Brevet 4035726 - Méthode de contrôle et / ou d'amélioration des systèmes de surveillance des communications ou des ondes hertziennes à haute latitude et autres par contrôle partiel de Radio Wave et al (haarp - cornell univ.) - 1977

Cette application est une continuation-in-part de ma demande Ser. N ° 173 610 déposé le 20 août 1971 et intitulé « Méthode et appareil pour produire un changement contrôlé dans les caractéristiques de la terre et mesurer les changements de la Terre » et comprend l’objet de la demande Ser. N ° 174 047, déposé le 23 août 1971, maintenant abandonné.

Ce qui est revendiqué est:

1. Procédé de commande d’un système de communication par ondes radio dans un milieu ionosphérique à haute latitude qui consiste à placer une source de plasma froid dans le milieu magnétosphérique et à injecter ledit plasma froid de ladite source dans le milieu magnétosphérique à un moment compris avant l’initiation de ladite communication d’onde radio dans ladite ionosphère pour former un milieu ionosphérique à ondes radio sensiblement non réfléchissant.

2. Dans un système de communication radio ionosphérique à haute latitude, une source de plasma froid consiste à placer ladite source dans le milieu magnétosphérique à l’extérieur de l’atmosphère terrestre et à injecter un plasma froid dans le milieu magnétosphérique à un moment précédant l’initiation de ladite radio. une communication par ondes pour former un trajet transmetteur d’ondes radio dans ledit support.

3. Appareil de contrôle de communications haute latitude et de surveillance d’ondes radio comprenant des moyens de modification du milieu de haute latitude dans lequel lesdits systèmes sont actionnés, comprenant des moyens d’injection de plasma froid dans une partie sélectionnée de la magnétosphère et des moyens de transport dudit plasma froid des moyens d’injection à ladite partie, lesdits moyens d’injection de plasma froid étant adaptés pour injecter en quantités suffisantes et dans une partie de la magnétosphère pour former un trajet transmetteur d’ondes radio dans ledit milieu.

4. Invention selon la revendication 3, dans laquelle ladite région sélectionnée est dans la bande de rayonnement externe et dans la région magnétiquement connectée sur l’équateur.

5. Invention selon la revendication 4, dans laquelle le plasma froid est injecté en quantités suffisantes pour produire une précipitation de particules à des énergies de quelques milliers de volts.

6. Invention selon la revendication 4, dans laquelle l’injection de plasma froid est la quantité requise pour provoquer la précipitation d’électrons d’énergies de quelques milliers de volts.

7. Invention selon la revendication 4 dans laquelle le plasma est injecté sur une région pour précipiter les électrons à des énergies de quelques milliers de volts et à l’ouest de l’emplacement choisi pour produire une région exempte de fouillis radar.

8. Invention selon la revendication 4, dans laquelle la densité de l’injection de plasma est suffisante pour provoquer la précipitation d’électrons d’énergies de plusieurs milliers de volts à l’ouest du site d’injection.

9. Invention selon la revendication 4, dans laquelle l’injection de plasma froid est sur des lignes de champ magnétique sur la région de communication.

10. Emetteur radio dans lequel l’énergie rayonnée est de l’ordre de 106 watts ou plus, incluant en partie une partie de la magnétosphère terrestre et comprenant des moyens d’injection de plasma froid pour provoquer une amplification d’onde améliorée à l’intérieur de ladite partie.

11. Un amplificateur d’ondes radio comprenant en combinaison, une partie de la magnétosphère terrestre,

des moyens pour introduire une onde radio à amplifier dans ladite partie, et

des moyens d’injection de plasma froid pour injecter un plasma froid dans ladite partie suffisante pour provoquer une amplification d’onde améliorée à partir de ladite partie.

12. Procédé de transmission d’une onde radio qui comprend: introduire l’onde radio à amplifier dans une partie de la magnétosphère terrestre et introduire un plasma froid dans ladite magnétosphère et d’une quantité suffisante pour provoquer une augmentation de l’émission d’onde de ladite magnétosphère.

13. Invention selon la revendication 12, dans laquelle ledit plasma froid est un gaz ou une vapeur choisi dans le groupe comprenant le baryum et l’hydrogène.

Description:

Le contrôle des particules énergétiques chargées piégées par le champ magnétique terrestre est réalisé par injection contrôlée de plasma froid (gaz ou particules ionisées) dans des quantités qui, bien que faibles, sont significativement supérieures à celles des gaz ionisés de basse énergie naturellement présents, et les principaux effets de contrôle peuvent être obtenus avec l’injection artificielle.

