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治時期，帶著日不落的光環，如日中天，史稱“維多利亞時代”[1]。如果我們此時路過倫敦，你會看到優雅的紳士戴著高頂禮帽，配上一襲深色調的正裝在品讀今天剛剛出版的《泰晤士報》，而女士們則身著束腰的長裙，一邊品嘗著英倫格調的下午茶，一邊還要手捧當時的暢銷書《簡·愛》，含英咀華。工業革命的浪潮使這個位于歐洲大陸外的島國獲得了巨大的財富，也帶來了文化的空前繁榮，幾乎在人類的各個領域都站在了當時的“世界之巔”。
當時的人們不止在生活方式上優雅時尚，略有經濟余力的，還紛紛把興趣放在科學研究上，要么花“巨資”購買昂貴的儀器，要么干脆親自上陣，自制科學儀器進行科學實驗?？诸D (Richard C. Carrington) 就是這樣一個深諳科學時尚的達人，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5000英鎊[2]（簡·愛作為當時的一個私人家庭教師，年收入僅為30英鎊）建了一座私人天文臺（圖1），開始“仰觀宇宙之大，俯察品類之盛[3]”。
圖1. 紅土崗天文臺掠影（圖源：https://www.sciencemuseum.org.uk/objects-and-stories/how-does-space-weather-affect-earth）
在最初6年堅持不懈的觀測中，他利用昂貴的望遠鏡實現了白天測日，晚上觀星的 “24小時不間斷觀測”，這看似循規蹈矩的觀測活動，到了9月1日，一切就要變了。前幾天太陽上已經出現了巨大的黑子群，他連續忙了幾天手繪黑子的工作，但是對于一個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工作，在照相術廣泛應用于天文學前，是第一手的“圖像”數據資料，我國的云南天文臺和青島觀象臺一直保持著這個傳統，圖2）。
圖2. 手繪黑子圖云南天文臺（上），青島觀象臺（下）[4](圖源：云南天文臺/青島觀象臺)
“三臺演義”
今天早晨起來，卡林頓照例把望遠鏡對準太陽，然后把太陽的白光像投射到一個預先畫好坐標的白紙上，描起黑子來。這天的黑子依舊非常大，需要花費一定的時間，一直描到接近中午。然而，突然間，在黑子區域出現兩團閃光，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，但是當排除了其他因素后，他頓時意識到這是來自太陽本身的閃耀。他驚奇的意識到這將會是一個大發現，想出去找個共同目擊者。但是60秒回來之后，卻發現兩團閃耀已經開始變化，而且存在衰減跡象?？诸D憑著記憶迅速的把關鍵的位置描在了這張紙上，如圖3所示。他同時記錄了整個過程經歷的時間，11時18分開始，11時23分結束，大約持續5分鐘，而且也按照投射的太陽像大小估算了該事件移動的距離，大約為35000英里。最后，把這個手繪圖在11月的例行會議上展出[5]。
圖3. 閃耀首次出現在A、B位置，消失在C、D位置 (圖源：Carrington C. R. 1859, MNRAS)
非常幸運的是，還有另一位“業余天文學家”霍奇森(Richard Hodgson)先生也在倫敦北郊Highgate的自家天文臺里同時觀測到了這次事件,并在皇家天文學會例會上做了報告。對于這次閃耀事件，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現的獨立性，卡林頓小心翼翼地保持著自己的結果，避免與霍奇森進行過多的交流，而是讓彼此獨立完成論文，提交給皇家天文學會會刊發表，兩篇文章出現在同一期的前后兩篇[6]。但是需要說明的是，當時霍奇森先生也給大會提交了一幅手繪圖，可惜不知道因為什么原因，沒有保存下來，這不得不說是一種遺憾。
當時，在Kew觀象臺[7](Redhill, Highgate, Kew三處的相對位置圖，見圖4)里安裝了最新發明的自動地磁記錄儀，卡林頓事件發生后，地磁儀記錄到了非常大的偏離，如圖5所示，在11點15分的時候，出現了一次鉤狀起伏(crochet)，18小時之后，出現了大規模地磁暴[8] （按照現在的認知，第一個crochet是電離層擾動，稱為太陽耀斑效應（Solar Flare Effect, SFE））。后世科學家給出了其地磁暴強度Dst指數（通過環電流計算的地磁指數）峰值可以達到-1760nT[9]，遠遠超過有地磁記錄以來的其他地磁暴。
圖4. 三處確認卡林頓事件的觀測地點相對位置圖（比例尺按照英里計算），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觀象臺地磁場矢量的水平分量時序圖，(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，在中國太陽物理學家的詞典里，有一個更加深刻的名字——“耀斑”。我們現在可以對能量做個簡單的估算，根據卡林頓提供的手繪圖，耀斑源區的空間尺度大約為25角秒，持續時間約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，那么這次耀斑的熱輻射能量可以按照下式進行估算[10]，
