Sir Edward Victor Appleton GBE KCB FRS [1] (6 de septiembre de 1892 - 21 de abril de 1965) fue un físico inglés , [2] [3] ganador del Premio Nobel (1947) y pionero en radiofísica . Fue galardonado con el Premio Nobel de Física "por sus investigaciones sobre la física de la atmósfera superior, especialmente por el descubrimiento de la llamada capa de Appleton". [4] Estudió y también trabajó como técnico de laboratorio en el 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 llevados a cabo en 1924.
Appleton nació en Bradford , West Riding of Yorkshire , hijo de Peter Appleton, un almacenista, y Mary Wilcock, y fue educado en la Hanson Grammar School . [5]
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 Isaac Newton University Lodge . [6] En 1915 se casó con su primera esposa, Jessie Appleton (anteriormente Longson), con quien tuvo dos hijos. Tres años después de su muerte, se casó con Helen Lennie (m. 1965).
Durante la Primera Guerra Mundial se unió al West Riding Regiment , y más tarde fue transferido a los Royal Engineers . Después de regresar del servicio activo en la Primera Guerra Mundial, Appleton se convirtió en demostrador asistente en física experimental en el Laboratorio Cavendish en 1920. En 1922 fue iniciado en la masonería . [7] 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 Investigación Científica e Industrial . Nombrado caballero en 1941, recibió el Premio Nobel de Física de 1947 por sus contribuciones al conocimiento de la ionosfera , [8] lo que condujo al desarrollo del radar .
Desde 1949 hasta su muerte en 1965, Appleton fue rector y vicerrector de la Universidad de Edimburgo . [9] Desde 1960 participó en los planes de la Universidad para un Área de Desarrollo Integral (CDA) que habría demolido 125 acres del histórico lado sur de Edimburgo, lo que habría provocado la pérdida de muchas casas y negocios. Este proyecto dirigido por la Universidad arruinó el área durante una década antes de ser abandonado a mediados de la década de 1970. Un estudio reciente describe a Appleton como un megalómano en su deseo de llevar a cabo estos planes. [10]
En 1956, la BBC lo invitó a pronunciar las conferencias anuales Reith . A lo largo de una serie de seis emisiones de radio, tituladas Science and the Nation , 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 [11] con su esposa Helen Lennie (fallecida en 1983). La tumba se encuentra en el extremo occidental, cerca de las nuevas viviendas al noroeste.
Appleton había observado que la intensidad de la señal de radio de un transmisor en una frecuencia como la banda de onda media y a lo largo de una trayectoria de cien millas aproximadamente era constante durante el día, pero que variaba durante la noche. Esto lo llevó a creer que era posible que se estuvieran recibiendo dos señales de radio. Una viajaba por el suelo y otra se reflejaba en una capa de la atmósfera superior. El desvanecimiento o la variación en la intensidad de la señal de radio general recibida era resultado del patrón de interferencia de las dos señales. [ cita requerida ]
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 un estrato reflectante electromagnético de este tipo, ahora llamado capa Kennelly-Heaviside , podría explicar el éxito de Marconi en la transmisión de 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 "salieran disparadas" al espacio vacío antes de llegar al receptor. [ cita requerida ]
Appleton pensó que el mejor lugar para buscar evidencia de la ionosfera era en las variaciones que creía que estaba causando 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 más para demostrar que la segunda onda que causaba la interferencia (la primera era la onda terrestre) provenía de la ionosfera. El experimento que diseñó tenía dos métodos para demostrar la influencia ionosférica y ambos permitían determinar la altura del límite inferior de reflexión (es decir, el límite inferior de la capa reflectante). El primer método se llamaba modulación de frecuencia y el segundo consistía en calcular el ángulo de llegada de la señal reflejada a la antena receptora. [ cita requerida ]
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 recorren diferentes distancias desde el transmisor hasta el receptor.
Sea h la distancia recorrida por la onda terrestre AC y h' la distancia recorrida por la onda reflejada ABC. La diferencia de trayectorias es:
La longitud de onda de la señal transmitida es λ. La diferencia de longitudes de onda entre las trayectorias h y h' es:
Si N es un número entero, se producirá una interferencia constructiva, es decir, se alcanzará una señal máxima en el extremo receptor. Si N es un número entero impar de medias longitudes de onda, se producirá una interferencia destructiva y se recibirá una señal mínima. Supongamos que recibimos una señal máxima para una longitud de onda dada λ. Si empezamos a cambiar λ, este es el proceso llamado modulación de frecuencia, N ya no será un número entero y comenzarán a producirse interferencias destructivas, es decir, la señal comenzará a desvanecerse. Ahora seguimos cambiando λ hasta que se reciba de nuevo 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. Por lo tanto:
Reorganizando para D obtenemos:
Como conocemos λ y λ', podemos calcular D. Utilizando la aproximación de que ABC es un triángulo isósceles, podemos utilizar 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 para la altura de la ionosfera en 1924. En su experimento, utilizaron la estación de transmisión de la BBC en Bournemouth para variar las longitudes de onda de sus emisiones después de que terminaran los programas de la tarde. Instalaron una estación receptora en Oxford para monitorear los efectos de interferencia. La estación receptora tenía que estar en Oxford ya que no había un emisor adecuado a la distancia correcta de aproximadamente 62 millas (100 km) de Cambridge en esos días.