FIGUE. 1 du dessin est une coupe équatoriale agrandie à travers la terre montrant la ceinture de rayonnement de Van Allen et la Fig. 2 est une illustration du plan équatorial de la terre avec des légendes explicatives.

Il est bien connu que les particules ionisées ont une forte tendance à suivre les lignes de champ magnétique. En l’absence de perturbations de périodes comparables à la période de giration des particules, l’angle entre la trajectoire des particules et le champ magnétique α est déterminé par l’équation (sin2 α / B) = constante, où B est l’intensité du champ magnétique. Les particules chargées énergétiques dans les ceintures de radiation sont piégées lorsque leur « angle de pas », α, est suffisamment grand à de grandes distances où le champ magnétique est faible. Ils sont réfléchis par la Terre à une valeur du champ magnétique pour laquelle α devient 90 °. Si α est très petit, les particules se rapprochent de la terre et sont perdues par collision avec les constituants atmosphériques avant qu’elles ne soient réfléchies. Puisque les particules avec de petits angles de tangage sont rapidement enlevées, il y a une anisotropie inhérente dans les particules énergétiques piégées avec plus de particules se déplaçant perpendiculairement au champ magnétique que parallèlement à lui.

Cette anisotropie conduit à des instabilités plasmatiques et à l’amplification d’ondes se propageant dans la région des ceintures de radiation. Dans le processus d’amplification, l’angle de pas moyen des particules qui résonnent avec les ondes est réduit, car l’effet des ondes est de rendre aléatoire l’angle de pas des particules, et donc d’éliminer l’anisotropie. La diminution de l’angle de tangage fait que certaines particules qui ont été piégées auparavant pénètrent dans l’atmosphère et sont perdues. La plus grande partie de l’amplification a lieu dans et à proximité du plan équatorial où, pour une ligne de champ magnétique donnée, la force du champ magnétique (et donc la fréquence du cyclotron des particules) sont les plus faibles. Les ondes amplifiées ont également tendance à suivre les lignes du champ magnétique vers la terre. Une partie de l’énergie des vagues est réfléchie dans la région d’interaction et amplifiée à nouveau. Si le gain de l’amplitude de l’onde dans la région d’interaction compense plus que la perte de réflexion, l’amplitude de l’onde augmente rapidement. La quantité de gain d’onde est, cependant, proportionnelle au nombre de particules énergétiques qui résonnent avec l’onde, et l’amplification des ondes conduit à l’élimination des particules. Les très grandes amplitudes d’ondes produites comme décrit ci-dessus réduisent rapidement le nombre de particules énergétiques piégées au point où le gain d’énergie des vagues dans l’interaction équilibre juste la perte de réflexion. Ceci fournit une limite supérieure au nombre de particules énergétiques qui peuvent être piégées de manière stable.

On montre facilement qu’il y a une limite supérieure aux fréquences des ondes électromagnétiques qui peuvent être amplifiées (ω max), donnée par (ω max / Ω) = (A / A + 1)

pour les électrons énergétiques, où A est l’anisotropie.

Les particules qui résonnent avec l’onde sont celles dont la vitesse les amène à voir la fréquence d’onde décalée à leur fréquence cyclotron Ω = ω + k V11

où k est le nombre d’onde et V11 la vitesse de particule anti-parallèle à l’onde. Il y a donc une vitesse parallèle minimale et une énergie de particule parallèle minimale correspondante à laquelle la croissance des ondes électromagnétiques se produit. Les particules ayant des énergies plus basses ne donnent pas d’amplification d’onde et ne sont donc pas précipitées dans l’atmosphère par ce processus. Il existe donc une énergie seuil en dessous de laquelle la «limite de piégeage stable» n’existe pas et à des énergies inférieures à ce seuil, de très grands flux de particules énergétiques peuvent exister et existent effectivement. L’énergie de seuil dépend du nombre d’onde au carré, k2, et ceci est proportionnel à la fréquence du plasma au carré, elle-même proportionnelle à la densité d’ionisation totale, N (particules «froides» et énergétiques). On peut montrer que l’énergie des particules de seuil est quelques fois l’énergie magnétique par particule, B2 / 2 μ oN, où μ o est la perméabilité de l’espace libre et N est la densité du plasma. Afin de précipiter une fraction substantielle des particules énergétiques, l’énergie moyenne des particules (<E>) devrait être comparable ou supérieure à l’énergie seuil Eth, <E≥ Eth ≉ (3 à 10) B2 / 2μoN)

