Száz évvel ezelőtt, 1925. februárban, illetve decemberben jelent meg egy-egy publikáció az ionoszféra magasságának a méréséről. Az ionoszféra kutatása akkor került a figyelem középpontjába, amikor Guglielmo Marconi 1901-ben létrehozta az első rádiós transzatlanti összeköttetést, amiről nyilvánvaló volt, hogy nem jöhetett létre közvetlen sugárzás útján a Föld gömbölyűsége miatt. Edward Victor Appleton brit csillagász az ionoszféra kutatásáért 1947-ben Nobel-díjat kapott.

Az előzmények

Guglielmo Marconi a szikratávíró továbbfejlesztése során 1902. december 17-én hozta létre az első, kontinensek közötti rádióösszeköttetést. Ekkor a kanadai Új-Skóciában fekvő Glace Bay-ben telepített Marconi-állomásról sikerült az angliai Cornwall Lizard-félszigetén fekvő Poldhuban lévő állomást elérni. Előtte azonban már 1901-ben is sikeres kísérleteket végzett az Új-Fundlandi St. Jones mellett fekvő Signal Hillről és 3500 km-es távolságot hidalt át. Ez a két rádióátviteli kísérlet egyértelművé tette, hogy a rádióhullámok ebben az esetben nem közvetlenül jutottak el a Poldhuban lévő vevőállomásra, hanem valamiről visszaverődve sikerült megteremteni az összeköttetést. Marconi azt is detektálta, hogy az éjszakai és a nappali kísérletek között eléggé markáns eltérések vannak az összeköttetés minőségére vonatkozóan.

Erre a jelenségre egymástól függetlenül, de szinte egyidőben adott valószínű magyarázatot a brit polihisztor, Oliver Heaviside és az amerikai villamosmérnök, Arthur Edwin Kennelly. Mindketten arra a következtetésre jutottak, hogy a felső atmoszférában valamilyen elektromosan töltött rétegnek kell lennie a földgolyó körül, amiről a rádióhullámok visszaverődnek és így jutnak el nagyobb távolságra. Kennelly 1902. március 15-én publikálta a sejtését, Heaviside pedig 1902 decemberében. Ezt a megsejtett visszaverő réteget nevezték el először – William Eccles javaslatára 1910-ben – Heaviside-rétegnek, majd elismerve Kennelly elsőbbségét, 1925 után Kennelly-Heaviside rétegnek.

William Eccles 1912-ben már felvetette, hogy a nappali és éjszakai kísérletek közötti különbséget a napsugárzás okozhatja, de nem jutott tovább a jelenség megértésében.

 

Appleton és Barnett mérései

A magyarázatra egészen 1925-ig várni kellett, amikor is Edward Victor Appleton angol fizikus és csillagász alaposabban kezdett el az atmoszférikus fizikával foglalkozni.

Appleton 1892-ben született és már 18 éves korában ösztöndíjat nyert a St. John’s College-ba a Cambridge-i Egyetemre. Kiváló oktatók keze alatt jutott el 1914-ben a természettudományi diplomájához, tanára volt többek között Sir Joseph John Thomson és Ernest Rutherford is. Az első világháború alatt katonaként szolgált, de utána visszatért Cambridge-be és a rádióhullámokkal kapcsolatos kutatásokba kezdett, majd egy idő után az atmoszférikus fizika irányába fordult, amelynek a tanulmányozásához a rádiótechnikát hívta segítségül.

1924 végén eljutott odáig, hogy doktorandusz tanítványával, Miles Barnettel közösen gyakorlati kísérletekbe kezdjenek. Appleton feltételezése az volt, hogy ha egy 80-100 km távolságból érkező rádiójelet analizál, akkor meglehet állapítani, hogy a közvetlen terjedésű jel és a Kennelly-Heaviside rétegről visszavert jel között mekkora eltolódás van. Ebből pedig meghatározható az ionizált réteg magassága.

