2 Enhanced Densities
La generazione di miglioramenti artificiali della densità del plasma di elettroni mediante onde radio ad alta potenza è attualmente una capacità unica dell’impianto HAARP in Alaska . Ciò è dovuto principalmente a (1) la capacità di potenza continua del trasmettitore (3,6 MW totale), (2) il più alto guadagno della matrice di 12 × 15 elementi (30 dB a 10 MHz), e (3) l’agilità di frequenza a gamma completa del sistema HAARP (2,6 a 10 MHz). Come verrà mostrato in seguito, la capacità di puntamento e formazione del fascio della matrice HAARP è anche molto importante per produrre nuvole di plasma artificiale con HAARP.
Le osservazioni della ionizzazione artificiale ad HAARP sono di solito basate sulla riflessione HF nelle regioni di densità critiche registrate con la ionosonda digitale a Gakona. Le registrazioni della ionosonda mostrano una crescita iniziale della densità degli elettroni nel punto in cui la frequenza della pompa corrisponde al profilo di frequenza del plasma esistente. Questo indica che la formazione di nubi di plasma artificiale richiede una ionosfera ambientale con una densità superiore alla densità critica per la riflessione dell’onda di pompa HF. Nella fase iniziale della formazione della nuvola di plasma, si osserva una firma diffusa ionosonda, e di solito, strutture di emissione ottica instabile sono visti con una vasta gamma di dinamiche.
Questo processo per la generazione di nuvole di plasma è illustrato nella Figura 2 per le trasmissioni vicino alla terza giroarmonica della girofrequenza dell’elettrone su HAARP. Lo strato ambientale è illuminato con 4.325 MHz con piena potenza allo zenit magnetico a partire dalle 05:30 ora geomagnetica (GMT) (Figura 2a). Dopo circa un minuto alle 05:31 GMT, i miglioramenti di ionizzazione transizione in eccitazione di un singolo modo a una risonanza giroarmonica che può potenzialmente essere mantenuta dopo il decadimento della ionosfera ambientale. Questo è visto come una firma isolata negli ionogrammi nelle figure 2b-2d. Per un singolo fascio a matita utilizzando l’antenna HAARP con fase uniformemente distribuita attraverso l’array, le nuvole di plasma scendono di quota. Questo processo chiamato strato artificiale ionizzato discendente (DAIL) è stato modellato da Eliasson et al. La parte superiore della nuvola è schermata dalla HF dal plasma potenziato che si forma sul fondo della nuvola e la ricombinazione/diffusione elimina il plasma superiore.
Una tecnica di spazzata di frequenza è stata sviluppata da Pedersen et al. per mantenere la seconda giroresonanza con le nuvole di plasma mentre scendevano di quota. Per cercare e mantenere una terza giroresonanza armonica con la nube di plasma mentre scende di quota, l’onda HF trasmessa viene spazzata con un lento aumento di frequenza. Come la frequenza aumenta, eccita le onde di plasma che reradiano come emissioni elettromagnetiche stimolate (SEE). Queste onde elettromagnetiche sono registrate a terra con ricevitori digitali collegati a una banda larga situata a 14 km dal trasmettitore HAARP come descritto da Bernhardt et al. Gli spettri SEE per i profili di plasma mostrati nella Figura 2 sono illustrati nella Figura 3. Brevi intervalli nelle trasmissioni HF da HAARP sono utilizzati per formare gli ionogrammi mostrati dagli inserti sulla figura. Il SEE deriva dall’eccitazione del plasma sia nella ionosfera ambientale che nella regione di plasma artificiale sotto lo strato di fondo.
A HAARP, le nuvole di plasma artificiale possono essere rilevate da (1) tracce separate in ionogrammi e immagini di nuvole ottiche isolate, (2) backscatter radar incoerente potenziato con il Modular UHF Ionospheric Radar (MUIR), e (3) scintillazioni radio a frequenze UHF e L band. La più recente diagnostica per le nuvole di plasma artificiale è l’emissione elettromagnetica stimolata (SEE) radiazione dal plasma eccitato HF. La caratteristica SEE etichettato come la massa downshifted (DSMass) è downshifted di circa 100 kHz dalla frequenza di pompa HF quando una nube di plasma artificiale viene rilevato da un ionogramma per trasmissioni HF vicino al quarto giroarmonico (Figura 4). La nube di plasma artificiale è etichettata allo strato H4 come si vede dallo ionogramma alle 04:50:05 GMT.
(1) dove l’onda di pompa k0 = (0, 0, k0) si propaga lungo la direzione del campo magnetico B = (0, 0, B), l’onda di Bernstein dell’elettrone è normale al campo magnetico kEB = (kEB, 0, 0), il modo whistler si propaga in una direzione obliqua con kWh = (-kEB, 0, k0). Questa nuova caratteristica SEE (DSMass) mantiene un offset costante di 110 kHz mentre la frequenza dell’onda di pompa HF viene spazzata linearmente fino a scomparire bruscamente a 25 kHz dalla frequenza iniziale di 5,73 MHz. L’offset costante tra le frequenze della pompa DSMass e HF è coerente con l’interpretazione dell’onda parametrica data da 1. Il prossimo ionogramma alle 04:51:05 GMT è etichettato “Gone!” perché la nube H4 è sparita con la DSMass.
