2 Zvýšená hustota
Generace umělého zvýšení hustoty elektronového plazmatu pomocí vysokovýkonných rádiových vln je v současnosti unikátní schopností zařízení HAARP na Aljašce . Je to dáno především (1) možností nepřetržitého výkonu vysílače (celkem 3,6 MW), (2) nejvyšším ziskem soustavy 12 × 15 prvků (30 dB při 10 MHz) a (3) agilitou systému HAARP v celém frekvenčním rozsahu (2,6 až 10 MHz). Jak bude ukázáno později, schopnost zaměřování a formování paprsku soustavy HAARP je také velmi důležitá pro vytváření umělých plazmových mraků pomocí HAARP.
Pozorování umělé ionizace u HAARP jsou obvykle založena na vf odrazu v oblastech kritické hustoty zaznamenaných digitální ionosondou v Gakoně. Záznamy z ionosondy ukazují počáteční růst elektronové hustoty v místě, kde se frekvence čerpadla shoduje se stávajícím frekvenčním profilem plazmatu. To naznačuje, že tvorba umělých plazmových mraků vyžaduje okolní ionosféru s hustotou větší, než je kritická hustota pro odraz VF pumpovací vlny. V počáteční fázi tvorby plazmového oblaku je pozorována difúzní ionosondová signatura a obvykle jsou pozorovány nestabilní optické emisní struktury se širokým rozsahem dynamiky.
Tento proces tvorby plazmového oblaku je znázorněn na obrázku 2 pro přenosy v blízkosti třetí gyroharmonické elektronové gyrofrekvence nad HAARP. Okolní vrstva je osvětlena frekvencí 4,325 MHz s plným výkonem v magnetickém zenitu od 05:30 geomagnetického času (GMT) (obr. 2a). Přibližně po minutě v 05:31 GMT přejdou ionizační zesílení do excitace jediného módu v gyroharmonické rezonanci, která se může potenciálně udržet i po rozpadu okolní ionosféry. To je vidět jako izolovaná signatura na ionogramech na obrázcích 2b-2d. V případě jediného tužkového svazku při použití antény HAARP s rovnoměrně rozloženou fází po celé soustavě klesají oblaka plazmatu ve výšce. Tento proces nazývaný sestupná umělá ionizovaná vrstva (DAIL) modelovali Eliasson et al. . Vrchní část oblaku je odstíněna od vf zesíleným plazmatem, které se tvoří na spodní části oblaku, a rekombinace/difúze eliminuje vrchní část plazmatu.
Pedersen a spol. vyvinuli techniku frekvenčního zametání pro udržení druhé gyrorezonance s oblakem plazmatu při poklesu jeho výšky. Pro hledání a udržování třetí harmonické gyrorezonance s oblakem plazmatu při poklesu výšky se vysílaná vf vlna zametá s pomalým nárůstem frekvence. Jak se frekvence zvyšuje, excituje plazmové vlny, které se znovu vyzařují jako stimulované elektromagnetické emise (SEE). Tyto elektromagnetické vlny se zaznamenávají na zemi pomocí digitálních přijímačů připojených k širokopásmovému vysílači umístěnému 14 km od vysílače HAARP, jak popisuje Bernhardt et al. Spektra SEE pro profily plazmatu uvedené na obrázku 2 jsou znázorněna na obrázku 3. Krátké mezery ve vysokofrekvenčním vysílání z HAARP jsou použity k vytvoření ionogramů znázorněných vložkami na obrázku. SEE pochází z excitace plazmatu jak v okolní ionosféře, tak v oblasti umělého plazmatu pod vrstvou pozadí.
