Edward Víctor Appleton

Sir Edward Victor Appleton GBE KCB FRS (6 de septiembre 1892 - 21 de abril de 1965) fue un físico inglés, premio Nobel (1947) y pionero de la radiofísica. Estudió y también trabajó como técnico de laboratorio en Bradford College de 1909 a 1911.

Ganó el Premio Nobel de Física en 1947 por su trabajo fundamental que demostró la existencia de la ionosfera durante experimentos realizados en 1924.

Biografía

Appleton nació en Bradford, West Riding de Yorkshire, hijo de Peter Appleton, un almacenista, y Mary Wilcock, y se educó en Hanson Grammar School.

En 1911, a los 18 años, recibió una beca para asistir al St John's College de Cambridge, donde se graduó con honores de primera clase en Ciencias Naturales y Física en 1913. También fue miembro de la Universidad Isaac Newton. Presentar. En 1915 se casó con su primera esposa, Jessie Appleton (anteriormente Longson), con quien tuvo dos hijos. Se volvió a casar tres años después de su muerte con Helen Lennie (m. 1965).

Durante la Primera Guerra Mundial se unió al West Riding Regiment y luego fue transferido a los Royal Engineers. Después de regresar del servicio activo en la Primera Guerra Mundial, Appleton se convirtió en asistente de demostración en física experimental en el Laboratorio Cavendish en 1920. En 1922 se inició en la masonería. Fue profesor de física en el King's College de Londres (1924-1936) y profesor de filosofía natural en la Universidad de Cambridge (1936-1939). De 1939 a 1949 fue secretario del Departamento de Investigaciones Científicas e Industriales. Nombrado Caballero en 1941, recibió el Premio Nobel de Física en 1947 por sus contribuciones al conocimiento de la ionosfera, que llevaron al desarrollo del radar.

Desde 1949 hasta su muerte en 1965, Appleton fue director y vicerrector de la Universidad de Edimburgo. En 1956, la BBC lo invitó a pronunciar las Conferencias Reith anuales. A lo largo de una serie de seis programas de radio, titulados La ciencia y la nación, exploró las múltiples facetas de la actividad científica en Gran Bretaña en ese momento.

Sir Edward murió el 21 de abril de 1965 en Edimburgo y está enterrado en el cementerio Morningside de Edimburgo con su esposa Helen Lennie (m. 1983). La tumba se encuentra en el extremo occidental, cerca de las nuevas viviendas al noroeste.

Obras

Appleton había observado que la intensidad de la señal de radio de un transmisor en una frecuencia como la banda de onda media y en un recorrido de aproximadamente cien millas era constante durante el día pero variaba durante la noche. Esto le llevó a creer que era posible que se estuvieran recibiendo dos señales de radio. Uno viajaba por el suelo y el otro era reflejado por una capa de la atmósfera superior. El desvanecimiento o variación en la intensidad de la señal de radio general recibida se debió al patrón de interferencia de las dos señales.

La existencia de una capa atmosférica reflectante no era en sí misma una idea completamente nueva. Balfour Stewart había sugerido la idea a finales del siglo XIX para explicar los cambios rítmicos en el campo magnético de la Tierra. Más recientemente, en 1902, Oliver Heaviside y Arthur E. Kennelly habían sugerido que tal estrato reflectante electromagnético, ahora llamado capa Kennelly-Heaviside, podría explicar el éxito que tuvo Marconi al transmitir sus señales a través del Atlántico. Los cálculos habían demostrado que la curvatura natural de las ondas de radio no era suficiente para evitar que simplemente "dispararan" sus ondas de radio. al espacio vacío antes de llegar al receptor.

Appleton pensó que el mejor lugar para buscar evidencia de la ionosfera eran las variaciones que creía que causaba alrededor del atardecer en las recepciones de señales de radio. Era sensato sugerir que estas variaciones se debían a la interferencia de dos ondas, pero un paso adicional para demostrar que la segunda onda que causaba la interferencia (siendo la primera la onda terrestre) descendía de la ionosfera. El experimento que diseñó tenía dos métodos para mostrar la influencia ionosférica y ambos permitieron determinar la altura del límite inferior de reflexión (por lo tanto, el límite inferior de la capa reflectante). El primer método se denominó modulación de frecuencia y el segundo consistía en calcular el ángulo de llegada de la señal reflejada a la antena receptora.

El método de modulación de frecuencia aprovecha el hecho de que existe una diferencia de trayectoria entre la onda terrestre y la onda reflejada, lo que significa que viajan distancias diferentes desde el emisor hasta el receptor.

