ПРИЛОЖЕНИЕ A

ПАТЕНТЫ HAARP:
базовый патент US-4686605

: абстракт : : иллюстрации : : описание : : раскрытие изобретения : : краткое описание иллюстраций : : лучшие варианты осуществления изобретения : : формула изобретения :

 

Настоящая публикация является переводом основополагающего патента из серии «патентов HAARP» US-4686605 «Method and Apparatus for Altering a Region of Atmosphere, Ionosphere and/or Magnetosphere.»

Перевод c английского © Janto.

Оригинал патента здесь: US-4686605

 

Примечание. Описание патента в оригинале можно характеризовать словом «корявое», т.к. оно изобилует постоянными повторами одного и того же и излишними, несущественными для понимания техники, подробностями, с одной стороны, при поверхностном освещении некоторых важным моментов, с другой стороны (это можно отнести как на счет ряда особенностей и традиций американской патентной системы, так и на счет манеры и стилистики изложения автора изобретения). Однако автор перевода попытался сделать его максимально близким к оригинальному тексту с целью исключения возможности потери каких-либо деталей, которые кому-то могут показаться существенными для понимания смысла и тонкостей изобретения.

 

МЕТОД И АППАРАТУРА ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ОБЛАСТИ АТМОСФЕРЫ, ИОНОСФЕРЫ И/ИЛИ МАГНИТОСФЕРЫ

• Изобретатель: Bernard J. Eastlund
• Заявитель и патентообладатель: APTI Inc. (US)
• Приоритет: 10.01.1985
• Классы МКИ: H05B 06/64; H05C 03/00; H05H 01/46.
• 15 пунктов патентной формулы
• 5 иллюстраций

 

Метод и аппаратура для модифицирования по меньшей мере одной выбранной области, в обычных условиях существующей над земной поверхностью. Область возбуждается путем электронно-циклотронного резонансного нагрева для повышения плотности заряженных частиц. В одном варианте электромагнитное излучение круговой поляризации излучается вверх преимущественно параллельно и вдоль магнитной линии, проходящей через область плазмы, подлежащую модифицированию. Для нагрева и ускорения заряженных частиц излучение передается на частоте, на которой вызывается электронно-циклотронный резонанс. Увеличение энергии этих частиц может вызывать ионизацию нейтральных частиц, которые абсорбируются модифицируемой областью, повышая тем самым плотность ее заряженных частиц.

 

 

Примечание. Для просмотра иллюстраций в большем масштабе см. оригинал по ссылке в заголовке.

 

1. Техническая область.

Изобретение относится к методу и аппаратуре для модифицирования по меньшей мере одной выбранной области, в обычных условиях существующей над земной поверхностью, в частности, к методу и аппаратуре для модифицирования такой области путем передачи с поверхности Земли электромагнитного излучения преимущественно параллельно и вдоль естественных расходящихся магнитных силовых линий, идущих от поверхности Земли через область или области, подлежащие модифицированию.

 

2. Уровень техники.

В конце 1950-х годов были открыты пояса естественного происхождения, существующие над поверхностью Земли на больших высотах, и сегодня установлено, что данные пояса являются результатом захвата электронов и ионов магнитными силовыми линиями, в основном силовыми линиями дипольного магнитного поля Земли. Захваченные электроны и ионы удерживаются вдоль магнитных силовых линий между двумя магнитными зеркалами, существующими в пространственно разнесенных точках названных линий, при этом они движутся взад-вперед по спиральным траекториям вокруг данных линий, отражаясь от магнитных зеркал, и могут осциллировать таким образом в течение длительного интервала времени.

В последние несколько лет были предприняты значительные усилия, направленные на понимание и объяснение феномена поясов захваченных электронов и ионов, а также на поиск путей управления данным феноменом и его полезного применения. Например, в конце 1950-х - начале 1960-х годов как Соединенные Штаты, так и СССР произвели ряд ядерных взрывов различной мощности для получения большого числа заряженных частиц на различных высотах, преимущественно на высотах 200 кМ и выше. Это было сделано с целью создания и изучения искусственных поясов захваченных электронов и ионов. Эти эксперименты установили, что, как минимум, некоторые из произведенных взорванными устройствами электроны и ионы захватывались магнитными линиями магнитосферы, формируя пояса, стабильные в течение длительных интервалов времени. Подробнее о данных экспериментах см. «The Radiation Belt and Magnetosphere», W.N.Hess, Blisdell Publishing Co., 1968, стр. 155 и далее.

Более продвинутые проекты по модифицированию существующих поясов захваченных электронов и ионов и/или по созданию аналогичных искусственных поясов включали инжектирование заряженных частиц со спутников, несущих на борту бета-радиоактивные материалы, источники альфа частиц или электронные ускорители. Еще один подход описан в патенте США US-4042196, при котором спутником, находящимся на синхронной орбите вблизи высшей точки естественного радиационного пояса магнитосферы, выпускается низкоэнергичный ионизированный газ, например, водород, чтобы вызвать сброс энергичных частиц и создать таким образом лимит частиц, которые могут быть стабильно захвачены. Данный эффект сброса является следствием вызванного инжекцией «холодной плазмы» ионизированного газа взаимодействия ионно-циклотронного резонанса с вистлерами.

Также предполагалось создание в магнитосфере больших облаков бария, чтобы за счет фотоионизации увеличить плотность плазмы и таким образом вызвать сброс электронов механизмом расширенного вистлер-взаимодействия.

Однако, во всех упомянутых подходах механизмы, вовлекаемые в триггерные изменения, присущие феномену захваченных частиц, должны присутствовать в зоне их воздействия, в данном случае в магнитосфере, до того, как они могут быть активированы чтобы вызвать желаемый эффект.

Земная ионосфера не рассматривается в качестве «захваченного» пояса, поскольку в ней мало захваченных частиц. Термин «захваченные» здесь относится к ситуации, когда сила гравитации, воздействующая на захваченные частицы, уравновешивается более магнитным силами, нежели гидростатическими или силами столкновений. Заряженные электроны и ионы в ионосфере также движутся по спиральным траекториям вокруг линий магнитного поля, но не зацикливаются между магнитными зеркалами, как в поясах захвата магнитосферы, поскольку здесь силы гравитации уравновешиваются гидростатическими силами и силами столкновений.