Le nubi di plasma artificiali sono prodotte dall’accelerazione degli elettroni nella regione delle onde radio ad alta potenza. Questa accelerazione di elettroni produce anche emissioni ottiche potenziate che possono essere registrate con imager a terra. La firma ionogramma di una nuvola di plasma artificiale è chiaramente visto in Figura 5 per terzo giroarmonico pompaggio HF. Poiché l’accelerazione degli elettroni è responsabile della ionizzazione collisionale per formare una nube di plasma, le emissioni ottiche visibili di notte dovrebbero essere osservate anche con imager a terra.
Le telecamere sono state azionate sia ad HAARP che a 200 km a nord di HAARP al Poker Flats Rocket Range quando il pompaggio della terza girofonica HF ha prodotto emissioni ottiche. La struttura vista direttamente sotto la nube di ionizzazione artificiale a 777.4 nm (Figura 6a) non è visibile nelle immagini complessive della nube registrate lateralmente con un filtro a 630.0 nm per registrare le emissioni della linea rossa dell’ossigeno atomico (Figura 6b). La prospettiva laterale della nube ottica mostra un restringimento sul fondo della nube di plasma così come la caduta in quota dopo la formazione iniziale che è stata precedentemente segnalata come strati di ionizzazione artificiale discendente (DAIL). Le immagini ottiche mostrano che non si formano “strati”, ma invece “nuvole” compatte di ionizzazione con irregolarità di densità su piccola scala si formano durante le trasmissioni transitorie, a matita, con HAARP. Le strutture ottiche su piccola scala non sono strati orizzontali stratificati ma sono spicole allineate sul campo che si formano in gran numero e che appaiono come una nuvola ottica nelle emissioni a 630 nm.
Le nuvole di aurora artificiale forniscono una prospettiva complementare sulla produzione di ionizzazione. Utilizzando il pompaggio HF vicino alla quarta giroarmonica a 5,5 MHz, le emissioni ottiche sono state registrate direttamente ad HAARP sotto la nube di plasma artificiale utilizzando una telecamera con dispositivo ad accoppiamento di carica moltiplicatore di elettroni e un filtro 777,4 nm per l’ossigeno atomico eccitato (Figura 7). Le immagini ad alta risoluzione dell’aurora artificiale mostrano filamenti che collassano verso l’interno dopo l’accensione iniziale dell’HF. Il tracking dettagliato delle caratteristiche del bagliore mostra un movimento a circa 250 m/s attraverso l’immagine. In questa fase di sviluppo della nube di ionizzazione artificiale, le emissioni ottiche interne sono strutture ottiche dinamiche subchilometriche. Una storia temporale di queste strutture mostra chiaramente i fronti di ionizzazione che si nutrono di densità di elettroni precedentemente formate. Il grande campo visivo delle immagini a bassa risoluzione spaziale mostra un’apparente nube omogenea. Questo movimento è coerente con tutte le misure di plasma da entrambe le ionosonde, e le immagini ottiche indicano che sono necessarie densità di elettroni di seme per avviare qualsiasi nube di ionizzazione artificiale o cambiamenti interni in queste nubi. Inizialmente, la ionosfera di fondo fornisce questo plasma di seme e più tardi i filamenti interni delle nuvole di plasma seminano i miglioramenti del plasma lungo i fronti dinamici di produzione di ionizzazione.
A causa della necessità di un seme sovradenso per avviare la ripartizione, le regioni di plasma potenziate possono essere sostenute solo con densità inferiori alla densità del plasma di fondo. La figura 8 mostra nuvole di ionizzazione artificiale prodotte alla seconda, terza, quarta e sesta armonica della frequenza del ciclotrone elettronico vicino a 1,44 MHz. Le nuvole di plasma con trasmissioni giroarmoniche vicino alla quinta armonica a 7,2 MHz non possono essere generate perché questa frequenza è nel mezzo della banda dei radioamatori. L’ultimo ionogramma in Figura 8 utilizza una frequenza di trasmissione di 8,58 MHz per produrre la più densa nube di plasma mai sostenuta da trasmissioni HF con HAARP.
Un obiettivo degli esperimenti di ionizzazione artificiale ad HAARP è quello di formare nuvole di plasma con densità maggiori della ionosfera di fondo. In laboratorio, è stato dimostrato che sono necessarie potenze inferiori per sostenere una nube di plasma che per iniziare il processo di degradazione. Alcuni esperimenti ad HAARP hanno tentato di avviare le nuvole di plasma ad una giroarmonica più bassa e poi passare alla frequenza armonica successiva (diciamo passare dalla terza alla quarta armonica) per utilizzare la nuvola di plasma esistente come seme per la nuvola di plasma più densa. Finora, questa tecnica non ha avuto successo nel produrre nuvole con densità superiori al fondo.