Sea h la distancia AC recorrida por la onda terrestre y la distancia ABC recorrida por la onda reflejada h'. La diferencia de camino es:

h.− − h=D{displaystyle h-h=D}

The wavelength of the transmitted signal is λ. The number of wavelengths difference between the paths h and h ' is:

h− − h.λ λ =Dλ λ =N{displaystyle {frac {fnK}{lambda }={frac {D}{lambda }=N}

Si N es un número entero, entonces se producirá una interferencia constructiva, esto significa que se alcanzará una señal máxima en el extremo receptor. Si N es un número entero impar de medias longitudes de onda, entonces se producirá una interferencia destructiva y se recibirá una señal mínima. Supongamos que estamos recibiendo una señal máxima para una longitud de onda dada λ. Si comenzamos a cambiar λ, este es el proceso llamado modulación de frecuencia, N ya no será un número entero y comenzará a ocurrir interferencia destructiva, es decir, la señal comenzará a desvanecerse. Ahora seguimos cambiando λ hasta que se reciba nuevamente una señal máxima. Esto significa que para nuestro nuevo valor λ', nuestro nuevo valor N' también es un número entero. Si hemos alargado λ entonces sabemos que N' es uno menos que N. Así:

N− − N.=Dλ λ − − Dλ λ .=1{displaystyle N-N'={frac {D}{lambda }-{frac {D}{lambda '}=1}

Reorganizar para D da:

D=h− − h.=11λ λ − − 1λ λ .{displaystyle D=h-h'={frac {1}{frac {1}{lambda }-{frac {1}{lambda ♪♪

Como conocemos λ y λ', podemos calcular D. Usando la aproximación de que ABC es un triángulo isósceles, podemos usar nuestro valor de D para calcular la altura de la capa reflectante. Este método es una versión ligeramente simplificada del método utilizado por Appleton y sus colegas para calcular un primer valor de la altura de la ionosfera en 1924. En su experimento, utilizaron la estación de radiodifusión de la BBC en Bournemouth para variar las longitudes de onda de sus emisiones. una vez finalizados los programas vespertinos. Instalaron una estación receptora en Oxford para monitorear los efectos de las interferencias. La estación receptora tenía que estar en Oxford, ya que en aquellos días no había ningún emisor adecuado a la distancia adecuada de unos 100 kilómetros (62 millas) de Cambridge.

Este método de modulación de frecuencia reveló que el punto desde el cual se reflejaban las ondas estaba aproximadamente a 56 millas (90 km). Sin embargo, no estableció que las ondas se reflejaran desde arriba; de hecho, es posible que vinieran de colinas en algún lugar entre Oxford y Bournemouth. El segundo método, que consistía en encontrar el ángulo de incidencia de las ondas reflejadas en el receptor, demostró con seguridad que procedían de arriba. Las triangulaciones desde este ángulo dieron resultados para la altura de reflexión compatible con el método de modulación de frecuencia. No entraremos en este método en detalle porque implica cálculos bastante complejos utilizando la teoría electromagnética de Maxwell.

Lejos de ser concluyente, el éxito del experimento Oxford-Bournemouth reveló un vasto y nuevo campo de estudio por explorar. Mostró que efectivamente había una capa reflectante muy por encima de la Tierra, pero también planteó muchas preguntas nuevas. ¿Cuál era la constitución de esta capa, cómo reflejaba las ondas, era igual en toda la tierra, por qué sus efectos cambiaban tan dramáticamente entre el día y la noche, cambiaba a lo largo del año? Appleton pasaría el resto de su vida respondiendo estas preguntas. Desarrolló una teoría magnetoiónica basada en el trabajo anterior de Lorentz y Maxwell para modelar el funcionamiento de esta parte de la atmósfera. Utilizando esta teoría y otros experimentos, demostró que la llamada capa de Kennelly-Heaviside estaba fuertemente ionizada y, por tanto, era conductora. Esto llevó al término ionosfera. Demostró que los electrones libres eran los agentes ionizantes. Descubrió que la capa podía ser penetrada por ondas por encima de una determinada frecuencia y que esta frecuencia crítica podía utilizarse para calcular la densidad de electrones en la capa. Sin embargo, estas ondas penetrantes también se reflejarían, pero desde una capa mucho más alta. Esto demostró que la ionosfera tenía una estructura mucho más compleja de lo que se anticipó en un principio. El nivel inferior fue denominado E – Capa, reflejaba longitudes de onda más largas y se encontró que estaba aproximadamente a 78 millas (125 km). El nivel alto, que tenía una densidad electrónica mucho mayor, se denominó Capa F y podía reflejar longitudes de onda mucho más cortas que penetraban en la capa inferior. Está situado a 186 – 248 millas (300 – 400 km) sobre la superficie de la tierra. Es esto lo que a menudo se conoce como la capa Appleton y es responsable de permitir la mayoría de las telecomunicaciones de onda corta de largo alcance.

