2 Enhanced Densities
Generation of artificial enhancements of the electron plasma density by high power radio waves is currently a unique capability of the HAARP facility in Alaska . Ez elsősorban (1) az adó folyamatos teljesítményének (összesen 3,6 MW), (2) a 12 × 15 elemes tömb legnagyobb erősítésének (30 dB 10 MHz-en) és (3) a HAARP-rendszer teljes frekvenciatartományú mozgékonyságának (2,6-tól 10 MHz-ig) köszönhető. Amint azt később bemutatjuk, a HAARP-tömb sugárirányítási és sugáralakítási képessége szintén nagyon fontos a HAARP segítségével mesterséges plazmafelhők előállításához.
A HAARP mesterséges ionizációjának megfigyelései általában a Gakonában lévő digitális ionoszondával rögzített HF-reflexiókon alapulnak a kritikus sűrűségű régiókban. Az ionoszondás felvételek egy kezdeti elektronsűrűség-növekedést mutatnak azon a ponton, ahol a szivattyú frekvenciája megegyezik a meglévő plazma frekvenciaprofiljával. Ez azt jelzi, hogy a mesterséges plazmafelhők kialakulásához olyan környezeti ionoszférára van szükség, amelynek sűrűsége nagyobb a HF-pumpahullám visszaverődéséhez szükséges kritikus sűrűségnél. A plazmafelhő kialakulásának korai szakaszában diffúz ionoszondás szignál figyelhető meg, és általában instabil optikai emissziós struktúrák láthatók széles dinamikai tartományban.
A plazmafelhő kialakulásának ezt a folyamatát a 2. ábra szemlélteti a HAARP feletti elektron girofrekvencia harmadik giroharmonikusa közelében lévő adások esetében. A környező réteget 4,325 MHz-en, a mágneses zenitnél 05:30-kor geomágneses idő (GMT) szerint kezdődően teljes teljesítményű sugárzással világítják meg (2a. ábra). Körülbelül egy perc múlva, 05:31 GMT-kor az ionizációs erősítések átmennek egy gyroharmonikus rezonancia egyetlen módusának gerjesztésébe, amely potenciálisan fennmaradhat a környezeti ionoszféra bomlása után is. Ez a 2b-2d ábrák ionogramjain elszigetelt jelenségként látható. A HAARP-antennát használó egyetlen, ceruzasugár esetén, amelynek fázisa egyenletesen oszlik el a tömbön, a plazmafelhők magassága csökken. Ezt az ereszkedő mesterséges ionizált rétegnek (DAIL) nevezett folyamatot Eliasson és társai modellezték. A felhő tetejét a felhő alján kialakuló felerősödött plazma árnyékolja a HF-től, és a rekombináció/diffúzió megszünteti a felső plazmát.
A frekvenciasöprési technikát Pedersen és társai fejlesztették ki a második girorezonancia fenntartására a plazmafelhőkkel, ahogy azok magasságuk csökken. A harmadik harmonikus girorezonancia kereséséhez és fenntartásához a plazmafelhővel a magasság csökkenésekor a sugárzott HF-hullámot lassan emelkedő frekvenciával pásztázzák. A frekvencia növekedésével plazmahullámokat gerjeszt, amelyek stimulált elektromágneses emisszió (SEE) formájában visszasugároznak. Ezeket az elektromágneses hullámokat a földön digitális vevőkészülékekkel rögzítik, amelyek egy, a HAARP adójától 14 km-re lévő szélessávú adóhoz csatlakoznak, a Bernhardt et al. által leírtak szerint. A 2. ábrán látható plazmaprofilok SEE-spektrumát a 3. ábra szemlélteti. A HAARP HF adásaiban lévő rövid hézagokat használták fel az ábrán a betétekkel ábrázolt ionogramok kialakításához. A SEE a plazma gerjesztéséből származik mind a környező ionoszférában, mind a háttérréteg alatti mesterséges plazma tartományban.
