2 Densidades mejoradas
La generación de aumentos artificiales de la densidad del plasma de electrones mediante ondas de radio de alta potencia es actualmente una capacidad única de la instalación HAARP en Alaska . Esto se debe principalmente a (1) la capacidad de potencia continua del transmisor (3,6 MW en total), (2) la mayor ganancia del conjunto de 12 × 15 elementos (30 dB a 10 MHz), y (3) la agilidad de frecuencia de rango completo del sistema HAARP (2,6 a 10 MHz). Como se mostrará más adelante, la capacidad de apuntar y formar haces del conjunto HAARP es también muy importante para producir nubes de plasma artificiales con HAARP.
Las observaciones de la ionización artificial en HAARP se basan normalmente en la reflexión de HF en las regiones de densidad crítica registradas con la ionosonda digital en Gakona. Los registros de la ionosonda muestran un crecimiento inicial de la densidad de electrones en el punto en que la frecuencia de la bomba coincide con el perfil de frecuencia del plasma existente. Esto indica que la formación de nubes de plasma artificiales requiere una ionosfera ambiental con una densidad mayor que la densidad crítica para la reflexión de la onda de bombeo de HF. En la fase inicial de la formación de la nube de plasma, se observa una firma difusa de la ionosonda y, por lo general, se observan estructuras de emisión óptica inestables con un amplio rango de dinámica.
Este proceso para la generación de la nube de plasma se ilustra en la Figura 2 para transmisiones cerca del tercer giroarmónico de la girofrecuencia del electrón sobre HAARP. La capa ambiental se ilumina con 4,325 MHz con plena potencia en el cenit magnético a partir de las 05:30 hora geomagnética (GMT) (Figura 2a). Después de aproximadamente un minuto, a las 05:31 GMT, los aumentos de ionización transitan hacia la excitación de un modo único en una resonancia giroarmónica que puede mantenerse potencialmente después del decaimiento de la ionosfera ambiental. Esto se ve como una firma aislada en los ionogramas de las figuras 2b-2d. En el caso de un haz único en forma de lápiz que utiliza la antena HAARP con una fase distribuida uniformemente por todo el conjunto, las nubes de plasma descienden en altitud. Este proceso denominado capa ionizada artificial descendente (DAIL) ha sido modelado por Eliasson et al. . La parte superior de la nube está apantallada de la HF por el plasma mejorado que se forma en la parte inferior de la nube y la recombinación/difusión elimina el plasma de la parte superior.
Una técnica de barrido de frecuencias fue desarrollada por Pedersen et al. para mantener la segunda girosonancia con las nubes de plasma a medida que descendían en altitud. Para buscar y mantener una tercera girosonancia armónica con la nube de plasma a medida que ésta desciende en altitud, la onda de HF transmitida se barre con un lento aumento de la frecuencia. A medida que la frecuencia aumenta, excita las ondas de plasma que se irradian como emisiones electromagnéticas estimuladas (SEE). Estas ondas electromagnéticas se registran en tierra con receptores digitales conectados a una banda ancha situada a 14 km del transmisor HAARP, tal y como describen Bernhardt et al. . Los espectros SEE para los perfiles de plasma mostrados en la Figura 2 se ilustran en la Figura 3. Las brechas cortas en las transmisiones de HF de HAARP se utilizan para formar los ionogramas que se muestran en los recuadros de la figura. El SEE proviene de la excitación del plasma tanto en la ionosfera ambiente como en la región de plasma artificial por debajo de la capa de fondo.
En HAARP, las nubes de plasma artificiales pueden detectarse mediante (1) rastros separados en ionogramas e imágenes de nubes ópticas aisladas , (2) la retrodispersión de radar incoherente mejorada con el Radar Ionosférico Modular UHF (MUIR) , y (3) los centelleos de radio en frecuencias de banda UHF y L . El diagnóstico más reciente de las nubes de plasma artificiales es la radiación de emisión electromagnética estimulada (SEE) del plasma excitado en HF. La característica SEE etiquetada como masa desplazada hacia abajo (DSMass) se desplaza hacia abajo unos 100 kHz desde la frecuencia de bombeo de HF cuando se detecta una nube de plasma artificial mediante un ionograma para transmisiones de HF cerca del cuarto giroarmónico (Figura 4). La nube de plasma artificial está etiquetada en la capa H4 como se ve en el ionograma a las 04:50:05 GMT.
(1) donde la onda de bombeo k0 = (0, 0, k0) se propaga a lo largo de la dirección del campo magnético B = (0, 0, B), la onda Bernstein del electrón es normal al campo magnético kEB = (kEB, 0, 0), el modo silbador se propaga en una dirección oblicua con kWh = (-kEB, 0, k0). Esta nueva característica SEE (DSMass) mantiene un desplazamiento constante de 110 kHz a medida que la frecuencia de la onda de bombeo de HF se barre linealmente hasta que desaparece abruptamente 25 kHz desde la frecuencia inicial de 5,73 MHz. El desplazamiento constante entre las frecuencias de la DSMass y de la bomba de HF es consistente con la interpretación de la onda paramétrica dada por 1. El siguiente ionograma a las 04:51:05 GMT está etiquetado como «¡Gone!» porque la nube H4 ha desaparecido con la DSMass.
