本期打包知識(shí)點(diǎn)

? 邱園天文臺(tái)記錄下了極光發(fā)生時(shí)地球天然磁場的變化。

? 霍奇森也看到與卡林頓類似的太陽閃光。這些閃光被稱為：太陽耀斑。

? 1859 年的耀斑不但導(dǎo)致了前所未見的極光奇景，還使得全世界的電報(bào)通信幾乎陷入癱瘓。

?當(dāng)太陽給地球的磁場和輸電線路帶來巨大影響時(shí)，我們把這種現(xiàn)象稱為太陽磁暴。

?耀斑、極光、磁暴，這三個(gè)現(xiàn)象有著某種因果關(guān)系，等待著科學(xué)家們破解。

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上期我們說到，1859 年，全世界都看見了絢爛無比的極光。而天文學(xué)家卡林頓在極光出現(xiàn)前的幾個(gè)小時(shí)，在太陽上看到了持續(xù)不到 5 分鐘的奇異閃光。卡林頓嚴(yán)重懷疑這道閃光與隨后而來的極光有著因果關(guān)系。

不過，令卡林頓感到萬分遺憾的是，當(dāng)他第一時(shí)間趕到邱園天文臺(tái)后，天文臺(tái)中沒有人報(bào)告看到了閃光，也沒有人拍下當(dāng)時(shí)太陽的照片。不過，卡林頓并不是一無所獲，至少有一項(xiàng)過硬的證據(jù)表明，有一股力量造成了地球天然磁層在這一天發(fā)生了震動(dòng)。

邱園天文臺(tái)有一個(gè)磁場記錄儀，這其實(shí)就是一根磁針，掛在絲線上，儀器則放在沒有燈光的房間里。磁針受到地球磁場感應(yīng)而指向北方。磁場一出現(xiàn)變化，磁針就會(huì)移動(dòng)。有一絲光線照著磁針，然后反射到慢慢旋轉(zhuǎn)的圓筒上，就可以記錄磁針移動(dòng)。圓筒外側(cè)則固定了一圈相紙。每天早上 10 點(diǎn)鐘，邱園天文臺(tái)的技術(shù)人員就會(huì)換上一張新的相紙，這張相紙移動(dòng)的速度非常緩慢，每小時(shí)只移動(dòng) 1.9 厘米，所以過了 24 小時(shí)，會(huì)畫出 45.6 厘米的追蹤記錄。在地球磁場受到干擾時(shí)，磁針就會(huì)抖動(dòng)，紙上就會(huì)刻下起伏的線條。

天文臺(tái)的人給卡林頓看 9 月 1 日和 2 日的紙卷。雖然追蹤記錄到的比例很小，但就在卡林頓看到耀斑的同時(shí)，地球磁場曾經(jīng)波動(dòng)了一下，仿佛被一記磁性拳頭敲打了一下。令人意外的是，干擾大約持續(xù)了 3 分鐘，但卻花了 7 分鐘的時(shí)間才恢復(fù)正常?？磥磉@是更不容忽視的干擾現(xiàn)象。假設(shè)這不是巧合，那么卡林頓看到的閃光通過了 1.5 億千米的距離后，重重打了地球一拳。那個(gè)時(shí)刻一定讓人覺得很混亂，也有點(diǎn)可怕。但這種攻擊并不完全是猛擊型的。

離第一次干擾 18 小時(shí)后，卡林頓又看到天文臺(tái)的磁針開始轉(zhuǎn)動(dòng)，幅度超過 11 點(diǎn) 20 分那一次，也打破幾十年來邱園天文臺(tái)所收集的所有數(shù)據(jù)的紀(jì)錄。事實(shí)上，卡林頓在邱園天文臺(tái)的那一天，磁針一直在顫抖。磁場“風(fēng)暴”雖然減弱了，卻尚未完全平息。

