Udforskningen af himlens struktur III.

I 1888 kunne den tyske fysiker Heinrich Rudolf Hertz bekræfte og udvide Maxwells teorier. Ved at lade forskellige slags elektriske ladninger strømme igennem sit laboratorium opdagede Hertz bølger med en længde på en million gange længden ved det synlige lys. Det ikke alene opfyldte Maxwells forudsigelse af et bredt elektromagnetisk spektrum, men blev banebrydende for et kolossalt teknologisk fremskridt. Ikke længe efter fandt italieneren Guglielmo Marconi frem til en metode til udnyttelse af Hertz' bølger til trådløs kommunikation: radiobølgerne.

Opdagelsen af det elektromagnetiske spektrum fik vidtrækkende betydning for studiet af atmosfæren. Forskerne havde fået en samlet teori, som kunne forklare al den elektromagnetiske energi, der ankom til Jordens omgivelser, lige fra gammabølger med bølgelængder, der er kortere end en hundredmilliontedel mm over lysbølger med bølgelængder på milliontedele af en centimeter til radiobølger med bølgelængder på over 8 km. Udstyret med denne viden var forskerne nu i stand til at måle hele den energi, der nåede Jorden fra Solen, og finde ud af, hvad der skete med den, og hvordan den indvirkede på atmosfæren.

Et af resultaterne af deres undersøgelser var en forklaring fremsat i 1930rne på temperaturinversionen oven over tropopausen. Man havde tidligere beregnet, at stort set 50% af al soludstrålingen når Jorden, hvor den opsuges og tilbagestråles til den lavereliggende del af atmosfæren i form af varme. I 1930 fremførte den britiske geofysiker Sydney Chapman, at en stor del af den ultraviolette stråling fra Solen optages i stratosfæren, som opvarmes betydeligt ved denne proces. Mellem disse to varmeabsorberende lag ligger tropopausen. Dennes højde afhænger af mængden af den solenergi, der ankommer og stråles tilbage fra Jorden. Tropopausens højde andrager 1618 km ved ækvator, hvor Jorden udstråler store varmemængder. I de tempererede egne er højden omkring 11 km og ved polerne 79 km. Da troposfærens temperatur falder med højden og med næsten samme takt uanset breddegraden, fører højdeforskellen til den paradoksale virkning, at tropopausen faktisk er koldere ved ækvator end ved polerne, fordi den er fjernere fra jordoverfladen.

Mens Teisserenc de Bort formodede, at stratosfæren strakte sig uendeligt ud i rummet, og at dens temperatur i realiteten var konstant, fremkom der snart vidnesbyrd om, at den faktisk udgør et forholdsvis tyndt lag, over hvilket temperaturen skifter igen. Efter 1. verdenskrig blev Oxfordfysikeren Frederick Alexander Lindemann, Winston Churchills senere videnskabelige hovedrådgiver, og meteorologen G.M.B. Dobson meget optaget af meteorer, flygtige interplanetariske legemer eller partikler, der kan vise sig hen over nattehimlen. Ved at anvende de termodynamiske love på meteorsporene håbede de på at kunne bestemme atmosfærens temperatur langt over ballonernes grænse ved de ca. 25 km.

Når en meteor, som består af fast materiale, fortrinsvis sten eller jern, trænger ind i atmosfæren med en fart på over 150.000 km i timen, fordamper den på grund af gnidningsvarmen. Vandmolekyler rammer de vidt spredte luftmolekyler med en sådan kraft, at de forskellige gasser, luften består af, lyser op, nærmest som når neon gløder, når den aktiveres af en elektrisk strøm, og aftegner en lysstribe tværs over himlen. Lindemann og Dobson var klar over, at højden, længden og klarheden af meteorhalen påvirkes af luftens massefylde og udarbejdede derfor matematiske formler til beregning af tætheden og ud fra denne temperaturen i den luft, meteoren passerer igennem. Så anvendte de formlen på en række amatørastronomers samlede observationer, hvor man med det blotte øje havde bedømt klarheden, længden og højden af hundreder af meteorhaler.

Selv om denne fremgangsmåde både var subjektiv og kompliceret, førte den i 1922 til det overraskende resultat, at lufttemperaturen ca. 50 km over jordoverfladen syntes at ligge omkring 20 grader C. Tidligere forskere, der gik ud fra, at temperaturen faldt støt op til tropopausen og holdt sig konstant i stratosfæren, havde beregnet, at ved 50 kilometers højde ville temperaturen ligge på under + 15° C. Hvis Lindemann og Dobson havde ret, blev stratosfæren opvarmet af ukendte og betydningsfulde kræfter.

