歷史 物理

掀開電離層神祕面紗的阿普爾頓爵士

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撰文者:高崇文
發文日期:2021-08-10
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  • 1901年馬可尼首次完成越洋無線電波通訊,開啟了人類通訊史的一個新紀元。廣播、電視乃至於現在的手機,逐漸改變了我們的生活方式。而無線電通訊之所以可能,完全是拜大氣層有一部份(稱為電離層)所賜,它能反射特定區間的波長的電磁波。雖然在1902年英國科學家黑維塞曾提出肯涅利-黑維塞層 (Kennelly–Heaviside layer) 的理論,但它的具體存在卻要等到二十年後,才被英國物理學家阿普爾頓所證實。阿普爾頓後來在1947年榮獲諾貝爾獎,許多電離層的研究可以說都是由他開啟的。雖然他的名氣並不是特別地大,但是他的科學生涯其實頗有啟發性,就讓阿文我來為您介紹這位電離層研究的祖師爺。

    愛德華·維克多·阿普爾頓(Edward Victor Appleton)於1892年9月6日出生於英國布拉德福德 (Bradford) ,他的父親彼得是批發商。愛德華在16歲時就去報考倫敦預科課程 (London Matriculation Examination) 中獲得一等獎,而當時應考的最低年齡就是16歲!隔年的倫敦中級考試,他再次以最年少的身份拿到好成績。他的父母意識到他應該往學界發展,雖然家境並不富裕,他們還是在財務上支持他。愛德華在布拉德福德學院 (Bradford College) 半工半讀了兩年, 1910 年他獲得了“艾薩克霍爾頓獎學金(Isaac Holton Scholarship)”,讓他能夠上劍橋大學的聖約翰學院來就讀。很快地,阿普爾頓就分別於1913年和1914年通過有名的Tripos 考試。第二次是物理學,他拿到礦物學的Hutchinson Research Studentship 以及物理的Hicken Prize。本來他跟著Lawrence Bragg 研究礦物晶體,照說他本應往這個方向發展,不料第一次世界大戰在1914年夏天爆發,改變了他的人生。他加入了西部騎兵團,後來被轉到英國皇家工兵部隊從事通訊方面的任務。就是在這裡,他開始接觸到無線電波,當時甚至連真空管都被當作是軍事機密呢。退役後,阿普爾頓於1920年成為卡文迪許實驗室的實驗物理學助理演示者。1924年10月他前往倫敦國王學院擔任物理學Wheatstone講座教授。
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    圖片來源:維基百科


    在離開劍橋前不久,他開始研究無線電。1924年4月,巴內特(Miles Barnett,1901 – 1979)從紐西蘭抵達劍橋,打算與阿普爾頓一起從事無線電的研究。 幸運的是,就在稍早的 1922 年,倫敦的 B. B.C. 廣播站,在當時被稱為2LO,已經開始放送了。巴內特在劍橋接收它發出的信號,並開始記錄信號的強度。他們很快就發現白天的訊號強度是穩定的,但隨著夜晚的臨近,訊號強度會開始發生變化。他們相信這種現象是被高空的大氣層反射的無線電波與地面前進的無線電波相互間的干涉所產生。其實早從馬可尼成功傳遞無線電訊號以來,人們一直認為有一個“黑維塞(Heaviside)層”負責引導遠距離傳播的無線電波環繞地球,然而大氣層如何引導電波卻無人知曉。阿普爾頓則是明確地認為黑維賽層的作用是反射無線電波然後在短距離內返回地面。
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    阿普爾頓和巴內特決定做實驗來驗證他們的假設,如果證明他們的假設是正確的,他們還可以依此來測量產生反射現象的大氣層高度。他們安排讓發射器連續地改變波長,並在接收器處測量由反射波與地波之間的干涉所產生的相應振幅變化。為了讓這些振盪盡可能地顯著,兩個波應該是強度相當。無線電波是由伯恩茅斯(Bournemouth)的B.B.C. 發出,而在牛津接收到。幸運的是,他們可以在當天廣播節目結束後的午夜從事這個實驗。 E. W. B. Gill 為他們提供了設施,讓他們可以在牛津的湯森電氣實驗室 (Townsend’s Electrical Laboratory)設立接收設備。他們觀察到預料中的信號強度振盪,並從它們的數值推斷反射來自約100 km 高的大氣層。這個至關重要的實驗是在他甫履新職時做的 (1924 年 12 月 11 日)。阿普爾頓馬上就了解到這種調整波長變化的技術可以拿來研究電離層上層的大氣層的種種細節。其實這原本只是他排在第三順位的研究計畫,前兩位是非線性現象和大氣干擾(atmospherics),但他認為無線電的實驗提供了無與倫比的可能性,可以研究非常基本的物理。他幾乎立即停止其他研究計畫,將所有的精力都集中在新技術上,以了解更多關於無線電波是如何反射的,以及產生反射的上層大氣層的構成。1924年以後他的論文清單幾乎全部都與電離層有關。他的科學生涯幾乎完全奉獻給了電離層以及相關的研究。