將上述參量代入上式中，筆者可以粗略地估計出卡林頓耀斑的熱輻射能量Q熱≈5.57x1032erg。但是請讀者務必注意，這樣估算明顯帶有事后諸葛的意味[11]。其他學者通過對電離層騷擾的強度推斷出，卡林頓耀斑的軟X射線峰值流量大約與X45±5級耀斑相當[12]。
5.57x1032erg，這個能量值是什么概念呢？在討論較大的能量時，很多作者樂于使用原子彈，氫彈當作量詞來換算。但是筆者認為，除了二戰中在廣島、長崎遭遇過核爆炸的幸存者，或者戰后參與過核試驗的科研、工程人員，很少有人會對核武器爆炸的能量有比較直觀的感性認識。那么我們來做個接地氣的估算。筆者一直認為自己是個低碳節能的人，用手機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個人，全球人口約75億來算的話，一個相對環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化為全球生活用電的話，那么我們可以免費穿越回320萬年前的上新世[13]，為篳路藍縷的露西們在不斷變冷的夜里點一盞“指路”的明燈[14]。
美遍全球的光舞夜宴
現在我們知道，一次大的太陽爆發引發的地磁暴，往往會伴隨極光的產生。極光是一種在高緯度地區夜空里絢麗多姿的光影秀[15]，在世界很多國家的歷史文獻中，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。在卡林頓事件發生前后的幾天時間里，位于中低緯度地區的居民驚呼于從未有過的目視極光體驗,各種報告見諸于主流媒體。紐約時報上有報道說，波士頓的居民甚至能在晚上閱讀。中低緯度報道的極光事件，主要有兩次，一次發生在8月28日，另一次發生在9月2日。這些報道，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教授花費了大量時間和精力搜集各地的極光報道，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，達到墨西哥、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，激起了很多藝術家的創作熱情。美國著名詩人William Wallace曾經提筆賦詩一首[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，在1865年完成了油畫《Aurora Borealis (北極光)》的創作。筆者曾經在參觀史密松美國藝術博物館(Smithsonian American Art Museum)的時候，有幸一睹了此作的真容，見圖6。
圖6. 油畫《Aurora Borealis (北極光)》，現藏于史密松美國藝術博物館。(圖源：https://americanart.si.edu/artwork/aurora-borealis-4806）
話分兩頭，我們把視線轉向東方。1859年9月1日，在我國是清咸豐九年八月初四，當時疲弱的晚清政府, 一方面要忙于解決太平天國運動帶來的 “內憂” ，另一方面還要抵御第二次鴉片戰爭中英法聯軍挑起的“外患”。但是即便如此，認真負責的地方官員，還是照例在地方志中記錄了當時的所見所聞，參見直隸省正定府《欒城縣志》（今石家莊市欒城區）：“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）：“九年，七月夜，紅光起于西北，亙于東北，經三夜始散[19]。” 欒城區和鹿泉區，都位于河北省石家莊市行政區域內，緯度大約為38度左右，算典型的中緯度地區，一般來說，也屬于極光很難光顧的地區。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，太陽物理學家、地磁學家也從越來越多的樣本中，逐漸加強了太陽耀斑和大型地磁暴之間可能存在的因果關聯。“繼承”卡林頓衣缽的蒙德(Edward Maunder) 巧妙的利用地磁暴27天的重復暴發規律在皇家天文學會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。卡林頓事件發生大約50年后，海耳（George Hale）利用塞曼效應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，又過了大約50年，在卡林頓事件發現100年后，英國物理學家Peter Sweet和美國物理學家Eugene Parker建立的磁重聯理論,以及幾年后美籍捷克裔物理學家Harry Petschek在此之上發展的快速磁重聯理論，才對這一現象給出了合乎邏輯的理論解釋[23,24]。
這次事件對社會的影響早有作者提出，并從經濟學上闡述了對當時社會的影響。然而，如果同樣級別的太陽爆發事件發生在電子技術高度發達的今天，那么經濟損失將是難以估量的。所以，公眾對于太陽爆發活動能擁有理性、客觀的認識就顯得格外必要。關于卡林頓事件的紀錄片和教學視頻，互聯網上出現很多，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。
