2 Enhanced Densities
Elektroniplasman tiheyden keinotekoisten lisäysten tuottaminen suuritehoisilla radioaalloilla on tällä hetkellä Alaskassa sijaitsevan HAARP-laitoksen ainutlaatuinen kyky . Tämä johtuu ensisijaisesti (1) lähettimen jatkuvasta tehokyvystä (yhteensä 3,6 MW), (2) 12 × 15 elementtiryhmän suurimmasta vahvistuksesta (30 dB 10 MHz:n taajuudella) ja (3) HAARP-järjestelmän koko taajuusalueen ketteryydestä (2,6 – 10 MHz). Kuten myöhemmin osoitetaan, HAARP-joukon säteen kohdistus- ja säteenmuodostuskyky on erittäin tärkeä myös keinotekoisten plasmapilvien tuottamisessa HAARP:n avulla.
Havainnot keinotekoisesta ionisaatiosta HAARP:lla perustuvat yleensä Gakonan digitaalisella ionosondilla tallennettuihin HF-heijastuksiin kriittisillä tiheysalueilla. Ionosondin tallenteet osoittavat elektronitiheyden alkuvaiheen kasvun siinä vaiheessa, kun pumpputaajuus vastaa olemassa olevaa plasman taajuusprofiilia. Tämä osoittaa, että keinotekoisten plasmapilvien muodostuminen edellyttää ympäristön ionosfäärin tiheyttä, joka on suurempi kuin kriittinen tiheys HF-pumppuaallon heijastumisen kannalta. Plasmapilven muodostumisen alkuvaiheessa havaitaan diffuusi ionosondijälki, ja yleensä nähdään epästabiileja optisia emissiorakenteita, joilla on laaja dynamiikka.
Tämä plasmapilven muodostumisprosessi on havainnollistettu kuvassa 2 lähetysten osalta, jotka tapahtuvat lähellä elektronihyrrätäajuuden kolmatta hyrräharmoniaa HAARP:n yllä. Ympäröivä kerros valaistaan 4,325 MHz:n taajuudella täydellä teholla magneettisessa zeniitissä alkaen klo 05:30 geomagneettista aikaa (GMT) (kuva 2a). Noin minuutin kuluttua klo 05:31 GMT ionisaatiovahvistukset siirtyvät yhden moodin herättämiseen gyroharmonisessa resonanssissa, joka voi mahdollisesti säilyä ympäristön ionosfäärin hajoamisen jälkeen. Tämä näkyy yksittäisenä merkkinä kuvien 2b-2d ionogrammeissa. HAARP-antennia käyttävässä yksittäisessä, lyijykynän muotoisessa säteessä, jonka vaihe on tasaisesti jakautunut koko ryhmään, plasmapilvet laskevat korkeussuunnassa. Tätä prosessia, jota kutsutaan laskevaksi keinotekoiseksi ionisoiduksi kerrokseksi (DAIL, descending artificial ionized layer), ovat mallintaneet Eliasson et al. Pilven yläosaa suojaa HF:ltä tehostunut plasma, joka muodostuu pilven alaosaan, ja rekombinaatio/diffuusio poistaa yläosan plasman.
Pedersen et al. kehittivät taajuuspyyhkäisytekniikan toisen gyroresonanssin säilyttämiseksi plasmapilvien kanssa niiden korkeuden laskiessa. Kolmannen harmonisen gyroresonanssin etsimiseksi ja ylläpitämiseksi plasmapilven kanssa sen pudotessa korkeussuunnassa lähetettyä HF-aaltoa pyyhitään hitaasti nousevalla taajuudella. Taajuuden kasvaessa se herättää plasma-aaltoja, jotka säteilevät uudelleen stimuloituina sähkömagneettisina päästöinä (SEE). Nämä sähkömagneettiset aallot rekisteröidään maassa digitaalisilla vastaanottimilla, jotka on kytketty laajakaistaan, joka sijaitsee 14 kilometrin päässä HAARP-lähettimestä, kuten Bernhardt et al. kuvaavat. Kuvassa 3 esitetään kuvassa 2 esitettyjen plasmaprofiilien SEE-spektrit. Lyhyitä aukkoja HAARP:n HF-lähetyksissä on käytetty muodostamaan ionogrammit, jotka on esitetty kuvan sisäkuvissa. SEE tulee plasman heräämisestä sekä ympäröivässä ionosfäärissä että taustakerroksen alapuolella olevalla keinotekoisella plasma-alueella.