A HAARP-nál a mesterséges plazmafelhőket (1) az ionogramokon és az elszigetelt optikai felhőképeken látható különálló nyomok , (2) a moduláris UHF ionoszféra radarral (MUIR) végzett fokozott inkoherens radar-visszaszórás , és (3) az UHF és L sávos frekvenciákon észlelhető rádiószcintillációk segítségével lehet kimutatni. A mesterséges plazmafelhők legújabb diagnosztikai eszköze a HF gerjesztett plazma stimulált elektromágneses sugárzása (SEE) . A lefelé eltolt tömegként (DSMass) megjelölt SEE jellemző a HF pumpafrekvenciához képest körülbelül 100 kHz-cel lefelé eltolódik, amikor egy mesterséges plazmafelhőt a negyedik giroharmonikus közelében lévő HF adások ionogramjával detektálnak (4. ábra). A mesterséges plazmafelhő a H4-rétegnél van jelölve, amint az a 04:50:05 GMT-kor készült ionogramon látható.
(1) ahol a pumpahullám k0 = (0, 0, k0) a mágneses tér B = (0, 0, B) iránya mentén terjed, az elektron Bernstein-hullám a mágneses térre merőleges kEB = (kEB, 0, 0), a whistler-mód ferde irányban terjed kWh = (-kEB, 0, k0). Ez az új SEE-jellemző (DSMass) állandó 110 kHz-es eltolódást tart fenn, ahogy a HF-pumpahullám frekvenciáját lineárisan söpörjük, amíg hirtelen eltűnik 25 kHz-re az 5,73 MHz-es kezdeti indulási frekvenciától. A DSMass és a HF pumpa frekvenciája közötti állandó eltolás összhangban van az 1 által adott parametrikus hullámértelmezéssel. A következő ionogram 04:51:05 GMT-kor a “Gone!” feliratot viseli, mivel a H4 felhő a DSMass-szal együtt eltűnt.
Mesterséges plazmafelhők keletkeznek elektrongyorsítással a nagy teljesítményű rádióhullámok tartományában. Ez az elektrongyorsítás fokozott optikai emissziót is produkál, amit földi képalkotókkal lehet rögzíteni. A mesterséges plazmafelhő ionogram-jelzése jól látható az 5. ábrán harmadik giroharmonikus HF-pumpálás esetén. Mivel az elektrongyorsítás felelős a plazmafelhő kialakulásához szükséges ütközéses ionizációért, az éjszaka látható optikai emissziót is meg kell figyelni a földi képalkotókkal.
Kamerákat működtettünk mind a HAARP-nál, mind a HAARP-tól 200 km-re északra, a Poker Flats Rocket Range-en, amikor a harmadik giroharmonikus HF-pumpálás optikai emissziót eredményezett. A közvetlenül a mesterséges ionizációs felhő alól 777,4 nm-en látott struktúra (6a. ábra) nem látható a teljes felhő képén, amelyet oldalról 630,0 nm-es szűrővel rögzítettek az atomos oxigén vörös vonalú emissziójának rögzítésére (6b. ábra). Az optikai felhő oldalsó perspektívájából látható egy szűkülés a plazmafelhő alján, valamint a kezdeti kialakulást követő magasságcsökkenés, amelyről korábban ereszkedő mesterséges ionizációs rétegként (DAIL) számoltak be. Az optikai képek azt mutatják, hogy nem “rétegek” képződnek, hanem kompakt ionizációs “felhők” alakulnak ki kis léptékű sűrűségi szabálytalanságokkal a HAARP átmeneti, ceruzasugaras sugárzása során. A finom léptékű optikai struktúrák nem vízszintesen rétegzett rétegek, hanem nagy számban képződő, mezőbe igazított szikesek, amelyek a 630 nm-es sugárzásban optikai felhőként jelennek meg.