В последние годы было проведено определенное число экспериментов по модификации ионосферы различными управляемыми способами с целью оценки возможности получения полезных результатов. Подробно об этих работах см. в публикациях: 1. G.Meltz and F.W.Perkins. Ionispheric Modification Theory. 2. Carrol et al. The Plattewille Hight Power Facility. 3. W.E.Gordon and H.C.Carlson. Arecibo Heating Experiment. 4. G.Meltz et al. Ionospheric Heating by Powerfull Radio Waves (все опубликовано в журнале Radio Science, вып. 9, No 11, ноябрь 1974 г., стр. 885-888, 889-894, 1041-1047 и 1049-1063 соответственно, все публикации включены здесь в качестве ссылочного материала). В подобных экспериментах определенные области ионосферы разогревались с целью повышения плотности и температуры присутствующих в них электронов. Это достигалось созданием наземной антенной высокочастотного электромагнитного излучения, направленного под некоторым углом, т.е. не параллельно, к магнитным силовым линиям ионосферы, с целью разогрева ионосферных частиц преимущество омическим нагревом.

В этих экспериментах температура электронов в ионосфере поднималась на несколько сотен градусов и электроны с энергией в несколько электронвольт производились в количестве, достаточном для того, чтобы вызвать свечение атмосферы. Концентрация электронов при этом падала на несколько процентов вследствие расширения плазмы за счет повышения температуры.

В Elmo Bumpy Torus (EBT) - экспериментальной термоядерной установке на основе зеркально-тороидального гибрида Оук-Риджской национальной лаборатории весь нагрев производится микроволнами при электронно-циклотронном резонансном взаимодействии. Кольцо горячих электронов формируется на земной поверхности в магнитном зеркале путем комбинации электронно-циклотронного резонанса и стохастического нагрева. В EBT закольцованные электроны имеют «температуру» около 250 кэВ (килоэлектронвольт) и параметр бета плазмы в диапазоне 0,1 - 0,4 (см. Batchelor and Goldfinger. Cyclotron Absorbtion in Elmo Bumpy Torus. Nuclear Fusion, vol.20 No4, 1980, стр. 403-418).

Электронно-циклотронный резонансный нагрев использовался также в наземных экспериментах для создания и ускорения плазмы в расходящемся магнитном поле. Kosmahl с соавторами показали, что энергия электромагнитных волн отдавалась и полностью ионизированная плазма ускорялась при угле расхождения около 13 градусов. Оптимальная плотность нейтрального газа при этом была равна 1.7х10^14 на кубический сантиметр (см. Kosmal et al. Plasma Acceleration with Microwaves Ntar Cyclotron Resonance. Journal of Applied Physics, вып.38, N12, ноябрь 1967 г., стр. 4576-4572).

 

Изобретение относится к методу и аппаратуре для модифицирования по меньшей мере одной выбранной области, в обычных условиях существующей над земной поверхностью. Область модифицируется электронно-циклотронным резонансным нагревом электронов, присутствующих или искусственно образованных в ней, при этом увеличивается энергия заряженных частиц и, в конечном итоге, их плотность в области.

В одном из вариантов это осуществляется путем передачи электромагнитного излучения круговой поляризации с Земли в точке, где естественные дипольные магнитные силовые линии пересекаются с земной поверхностью. Правая круговая поляризация используется в северном полушарии, а левая - в южном. Передача осуществляется преимущественно вдоль и параллельно приземному участку магнитной силовой линии, проходящей через область, выбранную для модифицирования. Передача излучения производится на частоте, определяемой гирочастотой заряженных частиц, которая применительно хотя бы к одной области стимулирует в ней электронно-циклотронный резонанс, разогревающий частицы и разгонящий их по спиральным траекториям вокруг и вдоль данной магнитной линии. Выделяющаяся при этом энергия достаточна для ионизации нейтральных частиц (молекул кислорода, азота, аэрозолей и т.д), которые, становясь частью ионизированной области, увеличивают ее плотность.

Данный эффект может быть усилен путем введения искусственно созданных частиц - электронов, ионов и т.д. с ракет, спутников и пр. непосредственно в модифицируемую область для пополнения ими ее естественной плазмы. Эти частицы также ионизируются передаваемым электромагнитным излучением, тем самым еще больше повышая плотность плазмы области.

В другом варианте изобретения электронно-циклотронный резонансный нагрев заданной области осуществляется на энергетическом уровне, достаточном для генерации плазмой, присутствующей в области, силы отражения, которая направляет заряженные электроны модифицируемой области вдоль магнитной линии на высоту выше первоначальной, при этом точки отражения находятся в основании модифицируемой области. Заряженные электроны увлекают за собой ионы и другие частицы, которые могут присутствовать. Достаточно энергии 10^15 дж, чтобы модифицированная плазма могла быть захвачена на магнитной линии между точками отражения и осциллировать в пространстве длительное время. С помощью данного варианта в заданной области могут создаваться сгустки модифицированной плазмы для управления коммуникациями и в других целях.

Еще в одном варианте данное изобретение позволяет модифицировать заданную область плазмы с образованием слоя плазмы с повышенной плотностью частиц. После образования данного слоя при продолжении передачи главного луча электромагнитного излучения с круговой поляризацией его модулируют и/или с интервалом по крайней мере в 1 секунду передают модулированный луч как минимуму от одного отдельного источника на другой частоте, поглощаемой слоем плазмы. Амплитуда или частота (в оригинале «amplitude of frequecy», т.е. «амплитуда частоты», что похоже на опечатку - прим. перев.) главного луча и/или второго луча или лучей модулируется в резонанс по крайней мере с одной известной модой колебаний (очевидно, плазмы - прим. перев.) в выбранной области или областях, чтобы вызвать распространение в ионосфере волн (очевидно, плазменных - прим. перев.) с известной частотой и модой колебаний.

 

Реальная конструкия, функционирование и отдельные преимущества изобретения могут быть лучше поняты с помощью ссылок на рисунки, в которых номерами обозначены их составляющие, в т.ч.:

FIG.1 - схематическое изображение Земли (не в масштабе) с магнитными силовыми линиями, вдоль которых реализуется данное изобретение.

FIG.2 - один из вариантов данного изобретения, в котором выбранная область плазмы поднимается на бОльшую высоту.

FIG.3 - упрощенное, идеализированное представление феномена, вовлеченного в данное изобретение.

FIG.4 - схематический вид другого варианта данного изобретения.

