ВОЛНОВАЯ АКТИВНОСТЬ ВБЛИЗИ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ИОНОСФЕРЫ ВЕНЕРЫ ПО РАДИОЗАТМЕННЫМ ДАННЫМ СПУТНИКОВ ВЕНЕРА-15,-16 Гаврик А.Л., Гаврик Ю.А. Копнина Т.Ф. ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН ИКИ РАН Москва 6…10 февраля 2012 г. Седьмая ежегодная конференция Физика плазмы в солнечной системе

ГЕОМЕТРИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ РАДИОПРОСВЕЧИВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ И АТМОСФЕРЫ На трассах радиосвязи спутник GPS низкоорбитальный спутник ежедневно проводятся сотни просвечиваний. Общее количество: ~2 млн. сеансов На трассе радиосвязи спутник Венеры Наземный пункт проведено ~800 просвечиваний. КА ВЕНЕРА-15,-16: 168 сеансов

СООТНОШЕНИЯ МЕТОДА ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ Обозначения f ap (t) – изменение частоты сигнала, f ap (t) = f a (t) + f p (t) X(t) – рефракционное ослабление сигнала, λ – длина волны, V=dh/dt – скорость захода КА, p(t) – прицельный параметр луча, (t) – угол рефракции, n(h) – показатель преломления среды, N(h) – концентрация электронов L 1 и L 2 – расстояния от КА 1 и КА 2 до перицентра линии, L = L 1L 2(L 1 – L 2 ) -1 Определение угла рефракции Приближения справедливы при ( t) < 10 -3, |n(h)– 1| < Выделение эффектов влияния плазмы и атмосферы: δf(t) = q 2(q 2 –1) -1[f ДM (t) – f СМ (t)q -1 ], где q = f СM /f ДМ f плазмы (t) = δf(t) + f поправка (t) f атмосфера (t) = f ДM (t) – f плазмы (t) – f движение (t) Известные более 40 лет соотношения геометрической оптики: X(t) = {1 – L d (t)/dp} -1, p(t) = h(t) + L (t) Получено обобщенное соотношение: f ap (t) = (t) Vλ -1 LL 1 -1

По данным радиозатмений определяется профиль N(h) электронной концентрации, но ошибки определения N(h) в нижней ионосфере очень большие по величине. VENUS-EXPRESS M. Pätzold et al. По данным радиозатме- ний определяются профили плотности и температуры атмосферы, но ошибки определения Т(h) в верхней атмосфере очень большие по величине. Вывод: определить вариации показателя преломления среды вблизи нижней границы ионосферы невозможно. Но волновые явления в сис- теме атмосфера-ионосфера можно выявлять по вариа- циям плотности среды, которые вызывают периоди- ческие вариации интенсив- ности зондирующего сигнала. Model N(h) Calculation N(h)

АНАЛИТИЧЕСКИ ОБНАРУЖЕНА НОВАЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЬ Обозначения τ – шаг по времени при определении параметров сигналов, Е э (t) – энергетическая освещённость, X(t) = Е э (t) / Е эТ ( индекс Т в вакууме ). Н э (t) – энергетическая экспозиция Логика аналитических преобразований: dp(t)/dt = V + L d (t)/dt, df ap (t)/dt = Vλ -1L L 1 -1 d (t)/dt, X(t) = {1 – L d (t)/dp} -1 следовательно X(t) = 1 + LV –1 d (t)/dt, dp(t)/dt = V X(t) Аналитически получены обобщенные результаты: Связь энергетического и неэнергетического параметров X(t) = 1 + [λL 1V –2 ] df ap (t)/dt. Закономерность ΔН э (t) = K Δf ap (t) и адиабатический инвариант ΔН э (t) / Δf ap (t) = const где K = [Е эТλL 1V –2 ], Δf ap (t) = f ap (t+ τ ) – f ap (t), ΔН э (t) = Е э (t) dt – Е эТ τ Выводы. Для реализации эксперимента необходимо обеспечить : Малый шаг измерений ( τ). Высокую мощность сигнала ( Е эТ ) и низкий уровень шума. Высокую стабильность частоты зондирующего монохроматического сигнала ( λ ).

