Сэр Эдвард Виктор Эпплтон GBE KCB FRS [1] (6 сентября 1892 – 21 апреля 1965) был английским физиком , [2] [3] лауреатом Нобелевской премии (1947) и пионером в области радиофизики . Он был удостоен Нобелевской премии по физике «за исследования физики верхней атмосферы, особенно за открытие так называемого слоя Эпплтона». [4] Он учился, а также работал лаборантом в Брэдфорд-колледже с 1909 по 1911 год.
В 1947 году он получил Нобелевскую премию по физике за основополагающую работу, доказавшую существование ионосферы в ходе экспериментов, проведенных в 1924 году.
Эпплтон родился в Брэдфорде , Западный райдинг Йоркшира , в семье Питера Эпплтона, кладовщика, и Мэри Уилкок, и получил образование в гимназии Хансона . [5]
В 1911 году, в возрасте 18 лет, он был удостоен стипендии для обучения в колледже Святого Иоанна в Кембридже , который он окончил с отличием по естественным наукам с физикой в 1913 году. Он также был членом ложи Университета Исаака Ньютона . [6] В 1915 году он женился на своей первой жене, Джесси Эпплтон (ранее Лонгсон), от которой у него было двое детей. Через три года после ее смерти он женился на Хелен Ленни (р. 1965).
Во время Первой мировой войны он присоединился к Западному конному полку , а затем перешёл в Королевские инженеры . Вернувшись с активной службы в Первой мировой войне, Эпплтон стал помощником демонстратора по экспериментальной физике в Кавендишской лаборатории в 1920 году. В 1922 году он был посвящён в масонство . [7] Он был профессором физики в Королевском колледже Лондона (1924–1936) и профессором естественной философии в Кембриджском университете (1936–1939). С 1939 по 1949 год он был секретарём Департамента научных и промышленных исследований . Посвященный в рыцари в 1941 году, он получил Нобелевскую премию по физике 1947 года за вклад в изучение ионосферы , [ 8] что привело к разработке радара .
С 1949 года и до своей смерти в 1965 году Эпплтон был ректором и вице-канцлером Эдинбургского университета . [9] С 1960 года он был вовлечен в планы университета по созданию CDA (комплексной зоны развития), которая должна была снести 125 акров исторической южной части Эдинбурга, что привело бы к потере многих домов и предприятий. Этот проект, возглавляемый университетом, на протяжении десятилетия портил район, прежде чем был заброшен в середине 1970-х годов. Одно из недавних исследований описывает Эпплтона как мегаломаньяка в его желании осуществить эти планы. [10]
В 1956 году BBC пригласила его прочесть ежегодные лекции Рейта . В серии из шести радиопередач под названием «Наука и нация » он исследовал многочисленные аспекты научной деятельности в Великобритании того времени.
Сэр Эдвард умер 21 апреля 1965 года в Эдинбурге и похоронен на кладбище Морнингсайд в Эдинбурге [11] вместе со своей женой Хелен Ленни (ум. 1983). Могила находится в крайней западной части около нового корпуса на северо-западе.
Эпплтон заметил, что сила радиосигнала от передатчика на частоте, например, в диапазоне средних волн, и на расстоянии около сотни миль была постоянной в течение дня, но менялась ночью. Это привело его к мысли, что, возможно, принимались два радиосигнала. Один шел по земле, а другой отражался слоем в верхней атмосфере. Затухание или изменение силы общего полученного радиосигнала было результатом интерференционной картины двух сигналов. [ необходима цитата ]
Существование отражающего слоя атмосферы само по себе не было совершенно новой идеей. Бальфур Стюарт предложил эту идею в конце 19 века для объяснения ритмических изменений в магнитном поле Земли. Совсем недавно, в 1902 году, Оливер Хевисайд и Артур Э. Кеннелли предположили, что такой электромагнитно-отражающий слой, теперь называемый слоем Кеннелли-Хевисайда , может объяснить успех Маркони в передаче своих сигналов через Атлантику. Расчеты показали, что естественного изгиба радиоволн было недостаточно, чтобы помешать им просто «выстрелить» в пустое пространство, прежде чем они достигнут приемника. [ необходима цитата ]
Эпплтон считал, что лучшим местом для поиска доказательств ионосферы были изменения, которые, по его мнению, она вызывала около заката в приеме радиосигналов. Было разумно предположить, что эти изменения были вызваны интерференцией двух волн, но дополнительный шаг, чтобы показать, что вторая волна, вызывающая интерференцию (первая была земной волной), исходила из ионосферы. Разработанный им эксперимент имел два метода для демонстрации влияния ионосферы, и оба позволяли определить высоту нижней границы отражения (то есть нижней границы отражающего слоя). Первый метод назывался частотной модуляцией, а второй заключался в расчете угла прибытия отраженного сигнала на приемную антенну. [ необходима цитата ]
Метод частотной модуляции использует тот факт, что существует разница в пути между земной волной и отраженной волной, то есть они проходят разные расстояния от отправителя до получателя.