FIG.5 - схематический вид аппаратной реализации данного изобретения.

 

Магнитное поле Земли в определенной степени аналогично двухполюсному стержневому магниту. Соответственно, оно содержит множество расходящихся линий поля или силы, каждая из которых пересекает земную поверхность по разные стороны экватора. Линии поля, пересекающие земную поверхность около полюсов, имеют апексы, расположенные в наиболее удаленных точках магнитосферы, в то время как ближайшие к экватору имеют апексы, едва достигающие ее нижних границ.

На различных высотах над земной поверхностью, в т.ч. как в ионосфере, так и в магнитосфере, естественная плазма существует вдоль данных линий поля. Эта плазма состоит из равного количества отрицательно и положительно заряженных частиц (в т.ч. электронов и ионов), направляемых данными линиями. Точно установлено, что заряженные частицы в магнитном поле вращаются по кругу вокруг его линий, при этом центр вращения часто называют «ведущим центром» частицы. Если вращающаяся по кругу частица будет двигаться вдоль магнитных линий в однородном магнитном поле, то она будет перемещаться по спиральной траектории вследствие линейного перемещения ее ведущего центра, и таким образом будет оставаться на магнитной линии.

Как электроны, так и ионы движутся по спиральным траекториям, однако вращаются при этом в противоположные стороны. Частоты, с которыми электроны и ионы обращаются вокруг линий магнитного поля, называются гиромагнитными, а также циклотронными, так как их значения равны угловым частотам вращения частиц в циклотроных ускорителях. Циклотронные частоты ионов в одном и том же магнитном поле ниже, чем у электронов, в обратной пропорции к их массам.

Если частицы, формирующие плазму вдоль геомагнитной силовой линии, продолжают двигаться с постоянным питч-углом, часто обозначаемым буквой «альфа» (питч-угол альфа по определению есть угол между направлением линии магнитного поля и вектором скорости частицы), то они вскоре неминуемо столкнутся с поверхностью Земли. Однако в сходящемся силовом поле питч-угол изменяется таким образом, что частицам удается развернуться и избежать данного столкновения.

Рассмотрим движение частицы вдоль линии поля вниз по направлению к Земле. Она движется в область с растущей напряженностью магнитного поля, и, соответственно, растет синус угла альфа. Однако он может расти только до значения, равного 1, и при достижении соответствующей точки частица разворачивается и начинает двигаться вверх по магнитной линии, при этом альфа начинает уменьшаться. Точка, в которой частица поворачивает обратно, называется точкой отражения, и в ней угол альфа равен 90°. Этот процесс повторяется на другом конце силовой линии, где напряженность магнитного поля имеет то же значение B, именуемое Bm. Частица снова разворачивается, и эта точка именуется сопряженной точкой первичной точки отражения. Частица таким образом захватывается в «ловушку» и циркулирует между двумя магнитными зеркалами. Таким способом частица может осциллировать в пространстве в течение длительного времени.

Фактическое место, в котором частица будет отражаться, может быть определено из следующего соотношения:

 

(1) sin^2 Ao = Bo/Bm

 

где:

- Ao - экваториальный питч-угол частицы;

- Bo - экваториальная напряженность геомагнитного поля заданной силовой линии;

- Bm - напряженность магнитного поля в точке отражения заданной силовой линии.

 

Недавние исследования установили, что существуют естественные области захваченных частиц, обычно называемые «захваченными радиационными поясам». Эти пояса находятся на высотах более 500 км и, соответственно, простираются в магнитосфере, в основном над ионосферой.

Ионосфера, хотя и может перекрывать некоторые пояса захваченных частиц, является областью, в которой распределением частиц управляют гидростатические силы в поле гравитации. Движением же частиц в ионосфере управляют как гидростатические, так и электродинамические силы. Хотя в ней мало захваченных частиц, плазма вдоль магнитных силовых линий тоже присутствует. Заряженные частицы, формирующие плазму, движутся между столкновениями с другими частицами по таким же спиральным траекториям вокруг магнитных линий, и хотя некоторые частицы могут диффундировать вниз в более низкие слои атмосферы или терять энергию и покидать свои первоначальные силовые линии после столкновений с другими частицами, они в обычных условиях замещаются другими имеющимися частицами или частицами, ионизирующимися при столкновении с данными. Электронная плотность (Ne) плазмы при этом будет изменяться в соответствии с текущими условиями и положением. Кроме того, само присутствие нейтральных частиц, ионов и электронов находится в тесной зависимости от магнитных силовых линий.

Процесс усиленной ионизации будет также воздействовать на распределение атомарных и молекулярных элементов в атмосфере, прежде всего за счет увеличения концентрации атомарного азота. Верхние слои атмосферы в обычных условиях богаты кислородом (основной атмосферный компонент на высотах свыше 200 км), а содержание атомарного азота в них относительно низкое. Это (увеличение концентрации атомарного азота - прим. перев.) может проявляться, среди прочих эффектов, усилением атмосферного свечения.

Из физики плазмы известно, что ее характеристики можно изменять путем увеличения энергии заряженных частиц, а также путем ионизации или возбуждения дополнительных частиц, повышая тем самым ее плотность. Одним из путей решения этой задачи является нагрев плазмы, что может быть достигнуто различными способами, например, омическим нагревом, магнитной компрессией, ударными волнами, магнитной накачкой, электронно-циклотронным резонансом и т.п.

Поскольку электронно-циклотронный резонанс задействован в настоящем изобретении, необходимо дать его краткое описание. Увеличение энергии электронов плазмы путем задействования электронно-циклотронного резонансного нагрева базируется на принципе, аналогичном использумому для ускорения заряженных частиц в циклотроне. Если плазма удерживается статическим осевым магнитным полем с напряженностью B, то заряженные частицы будут обращаться вокруг магнитных силовых линий с частотой, определяемой в герцах выражением:

 

f_g = 1.54x10^3xB/A

 

где:

B - напряженность магнитного поля в гауссах;

A - массовое число иона (суммарное число протонов и нейтронов в ядре - прим. перев.)

 

Предположим, что на статическое осевое поле с напряженностью B, удерживающее плазму, наложено переменное магнитное поле с указанной частотой, созданное путем пропускания переменного высокочастотного тока через катушку, концентричную катушке, формирующей осевое магнитное поле. В этом случае в каждом полупериоде своего обращения вокруг магнитных силовых линий заряженные частицы будут получать энергию от переменного электрического поля указанной частоты. Например, если напряженность магнитного поля равна 10000 Гс, то частота поля, резонансного для протонов плазмы, будет травна 15,4 мГц.