V HAARP lze umělé plazmové mraky detekovat pomocí (1) oddělených stop v ionogramech a izolovaných optických snímcích mraků , (2) zvýšeného inkoherentního radarového zpětného rozptylu pomocí modulárního ionosférického radaru UHF (MUIR) a (3) rádiových scintilací na frekvencích UHF a L pásma . Nejnovější diagnostikou umělých plazmových mraků je záření stimulované elektromagnetické emise (SEE) z plazmatu vybuzeného v pásmu VF . Prvek SEE označený jako downshifted mass (DSMass) je při detekci umělého plazmového mraku ionogramem pro VF vysílání v blízkosti čtvrté gyroharmonické frekvence (obr. 4) posunut přibližně o 100 kHz od frekvence VF pumpy. Umělý oblak plazmatu je označen ve vrstvě H4, jak je vidět na ionogramu v 04:50:05 GMT.
(1) kde se čerpací vlna k0 = (0, 0, k0) šíří podél směru magnetického pole B = (0, 0, B), elektronová Bernsteinova vlna je normála k magnetickému poli kEB = (kEB, 0, 0), whistlerův mód se šíří šikmo s kWh = (-kEB, 0, k0). Tento nový prvek SEE (DSMass) si udržuje konstantní posun 110 kHz, jak se lineárně mění frekvence VF čerpací vlny, dokud náhle nezmizí 25 kHz od počáteční počáteční frekvence 5,73 MHz. Konstantní posun mezi frekvencí DSMass a frekvencí VF pumpy je v souladu s interpretací parametrických vln danou vztahem 1. Další ionogram v 04:51:05 GMT je označen jako „Gone!“, protože oblak H4 zmizel spolu s DSMass.
Umělá plazmová mračna vznikají urychlováním elektronů v oblasti vysokých výkonů rádiových vln. Toto urychlování elektronů rovněž vytváří zesílené optické emise, které lze zaznamenat pozemními zobrazovacími přístroji. Ionogramová signatura umělého plazmového oblaku je zřetelně vidět na obrázku 5 pro třetí gyroharmonické vf čerpání. Vzhledem k tomu, že urychlování elektronů je zodpovědné za srážkovou ionizaci za vzniku oblaku plazmatu, měly by být pozemními zobrazovači pozorovány i optické emise viditelné v noci.
Kamery byly provozovány jak na HAARP, tak 200 km severně od HAARP na raketové základně Poker Flats Rocket Range, když třetí gyroharmonická VF čerpání přinesla optické emise. Struktura pozorovaná přímo zpod umělého ionizačního mraku při vlnové délce 777,4 nm (obr. 6a) není na celkových snímcích mraku zaznamenaných ze strany s filtrem 630,0 nm pro záznam emisí červené čáry atomárního kyslíku (obr. 6b) viditelná. Boční pohled na optický oblak ukazuje zúžení na spodní části plazmového oblaku a také pokles výšky po počátečním vytvoření, které bylo dříve popsáno jako sestupné umělé ionizační vrstvy (DAIL). Optické snímky ukazují, že se netvoří „vrstvy“, nýbrž kompaktní „mraky“ ionizace s malými nepravidelnostmi hustoty, které vznikají během přechodných, tužkových přenosů paprsku s HAARP. Drobné optické struktury nejsou horizontálně rozvrstvené vrstvy, ale jsou to polně zarovnané špice, které se tvoří ve velkém množství a které se v emisích 630 nm jeví jako optický oblak.
Umělé polární mraky poskytují doplňující pohled na produkci ionizace. Pomocí vysokofrekvenčního čerpání v blízkosti čtvrté gyroharmonické frekvence 5,5 MHz byly přímo v HAARP pod umělým plazmovým oblakem zaznamenány optické emise pomocí kamery s nábojovou vazbou násobící elektrony a filtru 777,4 nm pro excitovaný atomární kyslík (obr. 7). Na snímcích umělé polární záře s vysokým rozlišením jsou patrná vlákna, která se po počátečním zapnutí VF zhroutí dovnitř. Podrobné sledování zářivých prvků ukazuje pohyb rychlostí přibližně 250 m/s napříč snímkem. V této fázi vývoje umělého ionizačního oblaku jsou vnitřní optické emise dynamickými subkilometrovými optickými strukturami. Časový průběh těchto struktur jasně ukazuje ionizační fronty, které se živí dříve vytvořenými elektronovými hustotami. Snímky velkého zorného pole s nízkým prostorovým rozlišením ukazují zdánlivě homogenní oblak. Tento pohyb je v souladu se všemi měřeními plazmatu z obou ionosond a optické snímky naznačují, že k iniciaci jakýchkoli umělých ionizačních oblaků nebo vnitřních změn v těchto oblacích jsou zapotřebí zárodečné elektronové hustoty. Zpočátku poskytuje toto zárodečné plazma ionosféra na pozadí a později vnitřní vlákna plazmatických mračen zasévají vylepšení plazmatu podél dynamických front produkce ionizace.