Этапы метода диагностики ионосферы : 1. По цифровым записям амплитуды поля когерентных электромагнитных волн (ДМ и СМ), зарегистрированным при радиопросвечивании, определяются частоты сигналов f ДM (t) и f CM (t) и их интенсивности Е ДМ (t) и Е СМ (t), нормированные на интенсивность радиоволн, распространяющихся в вакууме. 2. Известным методом дисперсионного интерферометра, основанным на различии фазовых скоростей распространения радиоволн разных диапазонов в среде с дисперсией, выделяются вариации частоты сигнала, обусловленные только влиянием плазмы δf(t): δf(t) = q 2 (q 2 –1) -1 [f ДM (t) – f CM (t)/q] где f ДM (t) и f CM (t) измеренные вариации частоты в функции времени t двух когерентно излучаемых сигналов ДМ и СМ с отношением частот q = f CM / f ДM. 3. Разработанный алгоритм определяет частоту ДМ сигнала Δf(t) из δf(t). Δf(t) = δf(t) + f*(t) Поправка f*(t) (достигающая 10%) определяется итерациями сходящегося процесса коррекции траекторий двух радиоволн, распространяющихся в диспергирующей среде по разным траекториям.

СКО флуктуаций частоты в наших экспериментах зависит от влияния межпланетной плазмы и ионосферы Земли, в большинстве экспериментов СКО лежит в интервале от до 0.06 Гц. Следовательно, инструментальный шум меньше Гц. Когда СКО>0.1 Гц мы считаем сеанс малодостоверным, а таких сеансов мало. Достоверность результатов подтверждается совпадением данных двух независимых систем измерений f(t) и Ф(t), сравнение проведено при исследовании кометы Галлея. Измерительное устройство определяет приращение фазы сигнала Δφ на интервале Δt. Суммирование таких приращений Δφ определяет вариации фазы сигнала Ф(t) = Δφ, а величина отношения f(t)=(2π) -1 Δφ(t)/Δt является частотой сигнала. По величине флуктуаций f(t) можно сравнить качество разных сеансов измерений. Характеристики инструментального шума при измерениях частоты сигнала. Источники флуктуаций частоты: Нестабильность бортового USO. Искажения при излучении. Флуктуации из-за модуляции сигнала. Флуктуации в среде распространения. Искажения при приеме сигнала. Нестабильность приемного USO. Искажения при измерениях. Определить каждый фактор невозможно, но можно измерить их суммарное влияние. Минимальное значение флуктуаций f(t) можно считать инструментальным шумом.

R e s I d u a l f r e q u e n c y, Hz Altitude of radio ray straight line h, km L1= 19 cm, L2= 24 cm, Δt = 0.02 s GPS CHAMP Два сигнала GPS CHAMP не являются когерентными на малых интервалах времени. Флуктуации частоты сигналов GPS CHAMP на порядок больше флуктуаций сигнала ВЕНЕРА. Величина исследуемых эффектов на Земле сравнима с СКО. plasma influence ВЕНЕРА-16 Земля λ = 32 см, Δt = s λ = 19 см, Δt = 0.02 s GPS CHAMP little signal/noise Residual frequency, Hz Altitude of radio ray straight line h, km Mean-square deviation Δf(t) from to 0.03 Hz The frequency Δf(t) in the Venus daytime ionosphere

Этапы метода диагностики ионосферы (продолжение): 4. Рассчитывается прогнозируемое рефракционное ослабление ДМ сигнала X Δ (t) из установленной зависимости между возмущениями частоты и плотности энергии электромагнитной волны. X Δ (t) = 1 + [λ L 1 V –2 ] d/dt[Δf(t)] 5. Совпадение вариаций X Δ (t) с X ДМ (t) является критерием для выделения плазменных слоев на фоне влияния атмосферы и шума. Малая дисперсия флуктуаций разности X Δ (t) – X ДМ (t) может быть обусловлена инструментальными шумами, а большое различие указывает на некорректность используемых приближений (например, на недостаточную точность измерений, на асимметрию среды, на отклонения от геометрической оптики и т.п.). Разработанный метод диагностики слоев не использует фильтрацию измеренных параметров сигналов и интегральных соотношений, что существенно уменьшает искажения радиофизической информации, обусловленные нарастанием погрешностей в процессе интегрирования.