Для электронно-циклотронного резонансного нагрева электронов требуется переменное поле с частотой, также определяемой напряженностью удерживающего магнитного поля. Радиочастотное излучение создает переменные поля (электрическое и магнитное), и электрическое поле ускоряет заряженные частицы. Возбужденные электроны передают свою энергию другим электронам, ионам и нейтральным частицам при столкновениях с ними, таким образом эффективно повышая их температуру. Распределение энергии между этими компонентами определяется частотой их столкновений. Для более глубокого понимания физики данных процессов см. Glasstone and Voldberg. Controlled Thermonuclear Reactions. D. Van Nostrand Company, Inc. 1960, а также Hess. The Radiation Belt and Magnetosphere. Blaisdell Publishing Company, 1968, включенные здесь в качестве ссылочного материала.

Обратимся теперь к рисункам, относящимся в соответствии с данным изобретением к методу и аппаратуре для модифицирования по крайней мере одной области плазмы, расположенной вдоль магнитной силовой линии, в частности, когда она проходит через ионосферу и/или магнитосферу. На фиг.1 упрощенно изображена Земля 10 и одна из ее дипольных магнитных силовых линий 11. Следует иметь в виду, что линия поля 11 может быть одной из множества существующих линий поля, а актуальные географические позиций 13 и 14 линии 11 должны выбираться исходя из конкретных решаемых задач. Актуальная (очевидно, для экспериментального подтверждения данного изобретения - прим. перев.) позиция пересечения линиями поля земной поверхности задокументирована и всегда доступна для удостоверения специалистам.

Линия 11 проходит через область R, расположенную на определенной высоте над земной поверхностью. С учетом мощности, которая может быть использована, пригодным для практической реализации изобретения является широкий диапазон высот. Электронно-циклотронный резонансный нагрев может быть приложен к электронам где бы то ни было над поверхностью Земли. Эти электроны могут заранее присутствовать в атмосфере, ионосфере и/или магнитосфере, а также могут быть созданы искусственно с помощью различных средств, например, рентгеновского излучения, потоков заряженных частиц, лазеров, плазменными оболочками, окружающими такие объекты, как метеоры, ракеты и т.п. Кроме того, искусственные частицы, например, электроны, ионы и т.п. могут быть инжектированы в область R с запускаемых с Земли ракет или с орбитальных спутников, например, несущих в качестве полезной нагрузки бета-радиоактивны материалы, источники альфа-чатиц, ускорители электронов и/или ионизированные газы, например, водород (см. патент США US-4042196). Если необходимо, высота может быть более 50 км, например, от 50 км до 800 км, соответственно, область (R) может находиться в ионосфере и/или в магнитосфере. Плазма при этом состоит из заряженных частиц, в основном из электронов и ионов, движущихся по спиральным траекториям 12 вдоль и вокруг магнитной силовой линии 11.

Антенна 15 устанавливается как можно ближе к позиции 14, где линия 11 пересекает земную поверхность. Антенна может быть любой известной конструкции, обеспечивающей высокую направленность, например, антенная решетка с заданным углом θ раскрыва луча (см. The MST Radar at Poker Flat, Alaska. Radio Science, vol.15, No2, Mar.-Apr.1980, стр. 213-223, публикация включена здесь в качестве ссылочного материала). Антенна 15 соединена с передатчиком 16, генерирующим для излучения антенной электромагнитные колебания в широком диапазоне дискретных частот, например, от 20 кГц до 1800 кГц.

Передатчик 16 питается от генераторной установки 17, которая в предпочтительном варианте включает один или несколько мощных коммерческих генераторов. В некоторых реализациях данного изобретения требуется большая мощность, примерно 10^9 - 10^11 вт в режиме непрерывного или импульсного излучения. Выработка электроэнергии такой мощности является нетривиальной задачей. Хотя электрические генераторы, необходимые для практической реализации данного изобретения, могут использовать энергию любого известного источника, например, ядерного реактора, гидросооружения, углеводородного топлива и пр., данное изобретение, вследствие исключительно большой потребляемой мощности в некоторых приложениях, расчитано на использование в т.ч. таких источников топлива, которые естественным образом присутствуют в стратегически важных регионах земного шара. Например, большие запасы углеводородов (нефти и природного газа) имеются на Аляске и в Канаде. В северной Аляске, в частности, в регионе North Slope (северный склон Аляски - прим. перев.), постоянно доступны их большие резервы. Аляска и северная Канада также идеально расположены в плане магнитных широт. На Аляске магнитные силовые линии особенно подходят для реализации настоящего изобретения, поскольку многие силовые линии, достигающие необходимых высот, пересекают земную поверхность именно на Аляске. Т.о., Аляска представляет собой уникальное сочетание больших запасов энергоносителей, доступных вблизи точек пересечения нужных магнитных силовых линий с земной поверхностью. Кроме того, предпочтительным энергоносителем для выработки большого количества электроэнергии является природный газ, имеющийся на Аляске в изобилии.

Наличие больших объемов экологически чистого топлива, каким является природный газ, на широтах Аляски, в частности, в регионе North Slope, и доступность МГД-генераторов, газовых турбин, топливных элементов, электрогазодинамических генераторов, эффективно работающих на природном газе, являются идеальной основой для источников энергии, удовлетворяющих беспрецедентным требованиям к электропитанию реализаций данного изобретения. Более подробно об использовании углеводородного топлива для генерации электроэнергии см. Lawton and Weinberg. Electrical Aspects jo Combustion, Clarendon Press, 1969. Например, возможно генерировать электроэнергию сразу на высокой частоте, необходимой для питания антенной системы. Для этого в общем случае пропускают продукты сгорания со скоростью V через зону возмущения в магнитном поле (в данном случае МГД генератора) шириной d на основе соотношения:

 

f = Vxd,

 

где f - требуемая частота генерации. Т.о при значениях V=1,78x10^6 см/с и D=1 см, электрическая энергия будет вырабатываться на частоте 1,78 мГц.

