Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 29 (vyšlo 24. srpna, ročník 16 (2018)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Proč Città di Milano neslyšela

František Janda, Dana a Rudolf Mentzlovi

V jarních a letních měsících 2018 si připomínáme devadesáté výročí ztroskotání vzducholodi Italia poblíž severního pólu a nedobrovolný pobyt trosečníků na ledové kře. V tomto článku úspěšně vyvrátíme hypotézu, že záchrana trosečníků neměla nic společného s jevy v blízkém vesmíru. Zapátráme v historických datech a pokusíme se rekonstruovat tehdejší sled událostí. Nejprve několik vět o vlastní výpravě.

Výprava měla být následníkem úspěšného letu vzducholodi Norge, která dosáhla severního pólu v roce 1926. Konstruktérem obou vzducholodí byl generál Nobile. Tentokrát si však kladl vyšší cíle, výprava měla i vědeckou náplň. Na palubu přizval také českého vědce, oblíbeného žáka Marie Curie, Františka Běhounka. Ten měl svými přístroji měřit ionizaci vzduchu, ze které by se dalo usuzovat na přítomnost radioaktivního záření.

Dobová pohlednice

Dobová pohlednice s generálem Umbertem Nobilem a jeho vzducholodí.
Zdroj: Aukční síň Catawiki.

Ionosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 106 cm−3.

Odraz od ionosféry – v případě, že má elektromagnetické vlnění vyšší frekvenci než plazmovou, ionosférou prochází. Pokud je jeho frekvence nižší, elektromagnetická vlna rozkmitá ionosférické elektrony a kmitající elektrony vytvoří novou vlnu, která může postupovat i směrem k zemi. Výsledkem je tzv. úplný odraz (totální reflexe) na elektronové vrstvě. Podmínky pro úplný odraz konkrétní vlnové délky závisejí na úhlu dopadu a hodnotě plazmové frekvence, která roste s koncentrací elektronů a určuje index lomu prostředí.

MUF – Maximal Usable Frequency, nejvyšší použitelný kmitočet. Při rádiovém spojení na větší vzdálenost vstupuje do hry odraz signálu od ionosféry. Zatímco se nižší kmitočty odrážejí zpět k Zemi, kmitočty vyšší než MUF ionosférou unikají.

Plazmová frekvence – charakteristická frekvence oscilací a vln v plazmatu, která souvisí s pohyby nabitých částic. Plazmová frekvence závisí na koncentraci částic, je dána vztahem (nQ2/0)1/2. Rozlišujeme plazmovou frekvenci elektronů (je důležitá při šíření elektromagnetických vln) a iontů či protonů (je důležitá při šíření zvukových vln). Elektromagnetické vlny procházejí plazmatem (například ionosférou) jen tehdy, pokud je jejich frekvence vyšší než plazmová frekvence elektronů.

Průběh tragédie

Dne 15. 5. 1928, ve dvě hodiny ráno, se vzducholoď, kotvící v italském Miláně, odlepila od země a již před třetí odpoledne kroužila nad Brnem. Nejbližší dny pak připomínají Cimrmanovo dobývání severního pólu. Kolem páté slavnostně překračují padesátou rovnoběžku, následuje bloudění v mlze, prohlídka nočního Brna z ptačí perspektivy, opětovné překročení padesáté rovnoběžky a zorientování se nad Katowicemi. Další let se obešel bez většího dobrodružství, a tak o několik dní později přistáli na Špicberkách, odkud měli provádět průzkumné polární lety. Výprava k pólu začala brzy ráno 23. května. Pro nepřízeň počasí však vzducholoď nad pólem pouze přeletěla a při cestě zpět přetížena námrazou a v silném protivětru havarovala. Gondola s devíti členy posádky (včetně Františka Běhounka) se utrhla, odlehčený zbytek odletěl a navždy zmizel i se zbylými šesti členy. Náraz na led nepřežil strojník Vincenzo Pomella. Švédský meteorolog a fyzik Finn Malmgren zemřel později na vyčerpání při pokusu dojít do bezpečí pěšky. Zbylých osm trosečníků zachránil 12. 7. 1928 sovětský ledoborec Krasin.

