2 Förbättrade tätheter
Generering av konstgjorda förstärkningar av elektronplasmatätheten med hjälp av högeffektsradiovågor är för närvarande en unik förmåga hos HAARP-anläggningen i Alaska . Detta beror främst på (1) sändarens kontinuerliga effektkapacitet (totalt 3,6 MW), (2) den högsta förstärkningen i den 12 × 15 element stora matrisen (30 dB vid 10 MHz) och (3) HAARP-systemets frekvensflexibilitet över hela området (2,6 till 10 MHz). Som kommer att visas senare är HAARP-gruppens förmåga att rikta och bilda strålar också mycket viktig för att producera konstgjorda plasmamoln med HAARP.
Observationer av artificiell jonisering vid HAARP baseras vanligtvis på HF-reflektion vid de kritiska täthetsområdena som registrerats med den digitala jonosonden vid Gakona. Ionosondregistreringarna visar en initial ökning av elektrontätheten vid den punkt där pumpfrekvensen matchar den befintliga plasmafrekvensprofilen. Detta tyder på att bildandet av konstgjorda plasmamoln kräver en omgivande jonosfär med en densitet som är större än den kritiska densiteten för reflektion av HF-pumpvågen. I den tidiga fasen av plasmamolnets bildning observeras en diffus jonosondesignatur, och vanligtvis ses instabila optiska emissionsstrukturer med ett brett spektrum av dynamik.
Denna process för plasmamolnets bildning illustreras i figur 2 för sändningar nära den tredje gyroharmoniska av elektrongyrofrekvensen över HAARP. Det omgivande skiktet belyses med 4,325 MHz med full effekt vid den magnetiska zenit som börjar 05:30 geomagnetisk tid (GMT) (figur 2a). Efter ungefär en minut klockan 05:31 GMT övergår joniseringsförstärkningarna till excitering av ett enda mode vid en gyroharmonisk resonans som potentiellt kan bibehållas efter det att den omgivande jonosfären har avklingat. Detta syns som en isolerad signatur i jonogrammen i figurerna 2b-2d. För en enskild, blyertsstråle som använder HAARP-antennen med jämnt fördelad fas över hela gruppen, sjunker plasmamolnen i höjdled. Denna process som kallas det nedåtgående konstgjorda joniserade lagret (DAIL) har modellerats av Eliasson et al. . Molnets övre del avskärmas från HF av förstärkt plasma som bildas på molnets undersida och rekombination/diffusion eliminerar plasman på ovansidan.
En teknik för att svepa frekvenser utvecklades av Pedersen et al. för att bibehålla den andra gyroresonansen med plasmamolnen när de sjönk i höjd. För att söka efter och upprätthålla en tredje harmonisk gyroresonans med plasmamolnet när det sjunker i höjd, sveps den överförda HF-vågen med en långsam ökning av frekvensen. När frekvensen ökar exciterar den plasmaböljor som återstrålar som stimulerade elektromagnetiska emissioner (SEE). Dessa elektromagnetiska vågor registreras på marken med digitala mottagare som är anslutna till ett bredband som ligger 14 km från HAARP-sändaren enligt beskrivningen i Bernhardt m.fl. SEE-spektra för de plasmaprofiler som visas i figur 2 illustreras i figur 3. Korta luckor i HF-sändningarna från HAARP används för att bilda de jonogram som visas av insatserna i figuren. SEE kommer från excitering av plasman både i den omgivande jonosfären och i den konstgjorda plasmaregionen under bakgrundsskiktet.
I HAARP kan de konstgjorda plasmamolnen upptäckas genom (1) separata spår i jonogram och isolerade optiska molnbilder , (2) förstärkt inkoherent radaråterspridning med Modular UHF Ionospheric Radar (MUIR) och (3) radioscintillationer vid UHF- och L-bandsfrekvenser . Den senaste diagnostiken för konstgjorda plasmamoln är stimulerad elektromagnetisk strålning (SEE) från den HF-exalterade plasman . Den SEE-funktion som betecknas som den nedförskjutna massan (DSMass) är nedförskjuten med cirka 100 kHz från HF-pumpfrekvensen när ett artificiellt plasmamoln upptäcks genom ett jonogram för HF-sändningar nära den fjärde gyroharmoniska frekvensen (figur 4). Det konstgjorda plasmamolnet är märkt vid H4-skiktet som syns på jonogrammet klockan 04:50:05 GMT.
(1) där pumpvågen k0 = (0, 0, k0) utbreder sig längs magnetfältets riktning B = (0, 0, B), elektronens Bernstein-våg är normal till magnetfältet kEB = (kEB, 0, 0), whistler-läget utbreder sig i en sned riktning med kWh = (-kEB, 0, k0). Denna nya SEE-funktion (DSMass) bibehåller en konstant förskjutning på 110 kHz när HF-pumpvågsfrekvensen sveps linjärt tills den plötsligt försvinner 25 kHz från den ursprungliga startfrekvensen på 5,73 MHz. Den konstanta förskjutningen mellan DSMass och HF-pumpfrekvenserna är förenlig med den parametriska vågtolkning som ges av 1. Nästa jonogram klockan 04:51:05 GMT är märkt ”Gone!” eftersom H4-molnet har försvunnit med DSMass.
