2 Erhöhte Dichten
Die Erzeugung künstlicher Erhöhungen der Elektronenplasmadichte durch Hochleistungsfunkwellen ist derzeit eine einzigartige Fähigkeit der HAARP-Anlage in Alaska. Dies ist in erster Linie zurückzuführen auf (1) die kontinuierliche Leistung des Senders (insgesamt 3,6 MW), (2) die höchste Verstärkung des 12 × 15 Elemente umfassenden Arrays (30 dB bei 10 MHz) und (3) die Frequenzflexibilität des HAARP-Systems über den gesamten Bereich (2,6 bis 10 MHz). Wie später gezeigt wird, ist die Fähigkeit der HAARP-Anordnung zur Strahlausrichtung und Strahlformung auch für die Erzeugung künstlicher Plasmawolken mit HAARP sehr wichtig.
Beobachtungen der künstlichen Ionisierung bei HAARP beruhen in der Regel auf der HF-Reflexion an den kritischen Dichtebereichen, die mit der digitalen Ionosonde in Gakona aufgezeichnet wurden. Die Aufzeichnungen der Ionosonde zeigen einen anfänglichen Anstieg der Elektronendichte an dem Punkt, an dem die Pumpfrequenz mit dem vorhandenen Plasmafrequenzprofil übereinstimmt. Dies deutet darauf hin, dass für die Bildung künstlicher Plasmawolken eine Umgebungsionosphäre mit einer Dichte erforderlich ist, die größer ist als die kritische Dichte für die Reflexion der HF-Pumpwelle. In der frühen Phase der Plasmawolkenbildung wird eine diffuse Ionosonden-Signatur beobachtet, und in der Regel sind instabile optische Emissionsstrukturen mit einem breiten Dynamikbereich zu sehen.
Dieser Prozess der Plasmawolkenbildung wird in Abbildung 2 für Übertragungen in der Nähe der dritten Kreiselharmonischen der Elektronen-Kreiselfrequenz über HAARP dargestellt. Die Umgebungsschicht wird mit 4,325 MHz mit voller Leistung im magnetischen Zenit ab 05:30 geomagnetischer Zeit (GMT) angestrahlt (Abbildung 2a). Nach etwa einer Minute um 05:31 GMT gehen die Ionisationsverstärkungen in die Anregung einer einzelnen Mode bei einer gyroharmonischen Resonanz über, die möglicherweise auch nach dem Abklingen der umgebenden Ionosphäre bestehen bleibt. Dies ist als isolierte Signatur in den Ionogrammen in den Abbildungen 2b-2d zu sehen. Bei einem einzelnen Bleistiftstrahl der HAARP-Antenne mit gleichmäßig verteilter Phase über das Array nehmen die Plasmawolken an Höhe ab. Dieser Prozess, der als absteigende künstliche ionisierte Schicht (DAIL) bezeichnet wird, wurde von Eliasson et al. modelliert. Die Oberseite der Wolke wird durch verstärktes Plasma, das sich am Boden der Wolke bildet, von der HF abgeschirmt, und durch Rekombination/Diffusion wird das Oberseitenplasma eliminiert.
Eine Frequenz-Sweep-Technik wurde von Pedersen et al. entwickelt, um die zweite Gyroresonanz mit den Plasmawolken aufrechtzuerhalten, während sie an Höhe verlieren. Um eine dritte harmonische Gyroresonanz mit der Plasmawolke zu suchen und aufrechtzuerhalten, wenn diese an Höhe verliert, wird die gesendete HF-Welle mit einer langsam ansteigenden Frequenz gewobbelt. Mit zunehmender Frequenz regt sie Plasmawellen an, die als stimulierte elektromagnetische Emissionen (SEE) wieder abgestrahlt werden. Diese elektromagnetischen Wellen werden am Boden mit digitalen Empfängern aufgezeichnet, die an ein Breitbandgerät angeschlossen sind, das 14 km vom HAARP-Sender entfernt ist, wie von Bernhardt et al. beschrieben. Die SEE-Spektren für die in Abbildung 2 gezeigten Plasmaprofile sind in Abbildung 3 dargestellt. Kurze Lücken in den HF-Übertragungen von HAARP werden verwendet, um die Ionogramme zu erstellen, die in den Einschüben in der Abbildung dargestellt sind. Das SEE stammt aus der Anregung des Plasmas sowohl in der umgebenden Ionosphäre als auch in der künstlichen Plasmaregion unterhalb der Hintergrundschicht.