磁場記錄儀只能算是間接證據(jù)。非同尋常的主張需要非同尋常的證據(jù)。卡林頓說他看到了前人從未看到過的現(xiàn)象，這就是一個(gè)十足的非凡主張，沒有過硬的證據(jù)，是無法讓其他天文學(xué)家相信的。但卡林頓有一項(xiàng)很有利的條件，這就是他的名望。大家都知道他對(duì)細(xì)節(jié)一絲不茍，近乎癡迷。盡管缺乏證據(jù)，但他的說法開始在天文界四處流傳。

很快，就出現(xiàn)了第一位自愿作證的人。當(dāng)時(shí)，有一位叫霍奇森的紳士，也是十分受人尊敬的太陽觀測專家，他發(fā)明了特殊的接目鏡，可以用來觀測太陽的強(qiáng)光，但是不會(huì)傷害到眼睛。當(dāng)然他也是皇家天文學(xué)會(huì)的會(huì)員?；羝嫔境鰜碚f自己也看到了與卡林頓同樣的現(xiàn)象，這讓卡林頓大大地松了一口氣，確信自己不是看花了眼。不過，卡林頓有著一個(gè)科學(xué)家非常優(yōu)秀的品質(zhì)，他堅(jiān)決主張兩人不要進(jìn)一步交換觀測信息，而是等到下次皇家天文學(xué)會(huì)開會(huì)時(shí)，直接把經(jīng)過深思熟慮的想法向會(huì)員報(bào)告。這體現(xiàn)了科學(xué)研究的獨(dú)立性。

在等待天文學(xué)會(huì)開會(huì)的期間，各地紛紛傳出極光造成災(zāi)難的報(bào)道?？此泼烂畹臉O光不知如何癱瘓了電報(bào)系統(tǒng)，導(dǎo)致世界各地?zé)o法進(jìn)行通信，就像現(xiàn)代的國際互聯(lián)網(wǎng)被中斷了一樣。我們現(xiàn)代人離不開互聯(lián)網(wǎng)，但是在 19 世紀(jì)時(shí)，企業(yè)都是利用電報(bào)來進(jìn)行貨物和股票交易，政府也依靠電報(bào)獲得情報(bào)和新聞，士兵則利用電報(bào)和親友保持聯(lián)系。但在卡林頓看到耀斑后的幾天內(nèi)，這些聯(lián)絡(luò)在大自然的阻撓下無法保持順暢。

較輕微的影響是干擾造成了不便，比如極光讓巴黎和其他地方的鈴聲同時(shí)響起，讓負(fù)責(zé)收電報(bào)的人以為有新的信息進(jìn)來。嚴(yán)重時(shí)，極光可能會(huì)導(dǎo)致生命危險(xiǎn)。在美國費(fèi)城，有一名電報(bào)員在測試發(fā)信設(shè)備時(shí)遭到嚴(yán)重的電擊。這些系統(tǒng)在線路上使用電流來標(biāo)記紙張，接收傳入的信息。電流猛然升高，紙張就會(huì)著火，整個(gè)電報(bào)站會(huì)被籠罩在嗆人的煙霧里。在挪威的卑爾根，當(dāng)極光出現(xiàn)時(shí)，電流突然變得很強(qiáng)烈，操作員冒著可能受電擊的危險(xiǎn)，手忙腳亂地拔掉儀器的電源，將設(shè)備搶救回來。

那到底是什么原因?qū)е铝?1859 年的這次大極光呢？

二個(gè)多月后的11月11日，英國皇家天文學(xué)會(huì)的成員在倫敦的薩默賽特大樓集合，大家充滿期待。會(huì)員們穿著時(shí)髦的雙排扣長外套，配上做工十分精致的領(lǐng)結(jié)，全神貫注地聆聽卡林頓和霍奇森先后上臺(tái)報(bào)告?？诸D展示了當(dāng)天他所畫下的精密圖紙的放大版。之后他把這張圖寄放在學(xué)會(huì)的房間里，讓無法參與這次會(huì)議的成員可以隨時(shí)觀賞。然后他坐到聽眾席上聽霍奇森講述他看到的現(xiàn)象，心里則焦慮著想知道兩人的說法是否吻合。

