太阳王（5）：新耀斑，新风暴，新理解
>> 您正在收听的节目改编自上海教育出版社引进出版的科普书《太阳王》，由英国的斯图尔特·克拉克著，本节目的播出已经获得了上海教育出版社的授权，在此表示感谢。
上期 太阳王（4）：太阳数据管理员 我们说到美国的海耳拍到了完美的太阳耀斑照片，使得他在天文学界一举成名。在这个领域，英国的蒙德则是他的最大竞争对手。两人正式开始了双雄争霸。
蒙德坚定地认为，地球上出现的绚丽极光与太阳耀斑之间有着密切的关系，这种关联的关键就是太阳和地球的磁场。
但就在这个时候，他的对面却突然站出来了一位重量级的反对者，这位反对者是当时科学界的巨星，蒙德在他面前，就好像是小学生在大学生面前一样。这位巨星是谁呢？不是别人，正是大名鼎鼎的开尔文勋爵。
这里插句题外话，我相信很多人都听到过开尔文勋爵这个名字，但这个名字实际上是他晚年被封的贵族姓氏。他的本名叫做威廉·汤姆森。而且勋爵并不是一个具体爵位的名称，大家知道英国的爵位系统是公侯伯子男，除了公爵之外，其他爵位都可以尊称为勋爵。威廉·汤姆森被封的是开尔文男爵。
图：开尔文勋爵
这时的开尔文勋爵是英国皇家学会的会长，这就相当于是中科院的院长，而且年龄也快 70 岁了，在科学界那真的就是德高望重，无论是成就还是名声还是地位，都是蒙德不能望其项背的。
1892年11月30日，他在英国皇家学会的礼堂进行第二次会长致辞，台下坐的满满当当，所有人都毕恭毕敬地倾听这位科学泰斗的发言。开尔文说，他希望能纠正50年来悬而未决的难题，也就是如何理解太阳表面和地球上出现的磁暴之间假定的联系。
他说，自从卡林顿发现的耀斑发生及第一次有人讨论与磁暴的关联以来，苏格兰理论学家麦克斯韦已经发展出一组简洁的数学定律，来描述了电与磁之间的相互关系。开尔文拿出了来自各家天文台的磁场数据，指出磁暴的强度经常超过地球天然磁场的好几倍。之后他开始计算太阳需要耗费多少能量才能在1.5亿千米之外的空间有影响。根据麦克斯韦定律，最大的灾难可能就是太阳的北磁极突然变成南磁极，也就是磁极反转。这会以光速向太空中全方位地爆发磁场冲击波，而磁暴时记录到的能量仅仅是释放到宇宙中真实数量的一小部分。
开尔文算出，即使引起一场地球上的中等规模磁暴，就需要太阳在几个小时内释放出相当于连续4个月正常发光辐射的总能量。如果太阳能发出这么大的能量，除了偶尔出现太阳黑子以外，外观却保持毫无变化，他觉得这样的想法很荒谬。
他说卡林顿发现耀斑可能并不特别，只是像喷泉一样灼热的太阳物质往上喷发，之后再落回太阳表面。不过，这些评论暴露了开尔文并没有读过卡林顿对耀斑的精确描述，而只是基于英国科学促进协会前会长的简短评论。卡林顿曾描写道，耀斑与太阳表面并无连接，因为耀斑在仅仅5分钟的时间里就相对于日面滑过了56000千米的距离（差不多是地球直径的4倍半），太阳表面仍保持没有变化。这个简单的观测证明耀斑只限于在太阳的大气中发生。
开尔文勋爵没有意识到自己的错误，力劝听众忘掉太阳黑子与极光、磁暴的联系，他的评论文章全文发表在了《自然》杂志上，并被广泛传播。
开尔文勋爵的观点是对蒙德的重大打击，而且，开尔文的数学分析看上去也是难以驳斥。但是，蒙德并未因此放弃自己的观点，而是与助手安妮一起，更加努力地寻找耀斑和磁暴之间的证据。
图：安妮·蒙德
