2 Densități îmbunătățite
Generarea de îmbunătățiri artificiale ale densității plasmei electronice prin unde radio de mare putere este în prezent o capacitate unică a instalației HAARP din Alaska . Acest lucru se datorează, în primul rând, (1) capacității de putere continuă a emițătorului (3,6 MW în total), (2) celui mai mare câștig al matricei de 12 × 15 elemente (30 dB la 10 MHz) și (3) agilității sistemului HAARP în toată gama de frecvențe (de la 2,6 la 10 MHz). După cum se va arăta mai târziu, capacitatea de orientare și de formare a fasciculului din rețeaua HAARP este, de asemenea, foarte importantă pentru producerea de nori de plasmă artificială cu HAARP.
Observațiile de ionizare artificială la HAARP se bazează de obicei pe reflexia HF în regiunile de densitate critică înregistrate cu ionosonda digitală de la Gakona. Înregistrările ionosondei arată o creștere inițială a densității electronice în punctul în care frecvența de pompare se potrivește cu profilul de frecvență al plasmei existente. Acest lucru indică faptul că formarea norilor de plasmă artificială necesită o ionosferă ambientală cu o densitate mai mare decât densitatea critică pentru reflectarea undei de pompare HF. În faza incipientă a formării norilor de plasmă, se observă o semnătură difuză a ionosondei și, de obicei, sunt observate structuri instabile de emisie optică cu o gamă largă de dinamică.
Acest proces de generare a norilor de plasmă este ilustrat în figura 2 pentru transmisiile din apropierea celei de-a treia girosferice a giroscopului de electroni deasupra HAARP. Stratul ambiant este iluminat cu 4,325 MHz cu putere maximă la zenitul magnetic începând cu ora 05:30, ora geomagnetică (GMT) (Figura 2a). După aproximativ un minut, la 05:31 GMT, creșterile de ionizare trec la excitarea unui singur mod la o rezonanță girosferică care poate fi potențial menținută după decăderea ionosferei ambientale. Acest lucru se observă ca o semnătură izolată în ionogramele din figurile 2b-2d. Pentru un singur fascicul în formă de creion care utilizează antena HAARP cu fază uniform distribuită pe toată rețeaua, norii de plasmă scad în altitudine. Acest proces numit strat ionizat artificial descendent (DAIL) a fost modelat de Eliasson et al. Partea superioară a norului este ecranată față de HF de plasma îmbunătățită care se formează în partea inferioară a norului, iar recombinarea/difuzia elimină plasma din partea superioară.
O tehnică de baleiere a frecvenței a fost dezvoltată de Pedersen et al. pentru a menține a doua girosonanță cu norii de plasmă pe măsură ce aceștia coboară în altitudine. Pentru a căuta și a menține o girosonanță a treia armonică cu norul de plasmă pe măsură ce acesta scade în altitudine, unda HF transmisă este măturată cu o creștere lentă a frecvenței. Pe măsură ce frecvența crește, aceasta excită undele plasmatice care se retransmit sub formă de emisii electromagnetice stimulate (SEE). Aceste unde electromagnetice sunt înregistrate la sol cu ajutorul unor receptoare digitale conectate la o bandă largă amplasată la 14 km de emițătorul HAARP, așa cum au descris Bernhardt et al. Spectrele SEE pentru profilurile de plasmă prezentate în figura 2 sunt ilustrate în figura 3. Lacunele scurte din transmisiile HF de la HAARP sunt utilizate pentru a forma ionogramele prezentate prin inserțiile din figură. SEE provine din excitarea plasmei atât în ionosfera ambientală, cât și în regiunea de plasmă artificială de sub stratul de fond.
