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电子学的发展不仅创造了一系列改变人们的生活方式的发明,更对科学研究起了重大的推动作用。20世纪的一些列自然科学的大发现,都离不开电子仪器的帮助。电离层的发现,就是其中的一个例子。
讲这个故事,还得让我们回到1901年的那个冬天,年轻的伽利尔摩·马可尼(Guglielmo Marconi)刚刚27岁,他急切的需要一次宣传自己发明的无线电报的机会。经过几年的实验,他觉得时机已经成熟,1900年10月,马可尼在英国康沃尔的普尔杜建立当时世界最大的10千瓦火花式电报发射机,架起了巨大的天线。1901年的12月12日,马可尼来到了加拿大的纽芬兰岛,通过风筝竖起了400英尺长的天线,收到了从英国发来的莫尔斯电码“S”,这在当时引起了巨大轰动。
随之而来的,便是质疑的声音,因为地球表面存在曲率,从英国的康沃尔到加拿大的纽芬兰,横跨大西洋,距离达到3600公里,无线电波是难以直接传播的。但是事实又摆在人们面前,马可尼确实收到了信号,于是有人猜测,地球大气层可能会有反射无线电波的能力,因此马可尼才收到了3600公里外的信号。
1902年,英国物理学家亥维赛通过麦克斯韦方程和数学方法,预测了在地球大气中,存在一个特殊的层面。这个层面空气分子受太阳光中的紫外线和X射线影响而发生电离,从而可能对无线电波产生反射。但在当时,对电磁理论的研究才刚刚起步,这个理论缺乏实验的证实。
直到1924年,在M.A.T.巴内特的协助下,英国物理学家阿普尔顿通过相距112千米的发射机和接收机,利用发射机的慢调频产生一系列变化频率的信号,通过接收到的回波直接测量地球上空反射电离层的高度,从而在1924年证实了英国A.E.肯涅利和O.亥维赛1902年假设的电离层(E电离层,高110~120千米)的存在。1925年他和巴尼特又注意到带电粒子和地磁场对无线电波传播过程的重要作用。1926年他又发现F电离层,称阿普尔顿电离层。
阿普尔顿是电离层研究的先驱,他的另一项开创性的工作是建立磁离子理论,并得出了电离层对无线电波的复折射指数公式。这一公式后被称为阿普尔顿-哈特里公式。这个公式正确地预言了电磁波在具有外磁场的电离气体中传播时的行为,这些研究对短波通信和雷达技术等实际应用都起了十分重要的作用。1947年,由于他在高层大气方面的研究,特别是电离层F层的发现,获得了当年的诺贝尔物理学奖。