2 Enhanced Densities
高出力電波による電子プラズマ密度の人工強化は現在アラスカのHAARP施設独自の能力である … 。 これは主に、（1）送信機の連続出力能力（合計3.6MW）、（2）12×15素子アレイの最高利得（10MHzで30dB）、（3）HAARPシステムの全周波数範囲（2.6～10MHz）の機敏さ、によるものである。 後述するように、HAARPで人工プラズマ雲を生成するためには、HAARPアレイのビーム指向性、ビーム形成能力も非常に重要である。
HAARPでの人工電離の観測は、通常、ガコナのデジタルイオンゾンデで記録された臨界密度領域での高周波反射に基づいて行われます。 イオノゾンデの記録では、ポンプ周波数が既存のプラズマ周波数プロファイルと一致した時点で、初期の電子密度成長が見られます。 このことは、人工的なプラズマ雲の形成には、高周波ポンプ波の反射のための臨界密度以上の周囲の電離層が必要であることを示しています。 プラズマ雲形成の初期段階では、拡散したイオノゾンデ信号が観測され、通常、幅広いダイナミクスを持つ不安定な発光構造が見られる。
このプラズマ雲生成のプロセスを、HAARP上の電子ジャイロ周波数の第3ジャイロハーモニー付近の送信について図2に示す。 アンビエント層は、地磁気時間（GMT）05:30から磁気天頂でフルパワーで4.325MHzを照射している（図2a）。 05:31 GMTから約1分後、電離強化はジャイロハーモニック共鳴での単一モードの励起に移行し、周囲の電離層の減衰後も維持される可能性がある。 これは、図2b-2dのイオノグラムで孤立したシグネチャとして確認されています。 HAARPアンテナを用いた単一のペンシルビームの場合、アレイ全体の位相が均一であるため、プラズマ雲は高度を下げていきます。 この過程は下降型人工電離層(DAIL)と呼ばれ、Eliasson et al.によってモデル化されている。 雲の上部は、雲の下部に形成される強化プラズマによって高周波から遮蔽され、再結合・拡散によって上部のプラズマは排除される。
高度が下がってもプラズマ雲で第2ジャイロレゾナンスを維持するためにPedersenらによって周波数掃引技術が開発された。 高度が下がるにつれてプラズマ雲との第3高調波ジャイロレゾナンスを探索し維持するために、送信された高周波はゆっくりと周波数を上昇させながら掃引される。 周波数が高くなるとプラズマ波が励起され、誘導電磁放射（SEE）として再放出される。 これらの電磁波は、Bernhardtらの論文にあるように、HAARP送信機から14km離れた広帯域に接続されたデジタル受信機で地上で記録される。 図2に示したプラズマプロファイルのSEEスペクトルを図3に示します。 HAARPからの高周波伝送の短いギャップを利用して、図中の挿入図で示すようなイオノグラムを形成しています。 SEEは、周囲の電離層と背景層下の人工プラズマ領域の両方でプラズマが励起されることによって生じる。
HAARPでは、人工プラズマ雲は、（1）イオノグラムや孤立した光学雲の画像における個別の痕跡、（2）モジュラーUHF電離層レーダー（MUIR）によるインコヒーレントレーダーの後方散乱強化、（3）UHFおよびLバンド周波数における電波シンチレーションによって検出することができる。 人工プラズマ雲の最新の診断法として、高周波励起プラズマからの誘導放出電磁波（SEE）放射があります。 図4は、第4ジャイロハーモニック付近の高周波送信のイオノグラムで人工プラズマ雲が検出された場合、ダウンシフトマス（DSMass）と呼ばれるSEE特徴が高周波ポンプ周波数から約100 kHzダウンシフトされたものである。 人工プラズマ雲は、04:50:05GMTのイオノグラムで見られるように、H4レイヤーにラベル付けされています。
(1) ここでポンプ波 k0 = (0, 0, k0) は磁場方向 B = (0, 0, B) に沿って伝搬し、電子バーンスタイン波は磁場に垂直 kEB = (kEB, 0, 0) 、ホイッスルモードは kWh = (-kEB, 0, k0) と斜め方向に伝搬しています。 この新しいSEE機能（DSMass）は、高周波ポンプ波の周波数を直線的に掃引すると、最初の開始周波数である5.73 MHzから25 kHzで突然消滅するまで、110 kHzのオフセットを一定に保つ。 DSMassと高周波ポンプの周波数のオフセットが一定であることは、1によって与えられるパラメトリック波の解釈と一致します。 次の04時51分05秒のイオノグラムは、H4雲がDSMassと共に消滅したため、”Gone!”とラベルされています。