La HAARP, norii de plasmă artificială pot fi detectați prin (1) urme separate în ionograme și imagini izolate ale norilor optici , (2) retrodifuzie radar incoerentă îmbunătățită cu Radarul Ionosferic UHF Modular (MUIR) și (3) scintilații radio la frecvențe de bandă UHF și L . Cel mai nou diagnostic pentru norii de plasmă artificială este radiația de emisie electromagnetică stimulată (SEE) din plasma excitată în HF . Caracteristica SEE etichetată ca fiind masa decalată (DSMass) este decalată cu aproximativ 100 kHz față de frecvența de pompare HF atunci când un nor de plasmă artificială este detectat printr-o ionogramă pentru transmisiuni HF în apropierea celei de-a patra girosharmonice (figura 4). Norul de plasmă artificială este etichetat la nivelul H4 Layer, așa cum se observă prin ionograma de la 04:50:05 GMT.
(1) unde unda de pompare k0 = (0, 0, k0) se propagă de-a lungul direcției câmpului magnetic B = (0, 0, B), unda Bernstein a electronului este normală la câmpul magnetic kEB = (kEB, 0, 0), iar modul whistler se propagă într-o direcție oblică cu kWh = (-kEB, 0, k0). Această nouă caracteristică SEE (DSMass) menține un decalaj constant de 110 kHz pe măsură ce frecvența undei de pompare HF este măturată liniar până când dispare brusc la 25 kHz de la frecvența inițială de pornire de 5,73 MHz. Decalajul constant între frecvența DSMass și frecvența pompei HF este în concordanță cu interpretarea parametrică a undelor dată de 1. Următoarea ionogramă de la 04:51:05 GMT este etichetată „Gone!” deoarece norul H4 a dispărut odată cu DSMass.
Nori de plasmă artificială sunt produși prin accelerarea electronilor în regiunea undelor radio de mare putere. Această accelerare a electronilor produce, de asemenea, emisii optice îmbunătățite care pot fi înregistrate cu ajutorul imaginatoarelor de la sol. Semnătura ionografică a unui nor de plasmă artificială este clar observată în figura 5 pentru pomparea HF a treia giroscopică. Deoarece accelerarea electronilor este responsabilă de ionizarea prin coliziune pentru a forma un nor de plasmă, emisiile optice vizibile pe timp de noapte ar trebui, de asemenea, să fie observate cu ajutorul aparatelor de imagistică de la sol.
Camerele au fost operate atât la HAARP, cât și la 200 km la nord de HAARP, la Poker Flats Rocket Range, atunci când pomparea HF cu a treia girosferă a generat emisii optice. Structura văzută direct de sub norul de ionizare artificială la 777,4 nm (Figura 6a) nu este vizibilă în imaginile de ansamblu ale norului înregistrate din lateral cu un filtru de 630,0 nm pentru a înregistra emisiile de linii roșii ale oxigenului atomic (Figura 6b). Perspectiva laterală a norului optic arată o îngustare în partea de jos a norului de plasmă, precum și scăderea în altitudine după formarea inițială care a fost raportată anterior ca straturi de ionizare artificială descendente (DAIL). Imaginile optice arată că nu se formează „straturi”, ci, în schimb, se formează „nori” compacți de ionizare cu neregularități de densitate la scară mică în timpul transmisiunilor tranzitorii, cu fascicul de creionare cu HAARP. Structurile optice la scară fină nu sunt straturi stratificate orizontal, ci sunt spiculețe aliniate în câmp care se formează în număr mare și care apar ca un nor optic în emisiile de 630 nm.