A mesterséges sarki fényfelhők kiegészítő perspektívát nyújtanak az ionizációs termeléshez. Az 5,5 MHz-es negyedik gyroharmónia közelében HF pumpálással közvetlenül a HAARP-nál a mesterséges plazmafelhő alatt optikai emissziót rögzítettünk egy elektronszaporító töltéscsatolt eszközzel működő kamerával és a gerjesztett atomos oxigén 777,4 nm-es szűrőjével (7. ábra). A mesterséges sarki fény nagy felbontású képein olyan filamentumok láthatók, amelyek a kezdeti HF bekapcsolás után befelé omlanak össze. Az izzó vonások részletes követése kb. 250 m/s-os mozgást mutat a képen. A mesterséges ionizációs felhő fejlődésének ebben a szakaszában a belső optikai emissziók dinamikus szubkilométeres optikai struktúrák. E struktúrák időbeli alakulása világosan mutatja az ionizációs frontokat, amelyek a korábban kialakult elektronsűrűségeket táplálják. A nagy látómezőjű, alacsony térbeli felbontású képek látszólag homogén felhőt mutatnak. Ez a mozgás összhangban van mindkét ionoszonda összes plazmamérésével, és az optikai felvételek azt mutatják, hogy a mesterséges ionizációs felhők vagy e felhők belső változásainak elindításához magvető elektronsűrűségekre van szükség. Kezdetben a háttérionoszféra biztosítja ezt a vetőplazmát, később pedig a belső plazmafelhők szálai vetik meg a dinamikus ionizációs-termelő frontok mentén a plazmafokozásokat.
Miatt, hogy a bomlás elindításához túlsűrű magra van szükség, az erősített plazmarégiók csak a háttérplazma sűrűségénél kisebb sűrűséggel tarthatók fenn. A 8. ábra az elektronciklotron frekvenciájának második, harmadik, negyedik és hatodik felharmonikusánál, 1,44 MHz közelében előállított mesterséges ionizációs felhőket mutatja. A 7,2 MHz-nél lévő ötödik felharmonikus közelében lévő giroharmonikus adásokkal plazmafelhőket nem lehet előállítani, mert ez a frekvencia az amatőr rádiós sáv közepén van. A 8. ábra utolsó ionogramja 8,58 MHz-es adófrekvenciát használ a legsűrűbb plazmafelhő előállításához, amelyet a HAARP HF adásai valaha is fenntartottak.
A HAARP mesterséges ionizációs kísérleteinek egyik célja a háttérionoszféránál nagyobb sűrűségű plazmafelhők kialakítása. Laboratóriumban kimutatták, hogy a plazmafelhő fenntartásához kisebb teljesítményre van szükség, mint a bomlási folyamat beindításához . A HAARP egyes kísérletei során megpróbáltak plazmafelhőt indítani egy alacsonyabb giroharmonikus frekvencián, majd átugrani a következő harmonikus frekvenciára (mondjuk a harmadikról a negyedik harmonikusra lépni), hogy a meglévő plazmafelhőt a sűrűbb plazmafelhő magjaként használják. Ez a technika eddig nem volt sikeres a háttérnél nagyobb sűrűségű felhők létrehozásában.
A mesterséges plazmafelhőnek lehetnek alkalmazásai a nagyfrekvenciás (HF) rádióhullámok visszaverődésére alkalmas távközlési vagy radarcsatornák megnyitásában a nagy távolságokra történő terjedéshez. Ahhoz, hogy hasznos HF-hullámok visszaverője legyen, a környezetnél nagyobb sűrűségű mesterséges ionizációt kell előállítani, és a plazmafelhőt fenn kell tartani, miközben a háttérionoszféra napnyugta után elbomlik. Stabil plazmafelhő kialakítása ceruzasugárral nem lehetséges, mert a sugár geometriája korlátozza a plazmaképződést a felhő alján, amint azt a 2. ábra mutatja és korábban Pedersen et al. , Eliasson et al. leírták. A mesterséges ionizáció hosszú ideig tartó foltjának kialakítására jelenleg az egyetlen ismert módszer a strukturált sugár használata. A HAARP tömb adásainak megfelelő fázisaival egy “csavart sugár” alakítható ki gyűrűs mintázattá minimális teljesítményű középpontban, ahogyan azt a HAARP-nál Leyser et al. Briczinski és munkatársai kimutatták, hogy a HAARP csavart sugárnyalábja mesterséges ionizációs területeket képes kialakítani, még akkor is, ha az elektromos csúcsmező ebben a szélesebb szögű sugárban körülbelül 5 dB-lel kisebb, mint egy azonos frekvenciájú ceruzasugár teljesítménye. A HAARP ceruza- és csavart sugárnyalábok szimulációi a 9. ábrán látható antennaerősítési mintázatként szerepelnek. A nulla rendű L = 0 módus egyetlen maximumot alkot 24 dB-es erősítéssel. Az elsőrendű L = 1 módus egy gyűrűt alkot, amelynek maximális erősítése 19 dB.