人工のプラズマ雲は、高出力電波の領域で電子が加速されることで発生します。 この電子加速により、光放射が増強され、地上の画像処理装置で記録することができます。 第3ジャイロハーモニックHF励起の図5には、人工プラズマ雲のイオノグラムシグネチャーがはっきりと現れている。 電子加速はプラズマ雲を形成する衝突電離の役割を果たすので、夜間に見える光放射も地上のイメージャーで観測されるはずです。
HAARPとHAARPの北200kmにあるポーカーフラッツ・ロケットレンジの両方で、第3ジャイロハーモニックHF励起で光学放射が得られたときにカメラを作動させた。 777.4nmの人工電離雲の真下から見た構造（図6a）は、原子状酸素の赤線発光を記録するために630.0nmのフィルターを使って側面から記録した雲全体の画像（図6b）では見えません。 光学的な雲の側面から見ると、これまで下降型人工電離層 (DAIL) として報告されてきた、プラズマ雲の底が狭くなり、初期形成後に高度が下がっている様子がわかります。 この光学画像は、HAARPのペンシルビーム伝送の際に、「層」が形成されるのではなく、小規模な密度の不規則性を持つコンパクトな電離の「雲」が形成されることを示しています。 この微細な光学構造は、水平方向に成層した層ではなく、電界整列したスピキュールが多数形成され、630nmの発光で光学雲として見える。
人工オーロラ雲は、電離生成の補足的な視点を提供する。 5.5MHzの第4ジャイロハーモニック付近のHF励起を用い、電子増倍型電荷結合素子カメラと励起原子状酸素用の777.4nmフィルターを用いて、人工プラズマ雲の下のHAARPで直接光学放射を記録した(図7)。 人工オーロラの高解像度画像は、最初の高周波点灯後に内側に倒れるフィラメントを示す。 光輝の特徴を詳細に追跡すると、画像全体で約250 m/sの速度で運動していることがわかります。 人工電離層雲の現段階では、内部の光放射はサブキロメートルの動的な光学構造となっています。 これらの構造の時刻歴は、以前に形成された電子密度を餌とする電離フロントを明確に示しています。 低空間分解能の大視野画像では、見かけ上、均質な雲が形成されていることがわかります。 この動きは、両方のイオノゾンデからのすべてのプラズマ測定と一致しており、光学画像は、人工的な電離雲やこれらの雲の内部変化を開始するために、種電子密度が必要であることを示しています。 当初は背景の電離層がこの種プラズマを提供し、後に内部プラズマ雲のフィラメントが動的な電離生成前線に沿ってプラズマを強化することがわかった。
絶縁破壊を起こすには過密な種が必要なため、背景プラズマの密度より低い密度でなければ増強されたプラズマ領域は維持できません。 図8は、1.44MHz付近の電子サイクロトロン周波数の第2、第3、第4、第6高調波で生成された人工電離雲を示す。 7.2MHzの第5高調波付近のジャイロハーモニック送信によるプラズマ雲は、この周波数がアマチュア無線帯の真ん中にあるため、生成できないのです。 図8の最後のイオノグラムは、送信周波数8.58MHzを使用し、HAARPのHF送信によって持続的に発生する最も高密度のプラズマ雲を生成しています。
HAARP における人工電離実験の一つの目的は背景電離圏より大きな密度を持つプラズマ雲が形成されていることである。 実験室では、プラズマ雲を維持するためには、破壊プロセスを開始するよりも低い出力が必要であることが示されている。 HAARPのいくつかの実験では、より低いジャイロハーモニックでプラズマ雲を開始し、次のハーモニック周波数にホップして（例えば第3から第4ハーモニックにステップ）既存のプラズマ雲をより高い密度のプラズマ雲のための種として使用しようと試みている。 これまでのところ、この技術は、バックグラウンドより高い密度を持つ雲を生成することに成功していない。
