A tavaly decemberben az AGU őszi ülésén San Franciscóban bemutattam egy posztert, amelyen egy foszlánynyi új tudományos eredmény sem szerepelt. Mégis lehet, hogy ez lesz az eddigi legnagyobb hatású előadásom.

A poszterrel több kollégám és én bemutattuk a WALDO-t a világnak. A WALDO, vagyis a Worldwide Archive of Low-frequency Data and Observations (Alacsony frekvenciájú adatok és megfigyelések világméretű archívuma) a világ különböző pontjain évtizedek óta gyűjtött alacsony frekvenciájú (0,5 és 50 kilohertz közötti) rádióadatok nagy – és egyre növekvő – tárháza. Mark Golkowski, a Colorado Denveri Egyetem (CU Denver) munkatársa és én közösen kezeljük az adatbázist.

Az ilyen adatokat a geofizika mindenféleképpen felhasználja, többek között a villámok észlelésére és jellemzésére, az ionoszférikus és magnetoszférikus jelenségek távérzékelésére, valamint a napkitörések, gammavillanások és gravitációs hullámok észlelésére. A közelmúltig azonban a WALDO-n található adatokat főként több tízezer DVD-n gyűjtötték össze és tárolták – és így nagyrészt elérhetetlenek voltak azok számára, akiket érdekel a felhasználásuk.

A WALDO-val az a célunk, hogy ezeket a történelmi adatokat, kiegészítve a folyamatban lévő adatgyűjtéssel, egyetlen, szabványosított felhőalapú tárolóba helyezzük át és rendszerezzük, hogy a tudósok ma és a jövőben hozzáférjenek ezekhez, és felhasználhassák őket a villámok, az ionoszféra, a magnetoszféra, az űridőjárás és más területek vizsgálatában.

Az ELF/VLF tudománya

A Földön naponta több millió villámcsapásból egy-egy intenzív, nagyjából 1 millimásodperc hosszúságú, rendkívül alacsony frekvenciájú és nagyon alacsony frekvenciájú (ELF/VLF) rádióenergia-impulzus, úgynevezett sferic szabadul fel. Ezek a sferik visszaverődnek az alsó ionoszférából (60-90 kilométeres magasságban) és a talajról, lehetővé téve, hogy világszerte terjedjenek – és észlelhetők legyenek. Egy maroknyi, a Földön szétszórt VLF-vevőkészülék hihetetlen kilométeres pontossággal képes a legtöbb villámlás földrajzi helyének meghatározására. A szferikus detektálás a forrás és egy távoli vevő közötti alsó ionoszféra elektromos tulajdonságainak jellemzésére is használható.

Az amerikai haditengerészet által használt, névlegesen tengeralattjárók kommunikációjára szolgáló keskeny sávú jeladók szintén az ELF/VLF frekvenciasávban sugároznak, ami az ionoszféra távérzékelésének egy másik eszközét jelenti. Bár ezeket az üzeneteket a biztonság érdekében titkosítják, maguk a rádiójelek hasznos ionoszféra-diagnosztikai eszközök, amelyek a Föld bármely pontján észlelhetők. Az ionoszférában, nevezetesen az elektronsűrűségben bekövetkező változások a fogadott jelek amplitúdójának vagy fázisának változásában nyilvánulnak meg. Az ionoszféra viszont érzékelőként használható mindenféle geofizikai jelenség megfigyelésére, beleértve a napkitöréseket, a magnetoszférából származó elektroncsapadékot, a napfogyatkozásokat, a villámokkal kapcsolatos felmelegedést, a kozmikus gammasugarakat, a gravitációs hullámokat és még sok más jelenséget. E jelenségek mindegyike más-más módon zavarja az ionoszféra alatt terjedő VLF-jeleket – például befolyásolja, hogy milyen gyorsan kezdődik és ér véget egy zavar, és ezek a jelek lehetővé teszik, hogy megkülönböztessük őket egymástól. Néhány ionoszférai zavar nagyon megbízható és megismételhető, mint például a Nap fel- és lenyugvásának hatása.

Egy bizonyos ELF/VLF-energia a magnetoszférába is elszökik (villámok által generált plazmahullámokként, úgynevezett whistlerek formájában), ahol kölcsönhatásba léphet a Föld sugárzási övében csapdába esett energikus elektronokkal, és elektronok kicsapódását válthatja ki a légkörbe. Az ELF/VLF hullámok a hullám-részecske kölcsönhatások eredményeként a magnetoszférában is keletkeznek és felgyorsulnak (kórusnak és sistergésnek nevezett hullámokként), és így szerepet játszanak a földi űridőjárás dinamikájában. Az ELF/VLF rádióhullámok tanulmányozása lehetővé teszi számunkra, hogy egyrészt tanulmányozzuk és jobban megértsük ezeket a folyamatokat, másrészt hogy összerakjuk az űridőjárási események és a geomágneses viharok során bekövetkező rejtélyeket.

