În luna decembrie a anului trecut, la reuniunea de toamnă a AGU din San Francisco, am prezentat un poster care nu conținea nici măcar o fărâmă de știință nouă. Cu toate acestea, s-ar putea să se dovedească a fi prezentarea cu cel mai mare impact pe care am făcut-o.

Cu posterul, mai mulți colegi și cu mine am prezentat WALDO lumii. WALDO, sau Worldwide Archive of Low-frequency Data and Observations (Arhiva Mondială de Date și Observații de Joasă Frecvență), este un fond mare – și în creștere – de date radio de joasă frecvență (0,5 până la 50 kilohertzi) colectate de-a lungul deceniilor în locații din întreaga lume. Mark Golkowski de la University of Colorado Denver (CU Denver) și cu mine gestionăm împreună baza de date.

Aceste date au tot felul de utilizări în geofizică, inclusiv în detectarea și caracterizarea fulgerelor, detectarea de la distanță a fenomenelor ionosferice și magnetosferice și detectarea erupțiilor solare, a flash-urilor de raze gamma și a undelor gravitaționale. Cu toate acestea, până de curând, datele de pe WALDO au fost adunate și stocate în principal pe zeci de mii de DVD-uri – și, astfel, au fost în mare parte inaccesibile oricui era interesat să le folosească.

Obiectivul nostru cu WALDO este de a transfera și organiza aceste date istorice, completate de colectarea de date în curs de desfășurare, într-un depozit unic, standardizat, bazat pe cloud, astfel încât oamenii de știință de astăzi și din viitor să le poată accesa și să le folosească în studiile privind fulgerele, ionosfera, magnetosfera, vremea spațială și multe altele.

Știința ELF/VLF

Care dintre milioanele de trăsnete care se produc zilnic pe Pământ eliberează un impuls intens, cu o lungime de aproximativ 1 milisecundă, de energie radio de frecvență extrem de joasă până la foarte joasă frecvență (ELF/VLF), cunoscut sub numele de sferic. Aceste sferice se reflectă din ionosfera inferioară (60-90 de kilometri altitudine) și de la sol, ceea ce le permite să călătorească – și să fie detectate – la nivel global. O mână de receptori VLF împrăștiați în jurul globului pot geolocaliza majoritatea fulgerelor cu o precizie incredibilă la nivel de kilometru . Detecția sferică poate fi folosită, de asemenea, pentru a caracteriza proprietățile electrice ale ionosferei inferioare între sursă și un receptor îndepărtat.

Balizele în bandă îngustă folosite de marina americană, în mod nominal pentru comunicațiile submarine, transmit, de asemenea, în banda de frecvențe ELF/VLF, oferind un alt mijloc de teledetecție ionosferică. Deși aceste mesaje sunt criptate pentru securitate, semnalele radio în sine reprezintă un diagnostic ionosferic util care poate fi recepționat oriunde pe Pământ. Modificările condițiilor ionosferice, și anume densitatea de electroni, se manifestă prin schimbări fie în amplitudinea, fie în faza semnalelor recepționate. La rândul său, ionosfera poate fi folosită ca senzor pentru a monitoriza tot felul de fenomene geofizice, inclusiv erupțiile solare, precipitațiile de electroni din magnetosferă, eclipsele solare, încălzirea cauzată de fulgere, razele gamma cosmice, undele gravitaționale și multe altele. Fiecare dintre aceste fenomene perturbă semnalele VLF care se propagă sub ionosferă în moduri diferite – afectând, de exemplu, rapiditatea cu care începe și se termină o perturbare – iar aceste semnături permit să le distingem unele de altele. Unele perturbații ionosferice sunt foarte fiabile și repetabile, cum ar fi efectul răsăritului și apusului Soarelui.

O parte din energia ELF/VLF scapă, de asemenea, în magnetosferă (sub formă de unde plasmatice generate de fulgere numite fluierături), unde poate interacționa cu electronii energetici prinși în centura de radiații a Pământului și poate declanșa precipitarea de electroni în atmosferă. Undele ELF/VLF sunt, de asemenea, generate și accelerate în magnetosferă (sub forma unor unde numite chorus și hiss) ca urmare a interacțiunilor undă-particulă și, astfel, joacă un rol în dinamica vremii spațiale pe Pământ. Studierea undelor radio ELF/VLF ne permite atât să studiem și să înțelegem mai bine aceste procese, cât și să punem cap la cap misterele a ceea ce se întâmplă în timpul evenimentelor meteorologice spațiale și a furtunilor geomagnetice.

