作者 | 大雁
18世纪末19世纪初发起的英国工业革命，不仅开启了人类的大规模工业生产时代，而且对19世纪的科学探索产生了极大的促进和深远的影响。与空间物理密切相关的一系列科学发现，就是在这个时期产生的。
英国著名物理学家和数学家高斯（Johann Carl Friedrich Gauss），号称数学王子。他很小的时候就在数学方面展现出超人的天赋。1833年，高斯提出了球谐分析方法，这种分析方法就是以他的名字命名的高斯分析。1837年，高斯发明了双线磁强计，用以测量磁场的大小。在他的组织领导下，开展了多个地磁台站的组网观测。对这些组网观测数据的高斯分析，使高斯认为地球磁场绝大部分来自地球内部。高斯分析法，可以区分出哪些磁场成份是来自于地球内部的（内源场），哪些磁场成分是来自于地球外部的（外源场）。而这种外源场部分，就是地球磁场随时间变化的那部分，是由地面以上的大气和太空中的电流所产生的，而这些电流大多受到太阳活动的影响和控制。
图1.地球内部和外部的主要电流。其中场向电流是产生极光的电流，与地球夜侧遥远的太空深处的区域相连结；连结场向电流的小箭头表示水平流过电离层电流。这些电流在极光爆发期间大幅度增强，给附近磁场造成剧烈变化。
那时候，德国有一位天文爱好者施瓦贝（Heinrich Samuel Schwabe），他的职业是一名药剂师，但他酷爱天文。当时有人认为，水星内侧还有一个比水星更加靠近太阳的行星，叫做瓦尔甘（Vulcan）。这位业余天文学家就痴迷于寻找这颗传说中的最内侧行星。可是找了20多年，行星没有找到，反而太阳表面的黑子更“抢眼”。这么多年下来，施瓦贝逐渐摸索到了规律，意外地在1846年发现太阳黑子数目存在大约11年的周期性变化。
当时号称“日不落帝国”的英国拥有遍布全球的殖民地，这给英国海军上校沙宾（Edward Sabine）在更广阔区域的组网观测提供了便利，他的地磁台站组网观测甚至延伸到了加拿大多伦多。1852年，沙宾在这些分布在全球各地的地磁台站的数据中发现，地球磁场除了随着昼夜变化的规律，还隐藏着一种更长周期的变化规律，那就是与施瓦贝的太阳黑子变化周期相吻合的变化规律。他据此猜测，太阳的外层有一层活动着的大气层，这里的一些活动可能会给地球磁场带来影响，而这种影响的方式不会改变对地球的热量供给。现在看来，这是多么精彩的预言！可是，很快这种想法就被开尔文(Lord Kelvin)（就是我们在《内卷的泡泡》中介绍的那位英国科学家开尔文勋爵）否定了，因为开尔文认为那只是时间上的巧合罢了，太阳与地球之间，除了光和热的传递，不会有别的物质输送。在1859年著名的卡林顿事件中，太阳突然爆发了耀斑，卡林顿本人看到了太阳表面的突然增亮。大约18小时之后，高速太阳风以每秒2300公里的惊人速度冲击地球磁场，不仅引发了扩展到中低纬度地区的极光爆发，而且还引发了地球磁场的剧烈扰动。记录这种磁场扰动的，就是英国物理学家斯图亚特（Balfour Stewart）。两年后的1861年，周期为几分钟的地磁脉动也由斯图亚特在观测数据中发现。
1897年，英国科学家汤姆森（Joseph John Thompson）发现了阴极射线（即电子），给挪威科学家伯克兰（Kristian Birkeland）很大启发：极光可能是太阳发出的阴极射线。为了证实自己的想法， 1897—1903年间，他冒着严寒，在挪威北部进行了三次极光期间的地磁场测量。伯克兰分析了这些数据之后惊讶地发现，在极光发生期间，极光区南侧和北侧同时发生了显著的磁场扰动，而且扰动的方向正好相反，说明有一个电流在头顶上水平流过。这个水平电流就是极光电集流。而与这个水平电流不可能孤立存在，必然有沿着磁场方向的竖直电流与这个水平电流相连接，他把这种电流称为场向电流。为了进一步证实他的想法，伯克兰在实验室中用磁化的铁球做了一个小地球模型，称为Terrella，相当于小地球里面有一个小磁铁。他把小地球表面涂上荧光粉，放在抽真空的透明玻璃罐中。当阴极射线（也即电子束）入射到小地球模型时，阴极射线受到磁场引导，在小地球的磁极周围，产生了环形发光现象，发光的形态与极光非常相似。在这个实验的基础上，伯克兰认为引起极光的带电粒子是来自太阳的阴极射线。他把这些结果写成论文，投稿给了《自然》杂志，审稿人是卡林顿的学生舒斯特（Arthur Schuster）。舒斯特反驳说：“如果是来自太阳的电子流引起了极光，虽然确实极光是沿着磁场方向的，但是带电微粒之间的排斥力会让它们彼此发散开来，而不是像我们看到的极光那样成束或者成片的聚集在一起，并且如果太阳向地球传送了电子，太阳就会带正电，地球就会带负电，而事实上并没有。”尽管伯克兰在辩解中指出，太阳发出的是正电和负电在一起的中性粒子流（即等离子体，也即太阳风），但文章依然惨遭拒稿。伯克兰受到这次拒稿的打击而没有再投稿，而是把他的观测、实验和想法都写在了他的极光探险报告里。而伯克兰的场向电流，也被后来的卫星证实是对的，并以他的名字命名。
地球磁层是地球磁场在太阳风中吹出来的一个看不见的泡泡，而这个泡泡原型，就是英国科学家查普曼（Sydney Chapman）和他的1927级研究生费拉罗(V. C. A. Ferraro)为了解释地磁暴这样的全球性地面磁场扰动而在1930年提出的“空腔”的概念，后来这个空腔被称为磁层。进入太空时代后，卫星的观测证实这个空腔是存在的。而造成地磁暴的原因，就是来自太阳的带电粒子进入地球磁场所控制的区域，使地球外部的磁层环电流增强的结果。
图2 伯克兰在他的极光探险报告中描绘的极光电集流和场向电流。（致谢Southwood 依据原作重新制作）
就像我们手中的小磁铁一样，地球磁场一般是是看不见的，但地磁场的变化，有时是通过指南针的晃动或指向变化而变得看得见、摸得着。极光是空间物理中最显著的一种发光现象，并且伴随着地球磁场的扰动。这使得人们对地磁现象的探索和对极光的探索几乎同步进行，而且逐渐相互联系起来。就像快乐的童年也会伴随着成长的烦恼一样，人们在对自然现象的认知过程，是在质疑和争论中不断前进的，甚至有的发现是跨界的“歪打正着”。作为空间物理的两个主要的现象支撑，人们在太空时代之前对于极光现象和地磁现象的观察、探索和思考，构成了空间物理的童年。即使是太空时代的今天，地磁场的地面观测对于空间物理学研究仍然具有不可替代的作用。
– 作者信息 –
大雁，有情怀的空间物理学博士，关注科普的一线科学家。
排版 | 萝卜娟
审核 | 六朵、苍翼蝴蝶、淡定珠子
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