太空时代之前的探索:回忆太空物理学的童年(三)
18年末09年初发动的英国工业革命，不仅开启了大规模工业生产时代，而且对19年的科学探索产生了巨大的推动和深远的影响。这一时期产生了一系列与空间物理密切相关的科学发现。
约翰·卡尔·弗里德里希·高斯是英国著名的物理学家和数学家，被誉为数学王子。他很小的时候就表现出了超人的数学天赋。1833年，高斯提出球谐分析方法，以他的名字命名。1837年，高斯发明了双线磁力仪来测量磁场。在他的组织领导下，进行了多个地磁台的联网观测。高斯对这些网络观测数据的分析，使得高斯认为地球磁场的大部分来自地球内部。高斯分析可以区分哪些磁场分量来自地球内部(内场)，哪些磁场分量来自地球外部(外场)。这部分外场，也就是地球磁场随时间变化的部分，是由大气和地面以上空间的电流产生的，这些电流大部分受太阳活动的影响和控制。
当时，德国有一位天文爱好者，施瓦贝。他的职业是药剂师，但他热爱天文学。当时有人认为水星内部有一颗比水星更靠近太阳的行星，叫做Voilguin。这位业余天文学家痴迷于寻找这颗传说中最深处的行星。然而，搜寻了20多年，并没有发现这颗行星，反而太阳表面的黑子更加“醒目”。过了这么多年，施瓦贝逐渐摸索出规律，意外地发现太阳黑子的数量在1846年有一个大约11年的周期变化。
当时，被称为“不落帝国”的英国在世界各地都有殖民地，这方便了英国海军上校爱德华·萨宾在更广阔的地区进行联网观测，他对地磁台的联网观测甚至延伸到了加拿大多伦多。1852年，萨宾在分布于世界各地的这些地磁台的数据中发现，地球磁场不仅随昼夜变化，还隐藏着一个更长期的变化规律，即与施瓦贝太阳黑子变化周期一致的变化规律。基于此，他猜测太阳外层存在活跃的大气，这里的一些活动可能会以不会改变地球热量供应的方式对地球磁场产生影响。现在，多么美妙的预言！但是这个想法很快就被开尔文勋爵(我们在《向内的气泡》中介绍的英国科学家开尔文勋爵)否决了，因为开尔文认为这只是时间上的巧合，太阳和地球之间除了光和热不会有其他物质的输送。在著名的1859的卡灵顿事件中，太阳突然爆发出耀斑，卡灵顿本人看到了太阳表面突然变亮。大约18小时后，高速太阳风以每秒2300公里的惊人速度撞击地球磁场，不仅引发了延伸至中低纬度的极光爆发，还引发了地球磁场的剧烈扰动。是英国物理学家鲍尔弗·斯图尔特记录了这种磁场扰动。两年后的1861年，周期为几分钟的地磁脉动也被斯图亚特在观测数据中发现。
1897年，英国科学家约瑟夫·约翰·汤姆逊发现了阴极射线(即电子)，极大地启发了挪威科学家伯克兰:极光可能是太阳发出的阴极射线。为了证明自己的想法，在1897-1903期间，他冒着严寒，在挪威北部极光期间进行了三次地磁场测量。在分析了这些数据后，伯克兰惊讶地发现，在极光期间，极光区的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，这表明有一股电流在头顶水平流动。这个水平电流就是极光电电流集合。不可能脱离这个水平电流孤立存在，必然有一个沿着磁场方向的垂直电流与这个水平电流相连，他称之为场电流。为了进一步证明他的想法，伯克兰在实验室用磁化的铁球做了一个小地球模型，叫做Terrella，相当于小地球里的一个小磁铁。他在小小的地球表面涂上荧光粉，放入抽真空的透明玻璃罐中。当阴极射线(即电子束)入射到小地球模型上时，阴极射线受到磁场的引导，在小地球磁极周围发生环形发光现象，发光形式与极光非常相似。在这个实验的基础上，伯克兰认为造成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，提交给了《自然》。审稿人是亚瑟·舒斯特，卡灵顿的一名学生。舒斯特反驳道:“如果来自太阳的电子流导致了极光，虽然极光确实是沿着磁场的，但是带电粒子之间的斥力会使它们相互发散，而不是像我们看到的极光那样成束或成片地聚集在一起。而如果太阳向地球传输电子，太阳会带正电，地球会带负电，但实际上不是。”虽然伯克兰在答辩中指出，太阳散发出一股带正负电荷的中性粒子流(也就是等离子体，也就是太阳风)，但文章还是被否决了。伯克兰受到这次拒绝的打击，没有再投稿。相反，他在极光探索报告中写下了他的观察、实验和想法。伯克兰的场电流也被后来的卫星证实，并以他的名字命名。
地球的磁层是太阳风中地球磁场吹起的一个看不见的气泡，而这个气泡的原型是英国科学家悉尼·查普曼和他的1927研究生费拉罗在1930年提出的“空腔”概念，用来解释磁暴等全球地面磁场扰动。后来这个概念，进入太空时代后，卫星观测证实了这个空洞的存在。磁暴的成因是来自太阳的带电粒子进入地球磁场控制的区域，使得地球外的磁层电流增大。
就像我们手中的小磁铁一样，地球磁场一般是看不见的，但地球磁场的变化有时通过指南针的晃动或指向的变化变得看得见摸得着。极光是空间物理中最显著的发光现象，它伴随着地球磁场的扰动。这使得人们对地磁现象和极光的探索几乎同步，并逐渐相互关联。就像快乐的童年会伴随成长的烦恼一样，人们对自然现象的认知过程也是在质疑和争论的过程中不断前进的，甚至有些发现是跨界的。作为空间物理的两大主要现象，空间时代之前人们对极光和地磁现象的观察、探索和思考，构成了空间物理的童年。即使在太空时代的今天，地磁场的地面观测仍然在空间物理的研究中发挥着不可替代的作用。
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排版|萝卜卷
审计|六朵花，淡翅蝴蝶，淡定珠
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