Deres opdagelse blev mødt med en hel del skepsis, da den blev publiceret i Royal Societys Proceedings, men der var en britisk videnskabsmand, F.J.W. Whipple,der straks indså, at den måske rummede forklaringen på et mærkeligt lydfænomen, som man havde observeret under 1. verdenskrig, hvor tordenen fra tungt skyts undertiden kunne høres hundreder af kilometer borte fra fronten, samtidig med at lyden sprang over en mellemliggende »stilhedszone«.

Ved hjælp af reportager i diverse magasiner og tidsskrifter opbyggede Whipple et kortarkiv over hørligheden af større eksplosioner såsom affyringer af kanoner ved flåderevyer, detonationer specielt med henblik på udforskning af atmosfæren og forskellige andre mere tilfældige eksplosioner. De fleste af kortene angav to tydelige lydzoner adskilt af et område, hvor der ikke hørtes noget som helst. Han konstaterede, at lyde fra den ydre zone tav mellem 1 og 2 minutter efter eksplosionen, og at de ikke kunne have vandret den lige vej, eftersom der ikke hørtes noget i den mellemliggende zone. Whipple kom til det resultat, at lydbølgerne må have bevæget sig opefter fra deres udgangspunkt op over stilhedszonen og tilbage til Jorden i den ydre zone. Han var overbevist om, at det hang sammen med den temperaturforandring, som Lindemann og Dobson havde beskrevet.

En nøjagtig fastlæggelse af lydbølgers baner kræver imidlertid en registrering af det præcise eksplosionstidspunkt og omhyggelige observationer. I slutningen af 1920rne fik Whipple sådanne data gennem et samarbejde med artilleriofficerer ved Det Kongelige Arsenal i Woolwich, hvor man gennemførte rutinemæssige afprøvninger af svært artilleri, og BBC. Ved bestemte, udvalgte affyringer afsendte den vagthavende officer et signal via BBC, når han udløste en sprængning. Seks stationer anbragt i en halvcirkel 170270 km fra Woolwich udstyredes med specielt apparatur til opfangning af signalet fra BBC og af lydbølgerne, som blev kastet tilbage fra stratosfæren. Forsøget bekræftede Whipples antagelse. Selv om lydbølger fra 15 og 16 tommers skibskanoner ikke kunne høres af mennesker over store afstande, registreredes de tydeligt af hans følsomme mikrofoner. Selv affyringer af 8 tommers kanoner fra lette krydsere lod sig opfange. Whipple kunne nu beregne, at lydbølgerne nåede op i højder fra 40 til 60 km, hvilket stort set stemte overens med højden af Lindemanns og Dobsons varmelag, før de bøjede tilbage mod Jorden.

Whipple vidste, at lydbølger vandrer hurtigere i varm luft end i kold, og at en lyds bølgefront på vejen væk fra sit oprindelsessted ofte støder på forskellige temperaturer, når den stiger opefter. Den højere liggende luft er som regel koldere og sagtner den forreste kant af en bølgefront, så hele lydbilledet bøjes opefter. Men når en bølgefront konfronteres med den varmere luft i 50 kilometers højde, antog han, at den forreste kant distancerede den langsommere, så lydbølgen gradvis blev bøjet tilbage mod Jorden. Stilhedszonen findes mellem det punkt, hvor alle lydbølgerne blev brudt i opadgående retning bort fra jordoverfladen, og punktet, hvor de første bølger vender tilbage fra stratosfæren.

Man kendte lydbølgernes opførsel, før der var nogen, der vidste, hvad der fremkaldte det varme lag i den øvre stratosfære. Løsningen af mysteriet fulgte i 1930rne. Forskerne satte varmen i forbindelse med ozon, som er en form for ilt. Ozon dannes, når kortbølget, ultraviolet stråling spalter almindelig ilt med to atomer. De kemisk aktive enkeltatomer bindes til almindelige iltmolekyler og danner ozonmolekyler med tre atomer. Gennem denne proces opstår der en usædvanlig høj koncentration af ozon i et lag, som fuldstændigt omslutter Jorden i en højde af mellem 10 og 50 km. Luftarten er eksplosiv og meget giftig i store koncentrationer, men udgør ikke nogen trussel over for mennesker. Der findes ingen ozon i troposfæren, fordi den nedbrydes, når den rammer faste legemer som f.eks. Jordens overflade. Koncentrationen er størst ved højder på mellem 20 og 30 km, men selv der udgør ozon kun 0,00001% af atmosfæren, men netop tilstrækkeligt til at danne et lag på 2,5 mm ved normal havoverfladetryk og temperatur.