2 Densités renforcées
La génération de renforcements artificiels de la densité du plasma électronique par des ondes radio de haute puissance est actuellement une capacité unique de l’installation HAARP en Alaska . Ceci est principalement dû (1) à la capacité de puissance continue de l’émetteur (3,6 MW au total), (2) au gain le plus élevé du réseau de 12 × 15 éléments (30 dB à 10 MHz), et (3) à l’agilité de la gamme complète de fréquences du système HAARP (2,6 à 10 MHz). Comme on le verra plus loin, la capacité de pointage et de formation de faisceau du réseau HAARP est également très importante pour produire des nuages de plasma artificiels avec HAARP.
Les observations de l’ionisation artificielle à HAARP sont généralement basées sur la réflexion HF aux régions de densité critique enregistrées avec l’ionosonde numérique à Gakona. Les enregistrements de l’ionosonde montrent une croissance initiale de la densité électronique au point où la fréquence de la pompe correspond au profil de fréquence du plasma existant. Cela indique que la formation de nuages de plasma artificiels nécessite une ionosphère ambiante dont la densité est supérieure à la densité critique pour la réflexion de l’onde de pompe HF. Dans la phase initiale de la formation des nuages de plasma, on observe une signature diffuse de l’ionosonde et, généralement, des structures d’émission optique instables avec une large gamme de dynamiques.
Ce processus de génération de nuages de plasma est illustré à la figure 2 pour des transmissions proches de la troisième gyroharmonique de la gyofréquence électronique au-dessus de HAARP. La couche ambiante est éclairée avec 4,325 MHz à pleine puissance au zénith magnétique à partir de 05:30 temps géomagnétique (GMT) (figure 2a). Après environ une minute à 05:31 GMT, les améliorations de l’ionisation passent à l’excitation d’un mode unique à une résonance gyroharmonique qui peut potentiellement être maintenue après la décroissance de l’ionosphère ambiante. Ceci est vu comme une signature isolée dans les ionogrammes des figures 2b-2d. Pour un faisceau unique, en forme de crayon, utilisant l’antenne HAARP avec une phase uniformément distribuée sur le réseau, les nuages de plasma baissent en altitude. Ce processus appelé couche ionisée artificielle descendante (DAIL) a été modélisé par Eliasson et al. . Le sommet du nuage est blindé contre les HF par le plasma amélioré qui se forme sur le fond du nuage et la recombinaison/diffusion élimine le plasma du dessus.
Une technique de balayage de fréquence a été développée par Pedersen et al. pour maintenir la deuxième gyrorésonance avec les nuages de plasma lorsqu’ils baissent en altitude. Pour rechercher et maintenir une gyrorésonance de troisième harmonique avec le nuage de plasma lorsqu’il descend en altitude, l’onde HF transmise est balayée avec une lente montée en fréquence. Au fur et à mesure que la fréquence augmente, elle excite des ondes de plasma qui se réémettent sous forme d’émissions électromagnétiques stimulées (EES). Ces ondes électromagnétiques sont enregistrées au sol avec des récepteurs numériques connectés à une large bande située à 14 km de l’émetteur HAARP, comme décrit par Bernhardt et al. . Les spectres SEE pour les profils de plasma présentés à la figure 2 sont illustrés à la figure 3. De courtes interruptions dans les transmissions HF de HAARP sont utilisées pour former les ionogrammes indiqués par les encarts sur la figure. Le SEE provient de l’excitation du plasma à la fois dans l’ionosphère ambiante et dans la région de plasma artificiel sous la couche de fond.
À HAARP, les nuages de plasma artificiels peuvent être détectés par (1) des traces séparées dans les ionogrammes et les images de nuages optiques isolés , (2) une rétrodiffusion radar incohérente améliorée avec le radar ionosphérique UHF modulaire (MUIR) , et (3) des scintillations radio aux fréquences UHF et de la bande L . Le diagnostic le plus récent des nuages de plasma artificiels est le rayonnement d’émission électromagnétique stimulée (SEE) du plasma excité en HF. La caractéristique d’ESE appelée masse abaissée (DSMass) est abaissée d’environ 100 kHz par rapport à la fréquence de la pompe HF lorsqu’un nuage de plasma artificiel est détecté par un ionogramme pour les transmissions HF près de la quatrième gyroharmonique (figure 4). Le nuage de plasma artificiel est étiqueté à la couche H4 comme le montre l’ionogramme à 04:50:05 GMT.
(1) où l’onde de pompe k0 = (0, 0, k0) se propage le long de la direction du champ magnétique B = (0, 0, B), l’onde de Bernstein électronique est normale au champ magnétique kEB = (kEB, 0, 0), le mode siffleur se propage dans une direction oblique avec kWh = (-kEB, 0, k0). Cette nouvelle caractéristique SEE (DSMass) maintient un décalage constant de 110 kHz lorsque la fréquence de l’onde de pompe HF est balayée linéairement jusqu’à ce qu’elle disparaisse brusquement à 25 kHz de la fréquence initiale de 5,73 MHz. Le décalage constant entre les fréquences du DSMass et de la pompe HF est cohérent avec l’interprétation de l’onde paramétrique donnée par 1. L’ionogramme suivant à 04:51:05 GMT est étiqueté « Gone ! » car le nuage H4 a disparu avec le DSMass.
