作者 | 大雁

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

英國著名物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家高斯（Johann Carl Friedrich Gauss），號稱數(shù)學(xué)王子。他很小的時候就在數(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)明了雙線磁強計，用以測量磁場的大小。在他的組織領(lǐng)導(dǎo)下，開展了多個地磁臺站的組網(wǎng)觀測。對這些組網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)的高斯分析，使高斯認為地球磁場絕大部分來自地球內(nèi)部。高斯分析法，可以區(qū)分出哪些磁場成份是來自于地球內(nèi)部的（內(nèi)源場），哪些磁場成分是來自于地球外部的（外源場）。而這種外源場部分，就是地球磁場隨時間變化的那部分，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活動的影響和控制。

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

那時候，德國有一位天文愛好者施瓦貝（Heinrich Samuel Schwabe），他的職業(yè)是一名藥劑師，但他酷愛天文。當(dāng)時有人認為，水星內(nèi)側(cè)還有一個比水星更加靠近太陽的行星，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中的最內(nèi)側(cè)行星?？墒钦伊?0多年，行星沒有找到，反而太陽表面的黑子更“搶眼”。這么多年下來，施瓦貝逐漸摸索到了規(guī)律，意外地在1846年發(fā)現(xiàn)太陽黑子數(shù)目存在大約11年的周期性變化。

當(dāng)時號稱“日不落帝國”的英國擁有遍布全球的殖民地，這給英國海軍上校沙賓（Edward Sabine）在更廣闊區(qū)域的組網(wǎng)觀測提供了便利，他的地磁臺站組網(wǎng)觀測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站的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，地球磁場除了隨著晝夜變化的規(guī)律，還隱藏著一種更長周期的變化規(guī)律，那就是與施瓦貝的太陽黑子變化周期相吻合的變化規(guī)律。他據(jù)此猜測，太陽的外層有一層活動著的大氣層，這里的一些活動可能會給地球磁場帶來影響，而這種影響的方式不會改變對地球的熱量供給。現(xiàn)在看來，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)（就是我們在《內(nèi)卷的泡泡》中介紹的那位英國科學(xué)家開爾文勛爵）否定了，因為開爾文認為那只是時間上的巧合罷了，太陽與地球之間，除了光和熱的傳遞，不會有別的物質(zhì)輸送。在1859年著名的卡林頓事件中，太陽突然爆發(fā)了耀斑，卡林頓本人看到了太陽表面的突然增亮。大約18小時之后，高速太陽風(fēng)以每秒2300公里的驚人速度沖擊地球磁場，不僅引發(fā)了擴展到中低緯度地區(qū)的極光爆發(fā)，而且還引發(fā)了地球磁場的劇烈擾動。記錄這種磁場擾動的，就是英國物理學(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也由斯圖亞特在觀測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)。

1897年，英國科學(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)：極光可能是太陽發(fā)出的陰極射線。為了證實自己的想法， 1897—1903年間，他冒著嚴(yán)寒，在挪威北部進行了三次極光期間的地磁場測量。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)同時發(fā)生了顯著的磁場擾動，而且擾動的方向正好相反，說明有一個電流在頭頂上水平流過。這個水平電流就是極光電集流。而與這個水平電流不可能孤立存在，必然有沿著磁場方向的豎直電流與這個水平電流相連接，他把這種電流稱為場向電流。為了進一步證實他的想法，伯克蘭在實驗室中用磁化的鐵球做了一個小地球模型，稱為Terrella，相當(dāng)于小地球里面有一個小磁鐵。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，陰極射線受到磁場引導(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。在這個實驗的基礎(chǔ)上，伯克蘭認為引起極光的帶電粒子是來自太陽的陰極射線。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：“如果是來自太陽的電子流引起了極光，雖然確實極光是沿著磁場方向的，但是帶電微粒之間的排斥力會讓它們彼此發(fā)散開來，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，并且如果太陽向地球傳送了電子，太陽就會帶正電，地球就會帶負電，而事實上并沒有?！北M管伯克蘭在辯解中指出，太陽發(fā)出的是正電和負電在一起的中性粒子流（即等離子體，也即太陽風(fēng)），但文章依然慘遭拒稿。伯克蘭受到這次拒稿的打擊而沒有再投稿，而是把他的觀測、實驗和想法都寫在了他的極光探險報告里。而伯克蘭的場向電流，也被后來的衛(wèi)星證實是對的，并以他的名字命名。

地球磁層是地球磁場在太陽風(fēng)中吹出來的一個看不見的泡泡，而這個泡泡原型，就是英國科學(xué)家查普曼（Sydney Chapman）和他的1927級研究生費拉羅(V. C. A. Ferraro)為了解釋地磁暴這樣的全球性地面磁場擾動而在1930年提出的“空腔”的概念，后來這個空腔被稱為磁層。進入太空時代后，衛(wèi)星的觀測證實這個空腔是存在的。而造成地磁暴的原因，就是來自太陽的帶電粒子進入地球磁場所控制的區(qū)域，使地球外部的磁層環(huán)電流增強的結(jié)果。

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

就像我們手中的小磁鐵一樣，地球磁場一般是是看不見的，但地磁場的變化，有時是通過指南針的晃動或指向變化而變得看得見、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的擾動。這使得人們對地磁現(xiàn)象的探索和對極光的探索幾乎同步進行，而且逐漸相互聯(lián)系起來。就像快樂的童年也會伴隨著成長的煩惱一樣，人們在對自然現(xiàn)象的認知過程，是在質(zhì)疑和爭論中不斷前進的，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主要的現(xiàn)象支撐，人們在太空時代之前對于極光現(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。即使是太空時代的今天，地磁場的地面觀測對于空間物理學(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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