Vzhledem k potřebě nadměrně hustého zárodku pro iniciaci rozpadu se mohou posílené oblasti plazmatu udržet pouze při hustotě nižší, než je hustota plazmatu pozadí. Obrázek 8 ukazuje umělé ionizační mraky vytvořené při druhé, třetí, čtvrté a šesté harmonické elektronového cyklotronu o frekvenci blízké 1,44 MHz. Plazmové mraky s gyroharmonickým vysíláním v blízkosti páté harmonické na frekvenci 7,2 MHz nelze generovat, protože tato frekvence se nachází uprostřed radioamatérského pásma. Poslední ionogram na obrázku 8 využívá vysílací frekvenci 8,58 MHz k vytvoření nejhustšího oblaku plazmatu, který kdy byl udržován vysokofrekvenčním vysíláním pomocí HAARP.
Jedním z cílů experimentů s umělou ionizací v HAARP je vytvořit plazmové mraky s hustotou větší než ionosférické pozadí. V laboratoři se ukázalo, že k udržení plazmového oblaku jsou zapotřebí nižší výkony než k zahájení procesu rozpadu . Některé experimenty v HAARP se pokoušely iniciovat plazmové mraky na nižší gyroharmonické frekvenci a poté přeskočit na další harmonickou frekvenci (řekněme krok ze třetí na čtvrtou harmonickou), aby se stávající plazmový mrak použil jako zárodek pro hustší plazmový mrak. Tato technika zatím nebyla úspěšná při vytváření oblaků s hustotou vyšší než pozadí.
Umělý oblak plazmatu může mít využití pro otevření komunikačních nebo radarových kanálů pro šíření na velké vzdálenosti pro odraz vysokofrekvenčních (VF) rádiových vln. Aby byl oblak plazmatu užitečným reflektorem vf vln, je nutné vytvořit umělou ionizaci s hustotou vyšší než okolní prostředí a udržovat oblak plazmatu, zatímco ionosféra pozadí se po západu Slunce rozpadá. Vytvoření stabilního plazmového oblaku pomocí tužkového svazku není možné, protože geometrie svazku omezuje tvorbu plazmatu na spodní straně oblaku, jak je znázorněno na obrázku 2 a dříve popsáno Pedersenem et al. , Eliassonem et al. Jediným v současné době známým způsobem, jak vytvořit dlouhotrvající skvrnu umělé ionizace, je použití strukturovaného svazku. Při správném fázování vysílání soustavy HAARP lze vytvořit „zkroucený paprsek“ do prstencového obrazce s minimálním výkonem ve středu, jak předvedli na HAARP Leyser a kol. Briczinski a kol. ukázali, že zkroucený paprsek HAARP může vytvářet oblasti umělé ionizace, přestože špičkové elektrické pole v tomto paprsku s širším úhlem je asi o 5 dB menší než výkon tužkového paprsku na stejné frekvenci. Simulace tužkového a zkrouceného paprsku pro HAARP jsou uvedeny jako diagramy zisku antény na obrázku 9. Mód nulového řádu L = 0 tvoří jediné maximum se ziskem 24 dB. Mód prvního řádu L = 1 tvoří prstenec s maximálním ziskem 19 dB.
