Крупномасштабные возмущения в нижней ионосфере Венеры

Метод радиозатмений обеспечивает получение данных, которые невозможно или очень трудно собрать другими методами. К таким данным можно отнести усредненные по пространству вдоль радиолинии характеристики вертикальных профилей концентрации электронов, местоположение слоистых структур, турбулентность и волновые явления в ионосфере планеты. Эта и иная информация может быть получена с высоким разрешением (~100 м) на высотах от нижней границы ионосферы до ионопаузы за время эксперимента ~5 мин [1]. На межпланетных станциях ВЕНЕРА-15,-16 использовали мощные передатчики (~100 Вт) сигнала диапазона 32 см и излучающие антенны большого диаметра (~2 м), что обеспечило достаточно высокое отношение сигнал/шум при регистрации параметров радиоволн в центре дальней космической связи в процессе радиопросвечивания ионосферы Венеры [2]. Методика выделения влияния плазмы на фоне влияния атмосферы и шума базируется на выявленной теоретической связи вариаций независимых параметров зондирующих радиосигналов [3], именно она позволяет исследовать структуру возмущений ионосферы.
Для анализа неоднородностей ионосферы необходимо определить из экспериментальных данных вариации мощности и частоты двух когерентных сигналов L (λ≈32 см) и X (λ=8 см) диапазонов. Разностная частота двух сигналов исключает влияние атмосферы и доплеровское смещение из-за движения, что позволяет получить вариации частоты сигнала L диапазона, обусловленные влиянием только плазмы на трассе радиосвязи. Разработанная методика [3] позволяет по зависимости частоты сигнала L диапазона вычислить прогнозируемое рефракционное ослабление сигнала X1(t). Сравнение измеренного рефракционного ослабления X0(t) с рассчитанной из частоты функцией X1(t), выявление совпадений и различий обеспечивает выделение регулярных структур просвечиваемой ионосферы из вариаций мощности сигнала X0(t), искаженной шумом и нейтральной атмосферой. На границах плазменных слоев резко изменяется градиент электронной концентрации, что приводит к фокусировке (или расфокусировке) радиоволны с увеличением (или уменьшением) ее мощности, именно такие эффекты являются индикатором слоистых структур и детектируются по совпадению функций X0(t) и X1(t). Наличие областей фокусировки радиоволн свидетельствует о слоистой структуре ионосферы. Разработанные критерии позволяют на высотах 65...110 км отделить плазменные эффекты от нарастающего в процессе погружения радиолуча влияния нейтральной атмосферы путем анализа корреляции функций X0(t) и X1 [4].
Выше 85 км корреляция X0(t) с X1(t) и многочисленные области фокусировки и расфокусировки радиолуча свидетельствуют о влиянии крупномасштабных неоднородностей ионосферы. Сильная фокусировка радиоволны с увеличением её мощности в ~3 раза регулярно появляется на нижней границе слоя главного максимума (~135 км) из-за возникновения большого градиента электронной концентрации в дневной ионосфере Венеры. Рефракционные эффекты в нижней части дневной ионосферы и в ночной ионосфере на порядок слабее и обычно сравнимы с влиянием мешающих факторов, они могут быть выделены только с использованием разработанной методики детектирования плазменных слоев. Отсутствие корреляции X0(t) с X1(t) ниже 85 км свидетельствует об отсутствии влияния плазменных слоев, потому, что Х1(t) зависит только от влияния плазмы. Такая методика позволила достоверно выделить плазменные крупномасштабные возмущения как на малых высотах от 85 до120 км [5], где влияние атмосферы, ионосферы и шума сравнимы по величине, так и выше максимума ионизации, где концентрация электронов быстро уменьшается с увеличением высоты. Анализ корреляции X0(t) с X1(t) особенно важен для исследования тонкой структуры ионосферы, когда вариации мощности сигнала сравнимы по величине с флуктуациями шума.
На высотах от 85 до 120 км четко обнаруживаются нижние слои ионосферной плазмы, которые ранее не наблюдались ни в одной миссии и физические механизмы их формирования неизвестны. О существовании нижней части ионосферы свидетельствует наличие фокусировки и дефокусировки радиоволн. Совпадения вариаций X0(t) и X1(t) обусловлены влиянием именно ионосферной плазмы, они не зависят от влияния атмосферы, а также от влияния шума и флуктуаций концентрации межпланетной плазмы. Флуктуации шума X0(t) и X1(t) не коррелированны, т.к. погрешности измерений частоты и мощности (дифференциальной и интегральной характеристик сигнала) имеют разные источники. Флуктуации X0(t) и X1(t) в межпланетной плазме также не коррелированны, т.к. соотношение для вычисления X1(t) выполняется только при просвечивании сферически слоистой ионосферы. Поэтому при отсутствии регулярных плазменных структур в области максимального сближения радиолуча с поверхностью планеты корреляция флуктуаций X0(t) с X1(t) всегда отсутствует, что подтверждается сравнением X0(t) с X1(t) в атмосфере ниже 80 км и результатами сравнения данных на контрольном участке измерений, свободном от влияния ионосферы.
Применение метода позволило обнаружить вблизи нижней границы дневной ионосферы Венеры периодические возмущения электронной концентрации, уровень которых превышал случайные вариации, обусловленные шумом. Колебания электронной концентрации с характерным масштабами 5-10 км по вертикали наблюдали в интервале высот от 85 до 130 км на освещенной стороне Венеры, что позволило доказать существование области vD (по-видимому аналог области D земной ионосферы). При малых мешающих факторах нижняя область ионосферы наблюдалась во всех 19 сеансах для зенитных углов Солнца от 56 до 87 град. В 7 сеансах из 9 для зенитных углов Солнца от 87 до 92 град нижняя ионосфера проявлялась, но эффект был сравним с шумами. Аналогичные структуры в ночной ионосфере во всех 25 сеансах для зенитных углов Солнца от 92 до 160 град отсутствовали. Именно по этой причине обнаруженная нижняя часть дневной ионосферы Венеры может быть аналогом области D земной ионосферы.
Таким образом, усовершенствованная модель обработки данных, применимая к результатам высокопотенциальных измерений, будучи заложена в основу нового радиозатменного эксперимента, позволит получить дополнительные надежные сведения о нижней части дневной ионосферы, о ночной ионосфере и о распространении возмущений из атмосферы в ионосферу Венеры. Представленный анализ данных радиозатмений в миссии Венера-15,-16 свидетельствует, что ионизованные крупномасштабные возмущения постоянно существуют не только в нижней ионосфере Земли (в области D), но и в дневной ионосфере Венеры. Более глубокое исследование природы таких возмущений будет возможно в миссии ВЕНЕРА-Д [6]. Предлагаемый подход позволит нам изучить тонкую структуру взаимодействия атмосферы и ионосферы с использованием вариаций мощности и частоты двух когерентных сигналов.
Работа выполнена в рамках государственного задания и частично поддержана Программой Президиума РАН.