Nori de auroră artificială oferă o perspectivă complementară asupra producției de ionizare. Folosind pomparea HF în apropierea celei de-a patra girosharmonice la 5,5 MHz, emisiile optice au fost înregistrate direct la HAARP sub norul de plasmă artificială folosind o cameră cu dispozitiv de cuplare a sarcinilor cu multiplicare de electroni și un filtru de 777,4 nm pentru oxigenul atomic excitat (Figura 7). Imaginile de înaltă rezoluție ale aurorei artificiale arată filamente care se prăbușesc spre interior după pornirea inițială a HF. Urmărirea detaliată a trăsăturilor de strălucire arată o mișcare de aproximativ 250 m/s de-a lungul imaginii. În acest stadiu de dezvoltare a norului artificial de ionizare, emisiile optice interne sunt structuri optice dinamice subkilometrice. Un istoric în timp al acestor structuri arată clar fronturile de ionizare care se hrănesc cu densitățile de electroni formate anterior. Imaginile cu câmp mare de vizualizare și rezoluție spațială redusă arată un nor aparent omogen. Această mișcare este în concordanță cu toate măsurătorile de plasmă de la ambele ionosonde, iar imaginile optice indică faptul că sunt necesare densități de electroni de sămânță pentru a iniția orice nori de ionizare artificială sau schimbări interne în acești nori. Inițial, ionosfera de fond furnizează această plasmă de sămânță, iar mai târziu filamentele interne ale norilor de plasmă însămânțează îmbunătățiri ale plasmei de-a lungul fronturilor dinamice de producere a ionizării.
Din cauza necesității unei semințe supradense pentru a iniția descompunerea, regiunile de plasmă îmbunătățită pot fi susținute doar cu densități mai mici decât densitatea plasmei de fond. Figura 8 prezintă nori de ionizare artificială produși la a doua, a treia, a patra și a șasea armonică a frecvenței ciclotronului de electroni în apropiere de 1,44 MHz. Nu pot fi generați nori de plasmă cu transmisiuni giroscopice în apropierea celei de-a cincea armonice la 7,2 MHz, deoarece această frecvență se află în mijlocul benzii radioamatorilor. Ultima ionogramă din figura 8 utilizează o frecvență de emisie de 8,58 MHz pentru a produce cel mai dens nor de plasmă susținut vreodată de transmisiunile HF cu HAARP.
Un obiectiv al experimentelor de ionizare artificială de la HAARP este de a forma nori de plasmă cu densități mai mari decât ionosfera de fond. În laborator, s-a demonstrat că sunt necesare puteri mai mici pentru a susține un nor de plasmă decât pentru a iniția procesul de descompunere . Unele experimente de la HAARP au încercat să inițieze norii de plasmă la o girosferă inferioară și apoi să sară la următoarea frecvență armonică (să zicem pasul de la a treia la a patra armonică) pentru a folosi norul de plasmă existent ca sămânță pentru norul de plasmă mai dens. Până în prezent, această tehnică nu a reușit să producă nori cu densități mai mari decât cea de fond.
Un nor de plasmă artificială poate avea aplicații pentru deschiderea canalelor de comunicații sau radar pentru propagarea pe distanțe lungi pentru reflectarea undelor radio de înaltă frecvență (HF). Pentru a fi un reflector util al undelor HF, este necesar să se producă o ionizare artificială cu densități mai mari decât cea ambientală și să se susțină norul de plasmă, în timp ce ionosfera de fond se dezintegrează după apusul soarelui. Formarea unui nor de plasmă stabil cu ajutorul unui fascicul în formă de creion nu este posibilă deoarece geometria fasciculului limitează formarea plasmei în partea inferioară a norului, așa cum se arată în figura 2 și cum a fost descris anterior de Pedersen și alții, Eliasson și alții. Singura modalitate cunoscută în prezent de a forma o porțiune de ionizare artificială de lungă durată este utilizarea unui fascicul structurat. Cu o sincronizare corespunzătoare a fazelor de transmisie a rețelelor HAARP, se poate forma un „fascicul răsucit” într-un model inelar cu o putere minimă în centru, așa cum au demonstrat la HAARP Leyser et al. Briczinski et al. au arătat că fasciculul răsucit HAARP poate forma regiuni de ionizare artificială, chiar dacă câmpul electric de vârf în acest fascicul cu unghi mai larg este cu aproximativ 5 dB mai mic decât puterea unui fascicul creion la aceeași frecvență. Simulările fasciculului creion și ale fasciculului răsucit pentru HAARP sunt prezentate ca modele de câștig de antenă în figura 9. Modul de ordin zero L = 0 formează un singur maxim cu un câștig de 24 dB. Modul L = 1 de ordinul întâi formează un inel cu un câștig maxim de 19 dB.
