2 Densidades melhoradas
Geração de melhorias artificiais da densidade do plasma de electrões por ondas de rádio de alta potência é actualmente uma capacidade única das instalações HAARP no Alasca . Isto deve-se principalmente (1) à capacidade de potência contínua do transmissor (3,6 MW totais), (2) ao maior ganho da matriz de 12 × 15 elementos (30 dB a 10 MHz), e (3) à agilidade da frequência de alcance total do sistema HAARP (2,6 a 10 MHz). Como será mostrado mais tarde, a capacidade de apontar e formar feixes da matriz HAARP também é muito importante para produzir nuvens de plasma artificial com HAARP.
Observações de ionização artificial em HAARP são normalmente baseadas na reflexão de HF nas regiões de densidade crítica registradas com o ionosonde digital em Gakona. Os registros de ionosonde mostram um crescimento inicial da densidade de elétrons no ponto em que a freqüência da bomba corresponde ao perfil de freqüência do plasma existente. Isto indica que a formação de nuvens de plasma artificial requer uma ionosfera ambiente com uma densidade maior que a densidade crítica para a reflexão da onda da bomba de HF. Na fase inicial da formação da nuvem de plasma, uma assinatura difusa de ionosfera é observada, e geralmente, estruturas instáveis de emissão óptica são vistas com uma ampla gama de dinâmicas.
Este processo para geração de nuvens de plasma é ilustrado na Figura 2 para transmissões próximas à terceira giroharmonia da girofrequência de elétrons sobre HAARP. A camada ambiente é iluminada com 4,325 MHz com potência total no zénite magnético a partir das 05:30 horas geomagnéticas (GMT) (Figura 2a). Após cerca de um minuto às 05:31 GMT, a ionização melhora a transição para a excitação de um único modo a uma ressonância giroscópica que pode ser potencialmente mantida após a decadência da ionosfera ambiente. Isto é visto como uma assinatura isolada nos ionogramas nas Figuras 2b-2d. Para um único feixe de lápis usando a antena HAARP com fase uniformemente distribuída através do conjunto, as nuvens de plasma caem em altitude. Este processo chamado camada descendente ionizada artificial (DAIL) foi modelado por Eliasson et al. . A parte superior da nuvem é filtrada a partir da HF pelo plasma melhorado que é formado na parte inferior da nuvem e a recombinação/difusão elimina o plasma da parte superior.
Uma técnica de varredura de freqüência foi desenvolvida por Pedersen et al. para manter a segunda girosonancia com as nuvens de plasma quando elas caíam em altitude. Para procurar e manter uma terceira girosonância harmônica com a nuvem de plasma enquanto ela cai em altitude, a onda de HF transmitida é varrida com um aumento lento na freqüência. Conforme a freqüência aumenta, ela excita as ondas de plasma que se tornam novamente irradiadas como emissões eletromagnéticas estimuladas (VER). Essas ondas eletromagnéticas são registradas no solo com receptores digitais conectados a uma banda larga localizada a 14 km do transmissor HAARP, conforme descrito por Bernhardt et al. . Os espectros SEE para os perfis de plasma mostrados na Figura 2 são ilustrados na Figura 3. Breves intervalos nas transmissões HF do HAARP são usados para formar os ionogramas mostrados pelos insetos na figura. A VERE vem da excitação do plasma tanto na ionosfera ambiente quanto na região do plasma artificial abaixo da camada de fundo.
No HAARP, as nuvens de plasma artificial podem ser detectadas por (1) traços separados em ionogramas e imagens de nuvens ópticas isoladas , (2) retrodifusão incoerente aprimorada do radar com o Radar Modular UHF Ionosférico (MUIR) , e (3) cintilações de rádio nas freqüências UHF e banda L . O mais novo diagnóstico para nuvens de plasma artificial é a radiação de emissão eletromagnética estimulada (SEE) do plasma excitado HF . A característica SEE rotulada como a massa descendente (DSMass) é descendente em cerca de 100 kHz da freqüência da bomba de HF quando uma nuvem de plasma artificial é detectada por um ionograma para transmissões de HF perto da quarta giro-harmônica (Figura 4). A nuvem de plasma artificial é rotulada na camada H4, conforme visto pelo ionograma às 04:50:05 GMT.
(1) onde a onda da bomba k0 = (0, 0, k0) está se propagando ao longo da direção do campo magnético B = (0, 0, B), a onda do elétron Bernstein é normal para o campo magnético kEB = (kEB, 0, 0), o modo Whistler está se propagando em direção oblíqua com kWh = (-kEB, 0, k0). Esta nova característica SEE (DSMass) mantém um desvio constante de 110 kHz, uma vez que a frequência da onda da bomba HF é varrida linearmente até desaparecer abruptamente 25 kHz da frequência inicial de arranque de 5,73 MHz. O offset constante entre a frequência da bomba DSMass e HF é consistente com a interpretação de ondas paramétricas dada por 1. O próximo ionograma às 04:51:05 GMT é rotulado como “Gone!
