2 Verhoogde dichtheden
Het genereren van kunstmatige verhogingen van de elektronenplasmadichtheid door hoogvermogen radiogolven is momenteel een unieke mogelijkheid van de HAARP-faciliteit in Alaska . Dit is in de eerste plaats te danken aan (1) het continue vermogen van de zender (3,6 MW totaal), (2) de hoogste versterking van de array van 12 × 15 elementen (30 dB bij 10 MHz), en (3) de frequentiebeweeglijkheid van het HAARP-systeem over het gehele bereik (2,6 tot 10 MHz). Zoals later zal worden aangetoond, is het vermogen van de HAARP-array om stralen te richten en te vormen ook van groot belang voor het produceren van kunstmatige plasmawolken met HAARP.
Observaties van kunstmatige ionisatie bij HAARP zijn gewoonlijk gebaseerd op HF-reflectie bij de kritische dichtheidsgebieden die zijn opgenomen met de digitale ionosonde bij Gakona. De ionosonde registraties laten een initiële groei van de elektronendichtheid zien op het punt dat de pompfrequentie overeenkomt met het bestaande plasmafrequentieprofiel. Dit wijst erop dat voor de vorming van kunstmatige plasmawolken een omgevingsionosfeer nodig is met een dichtheid die groter is dan de kritische dichtheid voor weerkaatsing van de HF-pompgolf. In de vroege fase van de plasmawolkvorming wordt een diffuse ionosonde-signatuur waargenomen, en gewoonlijk worden onstabiele optische emissiestructuren gezien met een breed bereik van dynamiek.
Dit proces voor plasmawolkvorming wordt geïllustreerd in figuur 2 voor transmissies nabij de derde gyroharmonie van de elektronengyrofrequentie boven HAARP. De omgevingslaag wordt belicht met 4,325 MHz met vol vermogen op het magnetische zenit vanaf 05:30 geomagnetische tijd (GMT) (figuur 2a). Na ongeveer een minuut om 05:31 GMT gaan de ionisatieverhogingen over in excitatie van een enkele modus bij een gyroharmonische resonantie die mogelijk gehandhaafd blijft na het verval van de omgevingsionosfeer. Dit is te zien als een geïsoleerde signatuur in de ionogrammen in de figuren 2b-2d. Voor een enkele, potloodstraal met de HAARP-antenne met gelijkmatig verdeelde fase over de array, dalen de plasmawolken in hoogte. Dit proces, dat de dalende kunstmatige geïoniseerde laag (DAIL) wordt genoemd, is gemodelleerd door Eliasson et al. De bovenkant van de wolk wordt afgeschermd van het HF door versterkt plasma dat wordt gevormd aan de onderkant van de wolk en recombinatie/diffusie elimineert het plasma aan de bovenkant.
Een frequentie sweeping techniek werd ontwikkeld door Pedersen et al. voor het handhaven van de tweede gyroresonantie met de plasma wolken als ze daalden in hoogte. Om een derde harmonische gyroresonantie met de plasmawolk te zoeken en te handhaven als deze in hoogte daalt, wordt de uitgezonden HF-golf met een langzame frequentiestijging geswitched. Naarmate de frequentie toeneemt, wekt zij plasmagolven op die opnieuw uitstralen als gestimuleerde elektromagnetische emissies (SEE). Deze elektromagnetische golven worden op de grond geregistreerd met digitale ontvangers die zijn aangesloten op een breedband die zich op 14 km van de HAARP-zender bevindt, zoals beschreven door Bernhardt et al. De SEE-spectra voor de plasmaprofielen van figuur 2 zijn afgebeeld in figuur 3. Korte hiaten in de HF-transmissies van HAARP worden gebruikt om de ionogrammen te vormen die door de inzetstukken in de figuur worden getoond. Het ZEE is afkomstig van excitatie van het plasma zowel in de omringende ionosfeer als in het kunstmatige plasmagebied onder de achtergrondlaag.