Kísérleteihez a BBC-t kereste meg azzal, hogy az adásidő véget érte után a londoni adó adjon ki egyedi jeleket, amiket Cambridge-ben venni tud és elemezni tudja a késleltetéseket. A londoni 2LO jelzetű adót szemelték ki a kísérletekre, azonban Appleton arra jutott, hogy akkor lehetne ideálisan lebonyolítani a mérést, ha az adó és a vevő között mintegy 100 mérföld (~160 km) távolság lenne. A londoni 2LO túl közel volt, de nem találtak olyan BBC adóállomást, ami Cambridge-től nagyjából ekkora távolságra lett volna. Ekkor döntöttek úgy, hogy áthelyezik a méréseket Oxfordba, ahol John Sealy Townsend professzor és Walter Gill helyet tudtak biztosítani a mérési összeállításnak az Electrical Laboratory-ban. A BBC pedig a bornemouth-i adót bocsájtotta rendelkezésükre az adásidő utáni éjjeli időszakban.

Az első kísérletekre még 1924. december 11-én került sor. Az összetett kísérletek eredményéből – ahol a rádióadás hullámhosszát is modulálták a pontosabb mérés érdekében – és az elvégzett számításokból megállapítható volt, hogy mintegy 90 km-es távolságból érkezik vissza a második, tükröződő jel. Azt azonban még igazolni kellett, hogy ezek a tükrözött jelek, amik a fadinget okozták, valóban az ionoszféráról verődnek vissza és nem oldalirányból a környező hegyekről. 1925. február 17-én tehát újabb méréseket végeztek, ami már a tükrözött hullámok irányát is meg tudta mérni. Ebből egyértelmű lett, hogy a visszaverődő hullámok valóban nem oldalról, hanem az égbolt felől érkeznek, ezzel beigazolódott, hogy a Kennelly-Heaviside réteg éjjel mintegy 90 km-es magasságban helyezkedik el.

Edward Appleton és Miles Barnett 1925. október 14-én adta le a méréseket összefoglaló cikket, ami 1925 december elsején jelent meg a Proceedings of the Royal Society of London kiadványban. Az általa használt módszerben folyamatosan változtatta a jel frekvenciáját, hogy pontosan azonosítani lehessen az egyenesen terjedő jel és a visszavert jel közötti időkülönbséget. Ezt a technikát később a folytonos hullámú, frekvenciamodulált radarok (Continuous Wave Frequency Modulated radar; CWFM radar) kifejlesztésekor használták fel, ennek segítségével már távolságot és sebességet egyaránt tudták mérni.

 

Az ionoszféra feltérképezése

Appleton tovább folytatta az ionoszféra kutatását és egy évvel később egy újabb réteget fedezett fel 250-300 km magasságban, ami a rövidhullámú jeleket verte vissza. Ezt a réteget ma már a tiszteletére Appleton-rétegnek hívjuk. Ez a réteg nagy jelentőséggel bír a rövidhullámú rádiózás területén, ezért a felfedezése és szerkezetének a megismerése komoly előrelépést jelentett a nagytávolságú rádióösszeköttetések tudatos használatához. Ekkor még nem létezett az „ionoszféra” fogalma, az elnevezést Robert Watson-Watt a radar későbbi feltalálója javasolta, aki akkor a Meteorological Office és a National Physical Laboratory összevonásával keletkezett Radio Research Station vezetője volt és élénk figyelemmel követte Appleton eredményeit, szoros kapcsolatban volt vele. Az 1930-as évek végén a radartechnika kifeljesztésében is együtt dolgoztak.

Appleton a kutatásai alatt a jelenség kiváltó okait is azonosította és ez segített megérteni a különböző ionoszféra tartományok eltérő viselkedését, illetve a napszakok közötti erőteljes viselkedési különbségeket is. Expedíciót szervezett Észak-Norvégiába is, hogy az ottani ionoszférikus viszonyokat és a sarki fényt tanulmányozza. Eredményeit 1931-ben publikálta, a következő évben, 1932-ben pedig megválasztották az American Institute of Radio Engineers alelnökének.