Иными словами, на Аляске меется в больших количествах природный газ и как раз на правильных магнитных широтах, что представляет собой уникальное сочетание условий, обеспечивающих наиболее эффективную реализацию настоящего изобретения. Требуемые для реализации магнитные широты пересекают земную поверхность как к северу, так и к югу от экватора, и они соответствуют тем величинам, которые охватывают Аляску.

Обратимся теперь к рисунку фиг.2, иллюстрирующему первый вариант реализации изобретения, где заданная область R1 плазмы 12 подвергается электронно-циклотронному резонансному нагреву для ускорения электронов, движущихся по спиральным траекториям вдоль линии 11.

Для достижения требуемого результата электромагнитная энергия передается извне от передатчика 15 в виде волн 20 с правой круговой поляризацией и с достаточной степенью параллельности относительно линии поля 11. Волны 20 имеют частоту, которая вызывает электронно-циклотронный резонанс в плазме 12 на ее начальной или исходной высоте. Эта частота изменяется в зависимости от параметров электронно-циклотронного резонанса области R1, которые могут быть определены по имеющимся данным - высоте расположения области R1, конкретной силовой линии, напряженности геомагнитного поля и пр. Могут использоваться частоты в диапазоне от 20 до 7200 кГц, предпочтительно от 20 до 1800 кГц. Кроме того, для каждого применения может существовать порог минимального уровня энергии, который необходимо превысить для достижения требуемого результата. Этот минимальный уровень являются функцией от требуемого объема и количества движения плазмы с учетом потерь, присутствующих в конкретной области и путях распространения энергии.

С возникновением в области плазмы 12 электронно-циклотронного резонанса, энергия электромагнитного излучения 12 начинает поглощаться ей, разогревая и ускоряя ее электроны, а за ними ионы и нейтральные частицы. При продолжении указанного процесса нейтральные частицы области R1 ионизируются и абсорбируются плазмой 12, тем самым повышая ее электронную и ионную плотность.

Как только энергия электронов повысится до значения около 1 кэв, возникшая сила отражения (см. ниже) направит возбужденную плазму 12 вверх вдоль линии 11, формируя тем самым султан R2 на высоте, превышающей высоту области R1. Ускорение плазмы является результатом воздействия на электроны силы, возникающей в неоднородном статическом магнитном поле B. Эта сила, именуемая силой отражения, определяется соотношением:

 

(2) F = - μ ▼B

 

где:

- ▼B - градиент магнитного поля;

- μ - магнитный момент электрона, определяемый, как:

 

W⊥/B = mV⊥^2/2B

 

где:

- W⊥ - кинетическая энергия в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям;

- B - напряженность магнитного поля на линии силы, проходяцей через ведущий центр электрона.

Сила, описываемая уравнением (2), является силой, ответственной за поведение частиц в соответствии с соотношением (1).

Поскольку магнитное поля в области R1 является расходящимся, можно показать, что плазма будет двигаться из нагреваемой области вверх, как это показано на фиг.2, и также можно показать, что:

 

(3) MeVe⊥^2(X)/2 = MeVe⊥^2(Y)/2 + MiViII^2(Y)/2

 
где слева начальная поперечная кинетическая энергия электрона, первый член справа - поперечная энергия электрона в некоторой точке Y области расходящегося магнитного поля, последний член справа - продольная (параллельная магнитным силовым линиям) кинетическая энергия ионов в точке Y. Последний член отражает требуемый поток ионов. Он вызывается воздействием на ионы электростатического поля электронов, ускоряемых в расходящемся магнитном поле в соответствии с уравнением (2), увлекающих этим полем ионы за собой. Соотношение (3) не учитывает продольную (параллельную магнитным линиям) энергию электронов, поскольку VeII≈ViII и подавляющую часть продольной кинетической энергии составляет энергия ионов в следствие их существенно бОльшей массы. Например, если регион R1, находящийся на высоте 115 км, облучать потоком электромагнитной энергии порядка от 1 до 10 вт/см^2, будет сгенерирована плазма с электронной плотностью Ne порядка 10^12/см^3, которая будет поднята вверх в область R2 на высоту 1000 км. Передвижение электронов плазмы обязано силе отражения, в то время, как движение ионов обусловлено процессом амбиполярной диффузии, вызванным электростатическим полем. Такой «лифт» эффективно поднимает слой плазмы 12 из ионосферы и/или магнитосферы до более высокого уровня R2. Суммарная энергия, необходимая для создания области плазмы с площадью основания 3 кв. км и высотой 1000 км равна 3х10^13 джоулей.

На фиг.3 в идеализированном виде показано движение плазмы, созданной возбуждением электронно-циклотронного резонанса в геомагнитном поле с расходящимися силовыми линиями. Электроны (e) разгоняются до скоростей, необходимых для возникновения силы отражения, требуемой для их движения вверх. В то же время, нейтральные частицы (n), присутствующие вдоль линии 11 области R1, ионизируются и становятся частью плазмы 12. Когда электроны (e) движутся вверх, они увлекают за собой ионы и нейтральные частицы, но под углом θ относительно линии поля 11, равным примерно 13°. Некоторые твердые частицы, которые могут присутствовать в области R1, также будут увлечены плазмой вверх. По мере переноса заряженных частиц плазмы 12 вверх их место будут занимать нейтральные частицы, находящие в области или ниже ее. Эти нейтральные частицы при определенных условиях могут тянуть за собой заряженные частицы.

Например, когда плазма перемещается вверх, другие частицы, находящиеся на той же высоте, что и плазма, перемещаются горизонтально, чтобы занять место поднимающейся плазмы и сформировать там новую плазму. Кинетическая энергия, которую приобретают эти частицы, двигаясь горизонтально, имеет тот же порядок, что и суммарная зональная кинетическая энергия хорошо известных стратосферных струйных течений.

Обратимся снова к фиг.2, где плазма 12 области R1 движется вверх вдоль линии 11. Далее плазма 12 формирует султан (заштрихованная область на фиг.2), стабильный в течение продолжительного периода времени. Этот период изменяется в широких пределах в зависимости от сил гравитации и комбинации радиационных и диффузионных потерь. Для рассмотренного выше примера были сделаны оценки параметров султана из расчета добавления энергии к электронам с энергией 2 эв. Для достижения плазмой 12 точки апекса C (фиг.1) потребуется до 10 эв на частицу. Там по крайнее мере отдельные частицы плазмы 12 буду захвачены и начнут осциллировать между точками отражения вдоль линии 11. Эти осцилляции будут способствовать дополнительному нагреву захваченной плазмы 12 механизмом стохастического нагрева, присущим захваченным и осциллирующим частицам (подробнее см. R.a.Hellywell and T.F.Bell. A New Mechanism of Accelerating Electrons in the juter Ionosphere. Journal of Geophysical Research, vol.65, No6, June, 1960). Это происходит на высотах минимум 500 км.