La teoría magneto-iónica también permitió a Appleton explicar el origen de los misteriosos desvanecimientos que se escuchan en la radio alrededor del atardecer. Durante el día, la luz del Sol hace que las moléculas del aire se ionicen incluso a altitudes bastante bajas. A estas bajas altitudes, la densidad del aire es grande y, por tanto, la densidad electrónica del aire ionizado es muy grande. Debido a esta fuerte ionización, se produce una fuerte absorción de ondas electromagnéticas causadas por la "fricción de electrones". Por lo tanto, en transmisiones a cualquier distancia, no habrá reflejos, ya que cualquier onda aparte de la del nivel del suelo será absorbida en lugar de reflejada. Sin embargo, cuando se pone el sol, las moléculas comienzan lentamente a recombinarse con sus electrones y los niveles de densidad de electrones libres caen. Esto significa que las tasas de absorción disminuyen y las ondas pueden reflejarse con suficiente fuerza como para ser notadas, dando lugar a los fenómenos de interferencia que hemos mencionado. Sin embargo, para que se produzcan estos patrones de interferencia, no debe haber simplemente la presencia de una onda reflejada sino un cambio en la onda reflejada. De lo contrario, las interferencias son constantes y no se escucharían los desvanecimientos. La señal recibida sería simplemente más fuerte o más suave que durante el día. Esto sugiere que la altura a la que se produce la reflexión debe cambiar lentamente a medida que se pone el sol. Appleton descubrió, de hecho, que aumentaba a medida que se ponía el sol y luego disminuía a medida que salía el sol hasta que la onda reflejada era demasiado débil para registrarla. Esta variación es compatible con la teoría de que la ionización se debe a la influencia del Sol. Al atardecer, la intensidad de la radiación del Sol será mucho menor en la superficie de la Tierra que en lo alto de la atmósfera. Esto significa que la recombinación iónica progresará lentamente desde altitudes más bajas a altitudes más altas y, por lo tanto, la altura a la que se reflejan las ondas aumenta lentamente a medida que se pone el sol.

La idea básica detrás del trabajo de Appleton es tan simple que al principio es difícil entender cómo dedicó casi toda su carrera científica a su estudio. Sin embargo, en los últimos párrafos se han introducido algunas de las complejidades del tema. Como muchos otros campos, su complejidad aumenta cuanto más se estudia. Al final de su vida, se habían instalado observatorios ionosféricos en todo el mundo para proporcionar un mapa global de las capas reflectantes. Se encontraron vínculos con el ciclo de manchas solares de 11 años y la aurora boreal, las tormentas magnéticas que ocurren en latitudes altas. Esto cobró especial relevancia durante la Segunda Guerra Mundial, cuando las tormentas provocaron apagones de radio. Gracias a la investigación de Appleton, se pudieron predecir los períodos en los que se producirían estos fenómenos y se pudo cambiar la comunicación a longitudes de onda que se verían menos afectadas. El radar, otra innovación crucial en tiempos de guerra, surgió gracias al trabajo de Appleton. A nivel muy general, su investigación consistió en determinar la distancia entre los objetos reflectantes y los transmisores de señales de radio. Ésta es exactamente la idea del radar y de los puntos parpadeantes que aparecen en la pantalla (un tubo de rayos catódicos) escaneados por el 'buscador' bar. Este sistema fue desarrollado en parte por Appleton como un nuevo método, llamado método del pulso, para realizar mediciones ionosféricas. Posteriormente fue adaptado por Robert Watson-Watt para detectar aviones. Hoy en día, los datos ionosféricos son importantes cuando se consideran las comunicaciones con satélites. Se deben seleccionar las frecuencias correctas para estas señales de modo que realmente lleguen a los satélites sin ser reflejadas o desviadas antes.

En 1974, la Estación de Investigación Espacial y de Radio pasó a llamarse Laboratorio Appleton en honor al hombre que había hecho tanto para establecer al Reino Unido como una fuerza líder en la investigación ionosférica, y que había estado involucrado con la estación primero como investigador y luego como secretario de su organismo matriz, el Departamento de Investigaciones Científicas e Industriales.

Honores y premios

Appleton recibió lo siguiente:

• Fellow of the Royal Society (1927)
• Miembro de la Academia Americana de Artes y Ciencias (1936)
• Premio Nobel de Física (1947)
• Medalla Faraday
• Hughes Medalla
• Royal Medal
• Chree Medal

Además, en su honor se nombran los siguientes:

• Rutherford Laboratorio de Appleton
• Medalla y Premio Appleton
• Appleton Suite en Bradford Register Offices
• Appleton Tower en la Universidad de Edimburgo
• Appleton Science Building en Bradford College
• Appleton Academia, una escuela en la zona de Wyke de la Ciudad de Bradford
• El cráter de Appleton en la Luna es nombrado en su honor.
• Appleton Layer, que es la capa ionizada atmosférica superior sobre la capa E
• Conferencia anual de Appleton en la Institución de Ingeniería y Tecnología

Reconocimiento artístico

El retrato de Appleton, realizado por William Hutchison, cuelga en el Old College de la Universidad de Edimburgo.