Bei HAARP können die künstlichen Plasmawolken durch (1) separate Spuren in Ionogrammen und isolierten optischen Wolkenbildern , (2) verstärkte inkohärente Radarrückstreuung mit dem modularen UHF-Ionosphärenradar (MUIR) und (3) Radioszintillationen bei UHF- und L-Band-Frequenzen nachgewiesen werden. Die neueste Diagnose für künstliche Plasmawolken ist die stimulierte elektromagnetische Emission (SEE) des HF-angeregten Plasmas. Das SEE-Merkmal, das als „downshifted mass“ (DSMass) bezeichnet wird, ist um etwa 100 kHz von der HF-Pumpfrequenz abwärts verschoben, wenn eine künstliche Plasmawolke durch ein Ionogramm für HF-Übertragungen in der Nähe der vierten Kreiselharmonischen nachgewiesen wird (Abbildung 4). Die künstliche Plasmawolke ist auf der H4-Schicht gekennzeichnet, wie im Ionogramm um 04:50:05 GMT zu sehen ist.
(1) wobei sich die Pumpwelle k0 = (0, 0, k0) entlang der Magnetfeldrichtung B = (0, 0, B) ausbreitet, die Elektronen-Bernstein-Welle senkrecht zum Magnetfeld kEB = (kEB, 0, 0), der Whistler-Mode breitet sich in einer schrägen Richtung mit kWh = (-kEB, 0, k0) aus. Dieses neue SEE-Merkmal (DSMass) behält einen konstanten Offset von 110 kHz bei, wenn die HF-Pumpwellenfrequenz linear gesweept wird, bis sie abrupt 25 kHz von der anfänglichen Startfrequenz von 5,73 MHz verschwindet. Der konstante Versatz zwischen DSMass- und HF-Pumpfrequenzen steht im Einklang mit der Interpretation der parametrischen Wellen, die durch 1 gegeben ist. Das nächste Ionogramm um 04:51:05 GMT ist mit „Gone!“ gekennzeichnet, da die H4-Wolke mit der DSMass verschwunden ist.
Künstliche Plasmawolken werden durch Elektronenbeschleunigung im Bereich von Hochleistungsradiowellen erzeugt. Diese Elektronenbeschleunigung erzeugt auch verstärkte optische Emissionen, die mit bodengebundenen Bildgebern aufgezeichnet werden können. Die Ionogrammsignatur einer künstlichen Plasmawolke ist in Abbildung 5 für drittes gyroharmonisches HF-Pumpen deutlich zu erkennen. Da die Elektronenbeschleunigung für die Kollisionsionisation zur Bildung einer Plasmawolke verantwortlich ist, sollten die nachts sichtbaren optischen Emissionen auch mit bodengestützten Bildgebungsgeräten beobachtet werden.
Kameras wurden sowohl bei HAARP als auch 200 km nördlich von HAARP auf der Poker Flats Rocket Range betrieben, als die dritte gyroharmonische HF-Pumpe optische Emissionen erzeugte. Die Struktur, die direkt unter der künstlichen Ionisationswolke bei 777,4 nm (Abbildung 6a) zu sehen ist, ist in den Gesamtbildern der Wolke, die von der Seite mit einem 630,0-nm-Filter zur Aufzeichnung der roten Sauerstoffemissionen aufgenommen wurden (Abbildung 6b), nicht sichtbar. Die Seitenperspektive der optischen Wolke zeigt eine Verengung am Boden der Plasmawolke sowie ein Abfallen der Höhe nach der anfänglichen Bildung, die früher als absteigende künstliche Ionisationsschichten (DAIL) bezeichnet wurde. Die optischen Bilder zeigen, dass sich keine „Schichten“ bilden, sondern stattdessen kompakte „Ionisationswolken“ mit kleinräumigen Dichteunregelmäßigkeiten während der transienten Pencil-Beam-Sendungen mit HAARP entstehen. Bei den feinskaligen optischen Strukturen handelt es sich nicht um horizontal geschichtete Schichten, sondern um feldausgerichtete Spicules, die sich in großer Zahl bilden und in der 630-nm-Emission als optische Wolke erscheinen.
