今年の12月にサンフランシスコで開催されたAGU Fall Meetingで、私は新しい科学のかけらも載っていないポスターを発表しました。 4869>

このポスターで、何人かの同僚と私はWALDOを世界に紹介しました。 WALDO（Worldwide Archive of Low-frequency Data and Observations）は、世界中のサイトで数十年にわたって集められた低周波（0.5～50キロヘルツ）の電波データの大規模なアーカイブで、その数は増え続けています。 コロラド大学デンバー校（CU Denver）の Mark Golkowski 氏と私が共同でデータベースを管理しています。

こうしたデータは、雷の検出や特性評価、電離層や磁気圏のリモートセンシング、太陽フレアやガンマ線フラッシュ、重力波の検出など、地球物理学のあらゆる分野で利用されています。 しかし最近まで、WALDO のデータは主に何万枚もの DVD に蓄積・保存されていたため、それを利用しようとする人はほとんどアクセスできませんでした。

WALDO の目標は、これらの歴史的データを、進行中のデータ収集によって増強した上で、単一の標準化クラウドベースリポジトリに転送・整理し、現在および将来の科学者がそれにアクセスして雷、電離層、磁気圏、宇宙気象などの研究に使用できるようにすることにあります。

The Science of ELF/VLF

地球上の1日に発生する数百万の落雷は、それぞれ約1ミリ秒のパルスで、超低周波から超低周波（ELF/VLF）の電波エネルギーとして知られており、スフェリックとして放出されています。 この電波は、電離層下層（高度60～90km）や地表で反射し、世界中を駆け巡り、検出される。 世界中に散らばる一握りのVLF受信機で、ほとんどの雷光をキロメートル単位の驚異的な精度で位置特定することができます。

米海軍が使用するナローバンドビーコンは、本来は潜水艦の通信用ですが、ELF/VLF周波数帯で送信しており、電離層リモートセンシングの別の手段になっています。 これらのメッセージはセキュリティのために暗号化されていますが、電波信号自体は地球上のどこでも拾える有用な電離層診断の手段です。 電離層の状態、すなわち電子密度の変化は、受信信号の振幅または位相の変化として現れる。 電離層は、太陽フレア、磁気圏からの電子降下、日食、雷による発熱、宇宙ガンマ線、重力波など、あらゆる地球物理現象を監視するセンサーとして利用できる。 これらの現象は、電離層下を伝搬するVLF信号の乱れ方（乱れの始まりと終わりの早さなど）がそれぞれ異なり、その特徴から区別することができます。 ELF/VLF のエネルギーは、ウィスラーと呼ばれる雷のプラズマ波として磁気圏にも漏れ、地球の放射線帯に閉じ込められた高エネルギー電子と相互作用して、大気中への電子の降下を誘発することがあるのです。 また、ELF/VLF波は、波動粒子相互作用の結果として磁気圏で（コーラスやヒスと呼ばれる波として）生成・加速され、地球における宇宙天気のダイナミクスに一役買っている。 ELF/VLF電波を研究することで、これらのプロセスを研究し、よりよく理解することができ、宇宙天気現象や地磁気嵐で何が起こっているのかという謎を解明することができます。

これらのELF/VLFデータの利用法は、例えば、Barrら、Inanら、SilberとPriceによって検討されていますが、自然のELF/VLF信号が長い電信線に結合されて聞こえていた1800年代末から発展してきているのです。 しかし、ELF/VLFデータの伝統的な用途以外の用途も、最近になって数多く出現している。 たとえば、ELF/VLF波を使って金属製の箱の中にある物体を検出すれば、輸送コンテナの中に隠された銃の隠し場所を発見できるかもしれません。

ジョージア工科大学のサイバーセキュリティ研究グループと協力して、同僚と私は、ハッカーが複数の変電所を無効にした2015年12月のウクライナでの大きな攻撃のように、サイバー攻撃に対する電力網のセキュリティ強化にELF/VLFデータを使うことも行っています。 無線受信機で検出されたELF/VLFデータは、電力網の信号に異常がないかを監視するために使用されます。 また、これらのデータには、世界中の落雷によるスフェリックが散在しており、落雷が発生すると準ランダムなタイミングで受信機に届きます。 このように、自然は効果的で検出可能な乱数発生器を提供してくれます。雷の点滅は事前に予測できないため、受信機が検出した他のデータの整合性を検証することができます。 このデータの多くは、スタンフォード大学のELF/VLF受信機、そして最近ではジョージア工科大学とカリフォルニア大学デンバー校が展開する新しいサイトによって収集されました。
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WALDO は、1990年代半ばから高緯度電離層を研究する実験を実施しているアラスカの高周波活性オーロラ研究プログラム (HAARP) の一環として行われた実験の ELF/VLF 録音も含んでいます。 また、南極半島にあるパーマー観測所の長年のデータも含まれています。 1973年から1988年まで、南極の42kmのアンテナを使って磁気圏のELF信号の増幅とトリガーを研究した有名なシプルステーションELF実験のデータも、最終的にはたくさん含まれる予定です。 年末までに、500～1000テラバイトのデータが利用可能になると予想しています

