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.
|
|