作者 | 大雁

18世紀(jì)末19世紀(jì)初發(fā)起的英國(guó)工業(yè)革命，不僅開啟了人類的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)時(shí)代，而且對(duì)19世紀(jì)的科學(xué)探索產(chǎn)生了極大的促進(jìn)和深遠(yuǎn)的影響。與空間物理密切相關(guān)的一系列科學(xué)發(fā)現(xiàn)，就是在這個(gè)時(shí)期產(chǎn)生的。

英國(guó)著名物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家高斯（Johann Carl Friedrich Gauss），號(hào)稱數(shù)學(xué)王子。他很小的時(shí)候就在數(shù)學(xué)方面展現(xiàn)出超人的天賦。1833年，高斯提出了球諧分析方法，這種分析方法就是以他的名字命名的高斯分析。1837年，高斯發(fā)明了雙線磁強(qiáng)計(jì)，用以測(cè)量磁場(chǎng)的大小。在他的組織領(lǐng)導(dǎo)下，開展了多個(gè)地磁臺(tái)站的組網(wǎng)觀測(cè)。對(duì)這些組網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的高斯分析，使高斯認(rèn)為地球磁場(chǎng)絕大部分來(lái)自地球內(nèi)部。高斯分析法，可以區(qū)分出哪些磁場(chǎng)成份是來(lái)自于地球內(nèi)部的（內(nèi)源場(chǎng)），哪些磁場(chǎng)成分是來(lái)自于地球外部的（外源場(chǎng)）。而這種外源場(chǎng)部分，就是地球磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的那部分，是由地面以上的大氣和太空中的電流所產(chǎn)生的，而這些電流大多受到太陽(yáng)活動(dòng)的影響和控制。

圖1.地球內(nèi)部和外部的主要電流。其中場(chǎng)向電流是產(chǎn)生極光的電流，與地球夜側(cè)遙遠(yuǎn)的太空深處的區(qū)域相連結(jié)；連結(jié)場(chǎng)向電流的小箭頭表示水平流過(guò)電離層電流。這些電流在極光爆發(fā)期間大幅度增強(qiáng)，給附近磁場(chǎng)造成劇烈變化。

那時(shí)候，德國(guó)有一位天文愛(ài)好者施瓦貝（Heinrich Samuel Schwabe），他的職業(yè)是一名藥劑師，但他酷愛(ài)天文。當(dāng)時(shí)有人認(rèn)為，水星內(nèi)側(cè)還有一個(gè)比水星更加靠近太陽(yáng)的行星，叫做瓦爾甘（Vulcan）。這位業(yè)余天文學(xué)家就癡迷于尋找這顆傳說(shuō)中的最內(nèi)側(cè)行星?？墒钦伊?0多年，行星沒(méi)有找到，反而太陽(yáng)表面的黑子更“搶眼”。這么多年下來(lái)，施瓦貝逐漸摸索到了規(guī)律，意外地在1846年發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子數(shù)目存在大約11年的周期性變化。

當(dāng)時(shí)號(hào)稱“日不落帝國(guó)”的英國(guó)擁有遍布全球的殖民地，這給英國(guó)海軍上校沙賓（Edward Sabine）在更廣闊區(qū)域的組網(wǎng)觀測(cè)提供了便利，他的地磁臺(tái)站組網(wǎng)觀測(cè)甚至延伸到了加拿大多倫多。1852年，沙賓在這些分布在全球各地的地磁臺(tái)站的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，地球磁場(chǎng)除了隨著晝夜變化的規(guī)律，還隱藏著一種更長(zhǎng)周期的變化規(guī)律，那就是與施瓦貝的太陽(yáng)黑子變化周期相吻合的變化規(guī)律。他據(jù)此猜測(cè)，太陽(yáng)的外層有一層活動(dòng)著的大氣層，這里的一些活動(dòng)可能會(huì)給地球磁場(chǎng)帶來(lái)影響，而這種影響的方式不會(huì)改變對(duì)地球的熱量供給?，F(xiàn)在看來(lái)，這是多么精彩的預(yù)言！可是，很快這種想法就被開爾文(Lord Kelvin)（就是我們?cè)凇秲?nèi)卷的泡泡》中介紹的那位英國(guó)科學(xué)家開爾文勛爵）否定了，因?yàn)殚_爾文認(rèn)為那只是時(shí)間上的巧合罷了，太陽(yáng)與地球之間，除了光和熱的傳遞，不會(huì)有別的物質(zhì)輸送。在1859年著名的卡林頓事件中，太陽(yáng)突然爆發(fā)了耀斑，卡林頓本人看到了太陽(yáng)表面的突然增亮。大約18小時(shí)之后，高速太陽(yáng)風(fēng)以每秒2300公里的驚人速度沖擊地球磁場(chǎng)，不僅引發(fā)了擴(kuò)展到中低緯度地區(qū)的極光爆發(fā)，而且還引發(fā)了地球磁場(chǎng)的劇烈擾動(dòng)。記錄這種磁場(chǎng)擾動(dòng)的，就是英國(guó)物理學(xué)家斯圖亞特（Balfour Stewart）。兩年后的1861年，周期為幾分鐘的地磁脈動(dòng)也由斯圖亞特在觀測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)。