Künstliche Polarlichtwolken bieten eine ergänzende Perspektive auf die Ionisierungsproduktion. Unter Verwendung von HF-Pumpen in der Nähe der vierten Gyroharmonischen bei 5,5 MHz wurden optische Emissionen direkt bei HAARP unter der künstlichen Plasmawolke mit einer Elektronenvervielfacher-Kamera mit ladungsgekoppeltem Gerät und einem 777,4 nm-Filter für angeregten atomaren Sauerstoff aufgenommen (Abbildung 7). Die hochauflösenden Bilder des künstlichen Polarlichts zeigen Filamente, die nach dem anfänglichen Einschalten der HF nach innen kollabieren. Die detaillierte Verfolgung der Glühstrümpfe zeigt eine Bewegung mit etwa 250 m/s über das Bild hinweg. In diesem Stadium der Entwicklung der künstlichen Ionisationswolke sind die internen optischen Emissionen dynamische optische Strukturen im Subkilometerbereich. Der zeitliche Verlauf dieser Strukturen zeigt deutlich Ionisationsfronten, die sich aus zuvor gebildeten Elektronendichten speisen. Die Bilder mit großem Sichtfeld und geringer räumlicher Auflösung zeigen eine scheinbar homogene Wolke. Diese Bewegung stimmt mit allen Plasmamessungen der beiden Ionosonden überein, und die optischen Bilder deuten darauf hin, dass Keimelektronendichten erforderlich sind, um künstliche Ionisationswolken oder interne Veränderungen in diesen Wolken zu initiieren. Zunächst liefert die Hintergrund-Ionosphäre dieses Keimplasma und später sorgen interne Plasmawolken-Filamente für Plasmaerhöhungen entlang dynamischer Ionisationsproduktionsfronten.
Da ein überdichter Keim erforderlich ist, um den Zusammenbruch einzuleiten, können verstärkte Plasmaregionen nur bei Dichten aufrechterhalten werden, die unter der Dichte des Hintergrundplasmas liegen. Abbildung 8 zeigt künstliche Ionisationswolken, die bei der zweiten, dritten, vierten und sechsten Harmonischen der Elektronenzyklotronfrequenz bei 1,44 MHz erzeugt werden. Plasmawolken mit gyroharmonischen Übertragungen in der Nähe der fünften Harmonischen bei 7,2 MHz können nicht erzeugt werden, da diese Frequenz in der Mitte des Amateurfunkbandes liegt. Das letzte Ionogramm in Abbildung 8 verwendet eine Sendefrequenz von 8,58 MHz, um die dichteste Plasmawolke zu erzeugen, die jemals durch HF-Übertragungen mit HAARP aufrechterhalten wurde.
Ein Ziel der künstlichen Ionisierungsexperimente bei HAARP ist die Bildung von Plasmawolken, deren Dichte größer ist als die der Hintergrundionosphäre. Im Labor hat sich gezeigt, dass zur Aufrechterhaltung einer Plasmawolke eine geringere Leistung erforderlich ist als zur Einleitung des Zerfallsprozesses. In einigen Experimenten bei HAARP wurde versucht, Plasmawolken bei einer niedrigeren Gyroharmonischen zu initiieren und dann zur nächsten harmonischen Frequenz zu wechseln (z. B. von der dritten zur vierten Harmonischen), um die vorhandene Plasmawolke als Keim für die dichtere Plasmawolke zu verwenden. Bislang ist es mit dieser Technik nicht gelungen, Wolken mit einer höheren Dichte als der des Hintergrunds zu erzeugen.
Eine künstliche Plasmawolke könnte für die Öffnung von Kommunikations- oder Radarkanälen für die Ausbreitung über große Entfernungen zur Reflexion von Hochfrequenz (HF)-Radiowellen verwendet werden. Um ein nützlicher HF-Wellenreflektor zu sein, muss eine künstliche Ionisierung mit Dichten oberhalb der Umgebungsdichte erzeugt und die Plasmawolke aufrechterhalten werden, während die Hintergrundionosphäre nach Sonnenuntergang zerfällt. Die Bildung einer stabilen Plasmawolke mit einem Bleistiftstrahl ist nicht möglich, da die Geometrie des Strahls die Plasmabildung auf der Unterseite der Wolke begrenzt, wie in Abbildung 2 gezeigt und zuvor von Pedersen et al. und Eliasson et al. beschrieben. Die einzige derzeit bekannte Möglichkeit, einen lang anhaltenden Fleck künstlicher Ionisierung zu erzeugen, ist die Verwendung eines strukturierten Strahls. Mit der richtigen Phasenlage der HAARP-Array-Übertragungen kann ein „verdrehter Strahl“ zu einem Ringmuster mit minimaler Leistung in der Mitte geformt werden, wie von Leyser et al. bei HAARP demonstriert. Briczinski et al. haben gezeigt, dass der verdrillte HAARP-Strahl Regionen mit künstlicher Ionisierung bilden kann, obwohl das elektrische Spitzenfeld in diesem breiteren Winkelstrahl etwa 5 dB geringer ist als die Leistung eines Bleistiftstrahls bei derselben Frequenz. Die Simulationen der Pencil- und Twisted-Beams für HAARP sind als Antennengewinnmuster in Abbildung 9 dargestellt. Die Mode nullter Ordnung L = 0 bildet ein einzelnes Maximum mit einem Gewinn von 24 dB. Die L = 1-Mode erster Ordnung bildet einen Ring mit einem maximalen Gewinn von 19 dB.
