磁场的异动
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太阳王（2）：前所未见的美丽，前所未见的破坏
本期打包知识点
➀ 邱园天文台记录下了极光发生时地球天然磁场的变化。
➁ 霍奇森也看到与卡林顿类似的太阳闪光。这些闪光被称为：太阳耀斑。
➂ 1859 年的耀斑不但导致了前所未见的极光奇景，还使得全世界的电报通信几乎陷入瘫痪。
➃当太阳给地球的磁场和输电线路带来巨大影响时，我们把这种现象称为太阳磁暴。
➄耀斑、极光、磁暴，这三个现象有着某种因果关系，等待着科学家们破解。
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上期我们说到，1859 年，全世界都看见了绚烂无比的极光。而天文学家卡林顿在极光出现前的几个小时，在太阳上看到了持续不到 5 分钟的奇异闪光。卡林顿严重怀疑这道闪光与随后而来的极光有着因果关系。
不过，令卡林顿感到万分遗憾的是，当他第一时间赶到邱园天文台后，天文台中没有人报告看到了闪光，也没有人拍下当时太阳的照片。不过，卡林顿并不是一无所获，至少有一项过硬的证据表明，有一股力量造成了地球天然磁层在这一天发生了震动。
邱园天文台有一个磁场记录仪，这其实就是一根磁针，挂在丝线上，仪器则放在没有灯光的房间里。磁针受到地球磁场感应而指向北方。磁场一出现变化，磁针就会移动。有一丝光线照着磁针，然后反射到慢慢旋转的圆筒上，就可以记录磁针移动。圆筒外侧则固定了一圈相纸。每天早上 10 点钟，邱园天文台的技术人员就会换上一张新的相纸，这张相纸移动的速度非常缓慢，每小时只移动 1.9 厘米，所以过了 24 小时，会画出 45.6 厘米的追踪记录。在地球磁场受到干扰时，磁针就会抖动，纸上就会刻下起伏的线条。
天文台的人给卡林顿看 9 月 1 日和 2 日的纸卷。虽然追踪记录到的比例很小，但就在卡林顿看到耀斑的同时，地球磁场曾经波动了一下，仿佛被一记磁性拳头敲打了一下。令人意外的是，干扰大约持续了 3 分钟，但却花了 7 分钟的时间才恢复正常。看来这是更不容忽视的干扰现象。假设这不是巧合，那么卡林顿看到的闪光通过了 1.5 亿千米的距离后，重重打了地球一拳。那个时刻一定让人觉得很混乱，也有点可怕。但这种攻击并不完全是猛击型的。
离第一次干扰 18 小时后，卡林顿又看到天文台的磁针开始转动，幅度超过 11 点 20 分那一次，也打破几十年来邱园天文台所收集的所有数据的纪录。事实上，卡林顿在邱园天文台的那一天，磁针一直在颤抖。磁场“风暴”虽然减弱了，却尚未完全平息。
磁场记录仪只能算是间接证据。非同寻常的主张需要非同寻常的证据。卡林顿说他看到了前人从未看到过的现象，这就是一个十足的非凡主张，没有过硬的证据，是无法让其他天文学家相信的。但卡林顿有一项很有利的条件，这就是他的名望。大家都知道他对细节一丝不苟，近乎痴迷。尽管缺乏证据，但他的说法开始在天文界四处流传。
关键证人
很快，就出现了第一位自愿作证的人。当时，有一位叫霍奇森的绅士，也是十分受人尊敬的太阳观测专家，他发明了特殊的接目镜，可以用来观测太阳的强光，但是不会伤害到眼睛。当然他也是皇家天文学会的会员。霍奇森站出来说自己也看到了与卡林顿同样的现象，这让卡林顿大大地松了一口气，确信自己不是看花了眼。不过，卡林顿有着一个科学家非常优秀的品质，他坚决主张两人不要进一步交换观测信息，而是等到下次皇家天文学会开会时，直接把经过深思熟虑的想法向会员报告。这体现了科学研究的独立性。
在等待天文学会开会的期间，各地纷纷传出极光造成灾难的报道。看似美妙的极光不知如何瘫痪了电报系统，导致世界各地无法进行通信，就像现代的国际互联网被中断了一样。我们现代人离不开互联网，但是在 19 世纪时，企业都是利用电报来进行货物和股票交易，政府也依靠电报获得情报和新闻，士兵则利用电报和亲友保持联系。但在卡林顿看到耀斑后的几天内，这些联络在大自然的阻挠下无法保持顺畅。