HAARP:ssa keinotekoiset plasmapilvet voidaan havaita (1) erillisinä jälkinä ionogrammeissa ja eristetyissä optisissa pilvikuvissa , (2) lisääntyneenä inkoherenttisena tutkan takaisinsirontana modulaarisella UHF-ionosfääritutkalla (MUIR) ja (3) radiosintillaatioina UHF- ja L-kaistan taajuuksilla . Uusin keinotekoisten plasmapilvien diagnostiikka on HF-herätetyn plasman stimuloitu sähkömagneettinen emissiosäteily (SEE) . SEE-ominaisuus, jota kutsutaan nimellä downshifted mass (DSMass), siirtyy noin 100 kHz:llä HF-pumpputaajuudesta, kun keinotekoinen plasmapilvi havaitaan ionogrammilla HF-lähetysten osalta lähellä neljättä gyroharmonista (kuva 4). Keinotekoinen plasmapilvi on merkitty H4-kerrokseen, joka näkyy ionogrammissa klo 04:50:05 GMT.
(1) jossa pumppuaalto k0 = (0, 0, k0) etenee magneettikentän suunnassa B = (0, 0, B), elektronin Bernsteinin aalto on magneettikenttään nähden kohtisuorassa kEB = (kEB, 0, 0), ja whistler-moodi etenee viistosti suunnassa, jossa on arvona kWh = (-kEB, 0, k0). Tämä uusi SEE-ominaisuus (DSMass) säilyttää vakiona 110 kHz:n offsetin, kun HF-pumppuaallon taajuutta pyyhkäistään lineaarisesti, kunnes se häviää äkillisesti 25 kHz:n päähän alkuperäisestä 5,73 MHz:n aloitustaajuudesta. DSMassin ja HF-pumpun taajuuksien välinen vakiooffset on yhdenmukainen parametrisen aaltotulkinnan kanssa, joka on annettu luvulla 1. Seuraava ionogrammi klo 04:51:05 GMT on merkitty ”Gone!”, koska H4-pilvi on kadonnut DSMassin mukana.
Keinotekoisia plasmapilviä tuotetaan kiihdyttämällä elektroneja suuritehoisten radioaaltojen alueella. Tämä elektronikiihdytys tuottaa myös tehostettua optista säteilyä, joka voidaan tallentaa maanpäällisillä kuvantamislaitteilla. Keinotekoisen plasmapilven ionogrammijälki näkyy selvästi kuvassa 5 kolmannen gyroharmonisen HF-pumppauksen yhteydessä. Koska elektronikiihdytys on vastuussa törmäysionisaatiosta plasmapilven muodostamiseksi, myös yöllä näkyviä optisia päästöjä pitäisi havaita maanpäällisillä kuvantamislaitteilla.
Kameroita käytettiin sekä HAARPissa että 200 km HAARPista pohjoiseen Poker Flats Rocket Range -rakettiradalla, kun kolmannen hyrräharmonian HF-pumppaus tuotti optisia päästöjä. Suoraan keinotekoisen ionisaatiopilven alapuolelta 777,4 nm:llä (kuva 6a) katsottuna rakenne ei näy pilven kokonaiskuvissa, jotka on tallennettu sivulta 630,0 nm:n suodattimella atomihapen punaisen viivan päästöjen tallentamiseksi (kuva 6b). Optisen pilven sivuperspektiivistä nähdään kapeneminen plasmapilven pohjalla sekä korkeuden lasku alkumuodostuksen jälkeen, joka on aiemmin raportoitu laskevina keinotekoisina ionisaatiokerroksina (DAIL). Optiset kuvat osoittavat, että ”kerroksia” ei muodostu, vaan kompakteja ionisaatiopilviä, joissa on pienen mittakaavan tiheyden epäsäännöllisyyksiä, muodostuu HAARP:n ohimenevien, lyijykynäsuihkulähetysten aikana. Hienojakoiset optiset rakenteet eivät ole horisontaalisesti kerrostuneita kerroksia, vaan kenttäkohdistettuja piikkejä, joita muodostuu suuria määriä ja jotka näkyvät optisena pilvenä 630 nm:n päästöissä.