Las nubes de plasma artificiales se producen por la aceleración de electrones en la región de las ondas de radio de alta potencia. Esta aceleración de electrones también produce emisiones ópticas mejoradas que pueden ser registradas con los generadores de imágenes terrestres. La firma del ionograma de una nube de plasma artificial se ve claramente en la Figura 5 para el tercer bombeo giroscópico de HF. Dado que la aceleración de electrones es responsable de la ionización por colisión para formar una nube de plasma, las emisiones ópticas visibles por la noche también deberían observarse con los generadores de imágenes en tierra.
Las cámaras fueron operadas tanto en HAARP como a 200 km al norte de HAARP en el Poker Flats Rocket Range cuando el bombeo de la tercera girofrecuencias produjo emisiones ópticas. La estructura vista directamente desde debajo de la nube de ionización artificial a 777,4 nm (Figura 6a) no es visible en las imágenes generales de la nube grabadas desde un lado con un filtro de 630,0 nm para registrar las emisiones de la línea roja del oxígeno atómico (Figura 6b). La perspectiva lateral de la nube óptica muestra un estrechamiento en la parte inferior de la nube de plasma, así como la caída en altitud después de la formación inicial que ha sido reportada previamente como capas de ionización artificial descendente (DAIL). Las imágenes ópticas muestran que no se forman «capas» sino «nubes» compactas de ionización con irregularidades de densidad a pequeña escala durante las transmisiones transitorias de haces de lápiz con HAARP. Las estructuras ópticas a escala fina no son capas estratificadas horizontalmente, sino que son espículas alineadas en el campo que se forman en gran número y que aparecen como una nube óptica en las emisiones de 630 nm.
Las nubes de aurora artificiales proporcionan una perspectiva complementaria de la producción de ionización. Utilizando el bombeo de HF cerca del cuarto giroarmónico a 5,5 MHz, se registraron las emisiones ópticas directamente en HAARP bajo la nube de plasma artificial utilizando una cámara de dispositivo de carga acoplada multiplicadora de electrones y un filtro de 777,4 nm para el oxígeno atómico excitado (Figura 7). Las imágenes de alta resolución de la aurora artificial muestran filamentos que colapsan hacia el interior tras el encendido inicial del HF. El seguimiento detallado de las características del resplandor muestra un movimiento de unos 250 m/s a través de la imagen. En esta etapa de desarrollo de la nube de ionización artificial, las emisiones ópticas internas son estructuras ópticas dinámicas subkilométricas. Una historia temporal de estas estructuras muestra claramente los frentes de ionización que se alimentan de densidades de electrones previamente formadas. Las imágenes de gran campo de visión con baja resolución espacial muestran una aparente nube homogénea. Este movimiento es consistente con todas las mediciones de plasma de ambas ionosondas, y las imágenes ópticas indican que se requieren densidades de electrones semilla para iniciar cualquier nube de ionización artificial o cambios internos en estas nubes. Inicialmente, la ionosfera de fondo proporciona este plasma semilla y, posteriormente, los filamentos de nubes de plasma internas sembrar mejoras de plasma a lo largo de los frentes dinámicos de producción de ionización.
Debido a la necesidad de una semilla sobredensa para iniciar la descomposición, las regiones de plasma realzadas sólo pueden mantenerse con densidades inferiores a la densidad del plasma de fondo. La figura 8 muestra nubes de ionización artificiales producidas en el segundo, tercer, cuarto y sexto armónico de la frecuencia del ciclotrón de electrones cerca de 1,44 MHz. Las nubes de plasma con transmisiones giroarmónicas cerca del quinto armónico a 7,2 MHz no se pueden generar porque esta frecuencia está en medio de la banda de radioaficionados. El último ionograma de la Figura 8 utiliza una frecuencia de transmisión de 8,58 MHz para producir la nube de plasma más densa jamás sostenida por transmisiones HF con HAARP.
Un objetivo de los experimentos de ionización artificial en HAARP es formar nubes de plasma con densidades mayores que la ionosfera de fondo. En el laboratorio, se ha demostrado que se necesitan menores potencias para mantener una nube de plasma que para iniciar el proceso de descomposición . Algunos experimentos en HAARP han intentado iniciar las nubes de plasma en un giroarmónico inferior y luego saltar a la siguiente frecuencia armónica (digamos pasar del tercer al cuarto armónico) para utilizar la nube de plasma existente como semilla para la nube de plasma más densa. Hasta ahora, esta técnica no ha tenido éxito en la producción de nubes con densidades más altas que el fondo.