    完成了伯恩茅斯-牛津實驗之後,阿普爾頓透過無線電研究委員會(Radio Research Board)的安排,使用國家物理實驗室的發射器,以及彼得堡(Peterborough)接收站繼續從事相關的實驗。他開發技術讓波長變化得更快,因此人工振盪信號強度的變化可以與信號的自然衰減區分開來。為此,他將原來的速度很慢的檢流計換成了一個埃因托芬弦線檢流計(einthoven string galvanometer )。(威廉·埃因托芬(Willem Einthoven,1860-1927)是一位荷蘭醫師與生理學家。因發明此裝置,在1924年獲得諾貝爾生理與醫學獎。)這樣就可以跟得上快速的變化,進一步還可以拍照留做記錄。

    阿普爾頓的主要研究興趣是調查造成無線電波反射高度和反射波強度變化的主因。他發現在黎明的時候,反射的高度會降低,信號也會減弱。通常日出後大約一小時,反射波變得太弱時,就停止記錄。阿普爾頓合理地懷疑,電離層的變化與太陽輻射有關。1927 年的日食提供了一個機會來研究黑維塞(Heaviside)層的高度在日食時如何變化,這次的觀察至關重要,因為它可以證明電離效應的原因正是太陽輻射。這個實驗果然確定了電離層與太陽輻射的關聯。


    接下來,阿普爾頓思考的問題是無線電波是如何被電離層所反射。他意識到電離層被太陽照射過光化學反應產生的離子和電子是產生反射波的原因。他可以從無線電波反射的現象來推斷出關於黑維塞(Heaviside)層的電離的程度。 此外,地球的磁場會對電離層中的離子和電子產生影響。當時荷蘭的電動力學大師羅倫茲已經考慮過當光線在強大的外加磁場下穿過某些材料時,例如氣體或晶體,實際上存在著同樣的問題。唯一的區別是電子和離子在上層大氣層是分開的,但在氣體或晶體中的原子中則仍然是束縛在一起。羅倫茲實際上處理了兩種不同的情況,一種是光沿著磁場傳播,另一種以垂直於磁場傳播,羅倫茲發現會出現一束光通過介質變成兩束的雙折射現象。阿普爾頓將這個想法推廣,他進一步拿羅倫茲的方法來處理完全自由的電子和離子的情況,電波可以向任何方向傳播,不一定只是平行或垂直於磁場。 他將他的理論命名為“磁離子理論”(The magneto-ionic theory)。這理論能解釋日落前後收音機訊號的神秘衰減的起源。白天,即使在相當低的高度,太陽光也會使空氣中的分子離子化。在這些低海拔下,空氣的密度很大,因此電離空氣的電子密度非常大。由於這種嚴重的電離作用,電子會強烈吸收電磁波,不會產生反射,因為在地平面以外的任何波都將被吸收而不是反射。但是夜晚時,分子會慢慢開始與電子重新結合,自由電子密度會下降。這意味著吸收率降低,並且可以以足夠強度的反射波產生干涉。阿普爾頓還發現反射高度隨著日落而增加。這是因為日落時,地球表面的太陽輻射強度要比大氣層中的太陽輻射強度低得多。這也意味著離子重組將從較低的高度緩慢發展到較高的高度,因此,隨著日落,反射波的高度會緩慢增加。這解釋了入夜時無線電訊號逐漸變弱的神祕現象。


