Влияние неоднородностей ионосферы Венеры на радиоволны разных диапазонов в эксперименте радиопросвечивания

При исследованиях атмосферы и ионосферы планеты методом радиопросвечивания анализируют возмущения когерентных радиосигналов, распространяющихся между орбитальным космическим аппаратом (КА) и Землей. Радиопросвечивание околопланетного пространства осуществляют в тех случаях, когда излучающий радиоволны КА заходит за диск планеты или выходит из-за него, а наземный приемный комплекс ведёт регистрацию измененных газовой оболочкой планеты сигналов. Теоретической основой метода радиопросвечивания является связь обусловленных средой изменений частоты и мощности радиоволн с углом рефракции, который, в свою очередь, связан с высотным профилем показателя преломления среды на пути распространения радиоволн. Двухчастотное радиопросвечивание расширяет возможности изучения характеристик атмосферы и ионосферы, т.к. использует различие фазовых скоростей распространения волн в диспергирующей среде для выделения ионосферных эффектов, устраняя мешающие факторы, не связанные с влиянием плазмы. В результате решения обратной задачи двухчастотного радиопросвечивания определяют вертикальный профиль электронной концентрации, который характеризует строение ионосферы во всем диапазоне высот от нижней границы ионосферы до ионопаузы. Точность интерпретации результатов радиопросвечивания имеет принципиальное значение, т.к. определяет возможность дальнейшего использования полученных характеристик при разработке моделей строения и динамики ионосферы. Максимальная чувствительность метода двухчастотного радиопросвечивания достигается только тогда, когда обеспечено высокое отношение сигнал/шум на входе приемных устройств и радиофизические эффекты, обусловленные исследуемой средой, превышают мешающие факторы.
В 1983 г. с борта КА ВЕНЕРА-15,-16 излучали когерентные сигналы диапазонов L (λ≈32 см) и X (λ=8 см) с целью исследования Венеры и радиосвязи КА с наземными пунктами [1,2]. Решение аналогичных научных и технических задач в США, странах ЕЭС и Японии обеспечивали когерентной комбинацией сигналов S (λ=13.1 см) и X (λ=3.6 см) диапазонов. Различие в длинах волн L и S диапазонов предоставило отечественным экспериментам преимущества при изучении плазмы, т.к. изменение параметров сигналов, обусловленное влиянием плазмы, обратно пропорционально либо частоте, либо квадрату частоты зондирующего сигнала. Межпланетная плазма является главным источником погрешностей метода радиозатмений, если ее влияние на фазу сигнала существенно превышает случайные флуктуации фазы, обусловленные ограниченной стабильностью излучаемых сигналов. Стабильный бортовой генератор позволяет излучать сигнал L диапазона с малыми аппаратурными флуктуациями фазы, обеспечивая определение вариаций интегральной электронной концентрации на трассе связи с погрешностью меньше 10**10 см**(-2). Использование сигнала S диапазона для зондирования плазмы с малой концентрацией увеличивает аппаратурные флуктуации фазы в 2.4 раза и уменьшает в 2.4 раза искомые вариации фазы в ионосфере, т.е. уменьшает чувствительность метода в 6 раз по сравнению с использованием L диапазона. Для Х диапазона чувствительность метода в 100 раз меньше, чем для L диапазона, что не позволит получить достоверные вариации параметров плазмы с малой концентрацией электронов, например вблизи ионопаузы, вблизи нижней границы ионосферы или на ночной стороне [3].
Из-за разной чувствительности радиоволн разных диапазонов к концентрации плазмы возникают расхождения в выводах о вариациях электронной концентрации N(h), полученных по данным разных экспериментов. Так, по данным КА VENUS-EXPRESS [4] часто наблюдали очень низкую протяженность дневной ионосферы, кроме того, возникали трудности выделения эффектов влияния ночной ионосферы, что, по-видимому, обусловлено большими аппаратурными флуктуациями фазы сигналов S и Х диапазонов и малым влиянием плазмы с низкой концентрацией на мощность и фазу сигналов. Увеличение достоверности выделения закономерных вариаций N(h) и ионосферных неоднородностей было достигнуто только существенным увеличением соотношения между исследуемыми эффектами и инструментальными погрешностями, т.е. использованием в радиозатменных экспериментах сигнала L диапазона. Наиболее полно достоинства сигнала L диапазона проявились после разработки метода детектирования плазменных слоев, использующего дисперсию радиоволн в плазме и теоретическое обоснование линейной связи рефракционного ослабления мощности зондирующей ионосферу радиоволны с градиентом частоты волны [5] для увеличения чувствительности метода радиозатмений к малым вариациям концентрации электронов. Разработанные критерии обеспечили разделение радиофизических эффектов, обусловленных влиянием плазмы, атмосферы и шума, что предоставило возможность выявления многослойных плазменных неоднородностей и в дневной, и в ночной ионосфере [5].
Новая методика анализа сигнала L диапазона позволила установить отсутствие нижней части ночной ионосферы и доказала справедливость утверждений о существовании и однослойной, и двухслойной ночной ионосферы, исключив гипотезу о возможном влиянии асимметрии ночной ионосферы на результаты радиопросвечивания. Использование радиолинии L диапазона с высоким потенциалом и разработка высокоточных методов открыли возможность обнаружения аномальных структур в ионосфере и волновых процессов, возникающих при воздействии возмущений на атмосферу и ионосферу. Была выделена волновая активность в газовой оболочке Венеры на высотах 65...120 км, вызывающая периодическое рефракционное усиление зондирующих сигналов при изменении высоты радиолуча над поверхностью планеты, что позволило получить уникальную информацию о нижней ионосфере Венеры [6]. Представленные результаты свидетельствуют о необходимости продолжения использования сигнала L диапазона высокой мощности при планировании и реализации новых радиозатменных экспериментов в космических миссиях, т.к. высокое соотношение между исследуемыми эффектами и аппаратурными погрешностями значительно увеличит точность определения ионосферных характеристик и обеспечит возможность получения малоизвестной информации о тонкой структуре и неоднородностях ионосфер планет.
Работа выполнена в рамках государственного задания и частично поддержана Программой Президиума РАН.