Плазма в типовом случае может использоваться для модифицирования или нарушения микроволновых радиоизлучений искусственных спутников. Если требуется нечто меньшее, чем полное блокирование излучения (например, скремблирование цифрового сигнала с помощью фазового сдвига), плотность плазмы (Ne) должна быть не менее 10^6/см^3 для высот от 250 до 500 км и, соответственно, должна быть обеспечена минимальная энергия электромагнитного излучения 10^8 дж. При плотности Ne порядка 10^8, будет получен точно позиционированный султан плазмы, отражающий УКВ-волны, который может быть использован для улучшения, нарушения или модификации иным способом радиопередачи в канале связи. Далее будет показано, что при соответствующем использовании различных аспектов данного изобретения в стратегически важной позиции и при соответствующей мощности источника питания данное устройство и способ могут вызывать нарушения и даже полную деструкцию каналов связи в достаточно большом регионе земного шара. Это изобретение может быть использовано для вывода из строя не только наземных каналов радиосвязи, как гражданских, так и военных, но также авиационных и морских, причем как надводных, так и подводных. Эти возможности могли бы с успехом применяться в военной области, например, в системах противоракетной и противовоздушной обороны. Пояс или пояса повышенной ионизации, созданной с помощью данного изобретения, в частности сформированные над Аляской и Канадой, могли бы использоваться и как инструмент раннего предупреждения, и как среда разрушения каналов связи. Кроме того сама возможность создавать такие условия практически могла бы стать сдерживающим фактором для вражеских акций.

Идеальное сочетание магнитных силовых линий, пересекающих земную поверхность в таких областях, как Норт Слоуп на Аляске, где свободно доступны энергоносители для производства очень больших величин электроэнергии, предоставляет все необходимые материальные возможности для достижения описанных эффектов за приемлемое время. В частности, стратегические цели могут потребовать создания модифицированных областей за время не более двух минут, и это достигается с помощью настоящего изобретения, особенно в том случе, когда комбинация природного газа с МГД-генератором, газовой турбиной, топливным элементом и/или электрогазодинамическим генератором применяется в точке, где подходящие магнитные силовые линии пересекают земную поверхность.

Другим свойством данного изобретения, удовлетворяющим базовым требованиям к системам вооружений, например требованию самоконтроля работоспособности, является то, что небольшие количества энергии могут использоваться для этих целей. Кроме того, поскольку главный электромагнитный луч может быть промодулирован сам и/или один или более электромагнитных лучей могут быть направлены на созданную ионизированную область, как это будет детально описано со ссылкой на фиг.4, может быть сгенерировано определенное число случайно модулированных сигналов высокой мощности и высокой нелинейности. Это может вызывать погрешности, помехи работе и даже полную потерю работоспособности самых совершенных ракетных и самолетных навигационных систем. Возможность вырабатывать и распространять на очень больших пространствах множество случайно изменяемых электромагнитных волн различной частоты создает уникальную возможность воздействовать одновременно на все виды телекоммуникаций на земле, на море и в воздухе. Вследствие уникальной близости доступных источников энергоносителей к точкам пересечения требуемых магнитных силовых линий с земной поверхностью, полное перекрытие каналов связи в широком диапазоне может быть достигнуто за приемлемый короткий интервал времени. Вследствие наличия описанного выше феномена отражения этот эффект может быть пролонгирован на кокретный интервал времени, чтобы он не был кратковременным фактором, который противоположная сторона могла бы переждать.

Т.о., настоящее изобретение предоставляет возможность приложить к земной атмосфере в стратегически важной области беспрецедентное количество энергии и поддерживать требуемый уровень ее инъекции, в частности в случайном импульсном режиме, с гораздо более выосокой точностью и управляемостью, чем это достижимо известными способами, например, с помошью взрыва ядерных зарядов различной мощности и на различных высотах. В отличие от известных методов, лишь кратковременно создающих описанный эффект, уникальное сочетание доступных энергоресурсов в точках, где нужные силовые линии пересекают земную поверхность, позволяет создавать контролируемые эффекты длительного действия, которые нельзя переждать. Более того, на определенных частотах с помощью лучей, создаваемых данным изобретением, можно не только воздействовать на каналы связи третьих сторон, но и организовывать сети связи в условиях, когда все мировые коммуникации выведены из строя. Иными словами, то, что используется для повреждения других каналов коммуникации, может в то же время быть использовано тем, кто знаком с настоящим изобретением, для создания своих коммуникационных сетей. Также, если с помощью данного изобретения создана коммуникационная сеть, то ее дальнодействующий эффект может быть использован для приема сигналов других сетей в разведовательных целях. Таким образом видно, что деструктивный эффект, достигаемый с помощью данного изобретения, может быть использован, при условии знания особенностей распространения радиоволн по частоте и амплитуде, и для совершенствования каналов связи и радиоразведки. При этом использование настоящего изобретения не ограничено областями, где доступные природные энергоресурсы соседствуют с нужными магнитными силовыми линиями. Например, углеводородные энергоносители могут транспортироваться к месту использования изобретения по трубопроводам или иным способом.

Фиг.4 иллюстрирует другой вариант изобретения, в котором выбранная область плазмы R3, лежащая в земной ионосфере, модифицируется с целью повышению ее плотности и создания таким образом слоя относительно стабильного слоя 30 относительно плотной плазмы. Электромагнитное излучение с правой круговой поляризацией подается извне антенной 15 с необходимой степенью параллельности линии поля 11 с частотой, способной (например, 1,78 мГц при напряженности магнитного поля 0,66 гс) вызвать электронно-циклотронный резонанс в плазме 12 на требуемой высоте. Это вызывает нагрев частиц (электронов, ионов, нейтральных и твердых частиц) и ионизацию незаряженных частиц вдоль линии 11, и все они абсорбируются плазмой 12, что увеличивает ее плотность. Поступление энергии при этом (например, 2х10^6 Вт в течение времени разогрева порядка 2-х минут) ниже уровня, необходимого для создания силы отражения F и возгонки плазмы 12 вверх, как в предыдущем описанном варианте.