    起初他似乎並沒有完全意識到“磁離子理論”的重要性。他可能認為這不過是羅倫茲的理論一個簡單的延伸。他在1927 年的國際會議上隨口提到這理論,不以為意。後來他似乎意識到他好像邁出了很重要的一步。所以到了1932 年,他發表了他的理論的細節。 他的方程其實無論是在電離層物理學,還是在現在的電漿物理學中,都是最重要的核心要素。在思考這個理論時,他發現他必須考慮詳細說明自由電子與離子碰撞時會產生的影響,特別是當有外加的磁場的時候。因此,他從理論上和實驗上分頭研究。 他和他的學生寫了一系列關於無線電波在電離氣體傳播行為的論文。此外他們還發現電漿在電極附近的“鞘”效應(sheath effects)。



    除了理論的研究,阿普爾頓在實驗方面也精益求精。起初所有的無線電傳播實驗所用的都是與伯恩茅斯廣播電台的原始波長 (400 m.) 相近的波長。1929 年起他們開始注意到一種新現象。從記錄上他們判斷有些信號是與反射兩次的電波形成干涉的的二次反射效應,這些信號比反射一次的電波造成的干涉信號來得弱。奇怪的是他們發現在特定波長下,這些二次反射效應的信號居然比較強,甚至蓋過反射一次的電波的干涉效應。成為唯一的可觀察的信號,時間長達幾分鐘。 他們後來意識到,在這些不是兩次反射波產生的效應,而是對應於從更高的大氣層反射的反射波與原來的波干涉形成的。 阿普爾頓將下層稱為E 層,上層 稱為F 層:它們現在被則是被稱為黑維塞層和阿普爾頓層。


    阿普爾頓開始意識到,穿透 E 層而在F層反射的無線電波的頻率可以拿來推算該層中的電子濃度。因此,阿普爾頓繼續在不同時間和不同季節測量這個穿透的無線電波的頻率,他表明它計算的方式會隨著太陽的高度而變化,相關理論則是由悉尼·查普曼(Sydney Chapman)所推導。關於查普曼的研究,阿文將另撰一文來解釋。此外,阿普爾頓也確認了,電離層,以及將它們電離的太陽輻射,會隨著太陽週期改變,儘管相比之下,地面接收到的太陽輻射並不會雖太陽周期而發生變化。(科學家自1755年開始記錄太陽黑子活動,並以黑子數量及其他現象找出太陽活躍程度的循環周期,稱之為「太陽週期」。每個「太陽週期」平均為11年。)


    過去所使用的調頻的方法並不夠準確,為了確定關鍵的頻率,阿普爾頓開始考慮轉向曾在美國使用的脈衝雷達技術。但是他一如既往只使用最簡單的儀器。他知道他可以讓一個普通的閥門振盪器發出脈衝,讓電網檢波器 (grid-leak)瞬間通過一個很大的電流,導致它瞬間爆發式地振盪,或者用當時的行話來說,“make it squegg”(擠一擠)。起初他用了一個擠壓式振盪器作為他的發射器。它位於東倫敦大學,他在國王學院的哈雷斯圖爾特實驗室 (Halley Stewart Laboratory) 接收訊號。直到後來,更有技術頭腦的助手說服他使用各自調頻的脈衝振盪器當發射器。


