokeita korkeiden leveysasteiden ionosfäärin tutkimiseksi 1990-luvun puolivälistä lähtien. Mukana on monen vuoden tiedot Etelämantereen niemimaalla sijaitsevalta Palmerin asemalta. Se sisältää lopulta myös paljon tietoja kuuluisasta Siple Station ELF-kokeesta, jossa tutkittiin vuosina 1973-1988 ELF-signaalien vahvistumista ja laukeamista magnetosfäärissä käyttämällä 42 kilometrin antennia Etelämantereella. Odotamme, että vuoden loppuun mennessä meillä on käytettävissä 500-1 000 teratavua dataa.

Pyrkimys koota nämä hajanaiset tietokokonaisuudet yhdeksi tietokannaksi alkoi syksyllä 2018, kun Stanfordin yliopistossa sijaitseva tila, jossa nämä tiedot olivat fyysisesti varastoituna – noin 80 000 DVD-levyllä ja CD-levyllä ja yhdellä pahasti vioittuneella palvelimella – piti tyhjentää. Levykkeet, joista osa oli vaurioitunut vuosikymmeniä kestäneen säilytyksen jälkeen, pakattiin ja lähetettiin joko Georgia Techiin tai CU Denveriin, jossa DVD-levyjä lukevat robotit, jotka pystyvät repimään 300 levyn pinon kerrallaan, siirtävät tiedot kiintolevyille. Sillä välin John DeSilva Stanfordissa on hitaasti poiminut vanhan palvelimen sisällön ja sijoittanut nämä tiedot väliaikaiseen pilvitallennustilaan, josta ne voidaan hakea.

Haun jälkeen tiedot läpäisevät digitaalisen lajittelujärjestelmän, joka päivittää muotoilun niin, että kaikki on yhdenmukaista, ja sijoittaa sitten tiedot lajiteltuihin kansioihin. Olemme kehittäneet online-käyttöliittymän, joka mahdollistaa helpon pääsyn tietoihin, jotka voidaan pyynnöstä jakaa myös kaikille, joilla on Google-tili. Verkkosivuston kautta käyttäjät voivat tarkastella automaattisesti luotuja pikakuvioita, joiden avulla on helppo selvittää, mitä on saatavilla, esimerkiksi karttoja vastaanottopaikoista, joista on saatavissa tietoja tiettynä päivänä, vuotuisia kalentereita, joista käy ilmi tietojen saatavuus, ja yhteenvetokaavioita tiedoista päiväkohtaisesti.

Pölyttyneen datan arvo

Työ datan säilyttämiseksi on raskasta ja aikaa vievää, mutta myös palkitsevaa. Olemme nähneet tästä todisteita monilla aloilla. Historialliset ja pitkäaikaiset tietokokonaisuudet ovat olleet ratkaisevan tärkeitä esimerkiksi ilmasto- ja ekosysteemitutkimuksissa, sillä ne ovat valaisseet paitsi menneisyyden olosuhteita myös nykyisyyttä ja tulevaisuutta. Säilytystoimien ansiosta meillä on onneksi yli 400 vuotta vanhoja auringonpilkkuaineistoja, jotka ovat perustana avaruuden säädynamiikkaa koskeville kriittisille varhaisille havainnoille.

Tammikuussa 2002 Stanfordin yliopistossa opiskellessani lähestyin erästä professoria, Umran Inania, ja kysyin, voisinko osallistua tutkimustyöhön. Epäilen, ettei hän odottanut paljoa opiskelijalta, joka oli juuri saanut C:n hänen kurssistaan. Muutamaa päivää myöhemmin löysin itseni pölyisestä, lähes hylätystä varastosta Stanford Dishin läheltä penkomasta 15 vuotta vanhoja Betamax- ja Ampex-magneettinauhoja, jotka olivat täynnä ELF/VLF-radiotietoja. Nauhat olivat yhä alkuperäisissä pahvilaatikoissaan, ja ne olivat rivissä hyllyissä, jotka oli pinottu 5 metriä korkealle useisiin riveihin, joista jokainen oli luultavasti 30 metriä pitkä. Miksi olin siellä?