В то время, как электромагнитное излучение 20 продолжает передаваться антенной 15, другое электромагнитное излучение с частотой, отличной от частоты излучения антенны 15, направляется от одного или более вторичных источников через антенну 32 в слой 30 (заштрихованная область на фиг.4) и поглощается его частью. Передаваемое антенной 32 излучение модулируется при этом по амплитуде с частотой, совпадающей с резонансной частотой f3 слоя 30. Это вызывает резонанс в слое 30, который возбуждает волну 33 в плазме с той же частотой f3, которая распространяются в ионосфере. Волна 33 может как выводить из строя, так и создавать коммуникации в зависимости от задач конкретного приложения. Конечно, может быть сгенерирована не одна, а больше волн и эти новые различные волны могут быть промодулированы с высокой степенью нелинейности.

На фиг.5 показана структурная схема оборудования, которое можно использовать для реализации данного изобретения, в частности для тех применений, где требуются экстремально высокие значения энергии. На фиг.5 показана поверхность земного шара 40 со скважиной 41, уходящей вглубь до проникновения в резервуар 42 с углеводородами, из которого поступает природный газ вместе с сырой нефтью. Из резервуара 42 углеводороды через скважину 41 и ее оголовок 43 по трубе 45 поступают в систему подготовки 44. В системе подготовки полезные жидкости, такие, как сырая нефть и газовый конденсат, отбираются через трубу 46, в то время, как бесполезные газы и жидкости, такие, как вода, сероводород и т.п. удаляются через трубу 47. Полезные газы, такие, как двуокись углерода, сепарируются через трубу 48, и поток оставшегося природного газа из системы подготовки 44 через трубу 49 направляется в стандартные резервуары хранилища (не показаны) для последующего использования, в т.ч. генератором электроэнергии, таким, как МГД-генератор, газовая турбина, топливный элемемент или электрогазодинамический генератор 50. Практически в данном изобретении может использоваться любой из названных генераторов или их комбинация. Природный газ сжигается в генераторе 50 для производства востребованного количества электроэнергии, которая далее запасается и/или поступает по кабелю 51 к передатчику 52, генерирующему электромагнитную энергию, используемую данным изобретением. Электромагнитная энергия поступает далее по кабелю 53 к антенне 54, расположенной у конца линии поля 11. Далее антенна 54 направляет волну 20 с круговой поляризацией ввверх вдоль линии 11 для воспроизводства одного из описанных выше методов по настоящему изобретению.

Конечно, источник топливной энергии не обязательно должен использоваться в своем природном состоянии, а может быть преобразован в другую форму, например, водород, гидразин и т.д., и электроэнергия может вырабатываться уже с помощью этой новой формы энергоносителя.

Из изложенного выше видно, что там, где требуемые силовые линии 11 пересекают земную поверхность 40 вблизи больших природных запасов углеводоров 42, могут быть эффективно произведены и направлены вдоль силовых линий исключительно большие объемы энергии. Это, в частности, так, если используется природный газ и МГД-генератор. Кроме того, это может быть реализовано на относительно небольшой площади, где имеется уникальное сочетание источника энергоносителя 42 и требуемых силовых линий 11. Конечно, в целях упрощения на фиг.5 показан только один из возможных вариантов. При большом объеме углеводородного резервуара 42 могут использоваться несколько скважин 42 для питания одного или нескольки хранилищ и/или систем подготовки, а также такое количество генераторов 55, которое необходимо для питания одного или более передатчиков 52 и одной или более антенн 54.

Поскольку все агрегаты от 44 до 54 могут быть в достаточном количестве установлены и использованы на участке, где имеется природный источник топлива 42, все необходимое электромагнитное излучение 20 может быть произведено в достаточном количестве том же месте, где уже присутствует источник топлива 42. Это обеспечивает максимум полезной электромагнитной энергии 20, поскольку отсутствуют значимые потери на хранение и транспортировку. Иными словами, оборудование доставляется на участок с запасами топлива, где нужные магнитные силовые линии 11 пересекают земную поверхность в точке расположения запасов топлива 42 или поблизости от нее, и источник запасов топлива расположен на нужной для реализации данного изобретения магнитной широте, например, на Аляске.

Генерация электроэнергии с использованием движения проводящей среды в магнитном поле, именуемая магнитогидродинамической (МГД), относится к методам производства электроэнергии без использования движущихся механических частей, и если проводящей средой является плазма, полученная сжиганием такого толплива, как природный газ, реализуется идеальная комбинация агрегатов, поскольку чисто сгорающий природный газ эффективно образует токопроводящую плазму, и созданная таким образом плазма, будучи пропущенной через магнитное поле, эффективно вырабатывает электроэнергию. Т.о., использование источника топлива 42 для генерации плазмы путем сжигания с целью производства достаточного количества электроэнергии на участке, где присутствует данный источник, является уникальным и идеальным, когда требуются большие значения энергии и требуемые силовые линии 11 пересекают земную поверхность 20 на участке с источником топлива 42 или вблизи него. В частности, преимуществом МГД-генераторов является то, что они могут производить большие объемы энергии при малом объеме и весе. Например, 1000-мегаваттный МГД-генератор, сконструированный на базе сверхпроводящих магнитов, может весить около 42000 фунтов и легко транспортироваться по воздуху.

Изобретение имеет большое разнообразие различных возможных ответвлений и большие потенциальные перспективы. Как подразумевалось выше, оно может использоваться для вывода из строя, отклонения от курса и создания помех ракетам и авиации противника, в частности, если используются релятивистские частицы. Кроме того, большие области атмосферы могут быть подняты на нестандартную высоту, вследствие чего ракеты будут испытывать непредвиденные силы сопротивления, которые могут разрушить их или сбить с курса. Возможно также и воздействие на погоду, например, путем изменения картины атмосферных течений или картины абсорбции солнечной энергии с помощью создания из атмосферных частиц одного и более плазменных образований, действующих как линзы или фокусирующие устройства.