较轻微的影响是干扰造成了不便，比如极光让巴黎和其他地方的铃声同时响起，让负责收电报的人以为有新的信息进来。严重时，极光可能会导致生命危险。在美国费城，有一名电报员在测试发信设备时遭到严重的电击。这些系统在线路上使用电流来标记纸张，接收传入的信息。电流猛然升高，纸张就会着火，整个电报站会被笼罩在呛人的烟雾里。在挪威的卑尔根，当极光出现时，电流突然变得很强烈，操作员冒着可能受电击的危险，手忙脚乱地拔掉仪器的电源，将设备抢救回来。
那到底是什么原因导致了 1859 年的这次大极光呢？
二个多月后的11月11日，英国皇家天文学会的成员在伦敦的萨默赛特大楼集合，大家充满期待。会员们穿着时髦的双排扣长外套，配上做工十分精致的领结，全神贯注地聆听卡林顿和霍奇森先后上台报告。卡林顿展示了当天他所画下的精密图纸的放大版。之后他把这张图寄放在学会的房间里，让无法参与这次会议的成员可以随时观赏。然后他坐到听众席上听霍奇森讲述他看到的现象，心里则焦虑着想知道两人的说法是否吻合。
霍奇森的说法和卡林顿的大致类似，他说，当眼前出现一颗比太阳表面还要明亮的星星时，他非常惊讶。耀眼的光线照亮了旁边太阳黑子的边缘，就好像大家常看到的乌云的银边。观测的时间点也和卡林顿说的一样。然而，霍奇森对大家坦陈，他真的吃了一惊，而爆发的过程一瞬间就结束了，所以他没来得及画下精确的图像，只画了一张素描图。会后他也把该图留在学会的房间里供人观看。
今天，我们查阅文献，可以看到，学会的编辑期刊提到霍奇森的素描画得很好，并在会议中引起一阵骚动。但不知道为什么，期刊内容里只有卡林顿画的图，直到现在也找不到霍奇森画的图了。
会议结束后，大家都被卡林顿说服了。所有的成员都相信太阳上（或许应该说在高于太阳表面的地方）真的发生了前所未有的现象。他们把这种现象称为——太阳耀斑。请大家记住这个词，这将是我们这个节目中最为重要的词汇之一，它也是当今太阳学研究中最为至关重要的一个现象。
棘手的谜团
耀斑和极光是否有关联呢？当时，天文学家们争论不休。卡林顿甚至还把邱园天文台的报表展示给大家看，指出耀斑出现时磁场发生剧烈变化，并且告诉听众，令人难以置信的是强烈磁暴正好跟极光同时出现。他觉得这两者之间的关系很重要，不过卡林顿并没有断言，他的态度是科学怀疑论的典范，他只是提出，同时出现的巧合值得我们进一步深思。
卡林顿如此谨慎，是因为他跟其他人都无法找出一种可以把太阳爆发威力传送到地球的机制。如果真有关系，那需要有新的物理理论才能解释。在没有理论的当下，两个现象就像巨大深谷两侧的柱子，中间没有任何桥梁。很明显卡林顿没有犯下业余天文学家常犯的大错——只看到一次特例，就得出惊人的结论。
我们很幸运，有 150 多年的时间来进行事后判断。现在来看，卡林顿看到的太阳耀斑事件，是天文学发展史上的一个关键点。哪一年，太阳突如其来地展现力量，造成了地球上的混乱，天文学家不得不匆忙投入研究，以了解太阳的本质。以前关于太阳的研究处于落后状态，天文学的重点在于标出星星的位置，为航运提供保障。在卡林顿看到耀斑的那一年，德国的科学家在光的分析上有了重大的突破，使天文学家由此得到研究太阳组成的方法。这些技术能用在太阳上，也就能用来探索其他恒星。
1859 年的天文大事件，让人类意识到太阳的磁场能量可以袭击地球。只是当时的天文学家难以知道这种袭击到底能强到什么程度，还有没有可能比 1859 年这次更强呢？这个谜底一直要到 144 年后的 2003 年才被揭晓，答案再一次震惊了全世界。当然，这是后话，我们暂且按下不表。