A vizsgálatok egyértelműsítették, hogy a magasabb légköri tartományokban a semleges atomokat a főként a Napból érkező fotonok, többnyire UV-sugárzás vagy röntgensugárzás útján ionizálja, azaz kiüti az elektronokat az atomokból, így pozitív töltésű ionok és szabad elektronok keletkeznek. Éjszaka is éri sugárzás a Földet a kozmikus sugárzásból eredően, ennek a hatása azonban elenyésző a Nap tevékenységéhez képest. Az így kialakuló ionizált tartomány veri vissza a rádióhullámokat és valóban ez teszi lehetővé a nagytávolságú rádióösszeköttetéseket. Az ionoszféra megléte nem állandó, amikor a Nap lemegy, akkor megindul az ionizált rétegben a rekombináció. Ennek azonban idő kell, így egy ideig még éjszaka is megmarad az ionoszféra aktivitása. Ez egyben magyarázatot is adott a nappali és éjszakai rádiókapcsolatok közötti különbségre.

 

Az ionoszféra ma ismert képe

A mai ismereteink szerint az ionoszféra már több tartományra oszlik, amiknek a magassága is, az intenzitása is változó. Egyértelműen másképp viselkedik a nappali és az éjszakai tartomány, ezért ebben a bontásban szokták meghatározni az alapvető tulajdonságokat.

A nappali égen létezik egy legalsó ionizált tartomány 50-90 km közötti magasságban, amit általában D tartománynak nevezünk. Itt igen sűrű a semleges atomok száma, így a rekombináció is hamar végbemegy. Ennek megfelelően a D tartomány csak nappal létezik, bár a kozmikus sugárzás éjjel is létrehoz egy minimális ionizált réteget. A nappali D tartomány létrehozása az UV sugárzáshoz köthető, ami főként a nitrogén-molekulákra hat. A D tartomány zavarokat okoz a nappali rövidhullámú összeköttetésekben, mert elnyeli a rádióhullámokat. Intenzív napviharok esetén még röntgensugárzás is éri ezt a tartományt, ekkor u.n. „hirtelen ionoszféra-vihar” (Sudden Ionospheric Disturbance; SID) alakulhat ki, ami akár teljesen ellehetetlenheti a rövidhullámú kapcsolatokat.

A következő ionizált tartomány az E-tartomány, ami a 90-120 km-es magasságban alakul ki, ezt ismerjük Kennelly-Heaviside réteg néven is és ennek a magasságát mérte meg – mint látható, helyesen – Appleton. Ezt a réteget a lágy röntgensugarak és az UV-sugárzás hozza létre, főként az oxigénmolekulákra hatva. Az E tartomány a D tartományhoz hasonlóan nappal alakul ki és éjszaka gyengül, de mivel ebben a rétegben mintegy százszorosa a sűrűsége az ionizált elemeknek, mint a D rétegben, így a rekombináció jóval lassúbb. Ennek következtében az E tartomány éjjel is létezik, bár magasabbra tolódik.

Az E tartomány nem csak a Napból kilépő fotonok hatására, hanem a nagy energiájú részecskék hatására is növekedni tud. Ezek magasabb tartományban hozzák létre az elektronokban gazdag réteget, ez az ionizáció néha látható fény formájában is érzékelhető, ezt nevezzük sarki fénynek, ez főként a Föld északi és déli sarka körüli területeken jelenik meg, de különleges körülmények között máshol is megjelenhet.

Az E tartomány harmadik, átmeneti forrását a Föld légkörébe becsapódó meteorok jelentik. Ezek a pici, de nagy sebességű objektumok ebben a magasságban felizzanak és ionizálják a környezetükben lévő semleges gázok molekuláit. A becsapódás nyomvonalában így egy hosszú ionizációs csíkot hoznak létre, amely pár perctől több órán keresztül is megmarad. Az így létrejövő átmeneti réteg igen jól veri vissza a nagyfrekvenciás rádiójeleket, ekkor tehát a szokottnál nagyobb távolságú összeköttetések is létrejöhetnek. Ezt a réteget szporadikus E rétegnek nevezzük.