これらの異種のデータセットを単一のデータベースにコンパイルする努力は、これらのデータが約8万枚のDVDとCD、およびひどく破損したサーバーに物理的に保管されていたスタンフォード大学のスペースをクリアしなければならなかった、2018年秋に始まりました。 ディスクは梱包され、ジョージア工科大学かカリフォルニア大学デンバー校に運ばれ、300枚のディスクの山を一度に破れるDVD読み取りロボットが、データをハードディスクに移すために使用されています。 一方、スタンフォード大学の John DeSilva は、古いサーバーのコンテンツをゆっくりと抽出し、私たちが取り出せるように、それらのデータを一時的なクラウド ストレージに置きました。

取り出した後、データはデジタル ソーティング方式に渡され、フォーマットがすべて一致するように更新され、データは分類されたフォルダーに収められます。 データに簡単にアクセスできるオンライン・インターフェースを開発し、リクエストに応じて Google アカウントで誰でも共有できるようにしました。 例えば、ある日のデータが入手可能な受信地点の地図や、データの入手状況を示す年間カレンダー、日ごとのデータのサマリーチャートなどです。 私たちは多くの分野でその証拠を見てきました。 たとえば気候や生態系の研究では、歴史的で長期にわたるデータセットが重要であり、過去の状況だけでなく、現在や未来についても光を当てています。 2002年1月、スタンフォード大学の3年生だった私は、教授の一人であるウムラン・イナンに、研究に参加できないかと持ちかけました。 教授は、自分のクラスでCを取ったばかりの学生から、あまり期待されていなかったのでしょう。 数日後、私はスタンフォード大学の皿の近くにある埃っぽい倉庫で、15年前のベータマックスやアンペックスの磁気テープに詰まったELF/VLF無線データをかき集めている自分に気がついたのである。 テープはダンボールに入ったまま、高さ5メートル、長さ30メートルほどの棚に何列にも重ねられていた。

1994年、地球ガンマ線フラッシュ（TGF）という高エネルギーのガンマ線のバーストが宇宙からセレンディピティ的に発見されました。 TGFの起源は雷と思われましたが、私たちが知っているのはそれだけです。 しかし、ELF/VLFのデータから雷と直接結びついたTGFの例は2つしかありませんでした。 私の仕事は、テープのデータの中から、さらに多くの事例を探し出すことでした。

クモの巣をはきながら、ベータマックス・テープ（当時でもすでに時代遅れのフォーマット）を流し続けるために、人々がどれほど苦労してきたかについて考えていました。 私が見ていたデータは、南極のパーマー基地の氷河の上に設置された受信機で記録されたもので、専任の科学技術者が注意深く見守り、毎年グループの学生が整備していた。 パーマー基地から船で移動するたびに、テープは大きな箱に入れられて出荷され、ネズミの棲むこのスペースに積み上げられて保管されました。 このようなデータ収集は、この研究グループが管理する世界中のサイトで何十年も続けられていたのです。 と、倉庫でゴソゴソしているときに思いました。 その理由は、これらのデータが私の最初の査読付き研究論文につながり、研究の世界に足を踏み入れるきっかけになったからだけではありません。 ベータマックスに記録された測定値が入手されたとき、誰も最終的に TGF の研究に必要になるとは思っていませんでした。 TGFの研究に役立つと判明する前に、あるいはそれ以降も、データを捨ててしまうのは簡単なことだったでしょう。 ベータマックス・テープに続いて、私たちはデジタルデータをCD、DVD、外付けハードディスク、大容量データサーバーに記録するようになり、現在はクラウドに移行しています。 その都度、古いメディアから蓄積されたデータをすべて現代に引きずっていかなければなりません。 しかし、これらのデータは捨てられたわけではありませんから、現在でも多くの自然現象やプロセスを研究するために利用することができます。 私はそう思います。 これらのデータがどのように使われるかはわかりません。 例えば、物理雷のデータがサイバーセキュリティの世界に影響を与えるとは思ってもみませんでした。 現在では、ハイパフォーマンス・コンピューティングと機械学習が古いデータから新しい洞察を導き出し、学際的なプロジェクトが過去のデータセットの驚くべき使い方を発見することもよくあります。 そう遠くない将来、誰かが10年前に収集したELF/VLFデータの新しい利用法を思いつくのではないでしょうか。 しかし、そのデータはまだ利用できるのでしょうか。

私たちは将来の科学者と、この研究の多くに資金を提供している米国の納税者に、データが利用できることを保証する義務があります。 12月にWALDOを発表して以来、データベースを利用している人たちから問い合わせや通知を何件か受けています。 これらのデータをWALDOに残すことで、思いがけない発見への扉が開かれることを願っています。