Az ELF/VLF adatok ilyen felhasználását, amelyet például Barr et al. , Inan et al. és Silber és Price áttekintett, az 1800-as évek vége óta fejlesztették ki, amikor természetes ELF/VLF jeleket lehetett hallani, amelyek hosszú távíróvonalakba kapcsolódtak. Az ELF/VLF-adatok hagyományos felhasználásán kívül azonban számos más alkalmazás is megjelent a közelmúltban. Például a fémdobozok belsejében lévő tárgyak ELF/VLF-hullámok segítségével történő felderítése felhasználható lenne egy hajózási konténerben elrejtett fegyverraktár felfedezésére.

A Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) kiberbiztonsági kutatócsoportjával együttműködve kollégáimmal arra is használjuk az ELF/VLF-adatokat, hogy növeljük az elektromos hálózat biztonságát a kibertámadások ellen, mint például a 2015 decemberében Ukrajnában történt nagyszabású támadás, amelynek során hackerek több elektromos alállomást tettek tönkre. A rádióvevők által észlelt ELF/VLF adatok felhasználhatók az elektromos hálózat jeleinek szabálytalanságok szempontjából történő megfigyelésére. Ezek az adatok a világ minden tájáról érkező villámok szferikumaival is tele vannak, amelyek kvázi véletlenszerű időpontokban, villámláskor érkeznek a vevőkhöz. A természet így egy hatékony és kimutatható véletlenszám-generátort biztosít, amely – mivel a villámlásokat nem lehet előre megjósolni – lehetővé teszi a vevők által észlelt egyéb adatok integritásának ellenőrzését.

A WALDO fejlesztése

A WALDO adatbázis – jelenleg mintegy 200 terabájt és naponta növekszik – már tartalmaz vagy hamarosan tartalmazni fog olyan adatokat, amelyek gazdagíthatják a fenti jelenségek és alkalmazások tanulmányozását. Az adatok nagy részét a Stanford Egyetem ELF/VLF vevőkészülékei gyűjtötték, valamint a közelmúltban a Georgia Tech és a CU Denver által telepített új helyszínek.
.

.
A WALDO tartalmazza az alaszkai Nagyfrekvenciás Aktív Aurorális Kutatási Program (HAARP) keretében végzett kísérletek ELF/VLF felvételeit is , amely az 1990-es évek közepe óta végez kísérleteket a nagy szélességű ionoszféra tanulmányozására. Ez magában foglalja az Antarktiszi-félszigeten található Palmer állomás sokéves adatait is. És végül sok adatot fog tartalmazni a híres Siple Station ELF kísérletből, amely 1973 és 1988 között folyt az ELF jelek erősödésének és kiváltásának tanulmányozására a magnetoszférában egy 42 kilométeres antarktiszi antenna segítségével. Az év végére várhatóan 500-1000 terabájtnyi adat áll majd rendelkezésünkre.

Az erőfeszítés, hogy ezeket a szétszórt adathalmazokat egyetlen adatbázissá állítsuk össze, 2018 őszén kezdődött, amikor a Stanford Egyetemen ki kellett üríteni azt a helyet, ahol ezeket az adatokat fizikailag tárolták – nagyjából 80 000 DVD-n és CD-n, valamint egy súlyosan sérült szerveren -. A lemezeket, amelyek egy része több évtizedes tárolás után megsérült, becsomagolták és elszállították a Georgia Tech vagy a CU Denver egyetemre, ahol DVD-olvasó robotok segítségével, amelyek egyszerre 300 lemezből álló köteget tudnak letépni, az adatokat merevlemezekre költöztetik. Eközben John DeSilva a Stanfordon lassan kibányászta a régi szerver tartalmát, és ezeket az adatokat ideiglenes felhőtárolóba helyezte, hogy visszakereshessük őket.

A visszakeresés után az adatok egy digitális rendezési rendszeren mennek keresztül, amely frissíti a formázást, hogy minden egységes legyen, majd az adatokat rendezett mappákba helyezi. Kifejlesztettünk egy online felületet, amely lehetővé teszi az adatok egyszerű elérését, és kérésre bárki számára megosztható, aki rendelkezik Google-fiókkal. A weboldalon keresztül a felhasználók automatikusan generált gyorsnézeti ábrákat tekinthetnek meg, amelyek megkönnyítik a tájékozódást, például térképeket azokról a vételi helyekről, amelyekről egy adott napról adatok állnak rendelkezésre, éves naptárakat az adatok elérhetőségéről, valamint összefoglaló grafikonokat az adatokról napról napra.”

A poros adatok értéke

Az adatok megőrzésének munkája nehéz és időigényes, de egyben kifizetődő is. Ennek bizonyítékát számos területen láthattuk. A történelmi és hosszú távú adatkészletek döntő fontosságúak voltak például az éghajlat és az ökoszisztémák tanulmányozásában, nemcsak a múltbeli állapotokra, hanem a jelenre és a jövőre is fényt derítettek. És a megőrzési erőfeszítéseknek köszönhetően szerencsések vagyunk, hogy több mint 400 évre visszanyúló napfoltadatokkal rendelkezünk – olyan adatokkal, amelyek az űridőjárás dinamikájának kritikus korai felfedezéseit támasztják alá.

