2 Enhanced Densities
Generowanie sztucznych wzmocnień gęstości plazmy elektronowej przez fale radiowe dużej mocy jest obecnie unikalną zdolnością obiektu HAARP na Alasce . Wynika to przede wszystkim z (1) ciągłej mocy nadajnika (3,6 MW), (2) najwyższego wzmocnienia matrycy 12 × 15 elementów (30 dB przy 10 MHz) oraz (3) pełnego zakresu częstotliwości systemu HAARP (od 2,6 do 10 MHz). Jak zostanie pokazane później, zdolność kierowania i formowania wiązki przez HAARP jest również bardzo ważna dla wytwarzania sztucznych chmur plazmowych za pomocą HAARP.
Obserwacje sztucznej jonizacji w HAARP są zwykle oparte na odbiciach HF w regionach gęstości krytycznej zarejestrowanych za pomocą cyfrowej jonosondy w Gakonie. Zapisy jonosondy pokazują początkowy wzrost gęstości elektronowej w punkcie, w którym częstotliwość pompy pokrywa się z istniejącym profilem częstotliwości plazmy. Wskazuje to, że formowanie sztucznych obłoków plazmy wymaga otoczenia jonosfery o gęstości większej niż gęstość krytyczna dla odbicia fali pompy HF. We wczesnej fazie formowania chmury plazmowej obserwuje się rozproszoną sygnaturę jonosondy i zwykle widoczne są niestabilne struktury emisji optycznej o szerokim zakresie dynamiki.
Ten proces generowania chmury plazmowej jest zilustrowany na rysunku 2 dla transmisji w pobliżu trzeciej żyroharmonicznej częstotliwości elektronowej nad HAARP. Warstwa otoczenia jest oświetlana częstotliwością 4,325 MHz z pełną mocą w zenicie magnetycznym począwszy od 05:30 czasu geomagnetycznego (GMT) (Rysunek 2a). Po około minucie o 05:31 GMT, wzmocnienie jonizacji przechodzi w wzbudzenie pojedynczego trybu w rezonansie żyroharmonicznym, który potencjalnie może być utrzymywany po rozpadzie jonosfery otoczenia. Jest to widoczne jako odosobniona sygnatura na jonogramach na Rysunkach 2b-2d. W przypadku pojedynczej, ołówkowej wiązki z anteny HAARP z równomiernie rozłożoną fazą na całej matrycy, chmury plazmy spadają na wysokość. Proces ten zwany zstępującą sztuczną warstwą zjonizowaną (DAIL) został zamodelowany przez Eliassona et al. Górna część chmury jest ekranowana od HF przez wzmocnioną plazmę, która powstaje na dnie chmury, a rekombinacja/dyfuzja eliminuje plazmę górną.
Technika przemiatania częstotliwości została opracowana przez Pedersena et al. w celu utrzymania drugiej żyrorezonansu z chmurami plazmy, gdy spadały one na wysokość. Aby wyszukać i utrzymać trzecią harmoniczną żyrorezonansu z chmurą plazmy w miarę spadku wysokości, transmitowana fala HF jest przemiatana z powolnym wzrostem częstotliwości. Wraz ze wzrostem częstotliwości wzbudza ona fale plazmowe, które są emitowane jako stymulowane emisje elektromagnetyczne (SEE). Te fale elektromagnetyczne są rejestrowane na ziemi za pomocą cyfrowych odbiorników podłączonych do szerokopasmowego odbiornika znajdującego się 14 km od nadajnika HAARP, jak opisano w Bernhardt et al. Widma SEE dla profili plazmy pokazanych na rysunku 2 są zilustrowane na rysunku 3. Krótkie przerwy w transmisjach HF z HAARP są wykorzystywane do tworzenia jonogramów pokazanych przez wstawki na rysunku. SEE pochodzi ze wzbudzenia plazmy zarówno w otaczającej jonosferze jak i w regionie sztucznej plazmy poniżej warstwy tła.