Una nuvola di plasma artificiale può avere applicazioni per aprire canali di comunicazione o radar per la propagazione a lunga distanza per la riflessione delle onde radio ad alta frequenza (HF). Per essere un utile riflettore di onde HF, è necessario produrre ionizzazione artificiale con densità superiore a quella ambientale e sostenere la nube di plasma, mentre la ionosfera di fondo decade dopo il tramonto. La formazione di una nuvola di plasma stabile utilizzando un fascio a matita non è possibile perché la geometria del fascio limita la formazione di plasma sul lato inferiore della nuvola come mostrato nella Figura 2 e precedentemente descritto da Pedersen et al. , Eliasson et al. L’unico modo attualmente noto per formare una patch di lunga durata di ionizzazione artificiale è quello di utilizzare un fascio strutturato. Con una corretta fasatura delle trasmissioni dell’array HAARP, un “fascio contorto” può essere formato in un modello ad anello con una potenza minima al centro, come dimostrato ad HAARP da Leyser et al. Briczinski et al. hanno dimostrato che il fascio ritorto HAARP può formare regioni di ionizzazione artificiale anche se il campo elettrico di picco in questo fascio ad angolo più ampio è di circa 5 dB inferiore alla potenza di un fascio a matita alla stessa frequenza. Le simulazioni dei fasci a matita e ritorti per HAARP sono date come schemi di guadagno d’antenna in Figura 9. Il modo di ordine zero L = 0 forma un singolo massimo con un guadagno di 24 dB. Il modo di primo ordine L = 1 forma un anello con un guadagno massimo di 19 dB.
Il beam shaping di basso ordine è un approccio per formare una superficie di riflessione del plasma che sia stazionaria e duratura. Un fattore che rende il fascio ritorto L = 1 riuscito a sostenere una nuvola di plasma di lunga durata è l’interazione del campo elettromagnetico con la struttura ad anello orizzontale nella nuvola. La Figura 10 mostra una simulazione di un’onda piana che impatta su una nube di plasma pancake e una nube di plasma toroidale. Il plasma pancake da un fascio di matita concentrerà tutti i campi di grande ampiezza sul fondo del plasma dove si verificherà una maggiore produzione di plasma. L’anello di plasma concentrerà alcuni campi elettrici sull’asse, sul fondo e sui lati della nube per formare gradienti orizzontali che non diminuiscono in altitudine. Con questa motivazione teorica, l’array HAARP è stato utilizzato per creare un fascio ritorto ad alta potenza per la formazione di nubi di plasma
Utilizzando entrambi i fasci a matita e ritorti, le trasmissioni HAARP sono state fatte a 5,8 MHz vicino alla quarta giroarmonica. Il fascio a matita L = 0 ha prodotto una ionizzazione molto poco potenziata, ma il fascio ritorto L = 1 ha prodotto una ionizzazione artificiale molto più forte, anche se il campo elettrico di picco era 5 dB più basso (Figura 11). A 5,8 MHz, il fascio ritorto ha una potenza di picco a un offset di 7° dall’asse del fascio. Il fascio è stato inclinato a 7° sulla verticale lungo il meridiano magnetico per allineare una parte del fascio ad anello con il campo magnetico e un’altra parte del fascio con la verticale. Si è scoperto che questa configurazione ha prodotto la più forte ionizzazione artificiale ad un’altitudine fissa. Una volta che la nube di plasma si è formata con il fascio contorto, le trasmissioni 5.8 MHz sono state continuate per 5 h per seguire l’evoluzione delle nubi di plasma. La figura 12 mostra un campione degli ionogrammi presi ogni 2 min per mostrare una nube stabile a 200 km di altitudine
Gli ionogrammi dal Digisonde Gakona sono stati analizzati per dare un vero profilo di altezza della nube di plasma. Campioni di questi profili per le prime 3 ore di eccitazione sono mostrati nella Figura 13. Le caratteristiche della regione di plasma artificiale sono (1) la densità di picco è bloccato alla densità critica corrispondente alla pompa 5.8 MHz, (2) patch doppia ionizzazione formano nel segmento 1.5 a 2.0 h dall’inizio della nube, e (3) l’altezza vera della regione di ionizzazione artificiale si muove lentamente 170 a 200 km di altitudine. Gli esperimenti giroarmonici quarto a 5,8 MHz con un L = 1 fascio contorto prodotto la più lunga nuvola di plasma sostenuta osservato con HAARP. Strutture di plasma residue durante il periodo di pompaggio continuo sono state viste otticamente alle 05:30 GMT, 4½ h dopo l’inizio dell’esperimento. Queste strutture erano spicole allineate al campo che sono state sostenute dalle trasmissioni HF con solo un leggero movimento intorno a una posizione di equilibrio.
Questo fenomeno prodotto usando il fascio ritorto L-1 è stato chiamato sustained artificial ionisation cloud (SAIC) per distinguerlo dagli strati di ionizzazione artificiale discendente (DAIL) precedentemente discussi. SAIC è potenzialmente più utile di DAIL come superficie di riflessione per applicazioni radar HF e di comunicazione. I futuri studi sui modelli combineranno la produzione di ionizzazione con il beam shaping HF per aiutare a progettare la produzione ottimale di nuvole di plasma di lunga durata ad un’altitudine fissa.