Ионосфера Венеры по данным радиопросвечивания

В радиозатменных экспериментах излучали с борта космических аппаратов (КА) Mariner-5,-10, Венера-9,-10,-15,-16, Pioneer-Venus, Magellan, Venus-Express, Akatsuki в направлении Земли две когерентные радиоволны дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн. Метод радиозатмений использует связь вызываемых средой изменений частоты и мощности радиоволн с профилем показателя преломления ионосферы для определения ее параметров в диапазоне высот от нижней границы (~90 км) до ионопаузы (от ~230 км до ~1200 км) [1]. В экспериментах получена достаточно большая серия высотных профилей электронной концентрации при различных условиях освещенности Солнцем и достигнутая точность определения концентрации электронов позволила выявить слоистость структуры ионосферы Венеры. Апробированные модели формирования венерианской ионосферы (аналогичные модели земной ионосферы) указали на физико-химические процессы в обнаруженных слоях, и было показано, что процессы формирования дневной ионосферы Венеры и Земли похожи. Разделение земной ионосферы на слои D, E, F1, F2 обусловлено преобладающими физико-химическими процессами в этих слоях. Чтобы сохранить традиционный физический смысл разделения ионосферы на слои мы предлагаем обозначить слои на Венере следующим образом: vD, vE, vF1, vF2 – в соответствии с преобладающими физико-химическими процессами (как в земной ионосфере). Максимум ионизации дневной ионосферы Венеры на высоте ~142 км обусловлен влиянием ультрафиолетового излучения Солнца <1000 Å, он является аналогом слоя F1 земной ионосферы. Нижний максимум ионизации, заметный в виде перегиба на профилях электронной концентрации N(h) на высоте ~135 км, обусловлен влиянием рентгеновского участка спектра излучения Солнца 10 - 100 Å, он является аналогом слоя E земной ионосферы. Оба этих слоя vE и vF1 формируются в условиях фотохимического равновесия. Влияние диффузии плазмы выше ~180 км обычно приводит к изменению шкалы высот профилей N(h), однако данные КА Венера-9,-10 показали возможность существования еще одного максимума N(h) на высоте ~200 км. Моделирование указало, что этот слой vF2, может быть аналогом слоя F2 земной ионосферы. Небольшой по величине локальный максимум N(h) на высоте ~200 км наблюдали и в миссии Pioneer-Venus, но предположили, что его существование обусловлено образованием магнитных жгутов в ионосфере. Детальное моделирование и более точные экспериментальные сведения в будущем помогут лучше понять, какая из гипотез более достоверная. Разработка нового метода анализа данных на основе обнаруженного инварианта радиозатменного эксперимента открыла возможность получения достоверных сведений о нижней области ионосферы. Применение этого метода выявило ионизованную область vD в диапазоне высот от 85 до 130 км, которая, по-видимому, является аналогом области D земной ионосферы [2]. Эта область vD присутствовала в 19 сеансах радиозатмений для зенитных углов Солнца Z от 56 до 87 град. В 7 сеансах из 9 при Z от 87 до 92 град нижняя ионосфера проявлялась, но эффект был сравним с помехами. В 25 сеансах ночной ионосферы аналогичные слои плазмы на высотах ниже 115 км отсутствовали.
Показано, что при слабо возмущенной плазме на трассе связи относительная погрешность определения концентрации электронов в слоях vF2 и vF1 может составлять 1%-2%, в слое vE она возрастает до 4%-6%, а в слое vD погрешность может быть более 100% при использовании традиционной методики определения электронной концентрации. При сильно возмущенной плазме на трассе связи или при одночастотном радиопросвечивании погрешность определения электронной концентрации может возрасти в несколько раз. Асимметрия венерианской ионосферы может внести дополнительные погрешности в определение электронной концентрации, сравнимые с влиянием крупномасштабных возмущений межпланетной плазмы на трассе радиосвязи. Установлено, что в области vD наблюдается максимальное влияние факторов, ухудшающих достоверность сведений об электронной концентрации в ионосфере, именно по этой причине отсутствовали надежные сведения о существовании области vD до тех пор, пока не был разработан новый метод анализа радиозатменных данных. Применение метода позволило обнаружить вблизи нижней границы дневной ионосферы Венеры периодические возмущения электронной концентрации, уровень которых превышал случайные вариации, обусловленные шумом [3]. Колебания электронной концентрации с характерным масштабами 5-10 км по вертикали наблюдали в интервале высот от 85 до 130 км, что позволило доказать существование области vD на освещенной стороне Венеры.
Работа выполнена в рамках государственного задания и частично поддержана Программой Президиума РАН.