Altitude of radio ray straight line h, km The refraction attenuation, Х Δt = 0.06 s Δt = 0.11 s Δt = 0.23 s Δt = 0.47 s X Δf (t) X(t) ВЕНЕРА-16 Invalid data (little S/N) При высоком энергетическом потенциале радиолинии можно обеспечить высокую точность измерений параметров сигналов на коротких интервалах времени t. Результаты измерений полностью согласуются с теоретическим выводом X Δ (t) = X ДМ (t). Уменьшение интервала измерений в 2 раза уменьшает энергию сигнала в 2 раза и приводит к увеличению в 2 раза флуктуаций частоты и интенсивности сигнала. Уменьшение t возможно только до момента начала нелинейного усиления влияния шума. Большой интервал t уменьшает флуктуации шума, но приводит к сильным искажениям радиофизических эффектов.

Слои в нижней ионосфере: корреляция Х ДМ и Х f Х дм и Х f в атмосфере различаются Х Волновой процесс вызвал возмущения в системе атмосфера-ионосфера, образовав на высотах 65…115 км вертикальную периодическую структуру слоев толщиной ~6 км. Вариации показателя преломления атмосферы проявляются в виде колебаний интенсивностей сигналов X ДМ (t) и X СМ (t). Корреляция X ДМ (t) и X СМ (t) свидетельствует о влиянии нейтральной среды. Колебания X ДМ (t) продолжаются и в нижней ионосфере. Совпадение X ДМ (t) с X Δ (t) свидетельствует о влиянии ионосферы. Индикатором волнового процесса может являться нарастание амплитуды возмущений вследствие уменьшения плотности атмосферы с высотой.

Радиофизические характеристики вертикального профиля показателя прелом- ления среды, полученные в течение короткого промежутка времени (~1 мин) в процессе перемещения радиолуча из нижних слоев атмосферы в ионосферу, могут являться индикатором волновой активности вблизи нижней границы ионосферы Венеры. Диагностика многослойных структур в ионосфере открывает перспективы изучения волновых процессов, возникающих при воздействии сейсмичности и других возмущений на атмосферу и ионосферу планеты.

1. Обнаруженная закономерность устанавливает зависимость между изменением частоты и возмущением энергетической экспозиции при дистанционном зондировании сферически симметричной неплотной газовой оболочки планеты монохроматическим сигналом, она получена аналитическими преобразованиями известных соотношений геометрической оптики. Зависимость между изменением частоты и возмущением энергетической экспозиции линейная, коэффициент пропорциональности K определяется характеристиками зондирующей системы. 3. Экспериментально обнаружена волновая активность в нижней дневной ионосфере Венеры. Применение нового метода для анализа радиозатменных данных спутников ВЕНЕРА-15,16 выявило стратифицированные периодические вариации плотности среды на высотах 65…115 км с вертикальным масштабом ~6 км, которые являются индикатором волнового процесса в верхней атмосфере и нижней ионосфере на дневной стороне Венеры. З А К Л Ю Ч Е Н И Е 2. Положенный в основу нового метода принцип интерпретации радиозатменных данных позволяет одновременно анализировать трансформацию параметров сигналов в плазме и в нейтральной среде, хорошо адаптирован к задачам обнаружения взаимосвязанных колебаний плотности в системе атмосфера-ионосфера и не использует интегральных преобразований, ограничивающих чувствительность результатов радиопросвечивания к малым вариациям показателя преломления среды.

Спасибо за внимание Публикации 1. Гаврик А.Л., Гаврик Ю.А., Копнина Т.Ф., Самознаев Л.Н. Вариации амплитуд и частот когерентных радиосигналов при просвечивании дневной ионосферы Венеры // Радиотехника и электроника Т С Гаврик А.Л., Гаврик Ю.А., Самознаев Л.Н., Копнина Т.Ф. О возможности радиовидения слоистых структур в экспериментах радиопросвечивания ионосфер планет // Журнал радиоэлектроники С Гаврик А.Л., Гаврик Ю.А., Копнина Т.Ф. О возможности увеличения чувствительности метода радиопросвечивания // Журнал радиоэлектроники (электронный журнал) С Гаврик А.Л. Использование радиосигнала L диапазона в экспериментах двухчастотного радиопросвечивания // Журнал радиоэлектроники (электронный журнал) С Работа выполнена при частичной поддержке программы ОФН РАН VI.15 "Плазменные процессы в Солнечной системе"