Aceste utilizări ale datelor ELF/VLF, analizate, de exemplu, de Barr et al. , Inan et al. și Silber și Price , au fost dezvoltate încă de la sfârșitul anilor 1800, când semnalele naturale ELF/VLF puteau fi auzite cuplându-se în liniile telegrafice lungi. Dar au apărut recent și o serie de alte aplicații în afara utilizărilor tradiționale ale datelor ELF/VLF. De exemplu, detectarea obiectelor din interiorul cutiilor metalice cu ajutorul undelor ELF/VLF ar putea fi folosită pentru a descoperi o ascunzătoare de arme ascunsă în interiorul unui container maritim.

În parteneriat cu un grup de cercetare în domeniul securității cibernetice de la Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), eu și colegii mei folosim, de asemenea, datele ELF/VLF pentru a spori securitatea rețelei electrice împotriva atacurilor cibernetice, cum ar fi atacul major din Ucraina din decembrie 2015, în care hackerii au dezactivat mai multe substații electrice. Datele ELF/VLF detectate de receptoarele radio pot fi utilizate pentru a monitoriza semnalele rețelei electrice pentru a detecta nereguli. Aceste date sunt, de asemenea, presărate cu sferici provenite de la fulgerele din întreaga lume, care ajung la receptori la momente cvasi-aleatorii, atunci când se produc fulgerele. Natura oferă astfel un generator de numere aleatoare eficient și detectabil care, deoarece fulgerele nu pot fi prezise în avans, ne permite să validăm integritatea altor date detectate de receptoare.

Dezvoltarea WALDO

Baza de date WALDO – în prezent de aproximativ 200 de terabytes și în creștere în fiecare zi – conține deja sau va conține în curând date care ar putea îmbogăți studiile tuturor fenomenelor și aplicațiilor de mai sus. O mare parte din date au fost colectate de către receptoarele ELF/VLF ale Universității Stanford și, mai recent, de către noile situri instalate de Georgia Tech și CU Denver.
.

.
WALDO include, de asemenea, înregistrări ELF/VLF de la experimentele efectuate în cadrul High-frequency Active Auroral Research Program (HAARP) din Alaska , care a derulat experimente pentru a studia ionosfera la latitudini înalte încă de la mijlocul anilor 1990. Acesta include mulți ani de date de la stația Palmer din Peninsula Antarctică. Și va include, în cele din urmă, o mulțime de date de la faimosul experiment Siple Station ELF, care s-a desfășurat din 1973 până în 1988 pentru a studia amplificarea și declanșarea semnalelor ELF în magnetosferă cu ajutorul unei antene de 42 de kilometri în Antarctica. Până la sfârșitul anului, anticipăm că vom avea la dispoziție între 500 și 1.000 de terabytes de date.

Efortul de a compila aceste seturi disparate de date într-o singură bază de date a început în toamna anului 2018, când spațiul de la Universitatea Stanford în care erau stocate fizic aceste date – pe aproximativ 80.000 de DVD-uri și CD-uri și pe un server grav corupt – a trebuit să fie curățat. Discurile, dintre care unele erau deteriorate după zeci de ani de depozitare, au fost împachetate și expediate fie la Georgia Tech, fie la CU Denver, unde roboții cititori de DVD-uri care pot extrage un teanc de 300 de discuri odată sunt folosiți pentru a muta datele pe hard disk-uri. Între timp, John DeSilva de la Stanford a extras încet-încet conținutul vechiului server și a plasat aceste date în stocarea temporară în cloud pentru ca noi să le recuperăm.

După recuperare, datele sunt trecute printr-o schemă de sortare digitală care actualizează formatarea pentru ca totul să fie coerent și apoi plasează datele în foldere sortate. Am dezvoltat o interfață online care permite accesul ușor la date, care pot fi, de asemenea, partajate cu oricine are un cont Google, la cerere. Prin intermediul site-ului web, utilizatorii pot vizualiza diagrame de vizualizare rapidă generate automat pentru a afla mai ușor ce este disponibil, de exemplu, hărți ale siturilor de recepție de la care sunt disponibile date dintr-o anumită zi, calendare anuale care arată disponibilitatea datelor și diagrame rezumative ale datelor zi de zi.

Valoarea datelor prăfuite

Lucrarea de conservare a datelor este dificilă și consumatoare de timp, dar și plină de satisfacții. Am văzut dovezi în acest sens în multe domenii. Seturile de date istorice și pe termen lung au fost esențiale în studiile privind clima și ecosistemele, de exemplu, aruncând lumină nu numai asupra condițiilor din trecut, ci și asupra prezentului și viitorului. Și datorită eforturilor de conservare, suntem norocoși să avem date despre petele solare care se întind pe o perioadă de peste 400 de ani – date care stau la baza primelor descoperiri critice ale dinamicii meteorologice spațiale.