Artificiella plasmamoln produceras genom elektronacceleration i området för högeffektsradiovågor. Denna elektronacceleration ger också upphov till förstärkta optiska emissioner som kan registreras med markbaserade avbildare. Jonogramsignaturen av ett artificiellt plasmamoln syns tydligt i figur 5 för tredje gyroharmonisk HF-pumpning. Eftersom elektronaccelerationen är ansvarig för kollisionsjonisering för att bilda ett plasmamoln bör optiska emissioner som är synliga nattetid också kunna observeras med markbaserade avbildare.
Kameror användes både vid HAARP och 200 km norr om HAARP vid Poker Flats Rocket Range när tredje gyroharmonisk HF-pumpning gav optiska emissioner. Strukturen som ses direkt under det konstgjorda joniseringsmolnet vid 777,4 nm (figur 6a) är inte synlig i de övergripande molnbilderna som tagits från sidan med ett filter på 630,0 nm för att registrera utsläppen av atomärt syre med röda linjer (figur 6b). Sidoperspektivet av det optiska molnet visar en avsmalning på botten av plasmamolnet samt fallande höjd efter den initiala bildningen som tidigare har rapporterats som nedåtgående artificiella joniseringsskikt (DAIL). De optiska bilderna visar att det inte bildas ”lager” utan istället bildas kompakta ”moln” av jonisering med småskaliga täthetsojämnheter under övergående, pennastrålsändningar med HAARP. De finskaliga optiska strukturerna är inte horisontellt stratifierade lager utan är fältinriktade spikuler som bildas i stort antal och som uppträder som ett optiskt moln i 630 nm emissioner.
Artificiella norrskensmoln ger ett kompletterande perspektiv på joniseringsproduktionen. Med hjälp av HF-pumpning nära den fjärde gyroharmoniken vid 5,5 MHz registrerades optiska emissioner direkt vid HAARP under det artificiella plasmamolnet med hjälp av en elektronmultiplicerande laddningskopplad kamera och ett 777,4 nm-filter för exciterat atomärt syre (figur 7). De högupplösta bilderna av det konstgjorda norrskenet visar filament som kollapsar inåt efter den första HF-aktiveringen. Detaljerad spårning av glödelementen visar att de rör sig med cirka 250 m/s över bilden. I detta skede av utvecklingen av det artificiella joniseringsmolnet är de interna optiska emissionerna dynamiska optiska strukturer i subkilometerhöjd. En tidshistorik över dessa strukturer visar tydligt joniseringsfronter som livnär sig på tidigare bildade elektrontätheter. Bilderna med stort synfält och låg rumslig upplösning visar ett skenbart homogent moln. Denna rörelse stämmer överens med alla plasmamätningar från båda jonosonderna, och de optiska bilderna visar att det krävs fröelektrontätheter för att initiera konstgjorda joniseringsmoln eller interna förändringar i dessa moln. Initialt tillhandahåller bakgrundsjonosfären denna fröplasma och senare ger interna plasmamolnfilament fröplasmaförstärkningar längs dynamiska joniseringsproduktionsfronter.
På grund av behovet av ett övertätt frö för att initiera nedbrytning kan förstärkta plasmaområden endast upprätthållas med densiteter som är lägre än bakgrundsplasmatätheten. Figur 8 visar konstgjorda joniseringsmoln som produceras vid den andra, tredje, fjärde och sjätte harmoniska av elektroncyklotronfrekvensen nära 1,44 MHz. Plasmamoln med gyroharmoniska sändningar nära den femte harmoniska vid 7,2 MHz kan inte genereras eftersom denna frekvens ligger mitt i amatörradiobandet. I det sista jonogrammet i figur 8 används en sändarfrekvens på 8,58 MHz för att producera det tätaste plasmamoln som någonsin upprätthållits av HF-sändningar med HAARP.
Ett av syftena med experimenten med artificiell jonisering vid HAARP är att bilda plasmamoln med en densitet som är större än bakgrundsjonosfären. I laboratoriet har det visat sig att det krävs lägre effekt för att upprätthålla ett plasmamoln än för att inleda nedbrytningsprocessen . I vissa experiment vid HAARP har man försökt att starta plasmamoln vid en lägre gyroharmoni och sedan hoppa till nästa harmoniska frekvens (säg steg från den tredje till den fjärde harmoniska) för att använda det befintliga plasmamolnet som ett frö för det tätare plasmamolnet. Hittills har denna teknik inte varit framgångsrik när det gäller att producera moln med högre täthet än bakgrunden.