Bloudění nad Moravou

Přelet vzdcholodi nad Moravou zkomplikovala mlha.

Polární kraje jsou velice nebezpečné doposud a dá se mluvit o obrovském štěstí, že si tragédie nevyžádala více obětí. Dnes by patrně nebylo o čem vyprávět, kdyby vzducholoď Italia nevezla na palubě, jako jedna z prvních vzducholodí, žhavou technickou novinku – vysílačku. Vysílačky byly v gondole dvě. Hlavní vysílač typu Marconi RA 8 pracoval na vlnách 600 až 900 metrů, s možností přepínat i na krátké vlny. Jedním z úkolů radisty bylo zkoumat šíření krátkých vln a vlivy, kterým podléhají za polárního dne. Tato vysílačka byla napájena dynamem, za letu poháněným vlastní vrtulí. I kdyby pád vzducholodi přežila, pro svůj velký příkon by nemohla být trosečníky využita.

Naštěstí se ve vzducholodi nacházela ještě záložní vysílačka Ondina (česky vlnka), která trosečníkům nakonec spojení zprostředkovala na vlnové délce 32 až 33 metrů. O tom, jak se dostala na palubu, nejsou jednoznačné informace. Údajně ji měl velitel výpravy generál Nobile vyškrtnout ze seznamu, aby vzducholoď zbytečně nezatěžovala, ale radista Guiseppe Biagi si ji vymohl s tím, že ji namontuje místo své sedačky. Historici zabývající se výpravou to však komentují jako nepodloženou pověst. Naproti tomu, odvěký nepřítel historie, pamětník – respektive vnuk pamětníka – Giuseppe Biagi ml. vzpomínající na dědečkovo vyprávění, říká, že to tak bylo.

Ondina Burndept

Vlevo vnitřek věrné repliky vysílačky Ondina. Vpravo vnuk radisty Biagiho
při návštěvě Technického muzea v Praze, v pozadí přijímač Burndept.

Kromě vysílačky Ondina nalezli trosečníci také přijímač Burndept, s jehož pomocí slyšeli volání z lodi Città di Milano kotvící v zátoce Kingsbay na Špicberkách, vzdálené asi 300 km. Bez větších problémů také přijali časový signál z Paříže a vysílání ze stanice San Paolo u Říma. Jejich vlastní vysílání však nezachytil nikdo, ačkoli postavili anténní stožár. Po důkladné prohlídce vysílačky vyšlo najevo, že má poničený kondenzátor. Bylo to naštěstí v době, kdy byla elektronika v plenkách a bylo možné opravit i základní součástku. V sovětsko-italském filmu Červený stan přibližujícím katastrofu považoval scénárista kondenzátor za málo dramatickou součástku a nechal trosečníky opravovat rezistor. Volání vysílačky Ondina se podařilo zachytit až 3. června ruskému radioamatérovi Nikolaji Reingoldovičovi Šmidtovi ve 2 400 kilometrů vzdálené obci Vochma. Obec Vochma většinou nebyla zakreslena v mapách, proto se uvádělo, že je blízko Archangelska, ale ve skutečnosti se nachází v Kostromské oblasti, 670 kilometrů severovýchodně od Moskvy.

Místa vysílání

Poloha trosečníků a vysílacích stanic Vochma, San Paolo a Kings Bay.
Zdroj: Mapy.cz.

Naskýtá se otázka, jak je možné, že signál přijal radioamatér v bezmála dva a půl tisíce kilometrů vzdálené oblasti se spíš žádným, než zaostalým technickým zázemím a profesionálové s moderní technikou na desítky kilometrů vzdálené lodi Città di Milano nic nezaznamenali. Důvody jsou hned dva. První je organizační. Radisté na Città di Milano, ale i jejich kolegové v San Paolu byli profesionálové zahlcení jinou každodenní prací a pracovali pouze do výše svého platu, který se zachraňováním nějakých trosečníků nepočítal. Druhým důvodem se dostáváme k fyzikální části záhady.