蒙德此生最大的收获可能并不是他在天文学上的成就，而是他的助理安妮，因为，安妮也不但成长为了一位训练有素的天文学家，更重要的是，安妮后来还成为了蒙德孩子的继母，关系融洽。安妮不但精通数学，更厉害的是，她还利用光学上的数学定律设计了一种微型广角照相机。虽然镜头直径只有4厘米，但她的计算表明这台相机可以拍下构成银河的众多暗弱恒星。
1898 年，蒙德夫妇带上了这架相机，来到了印度中部平原，追逐日全食。当日全食发生的时候，他们只有两分钟的时间完成工作。队伍里的计时员每十秒钟喊出日全食的剩余时间。蒙德和安妮行动起来，他们看到日冕非常明亮，发出的光比满月还亮。它很活跃，光线伸入太空。安妮恰好拍了一张照片。
图：安妮·蒙德拍摄的日食照片（发光气体伸入太空），伴随的手绘图突出了一些不清晰的细节（图片来源：斯图尔特·克拉克的私人收藏）
她拍到了难得一见的日冕，射入太空的乳白色笔直光线长度是太阳直径的好几倍。安妮用纸笔计算出进入太空最长的流光长度超过960万千米。这个数字激发了蒙德的想象力。
他开始想沿着这些光束倒推回去是不是太阳黑子。或许他妻子拍到的景象就是引起磁暴的太阳光束。他想象太阳转动着把这些光线抛入太空，就好像天上的巨大灯塔。当一束光线正好对着地球时，射线就轰击到地球上，产生磁暴。如果是真的，这就驳倒了开尔文认为太阳的磁能量是均匀辐射进太空的假设。太阳用某种方法把电磁场集中成束，这一点不浪费能量，那么开尔文认为引发磁暴需要大到离谱的能量的观点就站不住了；光束可能射中地球引起磁暴，或者错过地球。但蒙德不知道有什么数学理论是关于这种磁场现象的。没有理论，他对照片的解释就只是猜测。
此时的蒙德并不知道，他想要的理论正在英国剑桥大学的实验室，在发光的真空管和嗡嗡响的发电机之中诞生。
做这个实验的人就是发现电子的约瑟夫·约翰·汤姆孙，因为开尔文勋爵也叫汤姆孙，所以这个汤姆孙在科学史上一般被称为J.J.汤姆孙。他正在研究的是阴极射线，这种神秘的射线带着电荷，沿直线穿过真空玻璃管。一系列实验表明在磁场或电场的作用下阴极射线会改变方向，汤姆孙推测这种神秘的能量束是由大量带负电荷的粒子组成的。他把这些粒子叫做电子。
图：J.J.汤姆孙
麦克斯韦认为电是一种场，像水中涟漪一样向外辐射电能；现在，科学家们却发现，电是由电子来携带的，并且可以像是无数运动的小球一样，可以被发射出去。年纪渐老的开尔文勋爵似乎没注意到这扇通往新世界的窗口，他在 19 世纪与 20 世纪之交写信给英国科学促进协会时，再次对太阳黑子就是磁暴的起源的观点全力开火，完全否认有些意料之外的科学研究能给这种关联提供解释的想法。他甚至愚蠢地宣称：“现在物理学不会再有新发现了。所剩的工作就只是进行越来越精确的测量。”
开尔文勋爵廉颇老矣，而蒙德和安妮却正当年。他们又找到另外一个决定性的证据。他们仔细分析了在 1848 年到 1881 年间，格林尼治天文台的磁场记录仪记录下的 276 次磁暴。
用了8个月的时间，蒙德和安妮仔细核查每一天的太阳黑子记录、磁暴发生的规模和时间。从结果来看，与较强的磁暴相比，较弱的磁暴却不大可能找到类似的关系。有的日子看不到太阳黑子却出现磁暴，有时候出现了黑子群，随之而来的问题是不知道哪一个引发了磁暴。因此，大型太阳黑子显然跟磁暴有关系，却无法得到较小黑子与磁暴的关系。看来蒙德似乎无法证明所有的磁暴都来自太阳。