Les mesures des particules énergétiques, de la force du champ magnétique B et de la densité du plasma N dans les régions des ceintures de radiation montrent (sans surprise) que la plus grande partie de l’énergie énergétique des particules réside dans des particules dont l’énergie est inférieure au seuil. Les densités de plasma mesurées sont généralement comprises entre 0,1 et 10 par cm3 dans le plan équatorial de la ceinture de radiation externe. La quantité totale de plasma au-dessus de 1000 km dans un tube de flux magnétique mesurant jusqu’à 1 cm2 à 1000 km (la valeur du flux-tube par cm2) est typiquement de 1012 à 1013 avec des valeurs extrêmes peut-être 3 plus petites ou plus grandes .

MODIFICATION ARTIFICIELLE DU PROCESSUS D’INSTABILITÉ ET DE PRÉCIPITATION

A partir de ces chiffres, on voit qu’il n’est pas difficile d’augmenter sensiblement la densité du plasma par l’injection de gaz ionisé provenant d’une fusée ou d’un satellite (ou, imaginable, une arme à feu). Une mole Kgm de gaz ionisé (2,2 livres d’hydrogène) donnerait 6,1026 électrons et ions, et pourrait augmenter la densité du plasma de 10 par cm3 sur un volume de 6,1025 cm3. Autre exemple, la teneur en tubes de flux pourrait être augmentée de 6.1012 par cm2 sur une zone de l’ionosphère de 10 km de large en longitude et de 10 ° en latitude. La latitude de 10 ° de 60 ° à 70 ° magnétique se situe le long de la ligne de champ jusqu’aux rayons de 4 à 8,5 dans le plan équatorial et couvre la distance à laquelle la plus grande partie de l’énergie des ceintures est normalement trouvée. Puisque les particules piégées énergétiques dérivent en longitude (électrons vers l’est et ions vers l’ouest pour former un courant circulaire), toutes les particules traversent une seule longitude une fois par orbite autour de la terre. La période de dérive est généralement de 0,5 à 3 heures. Ainsi, si le seuil d’énergie pour le piégeage stable était fortement réduit à une longitude par injection de plasma froid (gaz ionisé), les particules énergétiques seraient éliminées lorsqu’elles atteindraient cette longitude dans leur dérive autour de la terre. La plus grande partie de l’énergie dans les particules de la ceinture de rayonnement pourrait alors être éliminée sur une échelle de temps d’une période de dérive, c’est-à-dire quelques heures. De plus, puisque l’énergie absorbée dans les ceintures de radiations ne serait pas affectée de manière significative, si la totalité de l’énergie était précipitée dans une région localisée, cela éliminerait (ou diminuerait sensiblement) la percipitation de ces particules à d’autres endroits, c’est-à-dire Le temps et l’endroit où les particules énergétiques précipitent peuvent être contrôlés par l’injection de plasma, ainsi que par l’énergie des particules qui précipitent. L’apport énergétique moyen des particules énergétiques dans l’atmosphère est d’environ 1010-1011 Watts. En tant qu’émetteur radio, en contrôlant l’énergie, on contrôlerait également la génération d’énergie houlomotrice à des fréquences très basses et extrêmement basses, avec des énergies d’ondes rayonnées de l’ordre de 1000 à 10 000 mégawatts. Les densités de plasma optimales peuvent être facilement calculées si les énergies des particules et la force du champ magnétique sont mesurées.

EFFETS ASSOCIÉS AUX PRÉCIPITATIONS

Plusieurs effets sont associés au processus de précipitation. La précipitation des protons énergétiques conduit à une certaine luminosité (arcs rouges auroraux stables ou arcs SAR) et au réchauffement de l’ionosphère et de la thermosphère, et est associée à des perturbations des communications radio qui utilisent la réflexion radio de l’ionosphère. À la suite d’une tempête magnétique majeure, des protons énergétiques sont découverts en grand nombre à des distances aussi faibles que deux rayons terrestres dans le plan équatorial et, par conséquent, perturbent les communications radio aux latitudes moyennes au fur et à mesure qu’elles se précipitent. Ces effets peuvent persister jusqu’à une semaine (temps nécessaire pour augmenter la densité du plasma équatorial, N, à sa valeur d’avant la tempête par l’évaporation de l’ionisation hors de l’ionosphère.) La chaleur peut, à son tour, entraîner des changements dans la circulation à haute altitude à mesure que les régions chauffées se dilatent, ce qui donne lieu à des vents de haute altitude. De plus, le processus de précipitation est associé à l’émission de très grandes quantités d’ondes radio à des fréquences de l’ordre de 1 Hz, dans et à proximité du plan équatorial magnétique.