Die Strahlformung niedriger Ordnung ist ein Ansatz zur Bildung einer stationären und langlebigen Plasmareflexionsfläche. Ein Faktor, der dazu führt, dass der L = 1 verdrillte Strahl erfolgreich eine lang anhaltende Plasmawolke aufrechterhält, sind die Wechselwirkungen des elektromagnetischen Feldes mit der horizontalen Ringstruktur in der Wolke. Abbildung 10 zeigt eine Simulation einer ebenen Welle, die auf eine Plasmawolke in Form eines Pfannkuchens und eine toroidale Plasmawolke trifft. Der Plasmapancake aus einem Bleistiftstrahl konzentriert alle Felder mit großen Amplituden auf den Boden des Plasmas, wo eine verstärkte Plasmaproduktion stattfindet. Der Plasmaring fokussiert einige elektrische Felder auf die Achse, den Boden und die Seiten der Wolke, um horizontale Gradienten zu bilden, die mit der Höhe nicht abnehmen. Mit dieser theoretischen Motivation wurde das HAARP-Array verwendet, um einen verdrillten Hochleistungsstrahl für die Bildung von Plasmawolken zu erzeugen
Unter Verwendung von Pencil- und Twisted-Beams wurden HAARP-Übertragungen bei 5,8 MHz nahe der vierten Gyroharmonischen durchgeführt. Der Bleistiftstrahl L = 0 erzeugte nur eine sehr geringe verstärkte Ionisierung, während der verdrillte Strahl L = 1 eine viel stärkere künstliche Ionisierung erzeugte, obwohl das elektrische Spitzenfeld um 5 dB niedriger war (Abbildung 11). Bei 5,8 MHz hat der verdrillte Strahl eine Spitzenleistung, die um 7° von der Strahlachse versetzt ist. Der Strahl wurde um 7° gegenüber der Vertikalen entlang des magnetischen Meridians gekippt, um einen Teil des Ringstrahls auf das Magnetfeld und einen anderen Teil des Strahls auf die Vertikale auszurichten. Es wurde festgestellt, dass diese Konfiguration die stärkste künstliche Ionisierung in einer festen Höhe erzeugte. Sobald sich die Plasmawolke mit dem verdrehten Strahl gebildet hatte, wurden die 5,8-MHz-Übertragungen 5 Stunden lang fortgesetzt, um die Entwicklung der Plasmawolken zu verfolgen. Abbildung 12 zeigt ein Beispiel der Ionogramme, die alle 2 Minuten aufgenommen wurden, um eine stabile Wolke in 200 km Höhe zu zeigen
Die Ionogramme der Gakona-Digisonde wurden analysiert, um ein echtes Höhenprofil der Plasmawolke zu erhalten. Beispiele für diese Profile für die ersten 3 Stunden der Anregung sind in Abbildung 13 dargestellt. Die Merkmale der künstlichen Plasmaregion sind (1) die Spitzendichte ist auf die kritische Dichte entsprechend der 5,8-MHz-Pumpe begrenzt, (2) es bilden sich doppelte Ionisationsflecken im 1,5- bis 2,0-Stunden-Segment seit Beginn der Wolke, und (3) die wahre Höhe der künstlichen Ionisationsregion bewegt sich langsam im Bereich von 170 bis 200 km Höhe. Die vierten gyroharmonischen Experimente bei 5,8 MHz mit einem L = 1 verdrillten Strahl erzeugten die am längsten anhaltende Plasmawolke, die mit HAARP beobachtet wurde. Verbleibende Plasmastrukturen während des kontinuierlichen Pumpens wurden um 05:30 GMT, 4½ Stunden nach Beginn des Experiments, optisch sichtbar. Bei diesen Strukturen handelte es sich um feldausgerichtete Spicules, die durch die HF-Übertragungen mit nur geringer Bewegung um eine Gleichgewichtslage aufrechterhalten wurden.
Dieses Phänomen, das mit dem verdrehten L-1-Strahl erzeugt wird, wird als anhaltende künstliche Ionisierungswolke (SAIC) bezeichnet, um es von den zuvor diskutierten absteigenden künstlichen Ionisierungsschichten (DAIL) zu unterscheiden. SAIC ist als Reflexionsfläche für HF-Radar- und Kommunikationsanwendungen potenziell nützlicher als DAIL. Zukünftige Modellstudien werden die Ionisationserzeugung mit der HF-Strahlformung kombinieren, um die optimale Erzeugung von Plasmawolken mit langer Dauer in einer festen Höhe zu ermöglichen.