但是，他们还是找到了证据。1886 年年底，4 次连续的磁暴袭击了地球，每次的间隔时间都为 27 天。详细看了记录后，他发现第二年发生了另一组连续的 4 次磁暴，每次也都相隔 27 天。这个数字很重要，因为从地球上看太阳的平均自转周期就是27天。换句话说，每 27 天，太阳表面的同一位置就会对着地球。这就是蒙德所需要的突破性进展。他立刻意识到，不需要太阳黑子的数据来证明磁暴与太阳的关联，只需要看磁暴的数据就够了。如果他发现磁暴通常以27天周期接连出现，就足以证明太阳是磁暴的根源。在宇宙中没有别的东西以这个特殊的时间周期跟地球步调一致。
27 天的周期也反驳了太阳从整个表面向外辐射磁场的观点，如果那样，磁暴就不会遵循太阳的自转周期。27 天的周期明确指出磁场是从太阳表面上的特定区域成束射出的。
他们发现一旦磁暴从特定的太阳经度爆发出来，就很可能在 27 天后重现。在他们分析的 279 场磁暴中，有三分之一会这样成对出现。其中有 8 个案例随着太阳转动出现了第三次磁暴，有4个案例继续出现了第四次磁暴。在一个特殊的案例中，连续出现了 6 次磁暴，且都遵循着27天的模式。
这正是蒙德驳倒开尔文爵士所需的数学证据。他开始做计算，并要到皇家天文学会和英国天文协会做报告。他获得的突破性进展的消息传开后，很多人对这场向开尔文爵士的直接挑战产生好奇。1904年11月11日星期五下午，他们终于等到了。皇家天文学会会员涌入伦敦皮卡迪利街上的伯灵顿宫，听蒙德讲述他的观点。
在演讲厅内，蒙德对会员讲述他的推理，清楚指出27天的周期使太阳“风暴”和太阳表面的特定区域联系起来。然后他将妻子拍摄的日食照片投影出来，照片展示出日冕的光线延伸到太空中，刚刚获得诺贝尔奖的阿雷纽斯也新提出一个观点，认为带电粒子在某些情况下可能会被太阳吹出来，就像彗星的尾巴。蒙德怀疑这是否就是安妮1898年拍到的东西。然后他展示了另一张安妮于1901年5月18日在毛里求斯拍的日全食照片。这是一张太阳西南位置四分之一局部放大照片，日冕气体像喷泉一样从太阳表面散逸到太空中。
在投影屏幕反射出来的光辉下，蒙德在报告结尾时提出一个大胆的主张：“从我提出的结果来看，我认为我们解决了开尔文勋爵的质疑。”
蒙德的演讲在天文学界引发了巨大的反响，有支持声，当然也有反对声。但是开尔文勋爵却始终保持沉默。他可能是老糊涂了，既不向蒙德让步，也不反驳他。反对者们在接下来的一整年都在喧闹，但蒙德总是能给与有力的回应。
讲完了蒙德的工作，我们该前往美国，去看看另一位逐日者海耳了。
海耳拍到1892年耀斑的照片后，在接下来的10年，他陷入叶凯士天文台的管理工作之中，在太阳研究上没什么突出的成果。
蒙德的研究结果传到了美国，顿时让海耳受到了很大的刺激，他突然就觉得自己落伍了。于是，他决定从叶凯士天文台抽身，到加州去建立一座专门用于太阳研究的天文台以弥补失去的时光。他找到了 30 万美元的投资，位于加州的威尔逊山天文台很快就成形了。他开始重建自己作为世界一流太阳观测专家的名声。他的努力在3年后有了回报，他第一次探测到太阳黑子里的强大磁场。然后在1908年9月10日，他看到太阳黑子上出现的第一波活动。想起1892年的事件，他仔细观察并拍摄了随之而来的太阳耀斑。海耳发布了耀斑爆发的征兆，即特别复杂的太阳黑子周围的云层会越来越亮，其他研究者开始认可这是即将发生耀斑的迹象。1909年5月12日，海耳在威尔逊山的同事拍到刚喷发出来的耀斑，同一年晚些时候在伦敦有人看到另一次耀斑。每一次都在大约一天后出现了强烈的磁暴。