Nuvens artificiais de plasma são produzidas por aceleração de elétrons na região de ondas de rádio de alta potência. Esta aceleração dos elétrons também produz emissões ópticas aprimoradas que podem ser gravadas com imagens baseadas em terra. A assinatura do ionograma de uma nuvem de plasma artificial é claramente vista na Figura 5 para o terceiro bombeamento de HF giro-harmônico. Como a aceleração dos elétrons é responsável pela ionização de colisão para formar uma nuvem de plasma, as emissões ópticas visíveis à noite também devem ser observadas com os geradores de imagens terrestres.
Câmeras foram operadas em ambos HAARP e 200 km ao norte de HAARP na faixa de foguetes de Poker Flats quando o terceiro bombeamento de HF giro-harmônico produziu emissões ópticas. A estrutura vista directamente por baixo da nuvem de ionização artificial a 777,4 nm (Figura 6a) não é visível nas imagens globais da nuvem registadas a partir do lado com um filtro de 630,0 nm para registar as emissões atómicas da linha vermelha de oxigénio (Figura 6b). A perspectiva lateral da nuvem óptica mostra um estreitamento no fundo da nuvem de plasma, bem como uma queda de altitude após a formação inicial que foi relatada anteriormente como camadas descendentes de ionização artificial (DAIL). As imagens ópticas mostram que “camadas” não se formam, mas sim “nuvens” compactas de ionização com pequenas irregularidades de densidade são formadas durante transmissões transientes, com feixe de lápis com HAARP. As estruturas ópticas de escala fina não são camadas estratificadas horizontalmente, mas sim espículas alinhadas em campo que se formam em grandes números que aparecem como uma nuvem óptica em emissões de 630 nm.
Nuvens artificiais de aurora fornecem uma perspectiva complementar sobre a produção de ionização. Usando o bombeamento de HF perto da quarta giro-harmônica a 5,5 MHz, as emissões ópticas foram registradas diretamente no HAARP sob a nuvem de plasma artificial usando uma câmera de dispositivo acoplado a carga multiplicadora de elétrons e um filtro de 777,4 nm para oxigênio atômico excitado (Figura 7). As imagens de alta resolução da aurora artificial mostram filamentos que colapsam para dentro após a ativação inicial do HF. O rastreamento detalhado das características de brilho mostra movimento a cerca de 250 m/s em toda a imagem. Nesta fase de desenvolvimento da nuvem de ionização artificial, as emissões ópticas internas são estruturas ópticas dinâmicas de subquilómetros. Um histórico temporal dessas estruturas mostra claramente frentes de ionização que se alimentam de densidades de elétrons previamente formadas. O grande campo de imagens de visão com baixa resolução espacial mostra uma aparente nuvem homogênea. Este movimento é consistente com todas as medições de plasma de ambos os ionosondes, e imagens ópticas indicam que as densidades de elétrons das sementes são necessárias para iniciar qualquer nuvem de ionização artificial ou mudanças internas nessas nuvens. Inicialmente, a ionosfera de fundo fornece este plasma semente e mais tarde as nuvens de plasma internas filamentam as melhorias do plasma semente ao longo das frentes dinâmicas de produção de ionização.
Por causa da necessidade de uma semente superdensa para iniciar a decomposição, regiões de plasma melhoradas só podem ser sustentadas com densidades menores do que a densidade do plasma de fundo. A Figura 8 mostra nuvens de ionização artificial produzidas na segunda, terceira, quarta e sexta harmônica da freqüência do ciclotron de elétrons próximo a 1,44 MHz. Nuvens de plasma com transmissões giroharmônicas próximas à quinta harmônica a 7,2 MHz não podem ser geradas porque esta freqüência está no meio da banda de radioamadores. O último ionograma da Figura 8 usa uma frequência de transmissão de 8,58 MHz para produzir a mais densa nuvem de plasma já sustentada por transmissões HF com HAARP.
Um dos objetivos dos experimentos de ionização artificial no HAARP é formar nuvens de plasma com densidades maiores do que a ionosfera de fundo. No laboratório, foi demonstrado que são necessárias potências mais baixas para sustentar uma nuvem de plasma do que para iniciar o processo de decomposição . Alguns experimentos no HAARP tentaram iniciar nuvens de plasma em uma giro-harmônica inferior e depois saltar para a freqüência harmônica seguinte (digamos passo da terceira para a quarta harmônica) para usar a nuvem de plasma existente como uma semente para a nuvem de plasma mais densa. Até agora, esta técnica não foi bem sucedida na produção de nuvens com densidades maiores do que o fundo.
