СТРУКТУРА ИОНОСФЕРЫ ВЕНЕРЫ ПО ДАННЫМ ДВУХЧАСТОТНОГО РАДИОПРОСВЕЧИВАНИЯ Гаврик А.Л., Гаврик Ю.А., Копнина Т.Ф., Самознаев Л.Н. Шестая ежегодная конференция Физика плазмы в солнечной системе 2011 Фрязинский филиал института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской Академии наук

Cхема эксперимента двухчастотного радиопросвечивания по трассе спутник Bенеры наземная антенна Высотный профиль электронной концентрации в ионосфере Венеры N(h), см -3 Изменение мощности радиосигналов в ионосфере и атмосфере Х СМ Х ДМ 8 см 32 см Изменение частоты сигнала в ионосфере f ДМ 32 см Длительность сеанса радиопросвечивания 2 … 20 минут атмосфера Результаты измерений на Земле Теория радиопросвечивания основана на интегральных уравнениях, связывающих электронную концентрацию N(h) с изменением частоты f(t) и мощности W(t) радиосигналов. ионосфера

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ Справедливы приближения геометрической оптики Из выражений для p(t), (t), X(t) получен важный вывод: Известные приближенные соотношения Прицельный параметр радиолуча Н – высота прямолинейного радиолуча Угол рефракции радиолуча Δf – изменение частоты в ионосфере ΔF – изменение частоты в атмосфере с – скорость света Рефракционное ослабление мощности L – расстояние от КА до перицентра радиолуча V – скорость захода КА за планету Электронная концентрация в ионосфере f – частота зондирующего сигнала е,m – заряд и масса электрона Вариации рефракционного ослабления совпадают с вариациями градиента частоты. Корреляция энергетического и неэнергетического параметров позволяют выделить ионосферные эффекты, даже если они незначительно превышают уровень шума.

Рефракционное ослабление ДМ-сигнала Рефракционное ослабление, вычисленное из частоты ДМ-сигнала корреляция вариаций Х дм и Х f в ионосфере Высота линии прямой видимости спутника h, км Х210Х210 Рефракционные ослабления Х дм и Х f в атмосфере различаются - Формирование f(t)= 16/15* {Δf дм (t) Δf см (t) 4 } обеспечивает выделение эффектов ионосферной плазмы. - Корреляция амплитудных и частотных данных Х ДМ (t) Х f (t) при отсутствии корреляции рефракционного ослабления двух сигналов Х ДМ (t) Х СМ (t) свидетельствует о влиянии регулярных структур ионосферы и уменьшает влияние шума и атмосферы (для них нет корреляции Х ДМ и Х f ). атмосфера

Электронная концентрация N, см Мощность сигнала Х дм Высота над поверхностью планеты h, км ниже 120 км погрешность резко растет и приводит к неправильному определению концентрации электронов в нижней ионосфере. Поэтому ниже 120 км концентрация электронов: - либо не исчезает вплоть до поверхности, - либо становится отрицательной, - либо проявляет осциллирующий характер. Из результатов моделирования метода радиопросвечивания следует, что Модель N(h) Рассчет N(h) Профиль N(h) в эксперименте г. Нижние слои отсутствуют. нижние слои есть

Электронная концентрация становится отрицательной в нижней ионосфере. Электронная концентрация может не исчезать вплоть до поверхности планеты. Рассчитанный профиль концентрации электронов Рассчитанный профиль концентрации электронов Рассчитанное и измеренное рефракционное ослабление Рассчитанное и измеренное рефракционное ослабление

Количество радиопросвечиваний ионосферы ВЕНЕРА ~800 МАРС ~ In 71 of % for MGS In 75 of % for MEX In 21 of 71 30% for VEX

Флуктуации частоты, σ f, Гц Номер сеанса Мешающее влияние межпланетной плазмы Время t, мин. Влияние ионосферы достигает значения 5 Вариации интегральной электронной концентрации в межпланетной плазме ограничивают точность определения высоты ионопаузы и концентрации в ночной и в нижней дневной ионосфере, они являются главным источником погрешностей метода двухчастотного радиопросвечивания. Ошибки высоты ионопаузы > 10 км. Ошибки концентрации электронов > 100 см -3. Интегральная электронная концентрация см -2 ЗаходВыход Вариации интегральной электронной концентрации в дневной ионосфере в 50 раз больше, чем в ночной. Мешающие флуктуации частоты могут отличаться в 10 раз Высота радиолуча над поверхностью h 0, км Интегральная электронная концентрация см -2 ночная ионосфера дневная ионосфера Первый цикл Второй цикл Третий цикл