În ianuarie 2002, în calitate de student în anul întâi la Stanford, l-am abordat pe unul dintre profesorii mei, Umran Inan, și l-am întrebat dacă aș putea să mă implic în cercetare. Bănuiesc că nu se aștepta la prea multe de la un student care tocmai luase un C la cursul său. Câteva zile mai târziu, m-am trezit într-un depozit prăfuit, aproape abandonat, lângă Stanford Dish, răscolind benzi magnetice Betamax și Ampex vechi de 15 ani, pline de date radio ELF/VLF. Benzile erau încă îndesate în cutiile lor originale de carton și erau aliniate pe rafturi stivuite la 5 metri înălțime în mai multe rânduri, fiecare având probabil 30 de metri lungime. De ce mă aflam acolo?

În 1994, explozii de raze gamma de înaltă energie numite flashuri de raze gamma terestre (TGF) au fost descoperite în mod serendipitous din spațiu . Se părea că TGF-urile își au originea în fulgere, dar asta era cam tot ce știam despre ele. Datele ELF/VLF pot fi folosite pentru a caracteriza fulgerele care au provocat fenomenul, dar oamenii de știință aveau la îndemână doar două exemple de TGF-uri care puteau fi legate direct de fulgere prin intermediul datelor ELF/VLF. Sarcina mea era să găsesc mai multe exemple ascunse în datele de pe toate acele casete.

În timp ce tușeam pânzele de păianjen, mă gândeam la toate problemele prin care trecuseră oamenii pentru a păstra aceste casete Betamax (de mult timp un format învechit chiar și la acea vreme) circulând. Datele pe care le parcurgeam erau înregistrate la Stația Palmer, în Antarctica, de un receptor montat pe un ghețar mișcător, care era atent supravegheat de un tehnician științific cu normă întreagă și întreținut în fiecare an de un student din grup. Cu fiecare călătorie cu barca de la stație, casetele erau expediate în cutii mari, apoi stivuite și depozitate în acest spațiu infestat de rozătoare – totul finanțat din banii contribuabililor americani prin intermediul National Science Foundation. Și acest tip de colectare de date se făcea de zeci de ani în situri din întreaga lume, întreținute de acest grup de cercetare.

Living Data Sets

„A meritat?” M-am gândit în timp ce mă chinuiam în acel depozit. Răspunsul, după cum am ajuns să aflu, este un da fără echivoc (și nu doar pentru că aceste date au condus la primele mele lucrări de cercetare revizuite de colegi și m-au ajutat să pun piciorul în prag în domeniul cercetării). Am învățat că seturile de date geofizice sunt vii și că valoarea lor intelectuală se schimbă odată cu prioritățile noastre științifice.

Când au fost obținute măsurătorile înregistrate pe acele casete Betamax, nimeni nu și-a imaginat că va avea nevoie de ele în cele din urmă pentru a studia TGF-urile; măsurătorile au fost inițial colectate din alte motive. Ar fi fost ușor să aruncăm datele înainte ca acestea să se dovedească utile pentru studierea TGF-urilor – sau chiar și după aceea. După utilizarea benzilor Betamax, am trecut la înregistrarea datelor digitale pe CD-uri, apoi pe DVD-uri, apoi pe hard disk-uri externe, apoi pe un server mare de date – și acum le mutăm în cloud. La fiecare pas, a trebuit să tragem toate datele acumulate de pe vechile suporturi în zilele noastre. Dar pentru că aceste date nu au fost aruncate, ele sunt disponibile și astăzi pentru a studia numeroase fenomene și procese naturale.

Este corect să ne întrebăm dacă merită, având în vedere cheltuielile și efortul depus. Eu cred că da. Nu se știe niciodată cum ar putea fi folosite aceste date. Nu m-aș fi așteptat niciodată ca datele geofizice privind fulgerele să aibă un impact în lumea securității cibernetice, de exemplu. În prezent, vedem cum calculul de înaltă performanță și învățarea automată dezvăluie noi perspective din datele vechi, iar proiectele interdisciplinare găsesc adesea utilizări surprinzătoare pentru seturile de date istorice. Într-un viitor nu prea îndepărtat, bănuiesc că cineva se va gândi la o nouă modalitate de a privi datele ELF/VLF colectate în urmă cu un deceniu. Dar datele vor mai fi disponibile?

Suntem datori față de viitorii oameni de știință – și față de contribuabilii americani, care au finanțat o mare parte din această muncă – să ne asigurăm că acestea sunt disponibile. De când am anunțat WALDO în decembrie, am primit mai multe solicitări și notificări de la persoane care folosesc baza de date. Speranța noastră este că, păstrând aceste date în WALDO, vom deschide uși pentru descoperiri surprinzătoare și neașteptate.

.