Пусть расстояние AC, пройденное земной волной, равно h, а расстояние ABC, пройденное отраженной волной, равно h'. Разность хода равна:
Длина волны передаваемого сигнала равна λ. Число разностей длин волн между путями h и h' равно:
Если N — целое число, то возникнет конструктивная интерференция, это означает, что на приемном конце будет достигнут максимальный сигнал. Если N — нечетное целое число половин длин волн, то возникнет деструктивная интерференция и будет получен минимальный сигнал. Предположим, что мы принимаем максимальный сигнал для заданной длины волны λ. Если мы начнем изменять λ, это процесс, называемый частотной модуляцией, N больше не будет целым числом, и начнется деструктивная интерференция, то есть сигнал начнет затухать. Теперь мы продолжаем изменять λ, пока снова не будет получен максимальный сигнал. Это означает, что для нашего нового значения λ', наше новое значение N' также является целым числом. Если мы удлинили λ, то мы знаем, что N' на единицу меньше N. Таким образом:
Перестановка для D дает:
Поскольку мы знаем λ и λ', мы можем вычислить D. Используя приближение, что ABC является равнобедренным треугольником, мы можем использовать наше значение D для вычисления высоты отражающего слоя. Этот метод является слегка упрощенной версией метода, использованного Эпплтоном и его коллегами для выработки первого значения высоты ионосферы в 1924 году. В своем эксперименте они использовали вещательную станцию BBC в Борнмуте для изменения длин волн ее излучений после окончания вечерних программ. Они установили приемную станцию в Оксфорде для мониторинга эффектов интерференции. Приемная станция должна была находиться в Оксфорде, поскольку в те дни не было подходящего излучателя на нужном расстоянии около 62 миль (100 км) от Кембриджа .
Этот метод частотной модуляции показал, что точка, от которой отражались волны, находилась примерно в 56 милях (90 км). Однако он не установил, что волны отражались сверху, на самом деле они могли приходить с холмов где-то между Оксфордом и Борнмутом. Второй метод, который включал в себя определение угла падения отраженных волн на приемник, точно показал, что они приходили сверху. Триангуляции с этого угла дали результаты для высоты отражения, совместимые с методом частотной модуляции. Мы не будем подробно рассматривать этот метод, поскольку он включает в себя довольно сложные вычисления с использованием электромагнитной теории Максвелла.
Успех эксперимента Оксфорд-Борнмута, не будучи окончательным, открыл обширную новую область исследований для изучения. Он показал, что действительно существует отражающий слой высоко над Землей, но он также поставил много новых вопросов. Каково строение этого слоя, как он отражает волны, является ли он одинаковым по всей Земле, почему его воздействие так резко меняется между днем и ночью, меняется ли он в течение года? Эпплтон посвятил остаток своей жизни ответам на эти вопросы. Он разработал магнитоионную теорию, основанную на предыдущих работах Лоренца и Максвелла , чтобы смоделировать работу этой части атмосферы. Используя эту теорию и дальнейшие эксперименты, он показал, что так называемый слой Кеннелли-Хевисайда был сильно ионизирован и, таким образом, проводил ток. Это привело к появлению термина ионосфера. Он показал, что свободные электроны являются ионизирующими агентами. Он обнаружил, что слой может быть пронизан волнами выше определенной частоты, и что эта критическая частота может быть использована для расчета электронной плотности в слое. Однако эти проникающие волны также будут отражаться назад, но от гораздо более высокого слоя. Это показало, что ионосфера имеет гораздо более сложную структуру, чем предполагалось изначально. Нижний уровень был обозначен как E – Layer, отражал более длинные волны и находился примерно на высоте 78 миль (125 км). Высокий уровень, который имел гораздо более высокую плотность электронов, был обозначен как F – Layer и мог отражать гораздо более короткие волны, проникающие в нижний слой. Он расположен на высоте 186–248 миль (300–400 км) над поверхностью Земли. Именно его часто называют слоем Эпплтона, поскольку он отвечает за обеспечение большинства дальних коротковолновых телекоммуникаций. [12]