图：威尔逊山天文台
这些一系列的发现，使得耀斑跟磁暴的关系已经板上钉钉了。
自1859年9月1日上午卡林顿在太阳表面看到前所未见的奇异光芒以来，50 年过去了，在两代天文学家的努力下，人类终于认识到。地球并不是太空中孤立的星球，它可能会受到太阳突发情况的影响。太阳上会发生奇特的天气现象，带电粒子形成云团吹过空间，引发磁暴和极光。我们对太阳的认识迈入了一个全新的时代。
随着人类量子理论的发展，我们对微观世界的本质认识有了长足的进步，下面，让我用今天的理论还原一下 1859 年的那天，在太阳上到底发生了些什么：
现在我们知道太阳在日全食时显示的苍白外层大气是由数百万摄氏度的气体组成的。高温使电子脱离原子核，留下一团带有变化的电场和磁场的沸腾物质，被不断地向各个方向吹进太空。这种向外流动的日冕物质被称为“太阳风”，所携带的能量产生了太阳系周围的磁泡。
除了持续的太阳风外，太阳耀斑也会导致日冕粒子强烈爆发。这个现象被称为日冕物质抛射，这种爆发几乎可以肯定就是1860年日食时很多人看到的现象。太阳耀斑及其相关的日冕物质抛射就是地球发生磁暴的原因。
当太阳上带电气体运动产生一个紧压在一起的磁环，磁环穿破太阳表面，就好像毛衣上扯起来的线一样，这时太阳黑子就形成了。在磁环的底部，磁场使气体冷却，看起来就比周围的表面气体暗一些。磁环越强，黑子就越大越暗。卡林顿和蒙德看到复杂的太阳黑子群形成时，他们实际上是见证了磁环的集合。越多磁环穿破太阳表面，太阳黑子群就显得越不规则。磁环受到旁边太阳气体运动的冲击，摇摇晃晃地升高到发光表面数千公里上方，之后缠绕在一起，最终裂解成较小的、更稳定的结构。这时，这些磁环会释放出相当于上百万个原子弹的能量，以太阳耀斑的形式爆发到太空中。
太阳耀斑的辐射只要8分钟就能穿越太阳和地球之间1.5亿公里的距离。大部分的能量由X射线流携带，但在巨大耀斑中，一小部分能量则以可见光的形式发出。这就是发生在1859年9月1日的情形，太阳黑子上方出现了闪耀的白光，让卡林顿吃了一惊。卡林顿看不见的是，X射线携带着耀斑的大部分能量击中了地球。X射线使大气中的粒子带电，改变了地球最上层大气的电磁性质，邱园天文台的磁针记录到了这些变化。卡林顿观测的时间和邱园的记录相吻合，那是因为X射线和白光在同一时间到达地球。
第一次袭击大约几分钟就过去了，邱园的仪器就平静下来了。这是暴风雨前的平静。太阳耀斑冲破太阳的外层大气时，引发了一大团带电粒子云聚集在尾部，开始了一次日冕物质抛射。在接下来的几个小时内，上百亿吨的电子和质子从太阳的外层大气喷出，直接撞向地球。粒子行进的速度比光和X射线慢得多，但仍有每秒 2400 公里的惊人速度，直到 17.5 个小时之后撞到地球。就是这起碰撞引起了空前的极光、磁暴和电报系统上的电流涌动。最终，半天之后，这团粒子云把地球甩在了身后。
这就是 1859 那次空前规模的极光背后的科学真相。幸运的是，那一年，人类才刚刚进入电气时代没有多久，强烈的磁暴并没有对人们的生活造成太大的影响。在此后的 40 多年中，人类对太阳磁暴的威力都缺乏感性的认识，直到 2003 年 10 月末，我们才第一次真正感受到太阳那狂暴的一面。这是怎么一回事呢？咱们下集揭晓答案。
本期节目，我给大家找了一个来自 NASA 的视频，记录的是 2012 年 7 月 19 日太阳爆发 的中等强度的耀斑，同时还发生了令人眼花缭乱的日冕雨现象。