Bij HAARP kunnen de kunstmatige plasmawolken worden opgespoord door (1) afzonderlijke sporen in ionogrammen en geïsoleerde optische wolkenbeelden , (2) versterkte incoherente radarbackscatter met de Modular UHF Ionospheric Radar (MUIR) , en (3) radioscintillaties op UHF- en L-bandfrequenties . De nieuwste diagnose voor kunstmatige plasmawolken is gestimuleerde elektromagnetische emissie (SEE) straling van het HF aangeslagen plasma . Het ZEE-kenmerk dat wordt aangeduid als de gedownshifte massa (DSMass) wordt ongeveer 100 kHz gedownshift ten opzichte van de HF-pompfrequentie wanneer een kunstmatige plasmawolk wordt gedetecteerd door een ionogram voor HF-uitzendingen in de buurt van de vierde gyroharmonie (figuur 4). De kunstmatige plasmawolk is gelabeld op de H4-laag zoals te zien is op het ionogram om 04:50:05 GMT.
(1) waarbij de pompgolf k0 = (0, 0, k0) zich voortplant langs de magnetische veldrichting B = (0, 0, B), de elektron Bernstein golf normaal is aan het magnetische veld kEB = (kEB, 0, 0), de fluitermodus zich voortplant in een schuine richting met kWh = (-kEB, 0, k0). Deze nieuwe ZEE-functie (DSMass) behoudt een constante afwijking van 110 kHz naarmate de HF-pompgolffrequentie lineair wordt verschoven tot zij abrupt verdwijnt 25 kHz vanaf de aanvankelijke startfrequentie van 5,73 MHz. De constante verschuiving tussen de DSMass- en de HF-pompfrequenties komt overeen met de parametrische golfinterpretatie gegeven door 1. Het volgende ionogram om 04:51:05 GMT is gelabeld als “Gone!” omdat de H4-wolk met de DSMass is verdwenen.
Kunstmatige plasmawolken worden geproduceerd door elektronenversnelling in het gebied van hoog vermogen radiogolven. Deze elektronenversnelling produceert ook versterkte optische emissies die kunnen worden geregistreerd met beeldvormers op de grond. De ionogramtekening van een kunstmatige plasmawolk is duidelijk te zien in figuur 5 voor derde gyroharmonische HF-pomping. Aangezien elektronenversnelling verantwoordelijk is voor botsingsionisatie om een plasmawolk te vormen, moeten optische emissies die ’s nachts zichtbaar zijn, ook met beeldvormers op de grond worden waargenomen.
Camera’s werden bediend bij zowel HAARP als 200 km ten noorden van HAARP op de Poker Flats Rocket Range wanneer derde gyroharmonische HF-pomping optische emissies opleverde. De structuur, gezien van direct onder de kunstmatige ionisatiewolk bij 777,4 nm (figuur 6a), is niet zichtbaar in de totale wolkenbeelden die van opzij zijn opgenomen met een 630,0 nm filter om atomaire zuurstof-rode lijn-emissies te registreren (figuur 6b). Het zijperspectief van de optische wolk toont een vernauwing aan de onderkant van de plasmawolk, alsmede een daling in hoogte na de initiële vorming die eerder is gerapporteerd als aflopende kunstmatige ionisatielagen (DAIL). De optische beelden laten zien dat er geen “lagen” worden gevormd, maar dat er in plaats daarvan compacte “wolken” van ionisatie met kleinschalige onregelmatigheden in dichtheid worden gevormd tijdens transiënte, potloodstraal transmissies met HAARP. De fijnschalige optische structuren zijn geen horizontaal gelaagde lagen, maar zijn veldgelijnde spicules die zich in grote aantallen vormen en als een optische wolk verschijnen in 630 nm-emissies.