Configurarea fasciculului de ordin inferior este o abordare pentru a forma o suprafață de reflexie a plasmei care este staționară și de lungă durată. Un factor care face ca fasciculul răsucit L = 1 să aibă succes în susținerea unui nor de plasmă de lungă durată este reprezentat de interacțiunile câmpului electromagnetic cu structura inelară orizontală din nor. Figura 10 prezintă o simulare a unei unde plane care lovește un nor de plasmă pancake și un nor de plasmă toroidală. Pancake-ul de plasmă produs de un fascicul creion va concentra toate câmpurile de amplitudine mare pe fundul plasmei, unde va avea loc o producție sporită de plasmă. Inelul de plasmă va concentra unele câmpuri electrice pe axa, fundul și părțile laterale ale norului pentru a forma gradienți orizontali care nu scad în altitudine. Cu această motivație teoretică, rețeaua HAARP a fost folosită pentru a crea un fascicul torsadat de mare putere pentru formarea norilor de plasmă
Utilizând atât fascicule în formă de creion, cât și fascicule răsucite, transmisiile HAARP au fost realizate la 5,8 MHz, în apropierea celei de-a patra giroscopice. Fasciculul creion L = 0 a produs foarte puțină ionizare îmbunătățită, dar fasciculul torsadat L = 1 a produs o ionizare artificială mult mai puternică, chiar dacă câmpul electric de vârf a fost cu 5 dB mai mic (figura 11). La 5,8 MHz, fasciculul torsadat are puterea de vârf la un decalaj de 7° față de axa fasciculului. Fasciculul a fost înclinat la 7° față de verticală de-a lungul meridianului magnetic pentru a alinia o porțiune a fasciculului inelar cu câmpul magnetic și o altă porțiune a fasciculului cu verticala. S-a constatat că această configurație a produs cea mai puternică ionizare artificială la o altitudine fixă. Odată ce norul de plasmă a fost format cu fasciculul răsucit, transmisiile de 5,8 MHz au fost continuate timp de 5 h pentru a urmări evoluția norilor de plasmă. Figura 12 prezintă o mostră din ionogramele luate la fiecare 2 min pentru a arăta un nor stabil la 200 km altitudine
Ionogramele de la Digisonda Gakona au fost analizate pentru a oferi un profil real de înălțime al norului de plasmă. Mostre ale acestor profile pentru primele 3 h de excitație sunt prezentate în figura 13. Caracteristicile regiunii de plasmă artificială sunt: (1) densitatea de vârf este fixată la densitatea critică corespunzătoare pompei de 5,8 MHz, (2) peticele de dublă ionizare se formează în segmentul de 1,5 până la 2,0 h de la inițierea norului și (3) înălțimea reală a regiunii de ionizare artificială se deplasează lent în intervalul de altitudine 170 – 200 km. Cele patru experimente giroscopice la 5,8 MHz cu un fascicul răsucit L = 1 au produs cel mai lung nor de plasmă susținut observat cu HAARP. Structurile plasmatice reziduale din timpul perioadei de pompare continuă au fost observate optic la 05:30 GMT, la 4½ h după începerea experimentului. Aceste structuri erau spiculețe aliniate în câmp care au fost susținute de transmisiile HF cu doar o ușoară mișcare în jurul unei poziții de echilibru.
Acest fenomen produs cu ajutorul fasciculului torsadat L-1 a fost denumit nor artificial de ionizare susținut (SAIC) pentru a-l distinge de straturile de ionizare artificială descendentă (DAIL) discutate anterior. SAIC este potențial mai util decât DAIL ca suprafețe de reflexie pentru aplicații radar și de comunicații HF. Studiile viitoare ale modelului vor combina producția de ionizare cu modelarea fasciculului HF pentru a ajuta la proiectarea producției optime de nori de plasmă de lungă durată la o altitudine fixă.