Tvarování svazku nízkého řádu je jedním z přístupů k vytvoření stacionární a dlouhodobé odrazné plochy plazmatu. Jedním z faktorů, díky nimž je zkroucený svazek L = 1 úspěšný při udržování dlouhotrvajícího plazmového oblaku, je interakce elektromagnetického pole s horizontální prstencovou strukturou v oblaku. Na obrázku 10 je znázorněna simulace rovinné vlny dopadající na plazmový oblak ve tvaru placky a toroidního plazmového oblaku. Plazmová palačinka z tužkového svazku soustředí všechna pole s velkou amplitudou na dno plazmatu, kde dojde ke zvýšené produkci plazmatu. Plazmový prstenec soustředí některá elektrická pole na osu, dno a boky oblaku a vytvoří horizontální gradienty, které neklesají s výškou. S touto teoretickou motivací byla soustava HAARP použita k vytvoření vysokovýkonného zkrouceného svazku pro tvorbu plazmového oblaku
Při použití tužkových i kroucených paprsků se vysílání HAARP uskutečnilo na frekvenci 5,8 MHz v blízkosti čtvrté gyroharmonické. Tužkový paprsek L = 0 vyvolal velmi malou zvýšenou ionizaci, ale kroucený paprsek L = 1 vyvolal mnohem silnější umělou ionizaci, přestože špičkové elektrické pole bylo o 5 dB nižší (obr. 11). Při frekvenci 5,8 MHz má zkroucený svazek špičkový výkon při 7° posunu od osy svazku. Svazek byl nakloněn o 7° nad svislici podél magnetického poledníku, aby se část kruhového svazku vyrovnala s magnetickým polem a další část svazku se svislicí. Bylo zjištěno, že tato konfigurace vytváří nejsilnější umělou ionizaci v pevné výšce. Jakmile se vytvořil plazmový oblak se stočeným svazkem, pokračovalo vysílání na frekvenci 5,8 MHz po dobu 5 h, aby bylo možné sledovat vývoj plazmových oblaků. Na obrázku 12 je ukázka ionogramů pořízených každé 2 minuty, které ukazují stabilní oblak ve výšce 200 km
Ionogramy z digisondy Gakona byly analyzovány tak, aby poskytovaly skutečný výškový profil plazmového oblaku. Ukázky těchto profilů pro první 3 h excitace jsou uvedeny na obrázku 13. Charakteristiky umělé oblasti plazmatu jsou následující: (1) špičková hustota je sevřena na kritickou hustotu odpovídající 5,8 MHz čerpadlu, (2) v úseku 1,5 až 2,0 h od iniciace oblaku se tvoří dvojité ionizační skvrny a (3) skutečná výška umělé oblasti ionizace se pomalu pohybuje ve výškovém rozsahu 170 až 200 km. Čtvrtý gyroharmonický experiment na frekvenci 5,8 MHz se stočeným svazkem L = 1 vytvořil nejdéle trvající plazmový oblak pozorovaný pomocí HAARP. Zbytkové struktury plazmatu během nepřetržitého čerpání byly opticky pozorovány v 05:30 GMT, 4½ h po zahájení experimentu. Tyto struktury byly polem zarovnané spikule, které byly udržovány vysokofrekvenčním vysíláním pouze s nepatrným pohybem kolem rovnovážné polohy.
Tento jev vzniklý pomocí stočeného svazku L-1 byl nazván trvalý umělý ionizační oblak (sustained artificial ionization cloud, SAIC), aby se odlišil od dříve diskutovaných sestupných umělých ionizačních vrstev (descending artificial ionization layers, DAIL). SAIC je potenciálně užitečnější než DAIL jako odrazové plochy pro vysokofrekvenční radarové a komunikační aplikace. Budoucí modelové studie budou kombinovat produkci ionizace s tvarováním vf svazku, aby pomohly navrhnout optimální produkci dlouhotrvajících plazmových mraků v pevné výšce.