    1932 年,國際間為了研究極地科學現象而舉辦了第二屆國際極地年。阿普爾頓安排了一組工作人員進行電離層探測。他和團隊一起在挪威的特羅姆瑟(Tromso),靠近極光出現次數最多的區域建立了觀測站,他親自與觀測隊到觀測站參與設立與觀測的工作。在他寄回給家人的個人日記中,他寫道「1932 年 8 月 6 日:“我在星期六晚上在我們結束三週任務的時候寫這篇文章。上週我工作時我們進行了第一次 24 小時觀測從下午 5 點開始到第二天早上八點。我一個人通宵達旦地工作。我們有幸在測試中遇到了磁暴,運氣真好,雖然一開始我對上層大氣層根本沒有迴聲,這事令人感到困擾。總的來說一切都還算順利。我相當確定我們今年會從這裡的工作成果中找到許多新的亮點。」阿普爾頓對極地微波”衰落”(polar radio blackout)的觀察記錄是第一個這種現象的記錄。現在已知這個現象是由從太陽拋射到大氣中的帶電粒子受到地磁而引起的。


    當他在考慮地磁和電離層之間的關係時,不由得聯想起了羅盤針通常都經歷了兩次振盪,這似乎對應於電離層中的兩種潮汐運動,一種是由月球引起的,另一種是由太陽造成的。1936年,他回到劍橋接替發明雲霧室的C. T. R. Wilson擔任傑克遜講座教授(Jacksonian Professor)。他開始了一項實驗,看看他是否能檢測出月球潮汐變化對來自 E 區域的反射電波的大氣層高度的影響。因為這個高度每天以相當不規律的方式不斷變化,有一些實驗測量誤差很難控制,所以需要改進的統計方法才能找出由月球造成的微小效應。通過長期觀察結果,在阿普爾頓團隊開發的分析方法幫助下,阿普爾頓和他的研究生威克斯(K. Weekes)終於成功地找到 E 區反射高度隨著月球潮汐的變化,他們發現滿月時比新月時電離層升高約兩公里。


    1937 年,他獲得英國皇家學會頒發的巴科里獎章(Bakerian Medal)。依慣例受獎時在英國皇家學會的巴科里講座(Bakerian Lecture)發表演講,主題是電離層的規律性和不規律性。在總結時他特別關注兩件事。首先,他展示如何通過觀察無線電波的吸收來推導出電子與中性原子碰撞的頻率。這個頻率取決於大氣層的密度和電子的溫度。測量結果表明在更高的高度,大氣密度變大,因此溫度變高。第二點是對電離層的測量與已知地球磁場的變化。利用他的電離層的知識以推導出電導率值,帶入到地磁的“大氣發電機”理論中,發現結果兜不攏。要等到第二次世界大戰之後,這個問題才由其他人成功地解釋的,解決的關鍵在於地球的電導率本身與地球磁場的關聯。


    直到 1939 年阿普爾頓離開劍橋前,他一直都是電離層這個領域的傑出領導者,幾乎每一個重要的進展都是他的功勞,持平地說,那個時期對電離層的了解幾乎完全歸功於他,或者至少歸功於他和他創辦並啟發的研究團隊。 由於戰爭使得電離層研究的研究團隊在其他地方也發展出來。他們固然增加了非常多新的資訊。阿普爾頓的想法也不斷被修改,但總體上仍然是站得住腳的。


    大戰再一次改變他的人生,從1939年到1949年,阿普爾頓轉任科學和工業研究部的秘書。他對雷達的發展有很大的貢獻,因此1941年受封為爵士。雷達是戰時的一項重要發明。而阿普爾頓的研究是雷達得以問世的重要關鍵。他的研究包括確定反射物體與無線電信號發射器的距離。這正是雷達的概念,屏幕上出現的閃爍點(陰極射線管)由循環的“搜索”欄掃描。該系統正是由阿普爾頓所開發成功的,它原先是作為一種稱為脈衝法的測量電離層的新方法,後來由羅伯特·沃森·瓦特(Robert Watson-Watt)進行了改裝,用來偵測飛機。如今,電離層數據在考慮與衛星的通信時也很重要。因為我們必須為這些信號選擇正確的頻率,否則在訊號達到衛星之前會被反射或偏離,而無法通訊。這些發現在英倫三島空戰時(1940年7月10日—1940年10月31日)變得尤為重要,當時磁暴導致無線電中斷。多虧了阿普爾頓的研究,預測這些事件發生的時間,並且可以將通信切換到受影響最小的波長,這對戰局影響甚大。當時英國剛經歷敦克爾克大撤退,人心惶惶,幸虧英國皇家空軍打贏了德國空軍,否則人類歷史就得改寫了。