霍奇森的說法和卡林頓的大致類似，他說，當(dāng)眼前出現(xiàn)一顆比太陽表面還要明亮的星星時(shí)，他非常驚訝。耀眼的光線照亮了旁邊太陽黑子的邊緣，就好像大家?？吹降臑踉频你y邊。觀測的時(shí)間點(diǎn)也和卡林頓說的一樣。然而，霍奇森對(duì)大家坦陳，他真的吃了一驚，而爆發(fā)的過程一瞬間就結(jié)束了，所以他沒來得及畫下精確的圖像，只畫了一張素描圖。會(huì)后他也把該圖留在學(xué)會(huì)的房間里供人觀看。

今天，我們查閱文獻(xiàn)，可以看到，學(xué)會(huì)的編輯期刊提到霍奇森的素描畫得很好，并在會(huì)議中引起一陣騷動(dòng)。但不知道為什么，期刊內(nèi)容里只有卡林頓畫的圖，直到現(xiàn)在也找不到霍奇森畫的圖了。

會(huì)議結(jié)束后，大家都被卡林頓說服了。所有的成員都相信太陽上（或許應(yīng)該說在高于太陽表面的地方）真的發(fā)生了前所未有的現(xiàn)象。他們把這種現(xiàn)象稱為——太陽耀斑。請(qǐng)大家記住這個(gè)詞，這將是我們這個(gè)節(jié)目中最為重要的詞匯之一，它也是當(dāng)今太陽學(xué)研究中最為至關(guān)重要的一個(gè)現(xiàn)象。

耀斑和極光是否有關(guān)聯(lián)呢？當(dāng)時(shí)，天文學(xué)家們爭論不休?？诸D甚至還把邱園天文臺(tái)的報(bào)表展示給大家看，指出耀斑出現(xiàn)時(shí)磁場發(fā)生劇烈變化，并且告訴聽眾，令人難以置信的是強(qiáng)烈磁暴正好跟極光同時(shí)出現(xiàn)。他覺得這兩者之間的關(guān)系很重要，不過卡林頓并沒有斷言，他的態(tài)度是科學(xué)懷疑論的典范，他只是提出，同時(shí)出現(xiàn)的巧合值得我們進(jìn)一步深思。

卡林頓如此謹(jǐn)慎，是因?yàn)樗渌硕紵o法找出一種可以把太陽爆發(fā)威力傳送到地球的機(jī)制。如果真有關(guān)系，那需要有新的物理理論才能解釋。在沒有理論的當(dāng)下，兩個(gè)現(xiàn)象就像巨大深谷兩側(cè)的柱子，中間沒有任何橋梁。很明顯卡林頓沒有犯下業(yè)余天文學(xué)家常犯的大錯(cuò)——只看到一次特例，就得出驚人的結(jié)論。

我們很幸運(yùn)，有 150 多年的時(shí)間來進(jìn)行事后判斷?，F(xiàn)在來看，卡林頓看到的太陽耀斑事件，是天文學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。哪一年，太陽突如其來地展現(xiàn)力量，造成了地球上的混亂，天文學(xué)家不得不匆忙投入研究，以了解太陽的本質(zhì)。以前關(guān)于太陽的研究處于落后狀態(tài)，天文學(xué)的重點(diǎn)在于標(biāo)出星星的位置，為航運(yùn)提供保障。在卡林頓看到耀斑的那一年，德國的科學(xué)家在光的分析上有了重大的突破，使天文學(xué)家由此得到研究太陽組成的方法。這些技術(shù)能用在太陽上，也就能用來探索其他恒星。

1859 年的天文大事件，讓人類意識(shí)到太陽的磁場能量可以襲擊地球。只是當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家難以知道這種襲擊到底能強(qiáng)到什么程度，還有沒有可能比 1859 年這次更強(qiáng)呢？這個(gè)謎底一直要到 144 年后的 2003 年才被揭曉，答案再一次震驚了全世界。當(dāng)然，這是后話，我們暫且按下不表。