人工プラズマ雲は、高周波（HF）電波の反射のための長距離伝搬のための通信またはレーダーチャンネルを開くための応用が考えられる。 HF電波の有用な反射器となるためには、背景の電離層が日没後に減衰する一方で、周囲を上回る密度で人工的に電離を生成し、プラズマ雲を持続させる必要がある。 ペンシルビームを用いた安定したプラズマ雲の形成は、図2に示すように、ビームの形状がプラズマ雲の下側でのプラズマ形成を制限するため不可能であり、PedersenらやEliassonらによって既に説明されている。 人工電離の長時間パッチを形成するために現在知られている唯一の方法は、構造化ビームを使用することである。 HAARPアレイの送信の適切な位相調整により、LeyserらによってHAARPで実証されたように、「ツイストビーム」は中心が最小出力で環状パターンに形成することができる。 Briczinski らは、この広角ビームのピーク電界が同じ周波数のペンシルビームのパワーより 5 dB ほど小さいにもかかわらず、HAARP のツイストビームが人工電離の領域を形成できることを示している。 HAARPのペンシルビームとツイストビームのシミュレーションは、図9のアンテナ利得パターンで示されている。 ゼロ次L=0モードは24dBの利得で単一の最大値を形成している。 1次のL=1モードはリングを形成し、最大利得は19dBである。
Low-order beam shaping is one approach for forming a plasma reflection surface that is stationary and long-lived.HF array mode.L = 0モードは、プラズマの中心から方位角を整数倍した位相に相当。 L=1ツイストビームが長時間のプラズマ雲を維持することに成功している要因の一つは、雲中の水平リング構造との電磁場相互作用である。 図10は、パンケーキ型プラズマ雲とトロイダル型プラズマ雲に平面波を入射したときのシミュレーションです。 ペンシルビームによるプラズマパンケーキは、すべての大振幅磁場をプラズマの底に集中させ、そこでプラズマ生成が促進されます。 一方、プラズマリングは、プラズマ雲の軸、底、側面に電場を集中させ、高度が下がらない水平勾配を形成します。 この理論的動機から、HAARPアレイを使用して、プラズマ雲形成のための高出力ツイストビーム
ペンシルビームとツイストビームの両方を用いて、第4ジャイロハーモニックに近い5.8MHzでHAARP伝送が行われた。 L=0のペンシルビームはほとんど電離を促進しなかったが、L=1のツイストビームはピーク電界が5dB低いにもかかわらず、かなり強い人工電離を発生させた（図11）。 5.8 MHzでは、ツイストビームはビーム軸から7°オフセットしたところにピークパワーを持つ。 リングビームの一部を磁場に、もう一部を垂直に沿わせるため、ビームは磁気子午線に沿って垂直方向に対して7°傾けることができた。 この構成が一定の高度で最も強い人工電離をもたらすことがわかった。 ねじれたビームでプラズマ雲が形成されると、5.8MHzの送信を5時間続け、プラズマ雲の進化を追った。 図12は、高度200kmの安定した雲を示す2分ごとのイオノグラムのサンプルです
ガコナデジソンデからのイオノグラムを解析して、プラズマ雲の真の高さプロファイルを得た。 最初の3時間の励起のためのこれらのプロファイルのサンプルを図13に示す。 人工プラズマ領域の特徴は、（1）ピーク密度が5.8MHzのポンプに対応する臨界密度に固定されている、（2）雲が発生してから1.5〜2.0時間の区間に二重電離パッチが形成されている、（3）人工電離領域の真の高さが高度170〜200kmの範囲でゆっくりと移動している、であった。 L=1のツイストビームを用いた5.8MHzの第4回ジャイロハーモニック実験では、HAARPで観測された中で最も長いプラズマ雲の持続が観測されました。 連続ポンピング期間中の残留プラズマ構造は、実験開始から4時間半後の05:30GMTに光学的に確認された。 これらの構造は、フィールドに整列したスピキュールであり、高周波伝送によって、平衡位置に対してわずかな動きしかしない状態で維持された。
L-1ツイストビームを用いたこの現象は、先に述べた下降型人工電離層（DAIL）と区別して、持続型人工電離雲（SAIC）と名付けられています。 SAICはDAILよりもHFレーダーや通信の反射面として有用である可能性がある。 今後のモデル研究では、電離生成とHFビーム整形を組み合わせ、一定高度での長時間プラズマ雲の最適な生成の設計に役立てる予定である。