Les nuages de plasma artificiels sont produits par l’accélération des électrons dans la région des ondes radio de forte puissance. Cette accélération des électrons produit également des émissions optiques renforcées qui peuvent être enregistrées avec des imageurs au sol. La signature ionographique d’un nuage de plasma artificiel est clairement visible sur la figure 5 pour un pompage HF de troisième gyroharmonique. Comme l’accélération des électrons est responsable de l’ionisation collisionnelle pour former un nuage de plasma, les émissions optiques visibles la nuit devraient également être observées avec des imageurs au sol.
Des caméras ont été exploitées à la fois à HAARP et à 200 km au nord de HAARP au Poker Flats Rocket Range lorsque le pompage HF de la troisième gyroharmonique a donné des émissions optiques. La structure vue directement sous le nuage d’ionisation artificielle à 777,4 nm (figure 6a) n’est pas visible sur les images du nuage global enregistrées de côté avec un filtre à 630,0 nm pour enregistrer les émissions de la ligne rouge de l’oxygène atomique (figure 6b). La perspective latérale du nuage optique montre un rétrécissement à la base du nuage de plasma ainsi qu’une chute d’altitude après la formation initiale qui a été précédemment rapportée comme des couches d’ionisation artificielles descendantes (DAIL). Les images optiques montrent qu’il n’y a pas de formation de « couches » mais plutôt des « nuages » compacts d’ionisation avec des irrégularités de densité à petite échelle qui se forment pendant les transmissions transitoires de faisceaux crayons avec HAARP. Les structures optiques à fine échelle ne sont pas des couches stratifiées horizontalement mais des spicules alignés sur le terrain qui se forment en grand nombre et qui apparaissent comme un nuage optique dans les émissions à 630 nm.
Les nuages d’aurores artificielles fournissent une perspective complémentaire sur la production d’ionisation. En utilisant un pompage HF proche de la quatrième gyroharmonique à 5,5 MHz, les émissions optiques ont été enregistrées directement à HAARP sous le nuage de plasma artificiel à l’aide d’une caméra à dispositif à couplage de charge multiplicateur d’électrons et d’un filtre de 777,4 nm pour l’oxygène atomique excité (figure 7). Les images à haute résolution de l’aurore artificielle montrent des filaments qui s’effondrent vers l’intérieur après l’allumage initial des HF. Le suivi détaillé des caractéristiques de la lueur montre un mouvement d’environ 250 m/s sur l’image. À ce stade de développement du nuage d’ionisation artificielle, les émissions optiques internes sont des structures optiques dynamiques subkilométriques. L’historique de ces structures montre clairement les fronts d’ionisation qui se nourrissent des densités d’électrons précédemment formées. Les images à grand champ de vision et à faible résolution spatiale montrent un nuage homogène apparent. Ce mouvement est cohérent avec toutes les mesures du plasma effectuées par les deux ionosondes, et l’imagerie optique indique que des densités d’électrons d’amorçage sont nécessaires pour initier des nuages d’ionisation artificiels ou des changements internes dans ces nuages. Initialement, l’ionosphère de fond fournit ce plasma d’ensemencement et, plus tard, des filaments de nuages de plasma internes ensemencent les améliorations du plasma le long des fronts dynamiques de production d’ionisation.
En raison de la nécessité d’une graine surdense pour initier la rupture, les régions de plasma amélioré ne peuvent être soutenues qu’avec des densités inférieures à la densité du plasma de fond. La figure 8 montre des nuages d’ionisation artificiels produits à la deuxième, troisième, quatrième et sixième harmonique de la fréquence du cyclotron électronique, près de 1,44 MHz. Il est impossible de générer des nuages de plasma avec des transmissions gyroharmoniques près de la cinquième harmonique à 7,2 MHz, car cette fréquence se trouve au milieu de la bande radioamateur. Le dernier ionogramme de la figure 8 utilise une fréquence d’émission de 8,58 MHz pour produire le nuage de plasma le plus dense jamais soutenu par des transmissions HF avec HAARP.
Un objectif des expériences d’ionisation artificielle à HAARP est de former des nuages de plasma avec des densités plus grandes que l’ionosphère de fond. En laboratoire, il a été démontré que des puissances plus faibles sont nécessaires pour entretenir un nuage de plasma que pour initier le processus de décomposition . Certaines expériences à HAARP ont tenté d’initier des nuages de plasma à une gyroharmonique inférieure, puis de passer à la fréquence harmonique suivante (par exemple, passer de la troisième à la quatrième harmonique) afin d’utiliser le nuage de plasma existant comme une graine pour le nuage de plasma plus dense. Jusqu’à présent, cette technique n’a pas réussi à produire des nuages avec des densités plus élevées que le fond.