邱園天文臺(tái)當(dāng)時(shí)的負(fù)責(zé)人是新上任的天文學(xué)家斯圖爾特，他詳細(xì)查閱了耀斑前后的磁場記錄儀的數(shù)據(jù)。他發(fā)現(xiàn)，卡林頓看到耀斑出現(xiàn)的前后都發(fā)生了強(qiáng)烈的磁暴。根據(jù)格林尼治平時(shí)的記錄，第一次開始于 8 月 28 日午夜，第二次則在 9 月 2 日黎明前的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)。雖然從這兩次磁暴的曲線來看僅是曇花一現(xiàn)，強(qiáng)度很弱，但是在這兩個(gè)時(shí)間段磁場十分混亂。

斯圖爾特深信這 3 次事件之間有著某種聯(lián)系，他開始從世界各地的磁場觀測站收集資料。所有其他觀測站都有這兩次磁暴的記錄，但是沒有一個(gè)觀測站注意到和耀斑一致的微小變化。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)觀測站都是依靠觀測人員每隔一小時(shí)人工測量讀數(shù)。事實(shí)上，如果沒有攝影記錄設(shè)備連續(xù)工作來記錄數(shù)據(jù)，邱園天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)的工作人員也一樣會(huì)錯(cuò)過這微小的磁場變化。斯圖爾特認(rèn)為這其中一定包含著非常驚人的科學(xué)道理，值得深入研究。

斯圖爾特并不是唯一被太陽磁暴迷住的人。

在美國，紐約大學(xué)的盧米斯教授幾乎是立即被這次天文事件吸引住了。說起這個(gè)盧米斯教授，他最出名的科研活動(dòng)就是估計(jì)龍卷風(fēng)的風(fēng)速。他的方法極為奇特，他看到草原上經(jīng)常出現(xiàn)這樣的情況，雞不幸被龍卷風(fēng)卷起，全身的毛經(jīng)常會(huì)被剝光。于是，受到這個(gè)現(xiàn)象的啟發(fā)，1842 年，盧米斯選了幾只更不幸的雞來做實(shí)驗(yàn)。他先把雞殺了，然后把尸體從大炮中發(fā)射出去。他的計(jì)劃是：使用不同份量的火藥，那么發(fā)射雞的速度就不同，然后檢查每只雞留下多少羽毛。結(jié)果跟預(yù)期不一樣。他寫道：“我的結(jié)論是，以一定的速度發(fā)射的雞強(qiáng)行穿過空氣，雞會(huì)完全被撕碎。那龍卷風(fēng)的速度應(yīng)該小于雞飛出去的速度 549 千米/小時(shí)?！蹦憧梢圆幌矚g他的方法，但你沒法說他的推理方法有什么問題。

實(shí)際上從 8月28日開始，就出現(xiàn)了史無前例規(guī)模的極光，吸引了他的注意力。他在《美國科學(xué)與藝術(shù)》雜志上發(fā)表文章，呼吁大家提供極光或磁暴的觀測記錄，以及對(duì)電報(bào)線路的影響情況?；貞?yīng)如洪水般涌來。這些報(bào)告，展現(xiàn)了卡林頓看到的那次耀斑爆發(fā)給各地造成災(zāi)難的驚人情景。

從8月28日晚上大約 6 點(diǎn)半開始，美國波士頓某個(gè)辦公室內(nèi)的所有電報(bào)線路都無法工作。在其他辦公室里，磁暴的攻擊更加猛烈。在美國馬薩諸塞州的斯普林菲爾德，從電報(bào)設(shè)備爆出巨大火花，都打到旁邊的金屬架上。當(dāng)天晚上所有的通信都癱瘓了。電弧持續(xù)了很久，辦公室里充滿了燒焦的木頭及油漆味道。

在賓夕法尼亞州的匹茲堡，當(dāng)極光的電流就要?dú)脑O(shè)備時(shí)，操作員急忙把線路上的電池?cái)嚅_。斷電過程中不只出現(xiàn)了火花，儀器周圍更是冒出了火焰，精密的鉑金接頭面臨融化的危險(xiǎn)。操作員快速切斷電源。接頭得以挽救，但設(shè)備已經(jīng)熱到燙手了。華盛頓特區(qū)的電報(bào)操作員羅伊斯就沒這么幸運(yùn)了，他被一個(gè)巨大的電弧擊暈了：電弧向上跳起，擊中了他的前額。雖然他很快就恢復(fù)了，但這說明磁暴有潛在的致命危險(xiǎn)。