邱园天文台当时的负责人是新上任的天文学家斯图尔特，他详细查阅了耀斑前后的磁场记录仪的数据。他发现，卡林顿看到耀斑出现的前后都发生了强烈的磁暴。根据格林尼治平时的记录，第一次开始于 8 月 28 日午夜，第二次则在 9 月 2 日黎明前的几个小时内。虽然从这两次磁暴的曲线来看仅是昙花一现，强度很弱，但是在这两个时间段磁场十分混乱。
斯图尔特深信这 3 次事件之间有着某种联系，他开始从世界各地的磁场观测站收集资料。所有其他观测站都有这两次磁暴的记录，但是没有一个观测站注意到和耀斑一致的微小变化。这是因为大多数观测站都是依靠观测人员每隔一小时人工测量读数。事实上，如果没有摄影记录设备连续工作来记录数据，邱园天文台团队的工作人员也一样会错过这微小的磁场变化。斯图尔特认为这其中一定包含着非常惊人的科学道理，值得深入研究。
前所未见的破坏
斯图尔特并不是唯一被太阳磁暴迷住的人。
在美国，纽约大学的卢米斯教授几乎是立即被这次天文事件吸引住了。说起这个卢米斯教授，他最出名的科研活动就是估计龙卷风的风速。他的方法极为奇特，他看到草原上经常出现这样的情况，鸡不幸被龙卷风卷起，全身的毛经常会被剥光。于是，受到这个现象的启发，1842 年，卢米斯选了几只更不幸的鸡来做实验。他先把鸡杀了，然后把尸体从大炮中发射出去。他的计划是：使用不同份量的火药，那么发射鸡的速度就不同，然后检查每只鸡留下多少羽毛。结果跟预期不一样。他写道：“我的结论是，以一定的速度发射的鸡强行穿过空气，鸡会完全被撕碎。那龙卷风的速度应该小于鸡飞出去的速度 549 千米/小时。”你可以不喜欢他的方法，但你没法说他的推理方法有什么问题。
实际上从 8月28日开始，就出现了史无前例规模的极光，吸引了他的注意力。他在《美国科学与艺术》杂志上发表文章，呼吁大家提供极光或磁暴的观测记录，以及对电报线路的影响情况。回应如洪水般涌来。这些报告，展现了卡林顿看到的那次耀斑爆发给各地造成灾难的惊人情景。
从8月28日晚上大约 6 点半开始，美国波士顿某个办公室内的所有电报线路都无法工作。在其他办公室里，磁暴的攻击更加猛烈。在美国马萨诸塞州的斯普林菲尔德，从电报设备爆出巨大火花，都打到旁边的金属架上。当天晚上所有的通信都瘫痪了。电弧持续了很久，办公室里充满了烧焦的木头及油漆味道。
在宾夕法尼亚州的匹兹堡，当极光的电流就要毁坏设备时，操作员急忙把线路上的电池断开。断电过程中不只出现了火花，仪器周围更是冒出了火焰，精密的铂金接头面临融化的危险。操作员快速切断电源。接头得以挽救，但设备已经热到烫手了。华盛顿特区的电报操作员罗伊斯就没这么幸运了，他被一个巨大的电弧击晕了：电弧向上跳起，击中了他的前额。虽然他很快就恢复了，但这说明磁暴有潜在的致命危险。
整个晚上，电报操作员都在努力发送他们的信息。一波又一波的令人恐惧的电流控制着电力设备。他们所能期望的只有在两波电流交替的间隔时间，大约是30秒到90秒的时间内正常操作。除了在这短暂的时间内能正常操作外，其他时间线路上要么是电流完全消失，要么是敲打发送信息的电枢被磁场紧紧吸住动弹不得。
所有工作人员都知道较长的线路最容易出现干扰电流，但这一天晚上， 连比较短的线路也受到影响。从波士顿市中心到哈佛大学天文台仅仅 5 千米长的线路都受到外来电流明显的影响。
在英国，8月28日的夜幕完全降临时，晚上 10 点 30 分极光开始侵袭。当邱园的磁铁跳起，鲜亮的紫色“拱门”出现在天空，并且伴随有强烈的红色和橙色的光带和光幕。在欧洲各地都是一样的描述——伴随着强烈的极光，电报通信一度瘫痪。
当北极光完全覆盖北半球时，南半球也出现类似状况。在澳大利亚，悉尼天文台记录到南方的天空出现了明亮的红色极光流。
自从8月28日和29日出现极光后，邱园天文台和世界各地磁场观测站的科学家就一直监视地球磁场不安的节奏。他们知道无论发生了什么状况，现在还没结束。在9月1日和2日晚上，在卡林顿看到耀斑之后，极光再度爆发，这一次比8月28日和29日出现的更加强烈、更加持久。
