지구상에서 가장 강력한 전리층 히터인 HAARP

고강도 전파로 자극을 받으면 이온층은 당황스럽고 아름다운 디스플레이로 반응한다.

 

Wi-Fi, 스마트폰 및 위치 앱의 현대 세계는 모든 가젯을 연결하기 위해 전파에 의존한다. 그러나 우리 대부분은 지구 위의 높은 전리층이 전화기의 위치 서비스와 자동차의 내비게이션 장치에 의해 전달되는 방향에 영향을 미친다는 것을 알지 못한다. 우리 행성을 감싸고 있는 전자와 이온의 기체인 전리층 플라즈마의 복잡한 역학은 알래스카에 위치한 고주파 활성 오로라 연구 프로그램(HAARP)과 같은 연구 시설에서 연구할 수 있다. 지난 15년 동안 HAARP는 많은 흥미롭고 예상치 못한 결과를 만들어냈는데, 아마도 가장 두드러지게는 전파에 의해 생성된 인공 전리층 플라즈마의 생산일 것이다.

대기 파편

전리층(電理層, )은 대기 상층부에 존재하는 많은 양의 자유 전자와 이온(태양의 자외선 광자가 대기 가스에서 전자를 충돌시킬 때 발생하는 대기 파편)을 말한다. (상층 대기에 대한 투어는 존 에머트의 빠른 연구, 물리학 투데이, 2008년 12월 70페이지 참조) 이것의 밀도는 이온 생산의 상대적인 속도와 중성 분자를 다시 만들기 위한 이온의 재조합에 의해 조절된다. 전리층은 약 70 km 고도에서 시작하여 250 km 부근에서 1 입방 센티미터 당 백만 개의 입자와 같은 최고의 낮 밀도에 도달하고, 그 고도 위에서 훨씬 더 희귀한 플라스마권, 자기권, 그리고 태양풍과 섞이기 위해 점점 더 가까워진다.
전리층 플라즈마는 그것을 통과하는 위성 통신과 항법 신호를 왜곡하고 지연시킬 수 있다. 일상적인 장치의 낮은 전력에서, 전리층 플라즈마는 전파를 바꿀 수 있지만, 플라즈마 자체는 영향을 받지 않는다. 그러나 충분히 높은 전력 밀도에서 전파는 플라즈마에 영향을 미치고 파동과 플라즈마 사이에 피드백을 생성할 수 있으며, 이는 이온권을 연구하는 독특한 수단인 소위 전리층 가열을 제공한다.
HAARP 시설은 1999년에 6 × 8 배열의 송신 안테나로 운영되기 시작했는데, 총 960 kW의 RF 전력을 생산했다. (그림은 오늘날의 12x15 어레이를 보여줍니다.) HAARP 빔은 손전등처럼 폭이 넓으며 레이저처럼 좁지는 않지만 천정의 30° 이내, 즉 국부 수직의 어느 곳이든 전자적으로 조종할 수 있으며 3~10 MHz에서 작동할 수 있다. 그것의 강력한 전파는 플라즈마 파동이라고 불리는 이온층 전자를 앞뒤로 움직인다. 이러한 구동 전자들이 서로, 그리고 배경 종들과 충돌하면서, 그들의 온도가 올라가기 때문에 HAARP는 히터라고 불린다.

 

전리층을 가열하고 관찰한다. 알래스카의 HAARP(High Frequency Active Auroral Research Program) 운영 센터(왼쪽 위 건물)의 발전기는 오른쪽에 있는 대형 안테나 어레이에 전력을 공급합니다. 그 배열은 차례로 전리층과 상호작용하는 RF파를 전송한다. 어레이에서 도로 아래로 대피하는 곳에는 결과적인 흥분을 관찰하기 위한 광학 기기가 있습니다. 기기 중 하나는 하부 삽입물의 투명한 돔을 통해 볼 수 있습니다(A의 배경 사진). Lee Snyder; Robert Esposito의 삽입 사진.) 상부 삽입물의 빨간색과 녹색 영역(제프리 홈즈의 예의)은 전리층 가열에 의해 흥분된 산소 원자가 낮은 에너지 상태로 이완되는 전리층의 영역을 나타냅니다. HAARP 부지 뒤에는 드럼 산이 있다.