W HAARP, sztuczne obłoki plazmy mogą być wykryte przez (1) oddzielne ślady w jonogramach i izolowanych obrazach optycznych chmur , (2) wzmocnione niekoherentne rozpraszanie wsteczne radaru z Modular UHF Ionospheric Radar (MUIR) , i (3) scyntylacje radiowe na częstotliwościach pasma UHF i L . Najnowszą diagnostyką sztucznych obłoków plazmowych jest promieniowanie stymulowanej emisji elektromagnetycznej (SEE) z plazmy wzbudzonej w zakresie HF . Cecha SEE oznaczana jako masa przesunięta w dół (DSMass) jest przesunięta w dół o około 100 kHz od częstotliwości pompy HF, gdy sztuczna chmura plazmy jest wykrywana przez jonogram dla transmisji HF w pobliżu czwartej żyroharmonii (Rysunek 4). Sztuczna chmura plazmy jest oznaczona w warstwie H4, jak widać na jonogramie o 04:50:05 GMT.
(1) gdzie fala pompowa k0 = (0, 0, k0) propaguje się wzdłuż kierunku pola magnetycznego B = (0, 0, B), elektronowa fala Bernsteina jest normalna do pola magnetycznego kEB = (kEB, 0, 0), tryb whistlera propaguje się w kierunku skośnym z kWh = (-kEB, 0, k0). Ta nowa cecha SEE (DSMass) utrzymuje stałe przesunięcie 110 kHz, gdy częstotliwość fali pompy HF jest liniowo zmieniana aż do momentu, gdy nagle znika 25 kHz od początkowej częstotliwości startowej 5.73 MHz. Stałe przesunięcie między DSMass a częstotliwościami pompy HF jest zgodne z interpretacją fali parametrycznej podaną przez 1. Następny jonogram o 04:51:05 GMT jest oznaczony jako „Gone!”, ponieważ obłok H4 zniknął wraz z DSMass.
Sztuczne obłoki plazmy są produkowane przez przyspieszanie elektronów w regionie fal radiowych o wysokiej mocy. To przyspieszenie elektronów wytwarza również wzmocnione emisje optyczne, które mogą być rejestrowane przez naziemne urządzenia obrazujące. Sygnatura jonogramu sztucznej chmury plazmowej jest wyraźnie widoczna na rysunku 5 dla trzeciego żyroharmonicznego pompowania HF. Ponieważ przyspieszanie elektronów jest odpowiedzialne za kolizyjną jonizację w celu utworzenia chmury plazmy, emisje optyczne widoczne w nocy powinny być również obserwowane za pomocą naziemnych imagerów.
Kamery były obsługiwane zarówno w HAARP i 200 km na północ od HAARP w Poker Flats Rocket Range, gdy trzecie żyroharmoniczne pompowanie HF dało emisje optyczne. Struktura widziana bezpośrednio spod sztucznej chmury jonizacyjnej przy długości fali 777,4 nm (Rysunek 6a) nie jest widoczna na ogólnych obrazach chmury zarejestrowanych z boku z filtrem 630,0 nm w celu zarejestrowania emisji czerwonej linii tlenu atomowego (Rysunek 6b). Perspektywa boczna chmury optycznej pokazuje przewężenie na dnie chmury plazmy, jak również opadanie na wysokość po początkowym uformowaniu, które zostało wcześniej opisane jako zstępujące sztuczne warstwy jonizacyjne (DAIL). Obrazy optyczne pokazują, że „warstwy” nie są formowane, ale zamiast tego zwarte „chmury” jonizacji z małoskalowymi nieregularnościami gęstości są formowane podczas przejściowych, ołówkowych transmisji wiązki z HAARP. Drobnoskalowe struktury optyczne nie są poziomo uwarstwionymi warstwami, ale są wyrównanymi w terenie spiculami, które tworzą się w dużych ilościach i pojawiają się jako chmura optyczna w emisji 630 nm.
