太空时代之前的探索追忆空间物理的童年（一）

　　作者 | 大雁今天（4月24日）是中国航天日。＂祝融＂探火、＂羲和＂逐日、＂天和＂遨游星际……过去一年，中国航天创造了一个又一个举世瞩目的成就，逐梦星辰的脚步迈得更稳、更远。
　　1970年4月24日21时35分，我国第一颗人造地球卫星东方红1号在酒泉卫星发射中心发射成功，标志着我国进入了太空时代，成为第五个掌握人造卫星技术的国家。这一天也因此被定为我国的航天日。
　　图1. 东方红一号卫星
　　人类第一次发射人造卫星，是在1957年10月4日。苏联将第一颗卫星sputnik号送入轨道，标志着人类进入了太空时代。人类第一次将人造物体加速到环绕地球飞行，使人类第一次获得了从太空视角观察地球的能力，也使人类第一次获得了借助各种仪器探测和了解距离地球几百公里以外的太空环境的能力。1961年4月12日，人类第一名宇航员加加林首次乘坐人造飞船进入太空，环绕地球飞行一圈之后安全返回地面，载人航天的序幕也随之拉开。这一天也因此成为世界航天日。
　　无论是卫星上天，还是载人飞船，都是人类航天史上的重要里程碑，甚至有人把第一颗人造卫星上天作为空间物理学诞生的标志。其实，对于空间物理的一些现象，早在太空时代之前的几百年甚至上千年里，就已经开始了观察和探索。如果说卫星上天是空间物理学的＂成人礼＂，那么人类对空间物理现象的早期观察探索，就是空间物理学的＂童年＂。
　　空间物理学是研究地球附近的太空里发生的物理现象，主要是地球与太阳之间所发生的现象以及它们之间的联系，因此也叫做日地空间物理学。随着人类探索的不断扩展，太阳附近的太空、其他行星附近的太空、以及太阳系外围很远的太空，也都成了空间物理的研究内容。与宏观、可见的天文现象不同，这些物理现象，一般来说是电磁力主导的过程，主要是微观粒子的行为。由于它们一般来说是不发光的，因此是肉眼看不见的。但是极光是一个例外。极光和地磁，是支撑空间物理学童年的两个最重要的现象基础。
　　极光是肉眼可见的、色彩绚丽、形态优美、神秘莫测的发光现象，一般来说发生在南北两极附近的高纬度地区。自从人类出现在地球上，就开始了对星空的观察、思考和探索。同样，自从人类出现在地球上的高纬度地区，也就开始了对极光的观察、思考和探索。
　　在欧洲的斯堪的纳维亚半岛北部，有一片土地叫做拉普兰地区，那里风光秀美，森林茂密，一尘不染，驯鹿遍地。这里生活着的拉普兰人，流传着一个传说，每当狐狸蓬松宽大的尾巴扫过雪地的天空，就会擦出色彩绚丽光带，把漫长的黑夜照亮。这种美丽的光就是北极光。在爱斯基摩人的传说里，极光则是人死后前往天堂的通道和指引，这与《寻秦记》中项少龙试图返回时所穿越的时空通道有些相似。无独有偶，《寻秦记》的故事恰恰是从空间物理讲起的。
　　图2. 绚丽的北极光，酷似狐狸的尾巴。（图片来自网络，致谢原作者）
　　自然现象的发生受自然规律控制，不以人类的认知和意志为转移。在人类出现之前，这个星球就已经是郁郁葱葱、生机勃勃了。在远古时期，人们在生产劳动之余夜观星空，看到星星眨着眼睛，有时候能看到流星。在高纬度地区的人们发现，天空中会有彩色的光带突然出现，左右摇摆，就像仙女的裙摆随风飘曳，又像天神手里的荧光杖来回挥舞。
　　图3. 《竹书纪》年中的极光记录
　　文明诞生以后，尤其是文字的出现，使得人们有机会把这些自然现象记录下来。无论东方文明还是西方文明里，都有疑似极光的记录。这些记录大多为皇权政治服务，且仅限于现象描述。极光在我国古代典籍中被称为 ＂赤气＂、＂五色光＂等等。这些记录大多为皇权政治服务，且仅限于现象描述。相传轩辕黄帝出生前，其母因为看见了＂有大电绕北斗天枢星＂而怀孕，24个月后生下了黄帝。这说明当时可能存在与此相似的自然现象，而这种＂大点绕北斗天枢星＂的现象很可能就是极光。《汉书·天文志》记载：＂孝成建始元年九月戊子，有流星出文昌，色白，光烛地，长可四丈，大一围，动摇如龙虵（蛇）形。有顷，长可五六丈，大四围所，诎折委曲，贯紫宫西，在斗西北子亥间。后诎如环，北方不合，留一合所。＂这里记载了公元前32年西汉孝成帝年间的极光，出现在东北方位（文昌指方位，不是现在的海南文昌），当时误以为极光是流星。最近，日本学者早川河田（Hisashi Hayakawa）考证了我国古代典籍《竹书纪年》中记录的公元前10世纪周昭王时期的极光：＂昭王?年（具体年份缺失），五色光贯紫薇＂，＂夜清，五色光贯紫薇。其年，王南巡不返。＂这比公元前7世纪中东的极光记录还要更早。公元前6世纪，古希腊哲学家芬尼斯的著述中把极光描述成 ＂飘忽移动的火烧云＂。英国皇家爱丁堡天文台用一幅图画描述了1570年1月2日发生的极光，画中最下面是地面的城镇和村庄，上面是云和星星，再往上是用一排沿着弯曲的线条竖直排列的蜡烛，用这些蜡烛来表示的极光。这表明了极光的水平摇摆和竖直的分布形态。这与我国《山海经》中关于烛龙的传说有不谋而合之意，有学者认为山海经中的烛龙所描述的就是当时看到的极光现象。在阿拉斯加实际看到的极光，也具有与弯曲排列的竖直蜡烛相似的形态特点。