La précipitation des électrons a également plusieurs effets associés. Le processus de précipitation donne lieu à la génération d’émission radio à très basse fréquence à des fréquences de l’ordre de 1 kHz, et la précipitation provoque une excitation des constituants atmosphériques et donc des aurores visibles.

Ainsi, l’injection de plasma froid telle que décrite ici et initialement revendiquée dans la demande abandonnée du demandeur, Ser. Le brevet US 174 047 peut servir d’émetteur radio dans la plage du mégawatt.

Les électrons les plus énergétiques (quelques dizaines de kV) produisent des quantités substantielles d’ionisation par impact avec des atomes et des molécules dans la gamme de hauteur d’environ 80-90 km. Cette ionisation provoque l’absorption des ondes radio et donc des pannes de communication.

Des énergies inférieures (quelques kV) ionisent les particules à des altitudes plus élevées (environ 100 à 120 km) et des irrégularités dans cette ionisation peuvent conduire à la dispersion des ondes radio et donc augmenter la propagation radio par des circuits de diffusion radio. L’ionisation dans cette gamme d’altitude affecte de façon marquée la conductivité de l’ionosphère et donc les champs électriques et le mouvement dynamique à grande échelle de la magnétosphère (l’atmosphère ionisée la plus à l’extérieur). La modification de la conductivité modifierait également les courants électriques circulant dans l’ionosphère et produirait ainsi des perturbations magnétiques à la surface de la terre et au-dessous. La plus grande partie de l’énergie des électrons se dépose finalement en tant que tête dans la haute atmosphère, avec des conséquences sur la circulation atmosphérique similaires à celles des protons.

Dans les systèmes de communication par ondes radioélectriques dans lesquels les ondes radioélectriques passent dans ou à travers l’ionosphère, les ondes sont affectées par les conditions de propagation dans l’ionosphère. Ceux-ci, en particulier aux hautes latitudes, sont influencés par la précipitation des particules énergétiques.

Cette précipitation produit une ionisation qui a trois effets principaux. L’ionisation produite à basse altitude (généralement inférieure à 100 km) contribue à l’absorption des ondes radio qui, à leur tour, peuvent entraîner des pannes d’ondes radio. Les augmentations globales de la densité d’ionisation peuvent augmenter les fréquences auxquelles les ondes radio sont réfléchies par l’ionosphère et augmenter ainsi la capacité de communication des trajets en utilisant l’ionosphère comme réflecteur. Troisièmement, des irrégularités dans l’ionisation sont produites. Ceux-ci ont deux effets; ils conduisent généralement à une diffusion accrue des ondes radio sur les circuits VHF et UHF, et donc à des communications améliorées sur les circuits de diffusion vers l’avant. Ces irrégularités conduisent également à un évanouissement amélioré des signaux transmis à travers l’ionosphère, par exemple à partir d’un satellite synchrone, conduisant à une perte de signal et à d’autres caractéristiques indésirables.

Selon cette invention, tous peuvent être contrôlés s’il est possible d’influencer la production d’ionisation en influençant la précipitation des particules énergétiques des ceintures de radiation dans l’ionosphère, et en particulier s’il y a un certain contrôle sur l’énergie des particules précipitantes. et donc la hauteur dans l’atmosphère à laquelle la plus grande partie de leur énergie est déposée.

La précipitation de particules énergétiques dans l’atmosphère peut être influencée par l’injection de gaz ionisé (plasma) dans les ceintures de radiation à de grandes distances de la terre. L’injection de plasma augmente la densité du plasma et améliore ainsi ou rend possible la propagation d’ondes électrostatiques et / ou électromagnétiques à des fréquences de l’ordre des fréquences des électrons et des cyclotrons ioniques. Ces ondes peuvent ensuite être amplifiées par les particules énergétiques des ceintures de radiation, de sorte que des ondes de grande amplitude sont produites. Les ondes de grande amplitude dispersent les particules énergétiques en énergie et en vitesse et dispersent certaines particules dans des trajectoires qui conduisent à l’atmosphère neutre près de la Terre. Ces particules « précipitent » ensuite dans l’atmosphère en produisant une ionisation comme indiqué ci-dessus.