Sztuczne chmury zorzy zapewniają uzupełniającą perspektywę na produkcję jonizacji. Używając pompowania HF w pobliżu czwartej żyroharmonicznej przy 5,5 MHz, emisje optyczne zostały zarejestrowane bezpośrednio w HAARP pod sztuczną chmurą plazmy przy użyciu kamery zwielokrotniającego elektrony urządzenia sprzężonego z ładunkiem i filtru 777,4 nm dla wzbudzonego tlenu atomowego (Rysunek 7). Obrazy wysokiej rozdzielczości sztucznej zorzy pokazują włókna, które zapadają się do wewnątrz po początkowym włączeniu HF. Szczegółowe śledzenie cech poświaty pokazuje ruch z prędkością około 250 m/s w poprzek obrazu. Na tym etapie rozwoju sztucznej chmury jonizacyjnej, wewnętrzne emisje optyczne są dynamicznymi subkilometrowymi strukturami optycznymi. Historia czasowa tych struktur wyraźnie pokazuje fronty jonizacyjne, które żerują na wcześniej utworzonych gęstościach elektronowych. Obrazy o dużym polu widzenia i niskiej rozdzielczości przestrzennej ukazują pozornie jednorodną chmurę. Ruch ten jest zgodny ze wszystkimi pomiarami plazmy z obu jonosond, a obrazowanie optyczne wskazuje, że do zainicjowania jakichkolwiek sztucznych chmur jonizacyjnych lub wewnętrznych zmian w tych chmurach wymagane są zalążkowe gęstości elektronów. Początkowo, tło jonosfery dostarcza tej plazmy zalążkowej, a później wewnętrzne filamenty chmur plazmy zalążkowej wzmacniają plazmę wzdłuż dynamicznych frontów produkcji jonizacji.
Z powodu konieczności posiadania zbyt gęstego ziarna do zainicjowania rozpadu, wzmocnione regiony plazmy mogą być podtrzymywane tylko przy gęstościach niższych niż gęstość plazmy tła. Rysunek 8 przedstawia sztuczne chmury jonizacyjne wytwarzane przy drugiej, trzeciej, czwartej i szóstej harmonicznej częstotliwości cyklotronu elektronowego w pobliżu 1,44 MHz. Chmury plazmowe z transmisjami żyroharmonicznymi w pobliżu piątej harmonicznej przy 7,2 MHz nie mogą być generowane, ponieważ częstotliwość ta znajduje się w środku amatorskiego pasma radiowego. Ostatni jonogram na rysunku 8 wykorzystuje częstotliwość nadajnika 8,58 MHz, aby wytworzyć najgęstszą chmurę plazmy, jaka kiedykolwiek została podtrzymana przez transmisje HF z HAARP.
Jednym z celów eksperymentów sztucznej jonizacji w HAARP jest utworzenie chmur plazmy o gęstości większej niż jonosfera tła. W laboratorium wykazano, że do podtrzymania obłoku plazmowego potrzebne są niższe moce niż do zainicjowania procesu rozpadu. Niektóre eksperymenty w HAARP próbowały zainicjować obłoki plazmy przy niższej żyroharmonicznej, a następnie przeskoczyć do następnej częstotliwości harmonicznej (powiedzmy krok od trzeciej do czwartej harmonicznej), aby użyć istniejącej chmury plazmy jako zalążka dla gęstszej chmury plazmy. Jak dotąd technika ta nie okazała się skuteczna w wytwarzaniu chmur o gęstości wyższej niż tło.
Sztuczna chmura plazmy może mieć zastosowanie w otwieraniu kanałów komunikacyjnych lub radarowych do propagacji na duże odległości w celu odbicia fal radiowych wysokiej częstotliwości (HF). Aby być użytecznym reflektorem fal HF, konieczne jest wytworzenie sztucznej jonizacji o gęstości powyżej otoczenia i podtrzymanie chmury plazmowej, podczas gdy jonosfera tła rozpada się po zachodzie słońca. Utworzenie stabilnej chmury plazmowej za pomocą wiązki ołówkowej nie jest możliwe, ponieważ geometria wiązki ogranicza formowanie plazmy po dolnej stronie chmury, jak pokazano na rysunku 2 i opisano wcześniej przez Pedersena et al. , Eliassona et al. Jedynym znanym obecnie sposobem na uformowanie długotrwałej plamy sztucznej jonizacji jest użycie wiązki strukturalnej. Przy odpowiednim fazowaniu transmisji z HAARP array, „skręcona wiązka” może być uformowana w pierścień z minimalną mocą w centrum, jak zademonstrowano w HAARP przez Leyser et al. Briczinski et al. wykazali, że skręcona wiązka HAARP może tworzyć regiony sztucznej jonizacji, mimo że szczytowe pole elektryczne w tej wiązce o szerszym kącie jest o około 5 dB mniejsze niż moc wiązki ołówkowej przy tej samej częstotliwości. Symulacje wiązki ołówkowej i skręconej dla HAARP są podane w postaci wzorów zysku anteny na rysunku 9. Tryb zerowego rzędu L = 0 tworzy pojedyncze maksimum o zysku 24 dB. Tryb pierwszego rzędu L = 1 tworzy pierścień z maksymalnym zyskiem 19 dB.
