Сэр Эдвард Виктор Эпплтон GBE KCB FRS [1] (6 сентября 1892 — 21 апреля 1965) был английским физиком , [4] [5] лауреатом Нобелевской премии (1947) и пионером в области радиофизики . Он учился, а также работал лаборантом в Брэдфордском колледже с 1909 по 1911 год.
Он получил Нобелевскую премию по физике в 1947 году за свою плодотворную 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 Хэнсона . [6]
В 1911 году, в возрасте 18 лет, ему была присуждена стипендия для обучения в колледже Святого Иоанна в Кембридже , который он окончил с отличием первого класса по естественным наукам и физике в 1913 году. Он также был членом Университетской ложи Исаака Ньютона . [7] 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 (м. 1965).
Во время Первой мировой войны он присоединился к Западному верховому полку , а затем перешел в Королевские инженеры . Вернувшись с действительной службы во время Первой мировой войны, Эпплтон стал помощником демонстратора по экспериментальной физике в Кавендишской лаборатории в 1920 году. В 1922 году он был посвящен в масонство . [8] Он был профессором физики в Королевском колледже Лондона (1924–1936) и профессором естественной философии в Кембриджском университете (1936–1939). С 1939 по 1949 год — секретарь Отдела научных и промышленных исследований . Посвященный в рыцари в 1941 году, он получил Нобелевскую премию по физике 1947 года за вклад в знание ионосферы , [ 3] который привел к разработке радиолокации .
С 1949 года и до своей смерти в 1965 году Эпплтон был ректором и вице-канцлером Эдинбургского университета . [9] С 1960 года он участвовал в планах университета по созданию CDA (зоны комплексного развития), в результате которого были снесены 125 акров исторической южной части Эдинбурга, что привело к потере многих домов и предприятий. Этот проект, возглавляемый университетом, нанес ущерб этому региону на десятилетие, прежде чем был заброшен в середине 1970-х годов. В одном недавнем исследовании Эпплтон описывается как страдающий манией величия в своем желании осуществить эти планы. [10]
В 1956 году BBC пригласила его прочитать ежегодные лекции Рейта . В серии из шести радиопередач под названием «Наука и нация » он исследовал многие аспекты научной деятельности в Британии того времени.
Сэр Эдвард умер 21 апреля 1965 года в Эдинбурге и похоронен на Эдинбургском кладбище Морнингсайд [11] вместе со своей женой Хелен Ленни (ум. 1983). Могила находится на крайней западной стороне, возле нового жилья на северо-западе.
Эпплтон заметил, что мощность радиосигнала от передатчика на частоте, например, в диапазоне средних волн, на расстоянии около ста миль была постоянной в течение дня, но менялась в течение ночи. Это заставило его поверить в возможность приема двух радиосигналов. Один летел по земле, а другой отражался от слоя в верхних слоях атмосферы. Затухание или изменение мощности общего принимаемого радиосигнала является результатом интерференционной картины двух сигналов. [ нужна цитата ]
Существование отражающего слоя атмосферы само по себе не было совершенно новой идеей. Бальфур Стюарт выдвинул эту идею в конце 19 века для объяснения ритмических изменений магнитного поля Земли. Совсем недавно, в 1902 году, Оливер Хевисайд и Артур Э. Кеннелли предположили, что такой слой, отражающий электромагнитное излучение, теперь называемый слоем Кеннелли-Хевисайда , может объяснить успех Маркони в передаче своих сигналов через Атлантику. Расчеты показали, что естественного отклонения радиоволн недостаточно, чтобы помешать им просто «вылететь» в пустое пространство до того, как они достигнут приемника. [ нужна цитата ]
Эпплтон считал, что лучшее место для поиска доказательств существования ионосферы — это изменения, которые, по его мнению, она вызывает во время заката при приеме радиосигналов. Было разумно предположить, что эти изменения были вызваны интерференцией двух волн, но это был дополнительный шаг, чтобы показать, что вторая волна, вызывающая интерференцию (первая была земной волной), спускалась из ионосферы. В разработанном им эксперименте было два метода, чтобы показать влияние 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 прихода отраженного сигнала на приемную антенну. [ нужна цитата ]
Метод частотной модуляции использует тот факт, что существует разница в пути между земной волной и отраженной волной, что означает, что они проходят разные расстояния от отправителя к получателю.