Un nuage de plasma artificiel peut avoir des applications pour ouvrir des canaux de communication ou de radar pour la propagation à longue distance pour la réflexion des ondes radio haute fréquence (HF). Pour être un réflecteur d’ondes HF utile, il est nécessaire de produire une ionisation artificielle avec des densités supérieures à l’ambiante et de maintenir le nuage de plasma, alors que l’ionosphère de fond se désintègre après le coucher du soleil. La formation d’un nuage de plasma stable à l’aide d’un faisceau crayon n’est pas possible car la géométrie du faisceau limite la formation de plasma sur la face inférieure du nuage, comme le montre la figure 2 et comme l’ont décrit précédemment Pedersen et al. et Eliasson et al. La seule façon actuellement connue de former un patch d’ionisation artificielle de longue durée est d’utiliser un faisceau structuré. Avec une mise en phase appropriée des transmissions du réseau HAARP, un « faisceau torsadé » peut être formé en un motif annulaire avec une puissance minimale au centre, comme l’ont démontré Leyser et al. à HAARP. Briczinski et al. ont montré que le faisceau torsadé de HAARP peut former des régions d’ionisation artificielle même si le champ électrique de pointe dans ce faisceau à angle plus large est inférieur d’environ 5 dB à la puissance d’un faisceau en forme de crayon à la même fréquence. Les simulations des faisceaux crayon et torsadé pour HAARP sont données sous forme de diagrammes de gain d’antenne à la figure 9. Le mode d’ordre zéro L = 0 forme un seul maximum avec un gain de 24 dB. Le mode de premier ordre L = 1 forme un anneau avec un gain maximal de 19 dB.
La mise en forme du faisceau d’ordre inférieur est une approche pour former une surface de réflexion du plasma qui est stationnaire et de longue durée. Un facteur qui fait que le faisceau torsadé L = 1 réussit à maintenir un nuage de plasma de longue durée est les interactions du champ électromagnétique avec la structure d’anneau horizontal dans le nuage. La figure 10 montre une simulation d’une onde plane frappant un nuage de plasma en forme de galette et un nuage de plasma toroïdal. La crêpe de plasma provenant d’un faisceau crayon concentrera tous les champs de grande amplitude sur le fond du plasma, où la production de plasma sera améliorée. L’anneau de plasma concentrera certains champs électriques sur l’axe, le fond et les côtés du nuage pour former des gradients horizontaux qui ne diminuent pas en altitude. Avec cette motivation théorique, le réseau HAARP a été utilisé pour créer un faisceau torsadé de haute puissance pour la formation de nuages de plasma
En utilisant à la fois des faisceaux crayon et torsadés, des transmissions HAARP ont été effectuées à 5,8 MHz près de la quatrième gyroharmonique. Le faisceau crayon L = 0 a produit très peu d’ionisation renforcée, mais le faisceau torsadé L = 1 a produit une ionisation artificielle beaucoup plus forte, même si le champ électrique de crête était inférieur de 5 dB (figure 11). À 5,8 MHz, le faisceau torsadé présente une puissance maximale à un décalage de 7° par rapport à l’axe du faisceau. Le faisceau a été incliné de 7° par rapport à la verticale le long du méridien magnétique pour aligner une partie du faisceau annulaire avec le champ magnétique et une autre partie du faisceau avec la verticale. On a constaté que cette configuration produisait la plus forte ionisation artificielle à une altitude fixe. Une fois le nuage de plasma formé avec le faisceau torsadé, les transmissions à 5,8 MHz ont été poursuivies pendant 5 h pour suivre l’évolution des nuages de plasma. La figure 12 montre un échantillon des ionogrammes pris toutes les 2 min pour montrer un nuage stable à 200 km d’altitude
Les ionogrammes de la digisonde de Gakona ont été analysés pour donner un véritable profil de hauteur du nuage de plasma. Des échantillons de ces profils pour les 3 premières heures d’excitation sont présentés sur la figure 13. Les caractéristiques de la région de plasma artificiel sont les suivantes : (1) la densité de pointe est bloquée à la densité critique correspondant à la pompe de 5,8 MHz, (2) des plaques d’ionisation double se forment dans le segment de 1,5 à 2,0 h depuis l’initiation du nuage, et (3) la hauteur réelle de la région d’ionisation artificielle se déplace lentement de 170 à 200 km d’altitude. Les quatrièmes expériences gyroharmoniques à 5,8 MHz avec un faisceau torsadé L = 1 ont produit le nuage de plasma le plus longtemps soutenu observé avec HAARP. Les structures de plasma résiduelles pendant la période de pompage continu ont été vues optiquement à 05:30 GMT, 4½ h après le début de l’expérience. Ces structures étaient des spicules alignées sur le terrain qui ont été soutenues par les transmissions HF avec seulement un léger mouvement autour d’une position d’équilibre.
Ce phénomène produit à l’aide du faisceau torsadé L-1 a été nommé nuage d’ionisation artificiel soutenu (SAIC) pour le distinguer des couches d’ionisation artificielles descendantes (DAIL) dont on a parlé précédemment. Le SAIC est potentiellement plus utile que les DAIL comme surfaces de réflexion pour les applications de radar HF et de communications. Les futures études de modèles combineront la production d’ionisation avec la mise en forme du faisceau HF pour aider à concevoir la production optimale de nuages de plasma de longue durée à une altitude fixe.