Kunstmatige noorderlicht wolken geven een aanvullend perspectief op de ionisatie productie. Met behulp van HF-pomping in de buurt van de vierde gyroharmonie op 5,5 MHz, werden de optische emissies rechtstreeks bij HAARP onder de kunstmatige plasmawolk geregistreerd met behulp van een elektronvermenigvuldigingscamera met ladinggekoppelde apparatuur en een 777,4 nm filter voor aangeslagen atomair zuurstof (figuur 7). De hoge-resolutiebeelden van het kunstmatige noorderlicht tonen filamenten die in elkaar storten na de initiële HF-inschakeling. Het gedetailleerd volgen van de gloeifiguren toont beweging met ongeveer 250 m/s over het beeld. In dit stadium van de ontwikkeling van de kunstmatige ionisatiewolk zijn de interne optische emissies dynamische optische structuren van subkilometers. De tijdshistorie van deze structuren toont duidelijk ionisatiefronten die zich voeden met eerder gevormde elektronendichtheden. De beelden met groot beeldveld en lage ruimtelijke resolutie laten een ogenschijnlijk homogene wolk zien. Deze beweging is consistent met alle plasmametingen van beide ionosondes, en optische beelden geven aan dat er zaadelektronendichtheden nodig zijn om kunstmatige ionisatiewolken of interne veranderingen in deze wolken te initiëren. Aanvankelijk levert de achtergrondionosfeer dit zaadplasma, en later zorgen interne filamenten van plasmawolken voor plasmaversterkingen langs dynamische ionisatieproductiefronten.
Omdat er een overdense seed nodig is om afbraak te initiëren, kunnen versterkte plasmagebieden alleen in stand worden gehouden met dichtheden lager dan de dichtheid van het achtergrondplasma. Figuur 8 toont kunstmatige ionisatiewolken die worden geproduceerd bij de tweede, derde, vierde en zesde harmonische van de elektronencyclotronfrequentie bij 1,44 MHz. Plasmawolken met gyroharmonische uitzendingen nabij de vijfde harmonische op 7,2 MHz kunnen niet worden opgewekt omdat deze frequentie in het midden van de amateurradioband ligt. Het laatste ionogram in figuur 8 gebruikt een zenderfrequentie van 8,58 MHz om de dichtste plasmawolk te produceren die ooit door HF-transmissies met HAARP in stand is gehouden.
Een van de doelstellingen van de kunstmatige ionisatie-experimenten bij HAARP is plasmawolken te vormen met een dichtheid die groter is dan die van de achtergrondionosfeer. In het laboratorium is aangetoond dat lagere vermogens nodig zijn om een plasmawolk in stand te houden dan om het afbraakproces op gang te brengen . Bij sommige experimenten in HAARP is geprobeerd plasmawolken te initiëren bij een lagere gyroharmonische frequentie en dan over te springen naar de volgende harmonische frequentie (zeg stap van de derde naar de vierde harmonische) om de bestaande plasmawolk te gebruiken als een zaadje voor de dichtere plasmawolk. Tot dusver is men er met deze techniek niet in geslaagd wolken te produceren met een hogere dichtheid dan de achtergrond.
Een kunstmatige plasmawolk kan toepassingen hebben voor het openen van communicatie- of radarkanalen voor lange-afstandsverspreiding voor reflectie van hoogfrequente (HF) radiogolven. Om een nuttige HF-golfreflector te zijn, is het noodzakelijk kunstmatige ionisatie te produceren met dichtheden boven de omgevingsconcentratie en de plasmawolk in stand te houden, terwijl de achtergrondionosfeer na zonsondergang vervalt. De vorming van een stabiele plasmawolk met behulp van een potloodbundel is niet mogelijk omdat de geometrie van de bundel de plasmavorming aan de onderkant van de wolk beperkt, zoals te zien is in figuur 2 en eerder is beschreven door Pedersen e.a. , Eliasson e.a. . De enige manier die momenteel bekend is om een langdurige patch van kunstmatige ionisatie te vormen, is het gebruik van een gestructureerde bundel. Met de juiste fasering van de uitzendingen van de HAARP-array kan een “gedraaide straal” worden gevormd tot een ringvormig patroon met minimale kracht in het centrum, zoals in HAARP is aangetoond door Leyser et al. Briczinski et al. hebben aangetoond dat de gedraaide HAARP-bundel regio’s van kunstmatige ionisatie kan vormen, ook al is het elektrische piekveld in deze bredere hoekbundel ongeveer 5 dB lager dan het vermogen van een potloodbundel bij dezelfde frequentie. Simulaties van de potlood- en gedraaide bundel voor HAARP zijn weergegeven als antenneversterkingspatronen in figuur 9. De nul-orde L = 0 modus vormt een enkel maximum met een versterking van 24 dB. De eerste-orde L = 1 modus vormt een ring met een maximale versterking van 19 dB.