Il y a trois manières distinctes de produire le gaz ionisé nécessaire à froid (c’est-à-dire à faible énergie). Le premier (représenté sur le dessin) consiste à transporter dans un projectile de fusée, de satellite ou de canon un matériau ionisable. Celui-ci pourrait être ionisé par l’une quelconque de plusieurs techniques (décharge électrique, ou chaleur, par exemple) puis relâché. Alternativement, le matériel qui est facilement ionisé dans la lumière du soleil (telle que la vapeur de baryum) pourrait être libéré dans les régions ensoleillées.

La troisième technique utilise des photoélectrons émis par la surface éclairée par le soleil du projectile ou du satellite. L’objet accumule naturellement un flux important d’électrons énergétiques (typiquement environ 109 par cm2 de surface de collecte). Comme la charge nette sur le satellite ne peut changer que de très petites quantités, le nombre de photoélectrons libérés est toujours égal au nombre d’électrons énergétiques collectés. Les photoélectrons ont des énergies d’environ 1 eV copiées avec 102 à 104 pour les électrons énergétiques. Ainsi, la vitesse du photoélectron est bien inférieure à celle des électrons énergétiques. Il faut plus de temps pour s’éloigner du satellite ou de la fusée et il y a donc une augmentation de la densité électronique près du satellite. Des expérimentations seraient nécessaires pour déterminer la taille d’un satellite. La vitesse à laquelle les photoélectrons sont émis est essentiellement le flux d’électrons énergétiques par unité de surface multiplié par la surface de collecte du satellite. Si le satellite est dans l’ombre de la terre, il n’émettra pas de photoélectrons, mais le même nombre d’électrons de basse énergie pourrait alors être libéré par un canon à électrons, une cathode thermionique ou un autre émetteur d’électrons contrôlable.

L’emplacement et le temps des améliorations de l’ionisation dans l’ionosphère pourraient être partiellement contrôlés par l’injection de plasma froid contrôlant la précipitation des particules énergétiques. L’énergie des particules et donc l’altitude de l’ionisation produite sont également soumises à un certain contrôle. L’application spécifique dépend de l’utilisation à laquelle l’ionisation doit être appliquée. L’injection de faibles densités de plasma précipite des particules d’énergie plus élevée qui pénètrent à de plus grandes profondeurs dans l’atmosphère. Les électrons les plus énergétiques produisent l’absorption des ondes radio. Les électrons d’énergie inférieure se déplacent vers l’ionisation de la région E (100-130Km) qui disperse les ondes radio. La diffusion vers l’avant peut être utilisée pour les communications. La rétrodiffusion produit un fouillis (interférence) sur les systèmes radar.

L’application particulière dépendra clairement de l’effet requis. Par exemple, pour produire un fouillis radar dans un circuit de communication par diffusion ou par diffusion radar, suffisamment de plasma serait injecté dans la région magnétiquement connectée au-dessus de l’équateur pour produire une précipitation de particules à des énergies de quelques kV. Pour produire une absorption d’ondes radio, on injecterait des densités de plasma plus faibles pour provoquer la précipitation d’électrons d’énergies de quelques dizaines de kV.

Pour éliminer le fouillis radar, au-dessus d’un endroit, le plasma serait injecté sur une région à l’ouest, pour précipiter les électrons à des énergies de quelques kV à l’ouest de l’emplacement choisi. Les électrons dérivant vers l’est seraient alors précipités avant d’atteindre la région désirée libre de tout fouillis. Pour maximiser la communication radio-diffusion, les électrons d’énergies de plusieurs dizaines de kV seraient précipités vers l’Ouest par injection de faibles densités de plasma. Des densités de plasma plus importantes seraient injectées sur des lignes de champ magnétique sur la région de communication. Cela produirait les irrégularités pour une diffusion améliorée, avec la majeure partie de l’absorption des ondes radioélectriques éliminée.

Bien que l’invention ait été particulièrement illustrée et décrite en référence à son mode de réalisation préféré, l’homme de l’art comprendra que les divers changements de forme et de détails peuvent y être apportés sans s’écarter de la portée et de l’esprit de l’invention.