Волновые процессы в ионосфере Венеры по данным радиопросвечивания

Основная идея радиозатменных экспериментов с использованием космических аппаратов - определение параметров ионосферы и нейтральной атмосферы на основе наблюдения радиоволн, излучаемых со спутника планеты в сторону Земли и распространяющихся в газовой оболочке планеты. Использование инварианта радиозатмения [1] при анализе данных позволяет непрерывно следить за трансформацией параметров радиоволн, когда луч перемещается из плазмы в нейтральную среду. Идея такого метода исходит из сравнения двух функций со значениями мощности сигнала. Первая функция представляет собой экспериментально наблюдаемые изменения мощности сигнала в ионосфере, а вторая функция «предсказывает» изменение мощности, вычисленное на основе скорости изменения частоты сигнала, используя линейную связь этих функций [1]. Совпадение этих двух функций возможно только в сферически симметричной среде при отсутствии сильных искажений сигнала, поэтому применение инварианта радиозатмения хорошо адаптировано к задачам обнаружения внутренних гравитационных волн (ВГВ), распространяющихся из атмосферы в ионосферу Венеры, которые могут играть решающую роль в формировании нижнего ионосферного слоя, аналога слоя D земной ионосферы.
При исследовании земной ионосферы было показано, что структура слоев D и спорадического слоя E ионосферы Земли модулируется под действием гравитационных/планетарных волн из нижних слоев атмосферы. Следовательно, внутренние гравитационные волны (ВГВ), распространяющиеся из атмосферы в ионосферу Венеры, могут играть решающую роль в формировании нижнего ионосферного слоя VD, аналога слоя D земной ионосферы. Результаты анализа данных радиозатмений КА Akatsuki в 2023 г. подтвердили [2], что структура нижних слоев ионосферы Венеры модулируется под действием гравитационных/планетарных волн, распространяющихся из атмосферы до ионосферных высот. Кроме того, авторы [2] ссылаются на результаты моделирования метеорной ионизации атмосферы Венеры, из которых следует, что метеорная ионизация не способна сформировать ионизованные слои, обнаруженные в эксперименте. Поэтому считают, что источник ионизации нижней ионосферы Венеры неизвестен.
Главное различие между результатами радиопросвечивания КА Венера-15,16 [1] и результатами КА Akatsuki [2] и Venus-Express [3] заключается в следующем. В эксперименте с КА Венера-15,16 нижние ионизованные слои наблюдались почти во всех сеансах просвечивания дневной ионосферы, а на ночной стороне отсутствовали аналогичные эффекты, причем величина наблюдаемых эффектов уменьшалась с приближением к терминатору. На этом основании мы предположили, что нижняя часть ионосферы Венеры VD является аналогом слоя D земной ионосферы. А в экспериментах с КА Akatsuki и Venus-Express нижние ионизованные слои проявлялись лишь в некоторых сеансах просвечивания дневной ионосферы.
Мы провели анализ возможности выявления нижних ионизованных слоев в этих экспериментах. Моделирование эксперимента радиопросвечивания [4] показало, что традиционный метод вычисления вертикальных профилей электронной концентрации N(h) не позволяет получать достоверную информацию о нижней ионосфере Венеры из-за большой методической погрешности использования интегрального соотношения в слабоионизованной нижней ионосфере. При наличии случайного шума и небольшого неучтенного тренда частоты радиоволны, обусловленного погрешностью траекторных измерений и влиянием среды распространения радиоволны за пределами исследуемой ионосферы, относительная погрешность определения концентрации электронов в слое vD превышает 100%, если использовать традиционную методику определения электронной концентрации. Кроме того, мы обнаружили, что вариации частоты сигнала 3.5 см КА Akatsuki и Venus-Express в нижней части ионосферы существенно меньше, чем случайные флуктуации частоты за пределами ионосферы. Поэтому достоверность полученных профилей N(h) ниже 120 км может оказаться недостаточно высокой.
Вариации частоты сигнала 32 см КА Венера-15,16 в нижней части ионосферы существенно превышают случайные флуктуации частоты за пределами ионосферы, но даже это обстоятельство не позволяет вычислить достоверный профиль N(h) ниже 120 км. Выявить и исследовать область vD удалось только с помощью нового метода обнаружения плазменных возмущений, основанного на использовании инварианта радиозатмения, т.к. разработанные критерии обеспечили разделение радиофизических эффектов, обусловленных влиянием плазмы, атмосферы и шума. Экспериментальные данные КА Венера-15,16 [5] указывают на существование сложной структуры нижней области ионосферы, в которой могут формироваться от 1 до 5 слоев с повышенной концентрацией, но надежный метод определения достоверного профиля N(h) ниже 120 км еще не разработан. Тем не менее, зарегистрированные синхронные колебания мощности и скорости изменения частоты сигнала в нижней ионосфере могут быть обусловлены волновым процессом. Следовательно, внутренние гравитационные волны (ВГВ), распространяющиеся из атмосферы в ионосферу, могут играть решающую роль в формировании многослойной структуры области vD ионосферы Венеры, если она является аналогом слоя D земной ионосферы.
Работа выполнена в рамках государственного задания по теме “Космос”.