A kis rendű sugár alakítása az egyik megközelítés a helyhez kötött és hosszú élettartamú plazma-visszaverődési felület kialakítására. Az egyik tényező, amely az L = 1 csavart sugárnyalábot sikeressé teszi a hosszú ideig tartó plazmafelhő fenntartásában, az elektromágneses mező kölcsönhatása a felhőben lévő vízszintes gyűrűszerkezettel. A 10. ábra egy palacsinta-plazmafelhőre és egy toroidális plazmafelhőre becsapódó síkhullám szimulációját mutatja. A ceruzasugárból származó plazmapalacsinta az összes nagy amplitúdójú mezőt a plazma aljára koncentrálja, ahol fokozott plazmatermelés következik be. A plazmagyűrű néhány elektromos mezőt a felhő tengelyére, aljára és oldalaira fog összpontosítani, hogy vízszintes gradienseket képezzen, amelyek nem csökkennek a magasságban. Ezzel az elméleti motivációval a HAARP tömböt arra használták, hogy nagy teljesítményű csavart sugárnyalábot hozzanak létre a plazmafelhő kialakításához
A HAARP sugárzást ceruza- és csavart sugarakkal is végezték 5,8 MHz-en, a negyedik gyroharmónia közelében. Az L = 0 ceruzasugár nagyon kevés fokozott ionizációt eredményezett, de az L = 1 csavart sugárzás sokkal erősebb mesterséges ionizációt eredményezett, annak ellenére, hogy az elektromos csúcsmező 5 dB-lel alacsonyabb volt (11. ábra). Az 5,8 MHz-en a csavart sugár csúcsteljesítménye a sugár tengelyétől 7°-kal eltolva van. A sugárnyalábot a függőlegeshez képest 7°-kal megdöntöttük a mágneses meridián mentén, hogy a gyűrűs sugár egy részét a mágneses mezőhöz, egy másik részét pedig a függőlegeshez igazítsuk. Megállapították, hogy ez a konfiguráció hozta létre a legerősebb mesterséges ionizációt egy rögzített magasságban. Miután a plazmafelhő kialakult a csavart sugárral, az 5,8 MHz-es adásokat 5 órán keresztül folytatták, hogy kövessék a plazmafelhő fejlődését. A 12. ábra egy mintát mutat a 2 percenként készített ionogramokból, amelyek egy stabil felhőt mutatnak 200 km magasságban
A Gakona Digisonde ionogramjait elemezték, hogy a plazmafelhő valódi magassági profilját megadják. E profilok mintái a gerjesztés első 3 órájára vonatkozóan a 13. ábrán láthatók. A mesterséges plazmarégió jellemzői a következők: (1) a csúcssűrűség az 5,8 MHz-es pumpának megfelelő kritikus sűrűséghez van szorítva, (2) kettős ionizációs foltok alakulnak ki a felhő megindulásától számított 1,5-2,0 órás szegmensben, és (3) a mesterséges ionizációs régió valódi magassága lassan mozog 170-200 km magassági tartományban. A negyedik, 5,8 MHz-en, L = 1 csavart sugárral végzett gyroharmonikus kísérletek a HAARP segítségével megfigyelt leghosszabb ideig tartó plazmafelhőt hozták létre. A folyamatos szivattyúzási időszak alatt visszamaradt plazmaszerkezeteket optikailag 05:30 GMT-kor, 4½ órával a kísérlet kezdete után lehetett látni. Ezek a struktúrák mezőbe igazított tüskék voltak, amelyeket a HF-sugárzás fenntartott, és csak kis mértékben mozogtak az egyensúlyi helyzet körül.
Az L-1 csavart sugárral létrehozott jelenséget tartós mesterséges ionizációs felhőnek (SAIC) nevezték el, hogy megkülönböztessék a korábban tárgyalt leszálló mesterséges ionizációs rétegektől (DAIL). A SAIC potenciálisan hasznosabb, mint a DAIL, mint reflexiós felület a HF radar- és kommunikációs alkalmazásokban. A jövőbeni modellvizsgálatok az ionizációs termelés és a HF-sugár alakításának kombinálásával segítik a hosszú ideig tartó plazmafelhők optimális előállításának tervezését rögzített magasságban.