 

일련의 예기치 못한 사건들

오페라 소프라노가 유리를 깨기 위해 딱 알맞은 주파수로 노래를 불러야 하는 것처럼, 히터는 전리층의 자연 플라즈마 공명에 맞는 주파수를 목표로 해야 한다. 주된 목표는 전자 밀도의 함수인 플라즈마 주파수, 자기장 주위를 나선형으로 도는 전자의 사이클로트론 주파수의 배수, 그리고 이러한 기본 주파수를 결합하는 하이브리드 공명을 포함한다.
가열된 전자에 의해 들뜬 광학 방출의 측정은 HAARP의 첫 번째 예상치 못한 결과를 산출했다. 노르웨이 북극의 EISCAT(European Incoherent Scat) 히터에서 20년 동안 시도한 것처럼 그러한 방출을 발견하는 것은 성공적이었다. 실제로 HAARP 과학자들은 광학 방출을 찾는 것은 시간 낭비라는 경고를 받았다. 그럼에도 불구하고 붉은 630.0nm 산소 라인을 기록한 이미지는 히터와 동시에 켜지거나 꺼지는 희미한 방울을 보여주었다. 대기광은 빔 중심에서 멀리 떨어진 자기 천정, 즉 자기장의 방향에서 예상치 못한 향상을 보여주었다. 분명한 다음 단계는 자기 천정을 향해 빔을 겨누는 것이었는데, HAARP는 수직으로부터 남남서쪽으로 약 15° 떨어져 있다. 2002년에 마침내 실험이 수행되었을 때, HAARP 배열이 자기 천정을 통과하는 빔을 흔들자, 그 전구는 불이 붙었고 다른 어떤 장소에서도 공기 빛보다 10배 더 밝았다. 이 자기 천정 효과의 변화는 이전에 EISCAT에서 관찰되었지만, EISCAT와 HAARP 버전의 효과는 예측되지 않았고, 완전히 이해되지도 않았다.
주파수 민첩성 덕분에 HAARP 안테나는 전송 주파수가 두 공명과 동시에 일치하는 특정 고도에서 전리층을 가열할 수 있습니다. 2004년, 이 가능성을 이용한 실험은 557.7 nm의 녹색 선 산소 방출을 생성했다. 이 선들은 바닥 상태 에너지보다 4 eV 높은 에너지를 가진 들뜬 상태에서 나온다; 분명히 플라즈마 파동을 "서핑"함으로써 전자는 열 에너지를 훨씬 넘어서는 에너지로 가속된다. 같은 시리즈의 또 다른 HAARP 실험은 오로라에 의해 생성된 일시적인 전리층을 가열했다. 그 극도로 밝은 점들은 그 이후로 재현되었지만 아직 설명되지 않았다.
2007년에 HAARP는 12 × 15 안테나와 총 전력 3.6 MW의 전체 설계 능력으로 확장되었다. 2008년 2월, 첫 번째 확장 후 과학 캠페인 동안, 제 동료들과 저는 항공광점 주변의 이상하고 예상치 못한 고리가 있는 광학 이미지를 얻었습니다. 우리는 빔의 중심에 있는 플라즈마가 배경 전리층에 비해 밀도가 약간 향상되면 밀도 구배가 빔의 중심에서 고리가 관찰된 위치로 광선을 우회시킬 수 있다는 가설을 세웠다. 전리층에서 반사된 전파의 반향에 대한 세심한 조사는 자연 전리층 바로 아래의 밀도를 향상시키는 인공 플라즈마 층에 대한 증거를 밝혀냈다. 게다가, 관측된 층을 통해 전파되는 RF파의 시뮬레이션은 고리가 보이는 곳에 바로 추가 전력을 공급한다.
우리는 이러한 인공 이온화가 가능할 것이라고 예상하지 못했지만, 우리는 이온화 생산을 최적화하기 위해 고안된 새로운 실험을 후속으로 수행했다. 2009년 3월, 우리가 공기광을 찾는 것이 헛된 일이라는 말을 들은 지 10년이 조금 넘은 시점에, 나는 몇몇 동료들과 함께 이온화 실험을 하는 동안 밖으로 나갔고, 지상에서 전송된 전파에 의해 생성되고 유지되는 인공 전리층 플라즈마에서 나오는 빛에 경탄했다.
HAARP 과학자들은 예상치 못한 현상을 발생시키는 것 외에도 EISCAT에서 선구적인 진단 기술인 자극 전자기 방출을 사용하고 더 발전시켰다. 이 효과는 히터에 의해 자극된 플라즈마파가 지상에서 수신되는 전파를 전송 주파수 양쪽의 좁은 피크와 넓은 범프의 복잡한 스펙트럼으로 재생할 때 발생한다. 이들 중 일부는 전자 밀도뿐만 아니라 이온 질량, 자기장 강도 또는 다른 매개 변수에 의존한다. 따라서 자극된 방출은 가열된 볼륨의 조건을 분석하기 위한 잠재적으로 강력한 도구를 제공한다.