筆者并不是科學史的研究人員，但是筆者還是想根據自己的主觀想法嘗試著討論一下卡林頓事件發現的意義。我們看到，卡林頓第一次對太陽耀斑進行了定性的判定，并定量的描述了該現象持續的時間，發生的位置，從而引發了后代太陽物理學家對太陽耀斑的物理參量堅持不懈地追求，開啟了太陽爆發活動——日地物理——空間天氣研究的先河[27]，同樣也為恒星耀發的研究鋪平了道路[28] （可以參見筆者關于恒星耀發的文章：恒星耀發——浩瀚星空里的磁能釋放）。我們也看到，在維多利亞時代，諸如卡林頓、霍奇森等并非在天文科研機構任職的“業余天文學家”依然對天文學科的發展做出了重大貢獻，是對專職天文學家科研工作的有益補充，在天文學研究的轉型期具有里程碑式的意義[29,30]。
一百六十二年過去了，還是不忘對太陽耀斑這個“老壽星”道一聲：“生日快樂！”
致謝
感謝國家天文臺譚寶林研究員通讀全文，并對一稿二稿提出寶貴修改意見。感謝云南天文臺陶金萍老師和青島觀象臺張艷老師提供手繪黑子圖。同時也不能忘記國家圖書館對本文的寫作提供了大量英文文獻資料。
參考文獻及注釋：
[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天內在日面的移動過程
[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] 該觀象臺坐落在倫敦西郊的Kew Garden西南側，Kew Garden有一個非常優雅的中式譯名“邱園”，但是現在該觀象臺已經變成私人寓所，不再對外開放
[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] 因為斯特藩-玻爾茲曼定律要等到卡林頓事件發生20幾年后才分別由斯洛文尼亞裔奧地利物理學家斯特藩(Jo?ef Stefan) (1879年)和奧地利物理學家玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann) (1884年)獨立提出（兩者為師生關系，均生活在當時的奧地利帝國——奧匈帝國時期）。
[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260萬年的地質年代。由英國著名地質學家Charles Lyell于1833年在其經典著作《Principles of Geology》中首先提出。
[14] Lucy, 南方古猿骨架標本，大約生活在320萬年以前，曾被認為是“人類”最早的祖先，現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] 北京天文臺編，《中國古代天象記錄總集》，南京：江蘇科學技術出版社，1988。亙，綿延。平明，天剛亮。
[19]《獲鹿縣志（卷五）·世紀》(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
[21] Maunder, E.W. Magnetic disturbances, as recorded at the Royal Observatory, Greenwich, and their association with sunspots. Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 65, 2, 1905
[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，《等離子體物理學基礎》，北京：科學出版社，2019
[25] https://www.imdb.com/title/tt1130091/
[26] https://www.imdb.com/title/tt2247254/
[27] 方成，走進我們生活的新學科—空間天氣學，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，早年從劍橋大學三一學院數學專業畢業后，曾經在杜倫大學天文臺擔任觀測員，后因與天文臺管理人員理念二致，從而辭去工作，投身建設私人天文臺。在私人天文臺運行期間（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，卡林頓先生發現了太陽存在較差自轉現象，并在斯玻勒之前，發現了太陽黑子隨緯度的遷移規律，后因忙于家族產業，很難平衡釀酒商和天文學家之間的角色轉換，沒有提供完備的數據。1861年賣掉天文臺后，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。
卡林頓先生對天文學的摯愛是貫穿一生的。為了天文學研究，他冷落了家族產業，耗費了大量財產，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觀測，為后人留下了珍貴的天文遺產。臨終時，他甚而在遺囑中聲明，要把自己葬在心愛的天文臺臺址上。
卡林頓先生于1859年榮獲皇家天文學會金質獎章，后又于1864年獲得法國科學院專門為對天文學作出重大貢獻的人而頒發的拉朗德獎。后世天文學界為紀念他對太陽物理的卓越貢獻，將太陽大約27天的自轉周期命名為“卡林頓周”，也將“卡林頓坐標”做為日面位置的一種重要參考方式。但是我們最不應該忘記的是，筆者濃墨重彩的，發生在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