Sám objevitel rádiových vln Heinrich Hertz soudil, že rádiové vlny nebudou mít velký praktický užitek, protože k jejich přenosu by bylo třeba instalovat obrovská zrcadla. Přesto se přenos rádiovými vlnami brzy prosadil a ukázalo se, že se dají přijímat i v místech, kam by se neměly dostat ani ohybem. V době výpravy vzducholodi Italia si lidé tento jev ještě nedokázali vysvětlit, nicméně ho čile využívali. Rádiové vlny bylo možné poslouchat i na opačné polokouli, ačkoli by neměly být schopny dostatečně rychle sledovat zakřivení zemského povrchu. Dnes již víme, proč je to možné. Rádiové vlny unikající do vesmíru narážejí v atmosférickémAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru. obalu ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičićovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. na vrstvy ionizovaných plynů, tzv ionosféruIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 106 cm−3.. Dopadne-li vlna pod vhodným úhlem, vrací se zpět k povrchu, do míst vzdálených stovky až tisíce kilometrů. Zde se může opět odrazit a po dalším odrazu v ionosféřeIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 106 cm−3. se dostat o dalších pár set kilometrů dál. Po několika takových skocích může vlna obletět celou Zemi, dokonce i několikrát.

Vlastnosti ionosféryIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 106 cm−3. se mění v závislosti na působení SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.. Jiné jsou ve dne, jiné v noci a mění se také podle sluneční aktivity. V době výpravy právě vrcholil 16. jedenáctiletý cyklusSluneční cyklus – přibližně jedenáctiletý základní cyklus v životě Slunce. Během něho se periodicky mění počet slunečních skvrn i samotný sluneční výkon. Poprvé o něm pro nás napsal Heinrich Schwabe v roce 1843, i když objeven byl už v 70. letech 18. století Christianem Horrebowem, jehož práce ale bohužel zapadla. Švýcarský astronom Rudolf Wolf (1816–1893) dopočetl sluneční aktivitu zpětně až do poloviny 17. století a cyklus z let 1755 až 1766 označil jako první. V roce 2010 Slunce podle tohoto značení zahájilo 24. cyklus činnosti.. V porovnání s ostatními maximy sluneční aktivity bylo toto sice spíše menší, ale bylo tu a určitě přispělo k úspěšnému rádiovému spojení. Během slunečního maxima jsou totiž nejlepší podmínky pro vysílání a příjem, což dobře vědí radioamatéři, kterým se daří i spojení do vzdálených zemí. V době slunečního minima jsou dálková spojení vzácnější.

Překročením polárního kruhu se výprava ocitla v místech, kde během polárního léta Slunce ani v noci nezapadá. To se samozřejmě projevuje i na radiové komunikaci. IonosféraIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 106 cm−3. není tvořena jen jednou vrstvou iontů. V noci se dělí jen na dvě vrstvy E a F, ve dne se vrstva F dále rozdělí na vrstvy F1 a F2 a pod vrstvou E se vytváří vrstva D. Rádiové vlny míří pod určitým úhlem nahoru a podle svého kmitočtu se začnou vracet k Zemi buď už ve vrstvě E, nebo až ve vyšších vrstvách ionosféryIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 106 cm−3.. Na výšce vrstvy, ve které dochází k odrazu, závisí délka „skoku“ rádiové vlny. Vysílání je slyšet až v určité vzdálenosti, když se vlny po ohybu vracejí zpět na Zem. Bližší stanice signál neslyší. Odsud tedy pramení odpověď na otázku, proč loď Città di Milano kotvící v nedaleké Kingsbay, nic neslyšela. Byla příliš blízko. Sám radista Giussepe Biagi mluvil o rádiovém stínu. Vysílač na lodi byl silný, trosečníci jejich vysílání slyšeli, obousměrné spojení se však zdařilo teprve, až když na Città di Milano věděli, nač se mají zaměřit. Vysílač v San Paolu byl na tom lépe, odrazem o ionosféruIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 106 cm−3. mohl vysílání zachytit, ale pouze v noci, kdy jsou pro odraz lepší podmínky. Bohužel přísná pravidla provozu stanice nedovolovala naslouchat jen naprázdno.