Ett artificiellt plasmamoln kan ha tillämpningar för att öppna kommunikations- eller radarkanaler för långdistansutbredning för reflektion av högfrekventa (HF) radiovågor. För att vara en användbar HF-vågsreflektor är det nödvändigt att producera artificiell jonisering med tätheter över den omgivande miljön och att upprätthålla plasmamolnet, medan bakgrundsjonosfären avtar efter solnedgången. Det är inte möjligt att bilda ett stabilt plasmamoln med hjälp av en pennastråle eftersom strålens geometri begränsar plasmabildningen på molnets undersida, vilket visas i figur 2 och tidigare beskrivits av Pedersen m.fl. , Eliasson m.fl. Det enda för närvarande kända sättet att bilda en långvarig fläck av artificiell jonisering är att använda en strukturerad stråle. Med rätt fasning av HAARP-gruppens sändningar kan en ”tvinnad stråle” bildas till ett ringmönster med minsta möjliga effekt i centrum, vilket demonstrerades vid HAARP av Leyser et al. Briczinski et al. har visat att HAARP:s tvinnade stråle kan bilda områden med artificiell jonisering trots att det elektriska toppfältet i denna bredare vinkelstråle är ca 5 dB mindre än effekten av en pennastråle vid samma frekvens. Simuleringar av penna- och vridna strålar för HAARP visas som antennförstärkningsmönster i figur 9. L = 0-läget av nollordning bildar ett enda maximum med en förstärkning på 24 dB. L = 1-modet av första ordningen bildar en ring med en maximal förstärkning på 19 dB.
Low-order beam shaping är ett tillvägagångssätt för att bilda en plasmareflexionsyta som är stationär och långlivad. En faktor som gör att den L = 1-tvinnade strålen lyckas upprätthålla ett långvarigt plasmamoln är det elektromagnetiska fältets interaktioner med den horisontella ringstrukturen i molnet. Figur 10 visar en simulering av en plan våg som träffar ett pannkaks-plasmamoln och ett toroidalt plasmamoln. Plasmapannkakan från en pennastråle kommer att koncentrera alla fält med stor amplitud till botten av plasman där ökad plasmaproduktion kommer att ske. Plasmaringen kommer att fokusera vissa elektriska fält på axeln, botten och sidorna av molnet för att bilda horisontella gradienter som inte sjunker i höjdled. Med denna teoretiska motivering användes HAARP-arrayen för att skapa en hög effekt vridd stråle för plasmamolnbildning
Med hjälp av både pennastrålar och tvinnade strålar gjordes HAARP-sändningar vid 5,8 MHz nära den fjärde gyroharmoniken. Pennstrålen L = 0 gav mycket lite förstärkt jonisering men den tvinnade L = 1 gav mycket starkare artificiell jonisering trots att det elektriska toppfältet var 5 dB lägre (figur 11). Vid 5,8 MHz har den tvinnade strålen toppeffekt vid en förskjutning på 7° från strålens axel. Strålen lutades 7° över vertikalen längs den magnetiska meridianen för att rikta in en del av ringstrålen mot magnetfältet och en annan del av strålen mot vertikalen. Det konstaterades att denna konfiguration gav den starkaste konstgjorda joniseringen på en fast höjd. När plasmamolnet hade bildats med den tvinnade strålen fortsatte 5,8 MHz-sändningarna i 5 timmar för att följa plasmamolnens utveckling. Figur 12 visar ett urval av jonogrammen som togs varannan minut för att visa ett stabilt moln på 200 km höjd
Ionogrammen från Gakona Digisonde analyserades för att ge en verklig höjdprofil av plasmamolnet. Exempel på dessa profiler för de första 3 timmarna av excitationen visas i figur 13. Karakteristiken för den konstgjorda plasmaregionen är (1) topptätheten är klämd till den kritiska tätheten som motsvarar 5,8 MHz-pumpen, (2) dubbla joniseringsfläckar bildas i segmentet 1,5 till 2,0 h sedan molnets initiering, och (3) den verkliga höjden på den konstgjorda joniseringsregionen rör sig långsamt 170 till 200 km höjdintervall. De fjärde gyroharmoniska experimenten vid 5,8 MHz med en L = 1 tvinnad stråle producerade det längsta ihållande plasmamolnet som observerats med HAARP. Resterande plasmastrukturer under den kontinuerliga pumpningsperioden sågs optiskt klockan 05:30 GMT, 4½ timme efter experimentets start. Dessa strukturer var fältjusterade spikuler som upprätthölls av HF-sändningarna med endast en liten rörelse kring ett jämviktsläge.
Detta fenomen som produceras med hjälp av den tvinnade L-1-strålen har benämnts sustained artificial ionization cloud (SAIC) för att skilja det från de tidigare diskuterade nedåtgående artificiella joniseringslagren (DAIL). SAIC är potentiellt mer användbart än DAIL som reflektionsytor för HF-radar- och kommunikationstillämpningar. Framtida modellstudier kommer att kombinera joniseringsproduktion med HF-strålformning för att hjälpa till att utforma den optimala produktionen av långvariga plasmamoln på en fast höjd.