Keinotekoiset revontulipilvet tarjoavat täydentävän näkökulman ionisaatiotuotantoon. Käyttämällä HF-pumppausta lähellä neljättä gyroharmonista 5,5 MHz:n taajuudella tallennettiin optisia päästöjä suoraan HAARP:ssa keinotekoisen plasmapilven alla käyttäen elektronien kerrannaisvarauskytkentäkameraa ja 777,4 nm:n suodatinta virittyneelle atomihapelle (kuva 7). Keinotekoisesta revontulista otetuissa korkean resoluution kuvissa näkyy filamentteja, jotka romahtavat sisäänpäin HF:n käynnistymisen jälkeen. Hehkujen yksityiskohtainen seuranta osoittaa liikettä noin 250 m/s kuvan poikki. Tässä keinotekoisen ionisaatiopilven kehitysvaiheessa sisäiset optiset päästöt ovat dynaamisia subkilometrin optisia rakenteita. Näiden rakenteiden aikahistoria osoittaa selvästi ionisaatiorintamat, jotka ruokkivat aiemmin muodostuneita elektronitiheyksiä. Suuren näkökentän kuvissa, joissa on alhainen spatiaalinen resoluutio, näkyy näennäisesti homogeeninen pilvi. Tämä liike on yhdenmukainen molempien ionosondien kaikkien plasmamittausten kanssa, ja optiset kuvat osoittavat, että keinotekoisten ionisaatiopilvien tai näiden pilvien sisäisten muutosten käynnistämiseen tarvitaan siemenelektronitiheyksiä. Aluksi taustaionosfääri tuottaa tämän siemenplasman, ja myöhemmin sisäiset plasmapilvifilamentit synnyttävät plasman lisäyksiä dynaamisia ionisaatiotuotantorintamia pitkin.
Koska hajoamisen käynnistämiseen tarvitaan ylitiheä siemen, tehostetut plasma-alueet voivat säilyä vain tiheyksillä, jotka ovat pienempiä kuin taustaplasman tiheys. Kuvassa 8 on esitetty keinotekoisia ionisaatiopilviä, jotka on tuotettu elektronisyklotronitaajuuden toisella, kolmannella, neljännellä ja kuudennella harmonisella taajuudella lähellä 1,44 MHz:n taajuutta. Plasmapilviä gyroharmonilähetyksillä lähellä viidettä harmonista 7,2 MHz:n taajuudella ei voida tuottaa, koska tämä taajuus on keskellä radioamatööritaajuutta. Kuvan 8 viimeisessä ionogrammissa käytetään 8,58 MHz:n lähetystaajuutta, joka tuottaa tiheimmän plasmapilven, jota HAARPin HF-lähetykset ovat koskaan ylläpitäneet.
Yksi HAARP:n keinotekoisten ionisaatiokokeilujen tavoitteeksi on asetettu plasmapilvien muodostaminen tiheydeltään suuremmiksi kuin tausta-ionosfääri. Laboratoriossa on osoitettu, että plasmapilven ylläpitämiseen tarvitaan pienempiä tehoja kuin hajoamisprosessin käynnistämiseen . Joissakin HAARP:n kokeissa on yritetty käynnistää plasmapilviä alemmalla gyroharmonisella taajuudella ja siirtyä sitten seuraavalle harmoniselle taajuudelle (esimerkiksi siirtyä kolmannesta harmonisesta taajuudesta neljänteen harmoniseen taajuuteen), jotta olemassa olevaa plasmapilveä voitaisiin käyttää siemenenä tiheämmälle plasmapilvelle. Tähän mennessä tämä tekniikka ei ole onnistunut tuottamaan pilviä, joiden tiheys on suurempi kuin taustan.
Keinotekoisella plasmapilvellä voi olla sovelluksia tietoliikenne- tai tutkakanavien avaamiseen pitkien etäisyyksien etenemistä varten korkeataajuisten (HF) radioaaltojen heijastamista varten. Ollakseen käyttökelpoinen HF-aaltojen heijastin on tuotettava keinotekoinen ionisaatio, jonka tiheydet ovat ympäristön tiheyksiä suuremmat, ja ylläpidettävä plasmapilveä, kun taas taustaionosfääri hajoaa auringonlaskun jälkeen. Vakaan plasmapilven muodostaminen kynäsäteen avulla ei ole mahdollista, koska säteen geometria rajoittaa plasman muodostumista pilven alapuolelle, kuten kuvassa 2 on esitetty ja aiemmin kuvattu Pedersen et al. , Eliasson et al. . Ainoa tällä hetkellä tunnettu tapa muodostaa pitkäkestoinen keinotekoisen ionisaation laikku on käyttää strukturoitua sädettä. Kun HAARP-joukon lähetykset vaiheistetaan oikein, ”kierretty säde” voidaan muodostaa rengaskuvioksi, jonka keskellä on mahdollisimman vähän tehoa, kuten Leyser et al. osoittivat HAARPissa. Briczinski et al. ovat osoittaneet, että HAARP:n kierretty säde voi muodostaa keinotekoisen ionisaation alueita, vaikka tämän laajakulmaisen säteen sähkökentän huippuarvo on noin 5 dB pienempi kuin samalla taajuudella toimivan kynäsäteen teho. HAARPin kynä- ja kierrettyjen säteiden simuloinnit on esitetty antennin vahvistuskuvioina kuvassa 9. Nollamoodi L = 0 muodostaa yhden maksimin, jonka vahvistus on 24 dB. Ensimmäisen kertaluvun L = 1-moodi muodostaa renkaan, jonka maksimivahvistus on 19 dB.