Магнито-ионная теория также позволила Эпплтону объяснить происхождение таинственных затуханий, которые можно услышать по радио около заката. Днем свет от Солнца заставляет молекулы в воздухе ионизироваться даже на довольно малых высотах. На этих малых высотах плотность воздуха велика, и, следовательно, электронная плотность ионизированного воздуха очень велика. Из-за этой сильной ионизации происходит сильное поглощение электромагнитных волн, вызванное «электронным трением». Таким образом, при передаче на любое расстояние не будет отражений, поскольку любые волны, кроме той, что на уровне земли, будут поглощаться, а не отражаться. Однако, когда солнце садится, молекулы медленно начинают рекомбинировать со своими электронами, и уровни плотности свободных электронов падают. Это означает, что скорость поглощения уменьшается, и волны могут отражаться с достаточной силой, чтобы их можно было заметить, что приводит к явлениям интерференции, о которых мы упоминали. Однако для возникновения этих интерференционных картин должно быть не просто присутствие отраженной волны, а изменение отраженной волны. В противном случае интерференция будет постоянной, и затухания не будут слышны. Принятый сигнал будет просто громче или тише, чем днем. Это говорит о том, что высота, на которой происходит отражение, должна медленно меняться по мере захода солнца. Эпплтон обнаружил, что она увеличивается по мере захода солнца, а затем уменьшается по мере восхода солнца, пока отраженная волна не станет слишком слабой для регистрации. Это изменение согласуется с теорией о том, что ионизация происходит из-за влияния Солнца. На закате интенсивность солнечного излучения будет намного меньше на поверхности Земли, чем высоко в атмосфере. Это означает, что ионная рекомбинация будет медленно прогрессировать от более низких высот к более высоким, и поэтому высота, на которой отражаются волны, медленно увеличивается по мере захода солнца. [ необходима цитата ]
Основная идея работы Эпплтона настолько проста, что поначалу трудно понять, как он посвятил почти всю свою научную карьеру ее изучению. Однако в последних нескольких абзацах были представлены некоторые сложности предмета. Как и многие другие области, это та, которая становится все более сложной по мере ее изучения. К концу его жизни по всему миру были созданы ионосферные обсерватории, чтобы предоставить глобальную карту отражающих слоев. Были найдены связи с 11-летним циклом солнечных пятен и северным сиянием , магнитными бурями, которые случаются в высоких широтах. Это стало особенно актуальным во время Второй мировой войны, когда бури приводили к отключению радиосвязи. Благодаря исследованиям Эпплтона периоды, когда они происходили, можно было предсказать, и связь можно было переключить на длины волн, которые были бы наименее затронуты. Радар , еще одно важное нововведение военного времени, появилось благодаря работе Эпплтона. На самом общем уровне его исследования заключались в определении расстояния отражающих объектов от передатчиков радиосигналов. Это как раз идея радара и мигающих точек, которые появляются на экране (электронно-лучевой трубке), сканируемом вращающейся полосой «искателя». Эта система была разработана частично Эпплтоном как новый метод, называемый импульсным методом, для проведения ионосферных измерений. Позднее он был адаптирован Робертом Уотсоном-Уоттом для обнаружения самолетов. В настоящее время ионосферные данные важны, когда рассматривается связь со спутниками. Правильные частоты для этих сигналов должны быть выбраны так, чтобы они действительно достигли спутников, не будучи отраженными или отклоненными ранее. [ необходима цитата ]
В 1974 году станция радио- и космических исследований была переименована в лабораторию Эпплтона в честь человека, который так много сделал для того, чтобы Великобритания стала ведущей силой в области исследований ионосферы, и который был связан со станцией сначала как исследователь, а затем как секретарь ее головного органа — Департамента научных и промышленных исследований. [ необходима ссылка ]
Эпплтону были присуждены следующие награды:
Кроме того, в его честь названы:
Портрет Эпплтона работы Уильяма Хатчисона висит в Старом колледже Эдинбургского университета .
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
Медиа, связанные с Эдвардом Эпплтоном на Wikimedia Commons