Uma nuvem de plasma artificial pode ter aplicações para abertura de comunicações ou canais de radar para propagação de longa distância para reflexão de ondas de rádio de alta frequência (HF). Para ser um reflector de ondas de HF útil, é necessário produzir ionização artificial com densidades acima do ambiente e sustentar a nuvem de plasma, enquanto a ionosfera de fundo se decompõe após o pôr-do-sol. A formação de uma nuvem de plasma estável usando um feixe de lápis não é possível porque a geometria do feixe limita a formação de plasma na parte inferior da nuvem como mostrado na Figura 2 e previamente descrito por Pedersen et al. , Eliasson et al. A única maneira atualmente conhecida de formar um feixe de ionização artificial de longa duração é usar um feixe estruturado. Com um phasing adequado das transmissões da matriz HAARP, um “feixe torcido” pode ser formado em um padrão de anel com potência mínima no centro, como demonstrado no HAARP por Leyser et al. . Briczinski et al. demonstraram que o feixe torcido HAARP pode formar regiões de ionização artificial mesmo que o pico do campo elétrico neste feixe de ângulo mais largo seja cerca de 5 dB menor que a potência de um feixe de lápis na mesma freqüência. As simulações do lápis e feixes torcidos para HAARP são dadas como padrões de ganho de antena na Figura 9. A ordem zero L = 0 modo forma um máximo único com um ganho de 24 dB. O modo de primeira ordem L = 1 forma um anel com um ganho máximo de 19 dB.
Feixe de baixa ordem é uma abordagem para formar uma superfície de reflexão de plasma que é estacionária e de longa duração. Um fator que torna o L = 1 feixe torcido bem sucedido na sustentação de uma nuvem de plasma de longa duração é as interações do campo eletromagnético com a estrutura do anel horizontal na nuvem. A Figura 10 mostra uma simulação de uma onda plana que se impinge sobre uma nuvem de pancake-plasma e uma nuvem de plasma toroidal. A panqueca de plasma de um feixe de lápis concentrará todos os campos de grande amplitude no fundo do plasma onde ocorrerá uma maior produção de plasma. O anel de plasma concentrará alguns campos elétricos no eixo, fundo e lados da nuvem para formar gradientes horizontais que não caem em altitude. Com esta motivação teórica, a matriz HAARP foi usada para criar um feixe torcido de alta potência para formação de nuvens de plasma
Usando tanto o lápis como feixes torcidos, as transmissões HAARP foram feitas a 5,8 MHz perto da quarta giroharmonica. O L = 0 feixe de lápis produziu muito pouca ionização melhorada, mas o L = 1 torcido produziu uma ionização artificial muito mais forte, embora o pico do campo eléctrico fosse 5 dB mais baixo (Figura 11). A 5,8 MHz, o feixe torcido tem potência de pico a um desvio de 7° em relação ao eixo do feixe. O feixe foi inclinado a 7° sobre a vertical ao longo do meridiano magnético para alinhar uma porção do feixe anelar com o campo magnético e outra porção do feixe com a vertical. Descobriu-se que esta configuração produziu a ionização artificial mais forte a uma altitude fixa. Uma vez formada a nuvem de plasma com o feixe torcido, as transmissões de 5,8 MHz continuaram por 5 h para acompanhar a evolução das nuvens de plasma. A Figura 12 mostra uma amostra dos ionogramas tomados a cada 2 min para mostrar uma nuvem estável a 200 km de altitude
Os ionogramas do Gakona Digisonde foram analisados para dar um perfil real da altura da nuvem de plasma. Amostras destes perfis para as primeiras 3 h de excitação são mostradas na Figura 13. As características da região do plasma artificial são (1) a densidade de pico é fixada à densidade crítica correspondente à bomba de 5,8 MHz, (2) as manchas de ionização dupla se formam no segmento de 1,5 a 2,0 h desde o início da nuvem, e (3) a verdadeira altura da região de ionização artificial move-se lentamente de 170 a 200 km de altitude. O quarto experimento giro-harmônico a 5,8 MHz com um feixe L = 1 torcido produziu a mais longa nuvem de plasma sustentada observada com HAARP. As estruturas de plasma residuais durante o período de bombeamento contínuo foram vistas opticamente às 05:30 GMT, 4½ h após o início do experimento. Estas estruturas eram espículas alinhadas em campo que eram sustentadas pelas transmissões de HF com apenas um ligeiro movimento sobre uma posição de equilíbrio.
Este fenômeno produzido usando o feixe torcido L-1 foi nomeado nuvem de ionização artificial sustentada (SAIC) para distingui-la das camadas descendentes de ionização artificial (DAIL) previamente discutidas. O SAIC é potencialmente mais útil que o DAIL como superfícies de reflexão para aplicações de radar e comunicações HF. Estudos de modelos futuros combinarão a produção de ionização com a formação de feixes de HF para ajudar a projetar a produção ótima de nuvens de plasma de longa duração a uma altitude fixa.