Пусть расстояние AC, пройденное земной волной, равно h, а расстояние ABC, пройденное отраженной волной h'. Разница в пути:
Длина волны передаваемого сигнала равна λ. Разница в количестве длин волн между путями h и h' равна:
Если N — целое число, то возникнут конструктивные помехи, то есть на приемной стороне будет достигнут максимальный сигнал. Если N — нечетное целое число половин длин волн, то возникнут деструктивные помехи и будет принят минимальный сигнал. Предположим, мы получаем максимальный сигнал для данной длины волны λ. Если мы начнем менять λ, это процесс, называемый частотной модуляцией, N перестанет быть целым числом и начнут возникать деструктивные помехи, то есть сигнал начнет затухать. Теперь мы продолжаем изменять λ до тех пор, 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:
Зная λ и λ', мы можем вычислить D. Используя приближение, согласно которому ABC является равнобедренным треугольником, мы можем использовать наше значение D для расчета высоты отражающего слоя. Этот метод представляет собой слегка упрощенную версию метода, использованного Эпплтоном и его коллегами для определения первого значения высоты ионосферы в 1924 году. В своем эксперименте они использовали радиовещательную станцию BBC в Борнмуте , чтобы варьировать длины волн ее излучений. после окончания вечерних программ. Они установили приемную станцию в Оксфорде для наблюдения за эффектами помех. Приемная станция должна была находиться в Оксфорде, поскольку в те дни на нужном расстоянии примерно в 62 мили (100 км) от Кембриджа не было подходящего излучателя .
Этот метод частотной модуляции показал, что точка, от которой отражались волны, находилась примерно в 56 милях (90 км). Однако не установлено, что волны отражались сверху, возможно, они исходили с холмов где-то между Оксфордом и Борнмутом. Второй метод, заключавшийся в нахождении угла падения отраженных волн на приемник, точно показал, что они приходят сверху. Триангуляции под этим углом дали результаты по высоте отражения, совместимые с методом частотной модуляции. Мы не будем подробно останавливаться на этом методе, поскольку он предполагает довольно сложные расчеты с использованием электромагнитной теории Максвелла.
Успех эксперимента Оксфорд-Борнмут не только не был окончательным, но и открыл обширную новую область исследований, которую необходимо изучить. Оно показало, что высоко над Землей действительно существует отражающий слой, но также поставило много новых вопросов. Каково было строение этого слоя, как он отражал волны, был ли он одинаков по всей земле, почему его воздействие так резко менялось между днем и ночью, менялось ли оно в течение года? Эпплтон проведет остаток своей жизни, отвечая на эти вопросы. Он разработал магнитоионную теорию, основанную на предыдущих работах Лоренца и Максвелла , для моделирования работы этой части атмосферы. Используя эту теорию и дальнейшие эксперименты, он показал, что так называемый слой Кеннелли – Хевисайда сильно ионизирован и, следовательно, проводит ток. Это привело к появлению термина ионосфера. Он показал, что свободные электроны являются ионизирующими агентами. Он обнаружил, что через слой могут проникать волны выше определенной частоты и что эту критическую частоту можно использовать для расчета плотности электронов в слое. Однако эти проникающие волны также отражались бы обратно, но от гораздо более высокого слоя. Это показало, что ионосфера имеет гораздо более сложную структуру, чем предполагалось вначале. Нижний уровень был обозначен как E – Layer, отражал более длинные волны и находился на высоте примерно 78 миль (125 км). Высокий уровень, который имел гораздо более высокую плотность электронов, был обозначен как F-слой 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 уровнем Эпплтона, поскольку он отвечает за обеспечение большинства коротковолновых телекоммуникаций на большие расстояния. [12]