Una nube de plasma artificial puede tener aplicaciones para abrir canales de comunicaciones o de radar para la propagación a larga distancia para la reflexión de ondas de radio de alta frecuencia (HF). Para ser un reflector de ondas HF útil, es necesario producir una ionización artificial con densidades superiores a la ambiental y sostener la nube de plasma, mientras que la ionosfera de fondo decae después de la puesta del sol. La formación de una nube de plasma estable utilizando un haz de lápiz no es posible porque la geometría del haz limita la formación de plasma en la parte inferior de la nube, como se muestra en la Figura 2 y se ha descrito previamente por Pedersen et al. , Eliasson et al. La única forma conocida actualmente de formar un parche de ionización artificial de larga duración es utilizar un haz estructurado. Con una fase adecuada de las transmisiones del conjunto HAARP, se puede formar un «haz retorcido» en un patrón anular con una potencia mínima en el centro, tal y como han demostrado en HAARP Leyser et al. Briczinski et al. han demostrado que el haz retorcido de HAARP puede formar regiones de ionización artificial a pesar de que el pico de campo eléctrico en este haz de ángulo más amplio es unos 5 dB menor que la potencia de un haz de lápiz a la misma frecuencia. Las simulaciones de los haces en forma de lápiz y trenzados para HAARP se presentan como patrones de ganancia de antena en la figura 9. El modo L = 0 de orden cero forma un único máximo con una ganancia de 24 dB. El modo de primer orden L = 1 forma un anillo con una ganancia máxima de 19 dB.
La conformación del haz de bajo orden es un enfoque para formar una superficie de reflexión de plasma que sea estacionaria y de larga duración. Un factor que hace que el haz trenzado L = 1 tenga éxito a la hora de sostener una nube de plasma de larga duración son las interacciones del campo electromagnético con la estructura de anillos horizontales en la nube. La figura 10 muestra una simulación de una onda plana incidiendo en una nube de plasma tipo pancake y en una nube de plasma toroidal. El plasma pancake de un haz de lápiz concentrará todos los campos de gran amplitud en el fondo del plasma donde se producirá una mayor producción de plasma. El anillo de plasma concentrará algunos campos eléctricos en el eje, el fondo y los lados de la nube para formar gradientes horizontales que no descienden en altitud. Con esta motivación teórica, se utilizó el conjunto HAARP para crear un haz retorcido de alta potencia para la formación de nubes de plasma
Usando tanto el haz de lápiz como el trenzado, se realizaron transmisiones HAARP a 5,8 MHz cerca del cuarto giroarmónico. El haz de lápiz L = 0 produjo muy poca ionización mejorada, pero el L = 1 trenzado produjo una ionización artificial mucho más fuerte a pesar de que el pico del campo eléctrico era 5 dB menor (Figura 11). A 5,8 MHz, el haz trenzado tiene un pico de potencia con un desplazamiento de 7° respecto al eje del haz. El haz se inclinó 7° sobre la vertical a lo largo del meridiano magnético para alinear una porción del haz anular con el campo magnético y otra porción del haz con la vertical. Se comprobó que esta configuración producía la ionización artificial más fuerte a una altitud fija. Una vez que se formó la nube de plasma con el haz retorcido, se continuaron las transmisiones de 5,8 MHz durante 5 h para seguir la evolución de las nubes de plasma. La figura 12 muestra una muestra de los ionogramas tomados cada 2 min para mostrar una nube estable a 200 km de altitud
Los ionogramas del Gakona Digisonde se analizaron para obtener un perfil de altura real de la nube de plasma. En la figura 13 se muestran muestras de estos perfiles para las primeras 3 h de excitación. Las características de la región de plasma artificial son (1) el pico de densidad se sujeta a la densidad crítica correspondiente a la bomba de 5,8 MHz, (2) se forman parches de doble ionización en el segmento de 1,5 a 2,0 h desde el inicio de la nube, y (3) la altura real de la región de ionización artificial se mueve lentamente entre 170 y 200 km de altitud. Los experimentos de la cuarta giroarmónica a 5,8 MHz con un haz trenzado L = 1 produjeron la nube de plasma sostenida más larga observada con HAARP. Las estructuras de plasma residuales durante el periodo de bombeo continuo se observaron ópticamente a las 05:30 GMT, 4½ h después del inicio del experimento. Estas estructuras eran espículas alineadas con el campo que fueron sostenidas por las transmisiones de HF con sólo un ligero movimiento alrededor de una posición de equilibrio.
Este fenómeno producido con el haz trenzado L-1 se ha denominado nube de ionización artificial sostenida (SAIC) para distinguirlo de las capas de ionización artificial descendente (DAIL) anteriormente comentadas. La SAIC es potencialmente más útil que la DAIL como superficie de reflexión para aplicaciones de radar y comunicaciones en HF. Los futuros estudios de modelos combinarán la producción de ionización con la conformación del haz de HF para ayudar a diseñar la producción óptima de nubes de plasma de larga duración a una altitud fija.