2002 januárjában a Stanfordon elsőéves hallgatóként megkerestem egyik professzoromat, Umran Inant, és megkérdeztem, hogy részt vehetnék-e a kutatásban. Gyanítom, hogy nem sokat várt egy olyan hallgatótól, aki épp hármast kapott az óráján. Napokkal később egy poros, majdnem elhagyatott raktárban találtam magam a Stanford Dish közelében, 15 éves Betamax és Ampex mágnesszalagok között turkálva, tele ELF/VLF rádiós adatokkal. A szalagok még mindig az eredeti kartondobozokba voltak gyömöszölve, és 5 méter magas polcokon sorakoztak, több sorban, egyenként valószínűleg 30 méter hosszú polcokon. Miért voltam ott?

1994-ben az űrből véletlenül felfedezték a nagyenergiájú gammasugarak kitöréseit, az úgynevezett földi gammavillanásokat (TGF) . Úgy tűnt, hogy a TGF-ek villámlással keletkeztek, de nagyjából ennyit tudtunk róluk. Az ELF/VLF adatok felhasználhatók a jelenséget okozó villámok jellemzésére, de a tudósoknak csak két példa állt rendelkezésükre olyan TGF-ekre, amelyeket az ELF/VLF adatokon keresztül közvetlenül a villámokhoz lehetett kapcsolni. Az én feladatom az volt, hogy további példákat találjak a kazetták adatai között elrejtve.

Amint kiköhögtem a pókhálókat, arra gondoltam, hogy az emberek mennyi fáradságba kerültek, hogy ezeket a Betamax kazettákat (amelyek már akkor is régen elavult formátumúak voltak) forgalomban tartsák. Az adatokat, amelyeket átnéztem, az antarktiszi Palmer állomáson rögzítették egy mozgó gleccserre szerelt vevőegységgel, amelyet egy főállású tudományos technikus gondosan figyelt, és amelyet minden évben a csoport egyik diákja karbantartott. Az állomásról minden egyes hajóút alkalmával a szalagokat nagy dobozokban szállították el, majd egymásra halmozták és tárolták ebben a rágcsálóktól hemzsegő térben – mindezt az amerikai adófizetők dollárjaiból finanszírozta a Nemzeti Tudományos Alapítvány. És ez a fajta adatgyűjtés már évtizedek óta folyt a világ különböző pontjain, amelyeket ez a kutatócsoport tartott fenn.”

Élő adathalmazok

“Megérte?” Gondoltam, miközben abban a raktárban gürcöltem. A válasz, mint kiderült, egyértelműen igen (és nem csak azért, mert ezek az adatok vezettek az első lektorált kutatási cikkeimhez, és segítettek abban, hogy megvethessem a lábam a kutatásban). Megtanultam, hogy a geofizikai adatkészletek élnek, és hogy szellemi értékük a tudományos prioritásainkkal együtt változik.

Amikor azokra a Betamax-szalagokra rögzített méréseket megszerezték, senki sem gondolta, hogy végül szükség lesz rájuk a TGF-ek tanulmányozásához; a méréseket eredetileg más célból gyűjtötték. Könnyű lett volna kidobni az adatokat, mielőtt azok hasznosnak bizonyulnak a TGF tanulmányozásához – vagy még azután is. A Betamax-szalagok használata után áttértünk a digitális adatok CD-re, majd DVD-re, aztán külső merevlemezre, majd egy nagy adatkiszolgálóra történő rögzítésére – és most a felhőbe költöztetjük őket. Minden egyes lépésnél át kellett húznunk a régi adathordozókról felhalmozott összes adatot a jelenbe. De mivel ezeket az adatokat nem dobtuk ki, ma is rendelkezésre állnak számos természeti jelenség és folyamat tanulmányozásához.”

Joggal merül fel a kérdés, hogy megéri-e ez a sok költséget és erőfeszítést figyelembe véve. Szerintem igen. Soha nem lehet tudni, hogy ezeket az adatokat hogyan lehet felhasználni. Soha nem gondoltam volna, hogy a geofizikai villámok adatai hatással lesznek például a kiberbiztonság világára. Ma már látjuk, hogy a nagy teljesítményű számítástechnika és a gépi tanulás új felismeréseket tár fel a régi adatokból, és az interdiszciplináris projektek gyakran meglepő felhasználási módokat találnak a történelmi adathalmazok számára. Gyanítom, hogy a nem túl távoli jövőben valaki új módon fogja megvizsgálni az egy évtizeddel ezelőtt gyűjtött ELF/VLF adatokat. De vajon elérhetőek lesznek-e még ezek az adatok?

Tartozunk annyival a jövő tudósainak – és az amerikai adófizetőknek, akik e munka nagy részét finanszírozták -, hogy biztosítsuk, hogy elérhetőek legyenek. A WALDO decemberi bejelentése óta számos megkeresést és értesítést kaptunk az adatbázist használó emberektől. Reményeink szerint azzal, hogy ezeket az adatokat megőrizzük a WALDO-ban, meglepő és váratlan felfedezések előtt nyitunk kapukat.