Kształtowanie wiązki niskiego rzędu jest jednym z podejść do formowania powierzchni odbicia plazmy, która jest stacjonarna i długotrwała. Jednym z czynników, który sprawia, że skręcona wiązka L = 1 jest skuteczna w utrzymaniu długotrwałej chmury plazmy jest oddziaływanie pola elektromagnetycznego z poziomą strukturą pierścieniową w chmurze. Rysunek 10 przedstawia symulację fali płaskiej padającej na chmurę plazmową typu naleśnik i chmurę plazmową typu toroidalnego. Płatek plazmy pochodzący od wiązki ołówkowej skupi wszystkie pola o dużej amplitudzie na dnie plazmy, gdzie nastąpi zwiększona produkcja plazmy. Pierścień plazmowy skupi niektóre pola elektryczne na osi, dnie i bokach chmury tworząc poziome gradienty, które nie spadają wraz z wysokością. Z tą teoretyczną motywacją, HAARP array został użyty do stworzenia skręconej wiązki o dużej mocy do formowania chmury plazmowej
Używając zarówno wiązek ołówkowych jak i skręconych, transmisje HAARP zostały wykonane na częstotliwości 5,8 MHz w pobliżu czwartej żyroharmonii. Wiązka ołówkowa L = 0 powodowała bardzo niewielką wzmocnioną jonizację, ale skręcona L = 1 powodowała znacznie silniejszą sztuczną jonizację, mimo że szczytowe pole elektryczne było o 5 dB niższe (rysunek 11). Przy częstotliwości 5,8 MHz, skręcona wiązka ma moc szczytową przy 7° przesunięciu od osi wiązki. Wiązka została odchylona o 7° od pionu wzdłuż południka magnetycznego, aby wyrównać część wiązki pierścieniowej z polem magnetycznym, a inną część wiązki z pionem. Stwierdzono, że ta konfiguracja wytwarza najsilniejszą sztuczną jonizację na stałej wysokości. Po uformowaniu obłoku plazmy za pomocą skręconej wiązki, transmisje 5,8 MHz były kontynuowane przez 5 godzin, aby śledzić ewolucję obłoku plazmy. Rysunek 12 pokazuje próbkę jonogramów pobieranych co 2 min, aby pokazać stabilną chmurę na wysokości 200 km
Jonogramy z Gakona Digisonde zostały przeanalizowane w celu uzyskania prawdziwego profilu wysokości chmury plazmy. Próbki tych profili dla pierwszych 3 godzin wzbudzenia pokazane są na Rysunku 13. Charakterystyki regionu sztucznej plazmy są następujące (1) gęstość szczytowa jest zaciśnięta na gęstości krytycznej odpowiadającej pompie 5.8 MHz, (2) podwójne plamy jonizacyjne tworzą się w segmencie 1.5 do 2.0 h od momentu zainicjowania chmury, oraz (3) prawdziwa wysokość regionu sztucznej jonizacji powoli przesuwa się w zakresie wysokości 170 do 200 km. Czwarty eksperyment żyroharmoniczny na częstotliwości 5,8 MHz z wiązką skręconą L = 1 wytworzył najdłużej utrzymującą się chmurę plazmy zaobserwowaną za pomocą HAARP. Struktury plazmy pozostałe po okresie ciągłego pompowania były widoczne optycznie o 05:30 GMT, 4½ godziny po rozpoczęciu eksperymentu. Struktury te były wyrównanymi polowo spiculami, które były podtrzymywane przez transmisje HF z niewielkim tylko ruchem wokół pozycji równowagi.
Zjawisko to wytwarzane przy użyciu skręcanej wiązki L-1 nazwano podtrzymywaną sztuczną chmurą jonizacyjną (sustained artificial ionization cloud – SAIC), aby odróżnić je od wcześniej omawianych zstępujących sztucznych warstw jonizacyjnych (descending artificial ionization layers – DAIL). SAIC jest potencjalnie bardziej użyteczna niż DAIL jako powierzchnia odbicia dla radarów HF i zastosowań komunikacyjnych. Przyszłe badania modelowe połączą produkcję jonizacji z kształtowaniem wiązki HF, aby pomóc w zaprojektowaniu optymalnej produkcji długotrwałych obłoków plazmy na stałej wysokości.