Matalan kertaluvun säteenmuodostus (low-order beam shaping) on eräs menetelmä, jonka avulla voidaan muodostaa paikallaan pysyvää ja pitkäkestoista plasmaa heijastava pinta. Yksi tekijä, joka tekee L = 1 kierretyn säteen menestyksekkääksi pitkäkestoisen plasmapilven ylläpitämisessä, on sähkömagneettisen kentän vuorovaikutukset pilvessä olevan horisontaalisen rengasrakenteen kanssa. Kuvassa 10 esitetään simulaatio tasoaallon osumisesta pannukakku-plasmapilveen ja toroidiplasmapilveen. Kynäsäteen aiheuttama plasmapannukakku keskittää kaikki suuren amplitudin kentät plasman pohjalle, jossa tapahtuu tehostettua plasmatuotantoa. Plasmarengas keskittää osan sähkökentistä pilven akselille, pohjalle ja sivuille muodostaen vaakasuoria gradientteja, jotka eivät laske korkeudessa. Tällä teoreettisella motivaatiolla HAARP-joukkoa käytettiin luomaan suuritehoinen kierretty säde plasmapilven muodostusta varten
Käyttämällä sekä kynä- että kierrettyjä säteitä HAARP-lähetykset tehtiin 5,8 MHz:n taajuudella lähellä neljättä gyroharmonista. L = 0 kynäsäde tuotti hyvin vähän tehostettua ionisaatiota, mutta L = 1 kierretty säde tuotti paljon voimakkaampaa keinotekoista ionisaatiota, vaikka huippusähkökenttä oli 5 dB pienempi (kuva 11). 5,8 MHz:n taajuudella kierretyn säteen huipputeho on 7°:n etäisyydellä säteen akselista. Sädettä kallistettiin 7° pystysuoraan nähden magneettisen meridiaanin suuntaisesti, jotta osa rengassäteestä kohdistui magneettikenttään ja toinen osa pystysuoraan. Todettiin, että tämä konfiguraatio tuotti voimakkaimman keinotekoisen ionisaation kiinteällä korkeudella. Kun plasmapilvi oli muodostunut kierretyn säteen avulla, 5,8 MHz:n lähetyksiä jatkettiin 5 tunnin ajan plasmapilven kehityksen seuraamiseksi. Kuvassa 12 on esimerkki 2 minuutin välein otetuista ionogrammeista, joista näkyy vakaa pilvi 200 km:n korkeudessa
Gakona-digisondin ionogrammit analysoitiin plasmapilven todellisen korkeusprofiilin saamiseksi. Näytteet näistä profiileista 3 ensimmäisen tunnin herätyksen ajalta on esitetty kuvassa 13. Keinotekoisen plasma-alueen ominaispiirteet ovat seuraavat: (1) huipputiheys on puristettu kriittiseen tiheyteen, joka vastaa 5,8 MHz:n pumppua, (2) kaksoisionisaatiolaikkuja muodostuu 1,5-2,0 h:n segmentissä pilven käynnistymisestä lähtien, ja (3) keinotekoisen ionisaatioalueen todellinen korkeus liikkuu hitaasti 170-200 km:n korkeusalueella. Neljännet gyroharmoniset kokeet 5,8 MHz:n taajuudella L = 1 -kierteisellä säteellä tuottivat pisimpään jatkuneen plasmapilven, joka on havaittu HAARPin avulla. Jatkuvan pumppausjakson aikana jäljelle jääneet plasmarakenteet nähtiin optisesti klo 05:30 GMT, 4½ tuntia kokeen alkamisen jälkeen. Nämä rakenteet olivat kentän suuntaisia piikkejä, joita HF-lähetykset pitivät yllä vain vähäisellä liikkeellä tasapainoasennosta.
Tämä ilmiö, joka tuotetaan L-1-kierretyn säteen avulla, on nimetty ylläpidettäväksi keinotekoiseksi ionisaatiopilveksi (sustained artificial ionization cloud, SAIC), jotta se voitaisiin erottaa aiemmin käsitellyistä laskeutuvista keinotekoisista ionisaatiokerroksista (descending artificial ionization layers, DAIL). SAIC on mahdollisesti hyödyllisempi kuin DAIL heijastuspintoina HF-tutka- ja tietoliikennesovelluksissa. Tulevissa mallitutkimuksissa yhdistetään ionisaatiotuotanto ja HF-säteen muotoilu, mikä auttaa suunnittelemaan pitkäkestoisten plasmapilvien optimaalista tuotantoa kiinteässä korkeudessa.