    自從被任命為科學與工業研究部(D.S.I.R)秘書後,阿普爾頓沒有機會再與任何研究團隊一起工作了,甚至追求自己的研究興趣的時間都沒有。但值得注意的是,儘管他在 D.S.I.R. 乃至於後來在愛丁堡大學擔任行政工作,他一直對與電離層有關的任何事情都深感興趣。他曾經帶著口袋裡的小書,不時在裡面做筆記,他這麼做一直到他生命的盡頭,其中絕大多數都與電離層物理學中的問題。對於科學家來說,改去擔任行政職是很常見的事,保持研究興趣也是常有的事,但阿普爾頓對電離層的熱情,卻能一直持續,這是頗為少見的。


    雖然離開劍橋後他就沒有再指導研究生,但是只要他在倫敦,他就與無線電研究站的工作人員仍然保持密切聯繫。後來當他搬到愛丁堡時,他聘請助理分析全世界所有天文台的電離層觀測結果。當然,以這種方式進行的研究當然比不上他在戰前的研究。但戰後不久他還是獲得了一個重要的成果。通過檢查戰爭期間在世界上的幾個地方製作的記錄,他注意到赤道附近的電離層很奇特。 F區的記錄顯示當太陽在赤道上空時,我們可能會期望那裡的電離比其他任何地方都大,實際上是最大的並不是赤道,但在赤道兩側的兩點。此外,兩點的中間也不是在地理赤道,而是在地磁的赤道,在那裡地球磁場是水平的。這個事實表明電離層 F 區的結構受地球磁場的影響,這一點對於電離層理論非常重要。


    阿普爾頓早年認識到電離層的研究最終必須仰賴國際合作。他參與了國際科學無線電聯盟,通常被稱為U.R.S.I.(依其法語名稱的頭文字)。這個聯盟將為他提供一個寶貴的平台。藉由這個組織能激發全球研究無線電相關領域的興趣。在 1927 年在華盛頓召開的會議上他發揮了主導作用,那裡首次發表了他的磁離子理論。他從 1934 年到 1952 年擔任聯盟主席。多年來,他擔任電離層混合委員會主席,這個委員會由 U.R.S.I 的代表以及其他國際科學聯盟的代表共同組成。這個混合委員會幫助規劃了許多1947 年至 1960 年期間世界各地的電離層調查。他們首先通過並製定了一項建議,即應該有1957 年太陽黑子最大年時舉辦國際地球物理年,阿普爾頓在規劃這個國際地球物理年的活動中起貢獻良多。

    從1949年開始阿普爾頓一直是愛丁堡大學的校長(Principal and Vice-Chancellor),直到1965年他過世為止。阿普爾頓是個非常厲害的講者,授課深入淺出,深受學生喜愛,他遺傳自父親的嘹亮音色也相當出名。他曾在1956 年,在 B.B.C. 的 Reith Lectures 上發表演講。 主題是“科學與國家”,各位可以上網找到錄音檔呢。他的風格簡單、優雅卻又充滿洞察力,實在是不可多得的一代宗師。

    參考資料:
    (一)中文 英文維基相關條目
    (二)Edward Victor Appleton by
    (三)The Reith Lectures:Edward Appleton: Science and the Nation: 1956https://www.bbc.co.uk/sounds/play/p00hg1rc
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