整個(gè)晚上，電報(bào)操作員都在努力發(fā)送他們的信息。一波又一波的令人恐懼的電流控制著電力設(shè)備。他們所能期望的只有在兩波電流交替的間隔時(shí)間，大約是30秒到90秒的時(shí)間內(nèi)正常操作。除了在這短暫的時(shí)間內(nèi)能正常操作外，其他時(shí)間線路上要么是電流完全消失，要么是敲打發(fā)送信息的電樞被磁場緊緊吸住動(dòng)彈不得。

所有工作人員都知道較長的線路最容易出現(xiàn)干擾電流，但這一天晚上， 連比較短的線路也受到影響。從波士頓市中心到哈佛大學(xué)天文臺(tái)僅僅 5 千米長的線路都受到外來電流明顯的影響。

在英國，8月28日的夜幕完全降臨時(shí)，晚上 10 點(diǎn) 30 分極光開始侵襲。當(dāng)邱園的磁鐵跳起，鮮亮的紫色“拱門”出現(xiàn)在天空，并且伴隨有強(qiáng)烈的紅色和橙色的光帶和光幕。在歐洲各地都是一樣的描述——伴隨著強(qiáng)烈的極光，電報(bào)通信一度癱瘓。

當(dāng)北極光完全覆蓋北半球時(shí)，南半球也出現(xiàn)類似狀況。在澳大利亞，悉尼天文臺(tái)記錄到南方的天空出現(xiàn)了明亮的紅色極光流。

自從8月28日和29日出現(xiàn)極光后，邱園天文臺(tái)和世界各地磁場觀測站的科學(xué)家就一直監(jiān)視地球磁場不安的節(jié)奏。他們知道無論發(fā)生了什么狀況，現(xiàn)在還沒結(jié)束。在9月1日和2日晚上，在卡林頓看到耀斑之后，極光再度爆發(fā)，這一次比8月28日和29日出現(xiàn)的更加強(qiáng)烈、更加持久。

在俄羅斯的圣彼得堡，磁場變化極度異常，以至于平常每小時(shí)測量一次讀數(shù)改成每5分鐘測量一次。在9月1日到9月3日之間，俄羅斯的磁場觀測設(shè)備被磁暴的力量摧垮，完全不能進(jìn)行測量。世界各地磁場觀測站都是一樣的情況。

有一位波士頓的電報(bào)局的主管普雷斯科特還想出了一個(gè)絕妙的主意。當(dāng)極光在上空時(shí)，電線上有持續(xù)不斷的電流。他在想，為何不斷開電池組，利用這詭異的電流呢？他趕快把這個(gè)想法發(fā)表在8月31日的《波士頓日?qǐng)?bào)》上。沒想到他馬上就有機(jī)會(huì)測試了。

9月2日開始營業(yè)時(shí)，由于磁暴的原因線路幾乎都無法正常工作。按照普雷斯科特的建議，波士頓的操作員要求波特蘭的操作員斷開電池組，把通過電樞的電報(bào)線路直接接到地上。波士頓的操作員按照同樣的方法操作，然后發(fā)送信息：“我們現(xiàn)在只用北極光產(chǎn)生的電流發(fā)送信息。您收到我的信息了嗎？”

波特蘭的操作員回應(yīng)：“真的不錯(cuò)，比使用電池組的效果好得多。電流平穩(wěn)，磁鐵工作也更穩(wěn)定了。在極光平息前，我們是否繼續(xù)這樣工作？”