在俄罗斯的圣彼得堡，磁场变化极度异常，以至于平常每小时测量一次读数改成每5分钟测量一次。在9月1日到9月3日之间，俄罗斯的磁场观测设备被磁暴的力量摧垮，完全不能进行测量。世界各地磁场观测站都是一样的情况。
有一位波士顿的电报局的主管普雷斯科特还想出了一个绝妙的主意。当极光在上空时，电线上有持续不断的电流。他在想，为何不断开电池组，利用这诡异的电流呢？他赶快把这个想法发表在8月31日的《波士顿日报》上。没想到他马上就有机会测试了。
9月2日开始营业时，由于磁暴的原因线路几乎都无法正常工作。按照普雷斯科特的建议，波士顿的操作员要求波特兰的操作员断开电池组，把通过电枢的电报线路直接接到地上。波士顿的操作员按照同样的方法操作，然后发送信息：“我们现在只用北极光产生的电流发送信息。您收到我的信息了吗？”
波特兰的操作员回应：“真的不错，比使用电池组的效果好得多。电流平稳，磁铁工作也更稳定了。在极光平息前，我们是否继续这样工作？”
波士顿的操作员回答：“继续工作。”接着就开始传送当天的急件。世界各地的操作员也得出了同样的结论，并且他们坚持了一天。
在仔细阅读过大量的报告后，卢米斯发现磁暴和极光都是全球性事件，它们差不多同时出现。
卢米斯用三角测量法测量了相隔很远的地方看到的彩色光弧和光带数据，并计算了极光的高度。通过光弧的特征，他估计极光底部大约距离地面 80 千米。光带自光弧上升起，就像是恐龙脊背上用来防御的棘刺，一直向上升起 800 千米高。宽度在 8 千米到 32 千米之间。在所有的报告中都显示光带大致呈南北走向。
卢米斯对极光的迷恋并没有局限于最近出现的极光，他开始寻找之前留下的记录。他很快发现北极光与南极光总是同时出现，而且两者发生的地方分别覆盖了北极与南极地区。卢米斯还得出了极光发生的频率随纬度的增高而增加的结论。越往北边，极光出现的次数越多。在北美洲的五大湖岸边，你可能每年都能看到几十次极光。
图：卢米斯教授
卢米斯所有研究成果更加证实了 1859 年极光的规模是前所未见的，电报受威胁的故事也凸显了这一事件的可怕。人们突然感到有很多不确定性。地球上已经发生了无法解释的事情。之前人们一直认为引力是穿越空间的唯一力量，这是人们第一次看到这种与引力无关但却直接影响地球的现象。核心在于卡林顿看到的耀斑。突然地，对于耀斑如何能够引起极光和磁暴的探索和揭秘变成了极为重要的事情。
对于卢米斯而言，他坚决认为极光和电报系统瘫痪有密切联系。几位目击者都描述了极光静止和移动时的情景，极光的样子就像在风中飘扬的红旗。从这些描述中，卢米斯发现极光是从东北扫向西南。这与极光电流流过电报线路的方向是一致的。他得出的结论是，极光是由穿过大气的电流产生的。英国邱园天文台的斯图尔特也得到大体类似的结论，他相信通过太阳耀斑从太阳上喷出电流，电流横扫地球产生磁暴。
其他科学家则想知道极光对天气有什么影响。因为两者都出现在大气层，所以大多数人认为它们一定有关联。他们猜测可能会造成暴风雨，因为暴风雨来临时大气层中也充满电力。
当天文学家努力寻找大气、太阳和磁性现象之间的关联时，他们很快发现自己陷入因果关系的循环论证中。有很多问题都是他们回答不了的，例如，与 18 个小时后的磁暴相比，为什么卡林顿的耀斑只产生微弱的干扰呢？后来的磁暴和耀斑有关联吗？还是 18 个小时后出现了更强的耀斑，但没人看到？如果每次磁暴都由一个耀斑引起，为什么我们没有观察到更多的耀斑呢？这些问题都是谜，但是，观测太阳的人越来越多，一定有人会在正确的时间、正确的地点找到答案。
这时候的天文学家们最想弄清楚的事情是：太阳是由什么组成的、在它内部发生什么反应、为什么它这么亮，当然还有是什么触发了太阳耀斑？这些谜题咱们下期接着说。