A következő tartomány az F tartomány, ami 200-350 km magasságban húzódik. Ez a tartomány nappal két jól megkülönböztethető, elkülönülő  sávra, az F1 rétegre és az F2 rétegre bomlik, de éjjel az egész tartomány ionizált. Ez az a réteg, amit Appleton később fedezett fel és a rövidhullámú rádiójelek nagy távolságra történő eljuttatását teszi lehetővé. Nappal a felső, F2 réteg a nagyobb sűrűségű, de mindkét réteg rekombinációs készsége alacsony, így a két réteg egyesülve egész éjjel megmarad.

Az ionoszféra fizikai paramétereinek a pontos mérésére hosszú ideig nem volt lehetőség, mert a meteorológiai ballonok már nem érték el az alsó határát, a mesterséges holdak pedig magasabb pályán tudnak csak keringeni. Ezért ezt a tartományt ignoroszférának is nevezték az angol „ignore”, azaz „mellőz” szó alapján. Csak közvetett méréseket lehetett végezni, illetve rakétakísérletek során a rétegen való áthaladás közben pillanatnyi méréseket végrehajtani.

1962-ben aztán megszületett a kanadai Alouette 1 műhold, melyet kimondottan az ionoszféra tanulmányozására építettek meg és állítottak pályára. Természetesen ez a műhold is jóval az ionoszféra felett keringett, azonban műszerei segítségével vizsgálni tudta az ionoszférát. Ezt követte az Alouette 2 1965-ben, ami már egyben az International Satellites for Ionospheric Studies (ISIS) műholdsorozat első tagja volt. Utána még az 1969-ben és 1971-ben felbocsátott ISIS1 és az ISIS2 műhold, majd a szintén az ionoszféra kutatására szakosodott AEROS-A és AEROS-B műhold következett 1972-ben és 1975-ben.

 

100 év után aktuálisabb, mint valaha

Természetesen Edward Appletonnak nem álltak rendelkezésére ilyen fejlett eszközök, de mégis sikerült az ionoszféra alapvető tulajdonságait és az elektronsűrűség mérésével az ionoszféra felépítését meghatároznia. Tevékenységéért 1947-ben kapta meg a fizikai Nobel-díjat az indoklás szerint „a felső légkör tulajdonságaival kapcsolatos munkásságáért, különösképpen a róla elnevezett ionoszféra-réteg felfedezéséért”.

A száz éve megejtett ionoszféra magasságmérés és az utána megindult magaslégköri kutatások eredményeire most van igazán szükség, amikor már megjelent az űrmeteorológia, aminek az eredményei szó szerint is létkérdést jelentenek egy-egy emberekkel végrehajtott űrutazás megkezdése előtt. Ezeknek a kutatásoknak azonban máshol is jelentősége van. Ez a légkör véd meg minket a Nap – sokszor váratlan – plazmakitöréseitől, így ezek várható hatásának a felmérése miatt is fontosak ezek az eredmények. Ma már alig tudunk létezni a műholdas navigációs rendszerek és más kényelmi szolgáltatások nélkül, amiket viszont éppen a magaslégköri hatások tudnak egy pillanat alatt blokkolni vagy szélsőséges esetben megsemmisíteni. Emellett persze nem szabad megfelejtkezni a nagytávolságú rádiós összeköttetésekről sem, amik az elmúlt 100 évben sok esetben életeket mentettek meg a rádióamatőrök áldásos hobbijának vagy éppen munkájának a segítségével. Sokat köszönhetünk tehát Edward Appletonnak és társainak, hogy már akkor komolyan vizsgálták az ionoszféra szerkezetét.

 

dr. Bartolits István