Low-order beam shaping is one approach for forming a plasma reflection surface that is stationary and long-lived. Een factor die de L = 1 verdraaide bundel succesvol maakt bij het in stand houden van een plasmawolk met lange duur is de elektromagnetische veldinteractie met de horizontale ringstructuur in de wolk. Figuur 10 toont een simulatie van een vlakke golf die inslaat op een pannenkoek-plasmawolk en een toroïdale plasmawolk. De plasma-pannenkoek van een potloodstraal zal alle velden met grote amplitude concentreren op de bodem van het plasma, waar een verhoogde plasmaproductie zal optreden. De plasmaring zal sommige elektrische velden concentreren op de as, de bodem en de zijkanten van de wolk om horizontale gradiënten te vormen die niet afnemen in de hoogte. Met deze theoretische motivatie werd de HAARP-array gebruikt om een krachtige gedraaide bundel te creëren voor de vorming van plasmawolken
Gebruik makend van zowel potlood- als gedraaide bundels, werden HAARP transmissies gemaakt op 5.8 MHz in de buurt van de vierde gyroharmonie. De L = 0 potloodbundel produceerde zeer weinig versterkte ionisatie, maar de L = 1 gedraaide bundel produceerde veel sterkere kunstmatige ionisatie, hoewel het piekelektrisch veld 5 dB lager was (figuur 11). Bij 5,8 MHz heeft de gedraaide bundel een piekvermogen bij een afwijking van 7° ten opzichte van de bundelas. De bundel werd 7° gekanteld over de verticaal langs de magnetische meridiaan om een deel van de ringbundel uit te lijnen met het magnetische veld en een ander deel van de bundel met de verticaal. Het bleek dat deze configuratie de sterkste kunstmatige ionisatie op een vaste hoogte opleverde. Zodra de plasmawolk met de gedraaide bundel was gevormd, werden de 5,8 MHz-transmissies gedurende 5 uur voortgezet om de evolutie van de plasmawolken te volgen. Figuur 12 toont een voorbeeld van de ionogrammen die om de 2 min werden genomen om een stabiele wolk op 200 km hoogte te tonen
De ionogrammen van de Gakona Digisonde werden geanalyseerd om een waar hoogteprofiel van de plasmawolk te verkrijgen. Voorbeelden van deze profielen voor de eerste 3 uur van excitatie zijn te zien in figuur 13. De kenmerken van het kunstmatige plasmagebied zijn (1) de piekdichtheid wordt vastgeklemd op de kritische dichtheid die overeenkomt met de 5,8 MHz-pomp, (2) er vormen zich dubbele ionisatievlekken in het segment van 1,5 tot 2,0 uur na de initiatie van de wolk, en (3) de werkelijke hoogte van het kunstmatige ionisatiegebied beweegt zich langzaam 170 tot 200 km hoogtebereik. De vierde gyroharmonische experimenten op 5,8 MHz met een L = 1 gedraaide bundel produceerden de langst aanhoudende plasmawolk die met HAARP is waargenomen. Resterende plasmastructuren tijdens de continue pompperiode werden optisch waargenomen om 05:30 GMT, 4½ h na de start van het experiment. Deze structuren waren veld-georiënteerde spicules die in stand werden gehouden door de HF transmissies met slechts lichte beweging rond een evenwichtspositie.
Dit verschijnsel dat wordt geproduceerd met behulp van de L-1 verdraaide bundel is sustained artificial ionization cloud (SAIC) genoemd om het te onderscheiden van de eerder besproken afnemende kunstmatige ionisatielagen (DAIL). SAIC is potentieel bruikbaarder dan DAIL als reflectieoppervlak voor HF radar- en communicatietoepassingen. Toekomstige modelstudies zullen de ionisatieproductie combineren met HF-straalvorming om te helpen bij het ontwerpen van de optimale productie van plasmawolken van lange duur op een vaste hoogte.