Este método de modulación de frecuencia reveló que el punto desde el cual se reflejaban las ondas se encontraba aproximadamente a 56 millas (90 km). Sin embargo, no estableció que las ondas se reflejaran desde arriba; de hecho, es posible que provengan de colinas en algún lugar entre Oxford y Bournemouth. El segundo método, que implicaba encontrar el ángulo de incidencia de las ondas reflejadas en el receptor, demostró con certeza que provenían de arriba. Las triangulaciones a partir de este ángulo dieron resultados para la altura de reflexión compatibles con el método de modulación de frecuencia. No entraremos en este método en detalle porque implica cálculos bastante complejos que utilizan la teoría electromagnética de Maxwell.
El éxito del experimento de Oxford-Bournemouth no fue concluyente, pero abrió un vasto campo de estudio por explorar. Demostró que efectivamente había una capa reflectante en lo alto de la Tierra, pero también planteó muchas preguntas nuevas: ¿cómo estaba constituida esta capa?, ¿cómo reflejaba las ondas?, ¿era la misma en toda la Tierra?, ¿por qué sus efectos cambiaban tan drásticamente entre el día y la noche?, ¿cambiaba a lo largo del año? Appleton pasaría el resto de su vida respondiendo a estas preguntas. Desarrolló una teoría magneto-iónica basada en el trabajo previo 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 Kennelly-Heaviside estaba fuertemente ionizada y, por lo tanto, era conductora, lo que dio origen 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 de vuelta, pero desde una capa mucho más alta. Esto demostró que la ionosfera tenía una estructura mucho más compleja de lo que se había previsto en un principio. El nivel inferior se denominó capa E, reflejó longitudes de onda más largas y se encontró que estaba aproximadamente a 78 millas (125 km). El nivel superior, 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 situada a 186-248 millas (300-400 km) sobre la superficie de la Tierra. Es a esta capa a la que a menudo se hace referencia como la capa Appleton, ya que es responsable de permitir la mayoría de las telecomunicaciones de onda corta de largo alcance. [12]
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 relativamente bajas. A estas bajas altitudes, la densidad del aire es grande y, por lo tanto, la densidad electrónica del aire ionizado es muy grande. Debido a esta fuerte ionización, hay una fuerte absorción de ondas electromagnéticas causada por la "fricción de electrones". Por lo tanto, en transmisiones a cualquier distancia, no habrá reflexiones ya que cualquier onda que no sea la del nivel del suelo será absorbida en lugar de reflejarse. Sin embargo, cuando el sol se pone, 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 intensidad para ser percibidas, lo que lleva a los fenómenos de interferencia que hemos mencionado. Sin embargo, para que ocurran estos patrones de interferencia, no debe haber simplemente la presencia de una onda reflejada, sino un cambio en la onda reflejada. De lo contrario, la interferencia es constante y los desvanecimientos no se escucharían. 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 otras más altas y, por lo tanto, la altura a la que se reflejan las ondas aumenta lentamente a medida que se pone el sol. [ cita requerida ]
La idea básica detrás del trabajo de Appleton es tan simple que es difícil entender al principio cómo dedicó casi toda su carrera científica a su estudio. Sin embargo, en los últimos párrafos se han presentado algunas de las complejidades del tema. Como muchos otros campos, es uno que se vuelve más complejo cuanto más se estudia. Al final de su vida, se habían establecido 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 se volvió particularmente relevante durante la Segunda Guerra Mundial, cuando las tormentas provocarían apagones de radio. Gracias a la investigación de Appleton, se pudieron predecir los períodos en que esto ocurriría y se pudo cambiar la comunicación a longitudes de onda que se verían menos afectadas. El radar , otra innovación crucial en tiempos de guerra, fue una de las que surgió gracias al trabajo de Appleton. En un nivel muy general, su investigación consistió en determinar la distancia de los objetos reflectantes a 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 la barra "buscadora" circulante. Este sistema fue desarrollado en parte por Appleton como un nuevo método, llamado método de 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. [ cita requerida ]
En 1974, la Estación de Investigación Espacial y Radioeléctrica pasó a llamarse Laboratorio Appleton en honor al hombre que tanto había hecho 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 Investigación Científica e Industrial. [ cita requerida ]
Appleton recibió los siguientes premios:
Además se nombran en su honor:
El retrato de Appleton, realizado por William Hutchison, cuelga en el Old College de la Universidad de Edimburgo .
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