波士頓的操作員回答：“繼續(xù)工作。”接著就開始傳送當(dāng)天的急件。世界各地的操作員也得出了同樣的結(jié)論，并且他們堅(jiān)持了一天。

在仔細(xì)閱讀過大量的報(bào)告后，盧米斯發(fā)現(xiàn)磁暴和極光都是全球性事件，它們差不多同時(shí)出現(xiàn)。

盧米斯用三角測量法測量了相隔很遠(yuǎn)的地方看到的彩色光弧和光帶數(shù)據(jù)，并計(jì)算了極光的高度。通過光弧的特征，他估計(jì)極光底部大約距離地面 80 千米。光帶自光弧上升起，就像是恐龍脊背上用來防御的棘刺，一直向上升起 800 千米高。寬度在 8 千米到 32 千米之間。在所有的報(bào)告中都顯示光帶大致呈南北走向。

盧米斯對(duì)極光的迷戀并沒有局限于最近出現(xiàn)的極光，他開始尋找之前留下的記錄。他很快發(fā)現(xiàn)北極光與南極光總是同時(shí)出現(xiàn)，而且兩者發(fā)生的地方分別覆蓋了北極與南極地區(qū)。盧米斯還得出了極光發(fā)生的頻率隨緯度的增高而增加的結(jié)論。越往北邊，極光出現(xiàn)的次數(shù)越多。在北美洲的五大湖岸邊，你可能每年都能看到幾十次極光。

圖：盧米斯教授

盧米斯所有研究成果更加證實(shí)了 1859 年極光的規(guī)模是前所未見的，電報(bào)受威脅的故事也凸顯了這一事件的可怕。人們突然感到有很多不確定性。地球上已經(jīng)發(fā)生了無法解釋的事情。之前人們一直認(rèn)為引力是穿越空間的唯一力量，這是人們第一次看到這種與引力無關(guān)但卻直接影響地球的現(xiàn)象。核心在于卡林頓看到的耀斑。突然地，對(duì)于耀斑如何能夠引起極光和磁暴的探索和揭秘變成了極為重要的事情。

對(duì)于盧米斯而言，他堅(jiān)決認(rèn)為極光和電報(bào)系統(tǒng)癱瘓有密切聯(lián)系。幾位目擊者都描述了極光靜止和移動(dòng)時(shí)的情景，極光的樣子就像在風(fēng)中飄揚(yáng)的紅旗。從這些描述中，盧米斯發(fā)現(xiàn)極光是從東北掃向西南。這與極光電流流過電報(bào)線路的方向是一致的。他得出的結(jié)論是，極光是由穿過大氣的電流產(chǎn)生的。英國邱園天文臺(tái)的斯圖爾特也得到大體類似的結(jié)論，他相信通過太陽耀斑從太陽上噴出電流，電流橫掃地球產(chǎn)生磁暴。

其他科學(xué)家則想知道極光對(duì)天氣有什么影響。因?yàn)閮烧叨汲霈F(xiàn)在大氣層，所以大多數(shù)人認(rèn)為它們一定有關(guān)聯(lián)。他們猜測可能會(huì)造成暴風(fēng)雨，因?yàn)楸╋L(fēng)雨來臨時(shí)大氣層中也充滿電力。

當(dāng)天文學(xué)家努力尋找大氣、太陽和磁性現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)時(shí)，他們很快發(fā)現(xiàn)自己陷入因果關(guān)系的循環(huán)論證中。有很多問題都是他們回答不了的，例如，與 18 個(gè)小時(shí)后的磁暴相比，為什么卡林頓的耀斑只產(chǎn)生微弱的干擾呢？后來的磁暴和耀斑有關(guān)聯(lián)嗎？還是 18 個(gè)小時(shí)后出現(xiàn)了更強(qiáng)的耀斑，但沒人看到？如果每次磁暴都由一個(gè)耀斑引起，為什么我們沒有觀察到更多的耀斑呢？這些問題都是謎，但是，觀測太陽的人越來越多，一定有人會(huì)在正確的時(shí)間、正確的地點(diǎn)找到答案。

這時(shí)候的天文學(xué)家們最想弄清楚的事情是：太陽是由什么組成的、在它內(nèi)部發(fā)生什么反應(yīng)、為什么它這么亮，當(dāng)然還有是什么觸發(fā)了太陽耀斑？這些謎題咱們下期接著說。