Магнито-ионная теория также позволила Эпплтону объяснить происхождение загадочных замираний, слышимых по радио на закате. В течение дня свет Солнца заставляет молекулы воздуха ионизироваться даже на довольно малых высотах. На этих малых высотах плотность воздуха велика и, следовательно, плотность электронов ионизированного воздуха очень велика. Из-за этой сильной ионизации происходит сильное поглощение электромагнитных волн, вызванное «электронным трением». Таким образом, при передаче на любое расстояние отражений не будет, поскольку любые волны, кроме волны на уровне земли, будут поглощаться, а не отражаться. Однако когда солнце садится, молекулы начинают медленно рекомбинировать со своими электронами, и уровень плотности свободных электронов падает. Это означает, что скорость поглощения уменьшается, и волны могут отражаться с достаточной силой, чтобы их можно было заметить, что приводит к упомянутым нами явлениям интерференции. Однако для возникновения этих интерференционных картин должно быть не просто наличие отраженной волны, но и изменение отраженной волны. В противном случае помехи будут постоянными и замирания не будут слышны. Принятый сигнал просто будет громче или тише, чем днем. Это предполагает, что высота, на которой происходит отражение, должна медленно меняться по мере захода солнца. Фактически Эпплтон обнаружил, что она увеличивалась с заходом солнца, а затем уменьшалась с восходом солнца, пока отраженная волна не стала слишком слабой для регистрации. Этот вариант совместим с теорией о том, что ионизация происходит из-за влияния Солнца. На закате интенсивность солнечного излучения у поверхности Земли будет гораздо меньше, чем высоко в атмосфере. Это означает, что ионная рекомбинация будет медленно прогрессировать от меньших высот к более высоким, и поэтому высота, на которой отражаются волны, медленно увеличивается с заходом солнца. [ нужна цитата ]
Основная идея работы Эпплтона настолько проста, что поначалу трудно понять, как он посвятил ее изучению почти всю свою научную карьеру. Однако в последних двух абзацах были представлены некоторые сложности предмета. Как и многие другие области, эта область становится все сложнее по мере того, как ее изучают. К концу его жизни по всему миру были созданы ионосферные обсерватории, обеспечивающие глобальную карту отражающих слоев. Были обнаружены связи с 11-летним циклом солнечных пятен и северным сиянием — магнитными бурями, возникающими в высоких широтах. Это стало особенно актуальным во время Второй мировой войны, когда штормы приводили к отключениям радиосвязи. Благодаря исследованиям Эпплтона можно было предсказать периоды, когда это произойдет, и переключить связь на длины волн, которые будут меньше всего затронуты. Радар , еще одно важное нововведение военного времени, появился благодаря работе Эпплтона. В самом общем плане его исследования заключались в определении расстояния отражающих объектов от передатчиков радиосигналов. Именно в этом заключается идея радара и мигающих точек, которые появляются на экране (электронно-лучевой трубке), сканируемом вращающейся полосой поиска. Эта система была частично разработана Эпплтоном как новый метод, называемый импульсным методом, для проведения ионосферных измерений. Позже Роберт Уотсон-Ватт адаптировал его для обнаружения самолетов. В настоящее время ионосферные данные важны при рассмотрении связи со спутниками. Правильные частоты для этих сигналов должны быть выбраны так, чтобы они действительно доходили до спутников, не отражаясь и не отклоняясь раньше. [ нужна цитата ]
В 1974 году Станция радиокосмических исследований была переименована в Лабораторию Эпплтона в честь человека, который так много сделал для того, чтобы Великобритания стала ведущей силой в исследованиях ионосферы, и работал на станции сначала в качестве исследователя, а затем в качестве секретаря. его головного органа — Департамента научных и промышленных исследований. [ нужна цитата ]
Эпплтон был награжден следующим:
Кроме того, в его честь названы:
Портрет Эпплтона работы Уильяма Хатчисона висит в Старом колледже Эдинбургского университета .
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
СМИ, связанные с Эдвардом Эпплтоном, на Викискладе?