　　图4. 阿拉斯加的极光弧，形状很像许多一排弯曲的竖放着的蜡烛。（致谢原作者孙兰）
　　发明了天文望远镜的意大利天文学家伽利略，是真正对极光展开科学思考的人。他认为极光是位于地球影子里的空气上升从而被阳光照亮的缘故，因此称之为＂北极光＂，意即＂北方的黎明＂。后来，法国天文学家伽桑狄（Gassendi）觉得极光在相距很远的两个地方看起来形态差不多，说明它一定很高。法国的哲学家和数学家笛卡尔（René Decartes）认为，既然发生在北方，极光应该是北方高纬度寒冷地区高空中的冰晶反射导致的。其实这种解释与80公里高空中的夜光云却异曲同工。哈雷（Edmund Halley）在亲眼看到极光后，断定极光是沿着地球磁场方向的。这一点与爱丁堡天文台图画中的竖直烛火一致。1731年，法国哲学家麦然（de Mairan）批评了哈雷的观点，认为极光是与太阳大气以及太阳黑子相连接的。这些想法，有的是基于观测的，有的是基于哲学思考的。太空时代以来的研究表明，极光确实是与太阳黑子有关的，科学证实了哲学家的想法。
　　相比于北极光，南极光的记录则凤毛麟角。这可能是由于古代文明多在北半球分布的原因。英国探险家库克（James Cook），在1768年受英王之命出征，试图找到传说中的南极大陆。这次探险选择西线，在经由南大西洋、绕过南美洲最南端的合恩角、进入南太平洋、环绕新西兰、靠近了澳大利亚东岸之后，库克的船队向印度尼西亚的雅加达进发。在1770年9月15日经过东帝汶所在的帝汶岛时，库克被夜间出现的绚丽南极光所吸引，一直看到晚上两三点钟。1772年7月13日，库克第二次受英王之命出征寻找南极大陆。这次探险选择东线，在绕过好望角之后进入南印度洋，向东南航行，穿越了南极圈之后，又回到南纬60度附近。1773年2月8日夜间，库克再次看到了南极光。按照现在已经知道的极光的分布规律，南极光和北极光应该发生在围绕南、北磁极点周围的一个卵形极光带里。可是纬度很低的帝汶岛为什么也能看到南极光呢？那是因为在1770年发生了超强太阳风暴，太阳黑子耀斑活动异常剧烈，持续时间也长，卵形极光带向低纬度地区扩展所致。既然南极光和北极光在同一场太阳风暴中增强和扩展，也恰好说明它们具有同样的成因，并且在地球磁场中南北对称分布，各自包围着南、北磁极点。
　　图5. 南极上空的极光卵。（图片来自网络，致谢原作者）
　　1859年9月1日，英国绅士卡林顿（Richard Carrington）使用自制的设备观察太阳黑子时，无意间看到太阳日面上突然增亮，现在我们知道是耀斑爆发。18小时后，地球上就发生了极光大爆发，甚至在很多原本看不到极光的低纬度地区，也看到了极光。这就是著名的 ＂卡林顿事件＂。对于这两次太阳风暴引起的极光爆发，我国和其他国家的历史记录都有此次太阳活动和极光活动的记录。我国古籍中的许多疑似极光记录，有一些已经被考证，甚至找到了对应的太阳活动源头记录。在古籍考证方面，我国学者戴念祖系统梳理了我国古代的极光记录，并与西方记录做了对比研究；日本学者也有一些严谨的考证的工作。
　　作为肉眼可见的现象，极光研究是空间物理学的重要组成部分，主要是极光的成因、形态、演化以及对地面的影响。从成因来说，极光是起源于遥远太空的电流在极区大气层里上演的绚丽壮观的高空电影。在电磁力主导下，电子携带电流从沿着地球磁场冲入大气层，再与大气层里的分子、原子碰撞，导致了能级跃迁，释放出特定能量的光子，从而产生了绿色、紫色、红色等不同颜色的光。从远古时期开始人类对极光的观察和思考来看，空间物理学的历史可以追溯到和天文学差不多一样古老，而这些早期的观察，则可以说是空间物理学的童年。
　　既然极光中有电子携带电流，极光爆发必然带来磁场的剧烈扰动。人类对地磁的早期探索，则是空间物理学的另一个现象支撑。且听下回分解。
　　- 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
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