1897年，英國(guó)科學(xué)家湯姆森（Joseph John Thompson）發(fā)現(xiàn)了陰極射線（即電子），給挪威科學(xué)家伯克蘭（Kristian Birkeland）很大啟發(fā)：極光可能是太陽(yáng)發(fā)出的陰極射線。為了證實(shí)自己的想法， 1897—1903年間，他冒著嚴(yán)寒，在挪威北部進(jìn)行了三次極光期間的地磁場(chǎng)測(cè)量。伯克蘭分析了這些數(shù)據(jù)之后驚訝地發(fā)現(xiàn)，在極光發(fā)生期間，極光區(qū)南側(cè)和北側(cè)同時(shí)發(fā)生了顯著的磁場(chǎng)擾動(dòng)，而且擾動(dòng)的方向正好相反，說(shuō)明有一個(gè)電流在頭頂上水平流過(guò)。這個(gè)水平電流就是極光電集流。而與這個(gè)水平電流不可能孤立存在，必然有沿著磁場(chǎng)方向的豎直電流與這個(gè)水平電流相連接，他把這種電流稱為場(chǎng)向電流。為了進(jìn)一步證實(shí)他的想法，伯克蘭在實(shí)驗(yàn)室中用磁化的鐵球做了一個(gè)小地球模型，稱為Terrella，相當(dāng)于小地球里面有一個(gè)小磁鐵。他把小地球表面涂上熒光粉，放在抽真空的透明玻璃罐中。當(dāng)陰極射線（也即電子束）入射到小地球模型時(shí)，陰極射線受到磁場(chǎng)引導(dǎo)，在小地球的磁極周圍，產(chǎn)生了環(huán)形發(fā)光現(xiàn)象，發(fā)光的形態(tài)與極光非常相似。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，伯克蘭認(rèn)為引起極光的帶電粒子是來(lái)自太陽(yáng)的陰極射線。他把這些結(jié)果寫成論文，投稿給了《自然》雜志，審稿人是卡林頓的學(xué)生舒斯特（Arthur Schuster）。舒斯特反駁說(shuō)：“如果是來(lái)自太陽(yáng)的電子流引起了極光，雖然確實(shí)極光是沿著磁場(chǎng)方向的，但是帶電微粒之間的排斥力會(huì)讓它們彼此發(fā)散開來(lái)，而不是像我們看到的極光那樣成束或者成片的聚集在一起，并且如果太陽(yáng)向地球傳送了電子，太陽(yáng)就會(huì)帶正電，地球就會(huì)帶負(fù)電，而事實(shí)上并沒(méi)有。”盡管伯克蘭在辯解中指出，太陽(yáng)發(fā)出的是正電和負(fù)電在一起的中性粒子流（即等離子體，也即太陽(yáng)風(fēng)），但文章依然慘遭拒稿。伯克蘭受到這次拒稿的打擊而沒(méi)有再投稿，而是把他的觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)和想法都寫在了他的極光探險(xiǎn)報(bào)告里。而伯克蘭的場(chǎng)向電流，也被后來(lái)的衛(wèi)星證實(shí)是對(duì)的，并以他的名字命名。

地球磁層是地球磁場(chǎng)在太陽(yáng)風(fēng)中吹出來(lái)的一個(gè)看不見(jiàn)的泡泡，而這個(gè)泡泡原型，就是英國(guó)科學(xué)家查普曼（Sydney Chapman）和他的1927級(jí)研究生費(fèi)拉羅(V. C. A. Ferraro)為了解釋地磁暴這樣的全球性地面磁場(chǎng)擾動(dòng)而在1930年提出的“空腔”的概念，后來(lái)這個(gè)空腔被稱為磁層。進(jìn)入太空時(shí)代后，衛(wèi)星的觀測(cè)證實(shí)這個(gè)空腔是存在的。而造成地磁暴的原因，就是來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子進(jìn)入地球磁場(chǎng)所控制的區(qū)域，使地球外部的磁層環(huán)電流增強(qiáng)的結(jié)果。

圖2 伯克蘭在他的極光探險(xiǎn)報(bào)告中描繪的極光電集流和場(chǎng)向電流。（致謝Southwood 依據(jù)原作重新制作）

就像我們手中的小磁鐵一樣，地球磁場(chǎng)一般是是看不見(jiàn)的，但地磁場(chǎng)的變化，有時(shí)是通過(guò)指南針的晃動(dòng)或指向變化而變得看得見(jiàn)、摸得著。極光是空間物理中最顯著的一種發(fā)光現(xiàn)象，并且伴隨著地球磁場(chǎng)的擾動(dòng)。這使得人們對(duì)地磁現(xiàn)象的探索和對(duì)極光的探索幾乎同步進(jìn)行，而且逐漸相互聯(lián)系起來(lái)。就像快樂(lè)的童年也會(huì)伴隨著成長(zhǎng)的煩惱一樣，人們?cè)趯?duì)自然現(xiàn)象的認(rèn)知過(guò)程，是在質(zhì)疑和爭(zhēng)論中不斷前進(jìn)的，甚至有的發(fā)現(xiàn)是跨界的“歪打正著”。作為空間物理的兩個(gè)主要的現(xiàn)象支撐，人們?cè)谔諘r(shí)代之前對(duì)于極光現(xiàn)象和地磁現(xiàn)象的觀察、探索和思考，構(gòu)成了空間物理的童年。即使是太空時(shí)代的今天，地磁場(chǎng)的地面觀測(cè)對(duì)于空間物理學(xué)研究仍然具有不可替代的作用。

– 作者信息 –

大雁，有情懷的空間物理學(xué)博士，關(guān)注科普的一線科學(xué)家。

排版 | 蘿卜娟

審核 | 六朵、蒼翼蝴蝶、淡定珠子

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