Также, как следует из сказанного выше, могут быть вызваны модификации атмосферы на молекулярном уровне и таким образом достигнут эффект положительного воздействия на окружающую среду. Кроме изменения всего молекулярного состава атмосферного региона может быть увеличена концентрация молекул конкретного вещества или веществ. Например, искусственно может быть увеличена концентрация в атмосфере озона, азота и пр. Аналогично, улучшение среды может быть достигнуто путем разрушения различных химических соединений, например, двуокиси углерода, окиси углерода, окислов азота и т.п. Может также быть осуществлено траспортирование различных объектов путем захвата областями атмосферы, перемещаемыми вверх вдоль расходящихся магнитных линий. Таким образом могут транспортироваться частицы микронных размеров, а при соответствующих условиях и энергии и более крупные объекты. Для создания специальных эффектов могут траспортироваться частицы с заданными значениями таких характеристик, как вязкость, коэффициент отражения, абсорбирующая способность и др. Например, для создания сопротивления ракетам или спутникам могут создаваться области из вязких частиц. Даже плазменные образования с плотность ниже, чем было здесь описано, способны оказывать тормозящее действие на ракеты, которое будет проявляться по разному для легких и тяжелых ракет, что может быть использовано для их распознавания. Движущийся плазменный султан может использоваться в качестве источника питания космических аппаратов, а также для фокусирования солнечной энергии на заданном участке земной поверхности.

Изобретение также может быть использовано для целей глобальной геологоразведки, поскольку магнитное поле Земли можно значимо изменять нужным образом с помощью плазменного бета-эффекта, расширяя тем самым возможности магнитотеллурического зондирования. Также возможно его использование для защиты от электромагнитных импульсов. Может быть уменьшено или устранено на соответствующих высотах геомагнитное поле с целью изменения или устранения магнитного поля в областях с высоким уровнем генерации комптоновских электронов (например, от высотных ядерных взрывов). В заданной области также могут создаваться с различными целями мощные управляемые электрические поля. Например, плазменная оболочка, окружающая ракету или спутник, может выполнять роль триггера, запускающего механизм генерации такого мощного электрического поля для вывода из строя данной ракеты или спутника. Далее, в ионосфере могут создаваться неоднородности, которые могут нарушать работу радаров, в частности, радаров с синтезируемой апертурой.

Настоящее изобретение может также быть использовано для создания искусственных поясов заряженных частиц, которые могут использоваться для изучения стабильности таких образований. Плазменные объекты, создаваемые с помощью данного изобретения, могут также применяться для симуляции или выполнения функций, реализуемых при детонации ядерных зарядов «вспучивающего» типа, без их реальной детонации. Т.о., видно, что ответвления данного изобретения весьма многочисленны, перспективны и разнообразны в части своего полезного использования.

 

 

 

 

Я заявляю:

 

1. Метод модифицирования по крайней мере одной области, обычно существующей над земной поверхностью, с помощью электромагнитного излучения, используя естественные расходящиеся магнитные силовые линии Земли, заключающийся в передаче с земной поверхности первого электромагнитного излучения с частотой от 20 до 7200 кГц, причем названная передача в отправной точке осуществляется преимущественно параллельно и вдоль по крайней мере одной из названных магнитных силовых линий, настройке частоты названного первого излучения на значение, которое вызовет электронно-циклотронный резонанс на начальной высоте минимум 50 км над поверхностью Земли, вследствие чего в области, в которой вызван названный электронно-циклотронный резонанс, инициируется нагрев, последующая ионизация и движение как заряженных, так и нейтральных частиц, и поддержании названного электронно-циклотронного резонанса в названной области до тех пор, пока концентрация электронов в ней не достигнет как минимум значения 10^6/см^3 и энергия ионов не достигнет величины минимум 2 эВ.

 

2. Метод по п.1, содержающий этап искусственного создания в по крайней мере одной названной области частиц, которые возбуждаются названным электронно-циклотронным резонансом.

 

3. Метод по п.2, в котором названные частиц создаются путем их инжектирования в по крайней мере одну названную область с орбитального спутника.

 

4. Метод по п.1, в котором уровень возбуждения электронно-циклотронного резонанса превышает 1 вт/см^3 и достаточен для для того, чтобы вызвать движение области плазмы вдоль названных магнитных силовых линий на высоту, превышающую высоту, на которой названное возбуждение было инициировано.

 

5. Метод по п.4, в котором названная поднимающаяся область плазмы увлекает за собой определенное число нейтральных атмосферных частиц, существующих в данной области плазмы или поблизости от нее.

 

6. Метод по п.1, в котором присутствует по крайней мере один отдельный источник второго электромагнитного излучения, причем второе излучение имеет по крайнее мере одну частоту, отличную от частоты первого излучения, при этом названный вторичный источник направляет названое второе излучение на названный регион в то время, когда в нем возбуждается электронно-циклотронный резонанс первым излучением.

 

7. Метод по п.6, в котором названное второе излучение имеет частоту, равную частоте поглощения названной области.

 

8. Метод по п.6, в ктором названная область является ионосферной плазмой и названное второе излучение возбуждает плазменные волны в ионосфере.

 

9. Метод по п.8, в котором названная электронная концентрация достигает значения минимум 10^12/см^3.

 

10. Метод по п.8, в котором названный электронно-циклотронный резонанс изначально возбуждается в ионосфере и поддерживается в течение времени, достаточного для подъема названной области над ионосферой.

 

11. Метод по п.1, в котором возбуждение названного электронно-циклотронного резонанса вызывается на высоте более 500 км и поддерживается в течение времени от 0,1 до 1200 секунд для достижения дополнительного нагрева за счет стохастического нагрева в магнитосфере.

 

12. Метод по п.1, в котором названное первое излучение имеет правую круговую поляризацию в северном полушарии и левую круговую поляризацию в южном полушарии.

 

13. Метод по п.1, в котором названное электромагнитное излучение генерируется с источником природного углеводородного топлива, причем названный источник расположен по крайней мере на одной из северных или южных магнитных широт.

 

14. Метод по п.13, в котором названное топливо представляет собой природный газ и электроэнергия для генерации названного электромагнитного излучения получается путем сжигания названного природного газа по крайней мере в одном из устройств, к которым относятся магнитогидродинамический генератор, газовая турбина, топливный элемент или электрогазодинамический генератор, при этом названное устройство расположено на участке, в недрах которого присутствует названный природный газ.

 

15. Метод по п.1, в котором названный уасток с природным газом находится в пределах магнитных широт Аляски.

* * * * * * * * *

 

 

Опубликовано 04.09.2018 Последнее изменение - нет

© Janto 2018 Все права защищены