Rozdělení vrstev

Ionosféra se dělí do více vrstev. Některé vrstvy se v noci spojují.

Důležitým pojmem při zkoumání šíření rádiových vln je maximální použitelný kmitočet, označovaný zkratkou MUFMUF – Maximal Usable Frequency, nejvyšší použitelný kmitočet. Při rádiovém spojení na větší vzdálenost vstupuje do hry odraz signálu od ionosféry. Zatímco se nižší kmitočty odrážejí zpět k Zemi, kmitočty vyšší než MUF ionosférou unikají. (Maximal Usable Frequency). U dlouhých vln dochází k odrazu poměrně snadno, kratší vlny se nasměrují k zemi až ve vyšších vrstvách ionosféry a vlny ještě kratší unikají stále výš a nejsou už pro komunikaci použitelné. Lze tedy vypočítat, jakou vlnovou délku je optimální použít pro komunikaci na určitou vzdálenost. Běžný je i postup rádiové vlny v několika skocích, přičemž dochází k odrazu v ionosféře a poté k odrazu od Země. Odraz je nejlepší po dopadu na moře díky dobré vodivosti mořské vody, nejhorší podmínky pro odraz jsou v suchých hornatých oblastech. Pokud bylo v roce 1928 pro komunikaci využito dvojího odrazu, měl by ruský radioamatér Nikolaj Šmidt ideální podmínky. K meziodrazu by došlo na hladině oceánu. Naproti tomu, italská stanice San Paolo nedaleko Říma by chytala signál notně oslabený odrazem od Skandinávského poloostrova. Nabízí se tu i spekulace, že na Britských ostrovech, kam by se signál šířil také odrazem od oceánu, mohly být dobré podmínky pro příjem. Stavěla by se tím do jiného světla nepotvrzená informace, že bylo volání trosečníků zachyceno také britským radioamatérem, který však nedokázal o svém kontaktu nikoho přesvědčit.

MUF

Propustnost ionosféry závisí na kmitočtu rádiových vln. Zatímco se delší vlny odrážejí a vracejí k Zemi v některé z vrstev D až F, krátší vlny unikají do vesmíru a jsou pro další komunikaci ztraceny.

Nazpět časem

V případě větší sluneční erupce může dojít k poruše ionosféryIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 106 cm−3. a rádiové spojení v postižené oblasti je znemožněno. K tomu také došlo během čtyř dní v červenci 1928, kdy se trosečníci z Italie plavili na kře ledové a je to popsáno v knize Trosečníci polárního moře od Františka Běhounka. Dnešní radisté se mohou opřít o pravidelné předpovědi šíření rádiových vln, které vycházejí z údajů naměřených sítí ionosférických sond. U nás provádí měření ionosféry ionosonda na pracovišti Ústavu fyziky atmosféry v Průhonicích u Prahy.

Výstupy programu pro předpověď šíření rádiových vln jsou již desítky let prověřovány stovkami radioamatérů. Odsud je již jen krok k myšlence dosadit do vstupu údaje o sluneční činnosti v době ztroskotání a zjistit, jaké byly v té době podmínky pro rádiovou komunikaci.

Podmínky spojení

Diagram podmínek šíření rádiových vln v době ztroskotání výpravy generála Umberta Nobila. Na svislé ose je vynesen kmitočet v megahertzích, na vodorovné čas v UTUT – světový čas, Universal Time. Čas je dnes měřen podle standardu UTC (Universal Time Coordinated) a je totožný s pásmovým časem na Greenwichském poledníku. Do roku 1928 se označoval zkratkou GMT (Greenwich Mean Time), v té době byl odvozen od střední doby oběhu Země kolem Slunce.. Červeně jsou spojeny hodnoty MUF, modře je zvýrazněn kmitočet, na kterém vysílali trosečníci a v zeleném rámečku je čas, ve kterém ke spojení docházelo. Zdroj: Ing. František K. Janda OK1HH.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage