今天是2021年9月1日，星期三，看似平淡無奇，可是如果我們回到162年前，去英國走走，那可能真的要出現(xiàn)另一番景象了。
緣起
1859年，大英帝國正處于漢諾威王朝的維多利亞女王統(tǒng)治時(shí)期，帶著日不落的光環(huán)，如日中天，史稱“維多利亞時(shí)代”[1]。如果我們此時(shí)路過倫敦，你會(huì)看到優(yōu)雅的紳士戴著高頂禮帽，配上一襲深色調(diào)的正裝在品讀今天剛剛出版的《泰晤士報(bào)》，而女士們則身著束腰的長裙，一邊品嘗著英倫格調(diào)的下午茶，一邊還要手捧當(dāng)時(shí)的暢銷書《簡·愛》，含英咀華。工業(yè)革命的浪潮使這個(gè)位于歐洲大陸外的島國獲得了巨大的財(cái)富，也帶來了文化的空前繁榮，幾乎在人類的各個(gè)領(lǐng)域都站在了當(dāng)時(shí)的“世界之巔”。
當(dāng)時(shí)的人們不止在生活方式上優(yōu)雅時(shí)尚，略有經(jīng)濟(jì)余力的，還紛紛把興趣放在科學(xué)研究上，要么花“巨資”購買昂貴的儀器，要么干脆親自上陣，自制科學(xué)儀器進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)?？诸D (Richard C. Carrington) 就是這樣一個(gè)深諳科學(xué)時(shí)尚的達(dá)人，他于1853年在距離倫敦30公里的薩里郡紅土崗村(Redhill, Surrey)自家別墅上花費(fèi)5000英鎊[2]（簡·愛作為當(dāng)時(shí)的一個(gè)私人家庭教師，年收入僅為30英鎊）建了一座私人天文臺(tái)（圖1），開始“仰觀宇宙之大，俯察品類之盛[3]”。
圖1. 紅土崗天文臺(tái)掠影（圖源：https://www.sciencemuseum.org.uk/objects-and-stories/how-does-space-weather-affect-earth）
在最初6年堅(jiān)持不懈的觀測中，他利用昂貴的望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了白天測日，晚上觀星的 “24小時(shí)不間斷觀測”，這看似循規(guī)蹈矩的觀測活動(dòng)，到了9月1日，一切就要變了。前幾天太陽上已經(jīng)出現(xiàn)了巨大的黑子群，他連續(xù)忙了幾天手繪黑子的工作，但是對(duì)于一個(gè)樂此不疲而又技巧嫻熟的人來說，與其說是辛苦，不如說是快樂（手繪黑子是太陽研究的傳統(tǒng)工作，在照相術(shù)廣泛應(yīng)用于天文學(xué)前，是第一手的“圖像”數(shù)據(jù)資料，我國的云南天文臺(tái)和青島觀象臺(tái)一直保持著這個(gè)傳統(tǒng)，圖2）。
圖2. 手繪黑子圖云南天文臺(tái)（上），青島觀象臺(tái)（下）[4](圖源：云南天文臺(tái)/青島觀象臺(tái))
“三臺(tái)演義”
今天早晨起來，卡林頓照例把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)太陽，然后把太陽的白光像投射到一個(gè)預(yù)先畫好坐標(biāo)的白紙上，描起黑子來。這天的黑子依舊非常大，需要花費(fèi)一定的時(shí)間，一直描到接近中午。然而，突然間，在黑子區(qū)域出現(xiàn)兩團(tuán)閃光，而且在不停的閃耀。起初，卡林頓懷疑是由于儀器的原因，造成反光，但是當(dāng)排除了其他因素后，他頓時(shí)意識(shí)到這是來自太陽本身的閃耀。他驚奇的意識(shí)到這將會(huì)是一個(gè)大發(fā)現(xiàn)，想出去找個(gè)共同目擊者。但是60秒回來之后，卻發(fā)現(xiàn)兩團(tuán)閃耀已經(jīng)開始變化，而且存在衰減跡象?？诸D憑著記憶迅速的把關(guān)鍵的位置描在了這張紙上，如圖3所示。他同時(shí)記錄了整個(gè)過程經(jīng)歷的時(shí)間，11時(shí)18分開始，11時(shí)23分結(jié)束，大約持續(xù)5分鐘，而且也按照投射的太陽像大小估算了該事件移動(dòng)的距離，大約為35000英里。最后，把這個(gè)手繪圖在11月的例行會(huì)議上展出[5]。
圖3. 閃耀首次出現(xiàn)在A、B位置，消失在C、D位置 (圖源：Carrington C. R. 1859, MNRAS)
非常幸運(yùn)的是，還有另一位“業(yè)余天文學(xué)家”霍奇森(Richard Hodgson)先生也在倫敦北郊Highgate的自家天文臺(tái)里同時(shí)觀測到了這次事件,并在皇家天文學(xué)會(huì)例會(huì)上做了報(bào)告。對(duì)于這次閃耀事件，他不但給出了和卡林頓大致差不多的描述，還增加了對(duì)閃耀顏色和亮度的描述——幾乎可以和織女星（α Lyrae, 天琴座α星）媲美。為了保證彼此觀測發(fā)現(xiàn)的獨(dú)立性，卡林頓小心翼翼地保持著自己的結(jié)果，避免與霍奇森進(jìn)行過多的交流，而是讓彼此獨(dú)立完成論文，提交給皇家天文學(xué)會(huì)會(huì)刊發(fā)表，兩篇文章出現(xiàn)在同一期的前后兩篇[6]。但是需要說明的是，當(dāng)時(shí)霍奇森先生也給大會(huì)提交了一幅手繪圖，可惜不知道因?yàn)槭裁丛?，沒有保存下來，這不得不說是一種遺憾。
當(dāng)時(shí)，在Kew觀象臺(tái)[7](Redhill, Highgate, Kew三處的相對(duì)位置圖，見圖4)里安裝了最新發(fā)明的自動(dòng)地磁記錄儀，卡林頓事件發(fā)生后，地磁儀記錄到了非常大的偏離，如圖5所示，在11點(diǎn)15分的時(shí)候，出現(xiàn)了一次鉤狀起伏(crochet)，18小時(shí)之后，出現(xiàn)了大規(guī)模地磁暴[8] （按照現(xiàn)在的認(rèn)知，第一個(gè)crochet是電離層擾動(dòng)，稱為太陽耀斑效應(yīng)（Solar Flare Effect, SFE））。后世科學(xué)家給出了其地磁暴強(qiáng)度Dst指數(shù)（通過環(huán)電流計(jì)算的地磁指數(shù)）峰值可以達(dá)到-1760nT[9]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過有地磁記錄以來的其他地磁暴。
圖4. 三處確認(rèn)卡林頓事件的觀測地點(diǎn)相對(duì)位置圖（比例尺按照英里計(jì)算），白色星所處的位置為泰晤士河畔威斯敏斯特宮，英國議會(huì)所在地，落成于1858年（圖源：Cliver, E.W., The 1859 space weather event: then and now, Adv. Space Res., 38, 119–129, 2006）
圖5. Kew觀象臺(tái)地磁場矢量的水平分量時(shí)序圖，(圖源：改編自Bartels, J., Solar eruptions and their ionospheric effects – a classical observation and its new interpretation. Terr. Mag. Atmos. Elect. 42, 235, 1937)
能量幾何
這種閃耀，在中國太陽物理學(xué)家的詞典里，有一個(gè)更加深刻的名字——“耀斑”。我們現(xiàn)在可以對(duì)能量做個(gè)簡單的估算，根據(jù)卡林頓提供的手繪圖，耀斑源區(qū)的空間尺度大約為25角秒，持續(xù)時(shí)間約300秒，和織女星的顏色仿佛可以推測其溫度約為104K, 如果按照黑體譜的假設(shè)，那么這次耀斑的熱輻射能量可以按照下式進(jìn)行估算[10]，
將上述參量代入上式中，筆者可以粗略地估計(jì)出卡林頓耀斑的熱輻射能量Q熱≈5.57x1032erg。但是請讀者務(wù)必注意，這樣估算明顯帶有事后諸葛的意味[11]。其他學(xué)者通過對(duì)電離層騷擾的強(qiáng)度推斷出，卡林頓耀斑的軟X射線峰值流量大約與X45±5級(jí)耀斑相當(dāng)[12]。
5.57x1032erg，這個(gè)能量值是什么概念呢？在討論較大的能量時(shí)，很多作者樂于使用原子彈，氫彈當(dāng)作量詞來換算。但是筆者認(rèn)為，除了二戰(zhàn)中在廣島、長崎遭遇過核爆炸的幸存者，或者戰(zhàn)后參與過核試驗(yàn)的科研、工程人員，很少有人會(huì)對(duì)核武器爆炸的能量有比較直觀的感性認(rèn)識(shí)。那么我們來做個(gè)接地氣的估算。筆者一直認(rèn)為自己是個(gè)低碳節(jié)能的人，用手機(jī)查了一下過去一年家里的總生活用電量約為1600度，如果按照每戶家庭平均2.5個(gè)人，全球人口約75億來算的話，一個(gè)相對(duì)環(huán)保的全球每年生活用電量約為
也就是說，如果卡林頓耀斑的熱輻射能量全部轉(zhuǎn)化為全球生活用電的話，那么我們可以免費(fèi)穿越回320萬年前的上新世[13]，為篳路藍(lán)縷的露西們在不斷變冷的夜里點(diǎn)一盞“指路”的明燈[14]。
美遍全球的光舞夜宴
現(xiàn)在我們知道，一次大的太陽爆發(fā)引發(fā)的地磁暴，往往會(huì)伴隨極光的產(chǎn)生。極光是一種在高緯度地區(qū)夜空里絢麗多姿的光影秀[15]，在世界很多國家的歷史文獻(xiàn)中，均有過目視記錄，在西方以羅馬神話中的曙光女神奧羅拉(Aurora)的名字命名。在卡林頓事件發(fā)生前后的幾天時(shí)間里，位于中低緯度地區(qū)的居民驚呼于從未有過的目視極光體驗(yàn),各種報(bào)告見諸于主流媒體。紐約時(shí)報(bào)上有報(bào)道說，波士頓的居民甚至能在晚上閱讀。中低緯度報(bào)道的極光事件，主要有兩次，一次發(fā)生在8月28日，另一次發(fā)生在9月2日。這些報(bào)道，來源于英國倫敦，美國紐約、波士頓，澳大利亞悉尼、墨爾本、霍巴特等地。Elias Loomis教授花費(fèi)了大量時(shí)間和精力搜集各地的極光報(bào)道，最終輯錄成9篇論文，連載于《The American Journal of Science》上。這次極光橫掃中低緯度地區(qū)，達(dá)到墨西哥、古巴、夏威夷等地。其中，最低緯度的記錄來源于圣薩爾瓦多，大概位于北緯13度左右[16]。由于極光過于美麗，激起了很多藝術(shù)家的創(chuàng)作熱情。美國著名詩人William Wallace曾經(jīng)提筆賦詩一首[17]：
. . .O ye wonderful shapes
With your streamers of light
Blazing out o’er the earth
From your ramparts of night;
With your strange hazy hues;
With your swift-changing forms,
Light the red-lightning rush
Of fierce tropic storms –
O ye terrible shapes!
Yet through all still appear
Yonder love-speaking eyes
Of the far starry sphere;
So ‘mid terror, we still
Can a symbol behold
Of the Heavenly Love
In the flame o’er us rolled; Evermore, evermore
Though in mantles of fire,
There are pitying smiles
From our God and our Sire –
O Lights of the North! As in eons ago,
Not in vain from your home do ye over us glow!
而美國著名畫家Frederick Church也受此啟發(fā)，在1865年完成了油畫《Aurora Borealis (北極光)》的創(chuàng)作。筆者曾經(jīng)在參觀史密松美國藝術(shù)博物館(Smithsonian American Art Museum)的時(shí)候，有幸一睹了此作的真容，見圖6。
圖6. 油畫《Aurora Borealis (北極光)》，現(xiàn)藏于史密松美國藝術(shù)博物館。(圖源：https://americanart.si.edu/artwork/aurora-borealis-4806）
話分兩頭，我們把視線轉(zhuǎn)向東方。1859年9月1日，在我國是清咸豐九年八月初四，當(dāng)時(shí)疲弱的晚清政府, 一方面要忙于解決太平天國運(yùn)動(dòng)帶來的 “內(nèi)憂” ，另一方面還要抵御第二次鴉片戰(zhàn)爭中英法聯(lián)軍挑起的“外患”。但是即便如此，認(rèn)真負(fù)責(zé)的地方官員，還是照例在地方志中記錄了當(dāng)時(shí)的所見所聞，參見直隸省正定府《欒城縣志》（今石家莊市欒城區(qū)）：“秋八月癸卯夜，赤氣起于西北，亙于東北，平明始滅[18]。” 和《獲鹿縣志》（今石家莊市鹿泉區(qū)）：“九年，七月夜，紅光起于西北，亙于東北，經(jīng)三夜始散[19]?！?欒城區(qū)和鹿泉區(qū)，都位于河北省石家莊市行政區(qū)域內(nèi)，緯度大約為38度左右，算典型的中緯度地區(qū)，一般來說，也屬于極光很難光顧的地區(qū)。在1859年的日本，雖然德川幕府行將就木，但是在由各地大名支持的官員筆下，也留下了一些寶貴的記錄[20]。
撫今追昔，以史為鑒
在卡林頓事件之后的幾十年里，太陽物理學(xué)家、地磁學(xué)家也從越來越多的樣本中，逐漸加強(qiáng)了太陽耀斑和大型地磁暴之間可能存在的因果關(guān)聯(lián)?！袄^承”卡林頓衣缽的蒙德(Edward Maunder) 巧妙的利用地磁暴27天的重復(fù)暴發(fā)規(guī)律在皇家天文學(xué)會(huì)的一次公開演講中闡述了地磁暴的根源來源于太陽本身[21]。相應(yīng)的，“太陽表面存在磁場”，“太陽耀斑由磁場能量釋放”，這些觀念也呼之欲出?？诸D事件發(fā)生大約50年后，海耳（George Hale）利用塞曼效應(yīng)觀測到了黑子存在磁場[22]，從而基本確定耀斑和磁場能量的釋放有關(guān)，又過了大約50年，在卡林頓事件發(fā)現(xiàn)100年后，英國物理學(xué)家Peter Sweet和美國物理學(xué)家Eugene Parker建立的磁重聯(lián)理論,以及幾年后美籍捷克裔物理學(xué)家Harry Petschek在此之上發(fā)展的快速磁重聯(lián)理論，才對(duì)這一現(xiàn)象給出了合乎邏輯的理論解釋[23,24]。
這次事件對(duì)社會(huì)的影響早有作者提出，并從經(jīng)濟(jì)學(xué)上闡述了對(duì)當(dāng)時(shí)社會(huì)的影響。然而，如果同樣級(jí)別的太陽爆發(fā)事件發(fā)生在電子技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，那么經(jīng)濟(jì)損失將是難以估量的。所以，公眾對(duì)于太陽爆發(fā)活動(dòng)能擁有理性、客觀的認(rèn)識(shí)就顯得格外必要。關(guān)于卡林頓事件的紀(jì)錄片和教學(xué)視頻，互聯(lián)網(wǎng)上出現(xiàn)很多，感興趣的讀者請自行搜索，在此不再贅述。但是值得一提的是，電影《Solar Flare（太陽耀斑）》[25]和小成本制作《The Carrington Event（卡林頓事件）》[26]比較有趣，不妨一看。
筆者并不是科學(xué)史的研究人員，但是筆者還是想根據(jù)自己的主觀想法嘗試著討論一下卡林頓事件發(fā)現(xiàn)的意義。我們看到，卡林頓第一次對(duì)太陽耀斑進(jìn)行了定性的判定，并定量的描述了該現(xiàn)象持續(xù)的時(shí)間，發(fā)生的位置，從而引發(fā)了后代太陽物理學(xué)家對(duì)太陽耀斑的物理參量堅(jiān)持不懈地追求，開啟了太陽爆發(fā)活動(dòng)——日地物理——空間天氣研究的先河[27]，同樣也為恒星耀發(fā)的研究鋪平了道路[28] （可以參見筆者關(guān)于恒星耀發(fā)的文章：恒星耀發(fā)——浩瀚星空里的磁能釋放）。我們也看到，在維多利亞時(shí)代，諸如卡林頓、霍奇森等并非在天文科研機(jī)構(gòu)任職的“業(yè)余天文學(xué)家”依然對(duì)天文學(xué)科的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，是對(duì)專職天文學(xué)家科研工作的有益補(bǔ)充，在天文學(xué)研究的轉(zhuǎn)型期具有里程碑式的意義[29,30]。
一百六十二年過去了，還是不忘對(duì)太陽耀斑這個(gè)“老壽星”道一聲：“生日快樂！”
致謝
感謝國家天文臺(tái)譚寶林研究員通讀全文，并對(duì)一稿二稿提出寶貴修改意見。感謝云南天文臺(tái)陶金萍老師和青島觀象臺(tái)張艷老師提供手繪黑子圖。同時(shí)也不能忘記國家圖書館對(duì)本文的寫作提供了大量英文文獻(xiàn)資料。
參考文獻(xiàn)及注釋：
[1] Hoppen K. T., The mid-Victorian generation, 1846-1886, Oxford: Oxford University Press, 2000
[2] Prosser S., From the collections: Carrington’s flare records, Astron. Geophys. 59(5):9, 2018
[3] 語出東晉王羲之《蘭亭集序》，參見《王羲之<蘭亭序>三種》，上海：上海辭書出版社，2010
[4] 同一黑子群在6天內(nèi)在日面的移動(dòng)過程
[5] Carrington, R.C., Description of a singular appearance seen in the Sun on September 1, 1859, Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 20, 13, 1859
[6] Hodgson, R, On a curious appearance seen in the Sun, Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 20, 15, 1859
[7] 該觀象臺(tái)坐落在倫敦西郊的Kew Garden西南側(cè)，Kew Garden有一個(gè)非常優(yōu)雅的中式譯名“邱園”，但是現(xiàn)在該觀象臺(tái)已經(jīng)變成私人寓所，不再對(duì)外開放
[8] Stewart, B. On the great magnetic disturbance which extended from August 28 to September 7, 1859, as recorded by photography at Kew Observatory. Philos. Trans. 151, 423, 1861
[9] Tsurutani, B.T. et al., The extreme magnetic storm of September 1–2, 1859. J. Geophys. Res. 108 (A7), 1268, 2003
[10] Schroeder, D. V., An introduction to thermal physics, Oxford: Oxford University Press, 2021
[11] 因?yàn)樗固胤?玻爾茲曼定律要等到卡林頓事件發(fā)生20幾年后才分別由斯洛文尼亞裔奧地利物理學(xué)家斯特藩(Jo?ef Stefan) (1879年)和奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann) (1884年)獨(dú)立提出（兩者為師生關(guān)系，均生活在當(dāng)時(shí)的奧地利帝國——奧匈帝國時(shí)期）。
[12] Brodrick, D., et al., X-ray magnitude of the 4 November 2003 solar flare inferred from the ionospheric atten- uation of the galactic radio background, J. Geophys. Res., 110, A09S36, 2005
[13] 上新世（Pliocene）,距今530萬年-距今260萬年的地質(zhì)年代。由英國著名地質(zhì)學(xué)家Charles Lyell于1833年在其經(jīng)典著作《Principles of Geology》中首先提出。
[14] Lucy, 南方古猿骨架標(biāo)本，大約生活在320萬年以前，曾被認(rèn)為是“人類”最早的祖先，現(xiàn)藏于埃塞俄比亞國家博物館。參見Johanson, D.,Wong, K. Lucy's Legacy: The Quest for Human Origins. New York: Crown Publishing Group, 2010
[15] Windridge, M. Aurora: In Search of the Northern Lights, Glasgow:William Collins, 2017
[16] Green, J. L., et al., Eyewitness reports of the great auroral storm of 1859, Adv. Space Res., 38, 145, 2006