Распределения электронной концентрации в дневной ионосфере Венеры по данным радиопросвечивания сигналами спутников Венера-15,-16 в г Высота над поверхностью Венеры, км Концентрация электронов в дневной ионосфере Венеры, см г г г стабильность г г г изменчивость г г г стабильность г г г изменчивость

Высота над поверхностью, км Концентрация электронов, см -3 Распределения электронной концентрации вблизи терминатора и в ночной ионосфере Венеры по данным радиопросвечивания сигналами спутников Венера-15,-16 в г. однослойные профили N(h) вблизи терминатора однослойные профили N(h) в ночной ионосфере двухслойные профили N(h) вблизи терминатора двухслойные профили N(h) в ночной ионосфере

Contour map of 150 electron densities N(h) in the Venus ionosphere Контурная карта 150 профилей N(h) в ионосфере Венеры (ВЕНЕРА-15,-16) 4·10 5 2· · · · Зенитный угол Солнца, град На контурной карте прослеживаются основные закономерности, обусловленные изменением зенитного угла Солнца: увеличение высоты ионопаузы, уменьшение концентрации в максимуме и другие. Но область ниже 120 км недостоверна. Высота над поверхностью, км

Изменение концентрации электронов при уменьшении освещенности Солнцем Изменение концентрации электронов при увеличении активности Солнца КА ВЕНЕРА-9,-10,-15,-16 и ПИОНЕР-ВЕНЕРА Изменение высоты верхней границы ионосферы ВЕНЕРА-15,-16 Изменение высоты ионопаузы по данным плазменных датчиков при уменьшении освещенности Солнцем при увеличении активности Солнца Kliore A ПИОНЕР-ВЕНЕРА ВЕНЕРА-15,-16 ВЕНЕРА-9,-10 2,3 – теоретические расчеты

нижняя ионосфера Р е ф р а к ц и о н н о е о с л а б л е н и е Х В ы с о т а л и н и и п р я м о й в и д и м о с т и h, к м нижняя ионосфера В ионосфере Венеры вариации мощности радиосигнала совпадают с вычисленным из частоты рефракционным ослаблением расслоение выше максимума ионизации ___ Х ДМ ___ Х Δf Область нижнего максимума Область главного максимума однослойная ночная ионосфера двухслойные ночные ионосферы В ночной ионосфере ниже 110 км во всех сеансах плазменные слои не наблюдаются. Δt=0.06 c Δt=0.12 c

Слоистая структура в нижней ионосфере и в верхней атмосфере Венеры Высота линии прямой видимости спутника h, км Рефракционное ослабление ДМ-сигнала в атмосфере Рефракционное ослабление СМ-сигнала в атмосфере слоистая структура в атмосфере корреляция периодических структур в атмосфере для ДМ- и СМ- сигналов Рефракционное ослабление, вычисленное из частоты ДМ-сигнала Вариации Х дм и Х f в атмосфере различаются Х10Х10 Слои плазмы в нижней ионосфере: корреляция Х ДМ и Х f

Заключение 1.Разработано новое направление в интерпретации данных радиопросвечивания ионосфер планет – методика детектирования плазменных слоев, основой которой является теоретическая взаимосвязь рефракционного ослабления мощности зондирующей радиоволны с градиентом изменения частоты волны, обусловлен- ных влиянием ионосферы. Эта методика доказала достоверность эксперимен- тальных однослойных и двухслойных профилей электронной концентрации в ночной ионосфере Венеры. 2.По данным КА ВЕНЕРА-15,-16 выявлены нижняя ионосфера и сильная рефракционная фокусировка радиоволны диапазона 32 см с увеличением мощности сигнала в 4 раза на нижней границе слоя главного максимума ионизации дневной ионосферы Венеры. Установлено регулярное формирование слоистых структур выше максимума ионизации на высотах км в дневной ионосфере, обнаружены признаки волнового процесса ниже максимума ионизации на высотах км. В ночной ионосфере аналогичные радиофизические эффекты не наблюдаются. Работа выполнена при частичной поддержке: гранта РФФИ а и программы Президиума РАН VI.15 Спасибо за внимание