Vuonna 1994 havaittiin sattumalta avaruudesta käsin korkea-energisiä gammasäteilypurkauksia, joita kutsuttiin maanpäällisiksi gammasäteiden välähdyksiksi (TGF) . Vaikutti siltä, että TGF-säteet olivat peräisin salamoista, mutta se oli suurin piirtein kaikki, mitä niistä tiesimme. ELF/VLF-tietoja voidaan käyttää ilmiön aiheuttaneen salaman luonnehtimiseen, mutta tutkijoilla oli käsissään vain kaksi esimerkkiä TGF:istä, jotka voitiin suoraan yhdistää salamaan ELF/VLF-tietojen avulla. Minun tehtäväni oli löytää lisää esimerkkejä, jotka olivat kätkettyinä kaikkien noiden nauhojen tietoihin.

Kun yskin hämähäkinverkkoja pois, ajattelin kaikkea sitä vaivaa, jota ihmiset olivat nähneet pitääkseen nämä Betamax-nauhat (jo pitkään vanhentunut formaatti jo tuolloin) liikkeessä. Katselemani tiedot oli tallennettu Palmerin asemalla Etelämantereella liikkuvan jäätikön päälle asennetulla vastaanottimella, jota kokopäiväinen tiedeteknikko valvoi huolellisesti ja jota ryhmän opiskelija huolsi joka vuosi. Jokaisen asemalta lähtevän laivamatkan yhteydessä nauhat kuljetettiin ulos suurissa laatikoissa, jotka sitten pinottiin ja varastoitiin tässä jyrsijöiden saastuttamassa tilassa – ja kaikki tämä rahoitettiin amerikkalaisten veronmaksajien rahoilla National Science Foundationin kautta. Ja tällaista tiedonkeruuta oli tehty vuosikymmeniä tämän tutkimusryhmän ylläpitämissä paikoissa eri puolilla maailmaa.

Living Data Sets

”Oliko se sen arvoista?” Ajattelin, kun raadoin tuossa varastossa. Vastaus, kuten tulin huomaamaan, on yksiselitteinen kyllä (eikä vain siksi, että nämä aineistot johtivat ensimmäisiin vertaisarvioituihin tutkimusartikkeleihini ja auttoivat minua saamaan jalan tutkimusalalle). Opin, että geofysikaaliset tietokokonaisuudet ovat eläviä ja että niiden älyllinen arvo muuttuu sitä mukaa kuin tieteelliset prioriteettimme muuttuvat.

Kun noille Betamax-nauhoille tallennetut mittaukset hankittiin, kukaan ei kuvitellut tarvitsevansa niitä aikanaan TGF:ien tutkimiseen; mittaukset kerättiin alun perin muista syistä. Olisi ollut helppoa heittää tiedot pois ennen kuin ne olisivat osoittautuneet hyödyllisiksi TGF:ien tutkimisessa – tai jopa sen jälkeenkin. Betamax-nauhojen käytön jälkeen siirryimme tallentamaan digitaalista dataa CD-levyille, sitten DVD-levyille, sitten ulkoisille kiintolevyille, sitten suurelle datapalvelimelle – ja nyt olemme siirtämässä ne pilveen. Jokaisessa vaiheessa meidän oli raahattava kaikki vanhoilta medioilta kertyneet tiedot nykypäivään. Mutta koska näitä tietoja ei ole heitetty pois, ne ovat yhä tänä päivänä käytettävissä lukuisten luonnonilmiöiden ja -prosessien tutkimiseen.

Voidaan perustellusti kysyä, onko se kustannusten ja vaivannäön vuoksi sen arvoista. Minusta se on. Koskaan ei voi tietää miten näitä tietoja saatetaan käyttää. En olisi ikinä odottanut, että geofysikaalisilla salamatiedoilla olisi vaikutusta esimerkiksi kyberturvallisuusmaailmassa. Nykyään näemme suurteholaskennan ja koneoppimisen paljastavan uusia oivalluksia vanhoista tiedoista, ja monitieteiset hankkeet löytävät usein yllättäviä käyttötarkoituksia historiallisille tietoaineistoille. Epäilen, että lähitulevaisuudessa joku keksii uuden tavan tarkastella kymmenen vuotta sitten kerättyjä ELF/VLF-tietoja. Mutta ovatko tiedot vielä saatavilla?

Olemme sen velkaa tuleville tutkijoille – ja Yhdysvaltain veronmaksajille, jotka ovat rahoittaneet suuren osan tästä työstä – että varmistamme, että ne ovat saatavilla. Sen jälkeen kun WALDO julkistettiin joulukuussa, olemme saaneet useita kyselyitä ja ilmoituksia tietokannan käyttäjiltä. Toivomme, että säilyttämällä nämä tiedot WALDOssa avaamme ovia yllättäville ja odottamattomille löydöille.