[17] Wallace, W., The East Floridian, Issue dated September 15, 1859
[18] 北京天文臺(tái)編，《中國古代天象記錄總集》，南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1988。亙，綿延。平明，天剛亮。
[19]《獲鹿縣志（卷五）·世紀(jì)》(二十)
[20] Hayakawa, H. East Asian observations of low-latitude aurora during the Carrington magnetic storm.Publ. Astron. Soc. Jpn. 68 (6): 99, 2016
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[22] Hale, G. E. On the Probable Existence of a Magnetic Field in Sun-Spots. Astrophys. J. ,28, 315,1908
[23] Priest E., Magnetohydrodynamics of the Sun, Cambridge: Cambridge University Press, 2014
[24] 陳耀，《等離子體物理學(xué)基礎(chǔ)》，北京：科學(xué)出版社，2019
[25] https://www.imdb.com/title/tt1130091/
[26] https://www.imdb.com/title/tt2247254/
[27] 方成，走進(jìn)我們生活的新學(xué)科—空間天氣學(xué)，自然雜志，28，4，194，2006
[28] Yan Y., et al., Characteristic time of stellar flares on Sun-like stars. Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 505, L79, 2021
[29] Chapman, A., The Victorian Amateur Astronomer: Independent Astronomical Research in Britain 1820-1920, Hoboken, NJ:Wiley, 1999
[30] Clark, S., The Sun Kings: The unexpected tragedy of Richard Carrington and the tale of how modern astronomy began, Princeton: Princeton University Press, 2019
后記
卡林頓先生（1826-1875），是一位釀酒商的兒子，早年從劍橋大學(xué)三一學(xué)院數(shù)學(xué)專業(yè)畢業(yè)后，曾經(jīng)在杜倫大學(xué)天文臺(tái)擔(dān)任觀測員，后因與天文臺(tái)管理人員理念二致，從而辭去工作，投身建設(shè)私人天文臺(tái)。在私人天文臺(tái)運(yùn)行期間（1853-1861），同其助手一起編制了《北天極星表》，并積累了7年的太陽黑子觀測資料。在繪制黑子圖的過程中，卡林頓先生發(fā)現(xiàn)了太陽存在較差自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并在斯玻勒之前，發(fā)現(xiàn)了太陽黑子隨緯度的遷移規(guī)律，后因忙于家族產(chǎn)業(yè)，很難平衡釀酒商和天文學(xué)家之間的角色轉(zhuǎn)換，沒有提供完備的數(shù)據(jù)。1861年賣掉天文臺(tái)后，屢次求職不順，外加身患重病，而后又遭遇婚姻不幸，于49歲就走完了自己短暫的一生。
卡林頓先生對(duì)天文學(xué)的摯愛是貫穿一生的。為了天文學(xué)研究，他冷落了家族產(chǎn)業(yè)，耗費(fèi)了大量財(cái)產(chǎn)，甚至犧牲掉自己的健康，日以繼夜的勤奮工作。后來連助手都迫于繁重的工作量而辭職后，他幾乎憑借一己之力繼續(xù)觀測，為后人留下了珍貴的天文遺產(chǎn)。臨終時(shí)，他甚而在遺囑中聲明，要把自己葬在心愛的天文臺(tái)臺(tái)址上。
卡林頓先生于1859年榮獲皇家天文學(xué)會(huì)金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?，后又?864年獲得法國科學(xué)院專門為對(duì)天文學(xué)作出重大貢獻(xiàn)的人而頒發(fā)的拉朗德獎(jiǎng)。后世天文學(xué)界為紀(jì)念他對(duì)太陽物理的卓越貢獻(xiàn)，將太陽大約27天的自轉(zhuǎn)周期命名為“卡林頓周”，也將“卡林頓坐標(biāo)”做為日面位置的一種重要參考方式。但是我們最不應(yīng)該忘記的是，筆者濃墨重彩的，發(fā)生在162年前今天的“卡林頓事件”。
作者：閆巖
文稿編輯：趙宇豪
來源： 光明網(wǎng)
