卡林顿事件(卡林顿事件中国记载)

今天是2021年9月1日星期三。看似平淡无奇，但如果回到162年前，在英国走一走，可能真的是另一番景象。

原因

1859年，大英帝国处于汉诺威王室维多利亚女王统治时期，有着日不落的光环，历史上称之为“维多利亚时代”[1]。如果我们这个时候路过伦敦，你会看到那位头戴礼帽、身穿深色正装的优雅绅士正在看今天刚出版的《泰晤士报》，而女士们则穿着及腰长裙，享受英式下午茶，手里拿着一本中英对照的畅销书《简爱》。工业的浪潮让这个位于欧洲大陆之外的岛国获得了巨大的财富，也带来了文化的前[/k0/]繁荣。几乎在人类的各个领域都站在了当时的“世界之巅”。

那时候的人不仅生活方式优雅时尚，还有点财力。他们也把兴趣放在了科学研究上，要么花巨资购买昂贵的仪器，要么干脆自己上阵，自制科学仪器进行科学实验。理查德·c·卡林顿就是这样一位科学和时尚大师。1853年，他花了5000英镑[2]在自己位于萨里郡雷德希尔的别墅里建造了一座私人天文台(图1)，开始“赞叹宇宙的浩瀚”，该别墅距离伦敦30公里(简·爱当时作为私人导师，年收入只有30英镑)

1.红土岗天文台一瞥(来源:https://www . science museum . org . uk/objects-and-stories/how-does-space-weather-affect-earth)

在坚持不懈观测的前六年，他用昂贵的望远镜实现了白天观测太阳，晚上观星的“24小时不间断观测”，这似乎是一项常规的观测活动。到9月1日，一切都会改变。几天前，太阳上出现了一个巨大的黑子群。他连续几天忙着手绘黑子，但对于一个乐此不疲且技术娴熟的人来说，与其说是辛苦，不如说是快乐。(手绘太阳黑子是太阳研究的传统工作，是摄影技术被广泛应用于天文学之前的第一手“影像”资料。中国的云南天文台和青岛天文台一直保持着这个传统，图2)。

2.手绘黑子图云南天文台(上)、青岛天文台(下)[4](来源:云南天文台/青岛天文台)

三集浪漫

今天早上，像往常一样，卡林顿将望远镜对准太阳，然后将太阳的白光图像投影到一张预先绘制好坐标的白纸上，以追踪太阳黑子。这一天的黑子还是很大的，到将近中午还需要一定的时间。然而，突然，太阳黑子区出现了两道闪光，而且一直亮着。起初，卡林顿怀疑反射是由仪器引起的，但当排除其他因素后，他立即意识到这是太阳本身的照耀。他惊讶地意识到这将是一个重大发现，想出去找一个共同的见证人。但是60秒后，我发现这两个火花已经开始变化，出现了衰减的迹象。卡灵顿凭记忆迅速在这张纸上描出了关键位置，如图3所示。同时，他记录了整个过程的时间，从11点18分开始，到11点23分结束，大约持续了5分钟。此外，根据投影的太阳图像的大小，他估计了事件移动的距离，大约为35，000英里。最后这张手绘在11月的例会上展出[5]。

图3。闪耀首先出现在位置A和B，在位置C和D消失(资料来源:卡林顿C. R. 1859，MNRAS)

幸运的是，另一位“业余天文学家”理查德·霍奇森先生也在他自己位于伦敦北郊海格特的天文台观测到了这一事件，并在皇家天文学会的例会上做了报告。对于这次闪耀事件，他不仅给出了与卡林顿大致相似的描述，还增加了对闪耀颜色和亮度的描述——几乎可以与织女星(α天琴座，α天琴座)相媲美。为了保证彼此观察的独立性，卡灵顿小心翼翼地保存着自己的结果，避免与霍奇森过多交流。而是要求对方独立完成论文，提交给《皇家天文学会杂志》发表。同一期的第一篇和第二篇出现了两篇文章[6]。但是，应该指出，当时霍奇森先生也向会议提交了一份手绘。可惜因为某些原因没有保存下来，不得不说是一种遗憾。

当时，新发明的自动地磁记录仪安装在英国皇家植物园天文台[7](红山、高门和英国皇家植物园的相对位置图见图4)。卡林顿事件后，地磁记录仪记录到了非常大的偏差，如图5所示。11点15分，出现了一个钩针。18个小时后，已经出现了大规模的地磁暴[8](根据目前的认知，最先钩住的是电离层扰动，称为太阳耀斑效应，SFE)。后来的科学家给出，磁暴强度的Dst指数(由环流计算的地磁指数)峰值可达-1760 NT[9]，远超有地磁记录以来的其他磁暴。

图4。确认卡灵顿事件的三个观察地点的相对位置图(比例尺以英里计算)。白星位于泰晤士河上的威斯敏斯特宫，是英国议会的所在地，于1858年完工(资料来源:克利夫，E.W .，1859年空间天气事件:当时和现在，高级空间研究，38，119-129)

图5。英国皇家植物园地磁场矢量水平分量的时间序列图(资料来源:改编自Bartels，j,《太阳喷发及其电离层效应——经典观测及其新解释》。第42，235页，1937年)

能量几何学

这种闪耀在中国太阳物理学家的字典里有一个更深刻的名字——“耀斑”。现在我们可以对能量做一个简单的估计。根据卡灵顿提供的手绘，耀斑源区域的空之间的维度约为25角秒，持续时间约为300秒，织女星的温度似乎估计为104K K左右，根据黑体谱的假设，可以根据下面的公式[10]估算出这次耀斑的热辐射能量。

将上述参数代入上述公式，作者可以大致估算出卡灵顿耀斑的热辐射能量Qheat≈5.57 x 1032 erg，但读者要注意，这样的估算明显隐含着后见之明[11]。还有学者从电离层扰动的强度推断，卡林顿耀斑的峰值软X射线通量与X45±5耀斑的峰值软X射线通量大致相同[12]。

5.57x1032erg，这个能量值是什么概念？在讨论更大的能量时，很多作者都乐于用原子弹氢弹作为量词来转换。但笔者认为，除了二战广岛、长崎遭受核爆的幸存者，或者战后参与核试验的科研人员、工程师，很少有人对核武器爆炸的能量有更直观的感性认识。那我们来做个接地气的估计吧。我一直认为自己是一个低碳节能的人。我用手机查了一下，我家过去一年的生活用电总量是1600度左右。如果平均每户2.5人，全球人口约75亿，那么在一个相对环保的世界里，每年的国内用电量约为

也就是说，如果将卡灵顿耀斑的热辐射能量全部转化为电能供全球生命使用，那么我们就可以免费穿越回320万年前的上新世[13]，在不断变冷的夜晚为露西点亮一盏“指路明灯”[14]。

世界各地的灯光和舞蹈夜宴

现在我们知道，太阳大爆炸引起的地磁暴往往伴随着极光。极光是高纬度地区夜晚[/k0/]的多彩光影秀[15]。世界上许多国家的历史文献中都有直观的记载，它是以西方罗马神话中的利昂娜·奥罗拉命名的。在卡灵顿事件前后的几天里，中低纬度地区的居民惊呼前所未有的视觉极光体验，各种报道出现在主流媒体上。《纽约时报》报道称，波士顿居民甚至可以在晚上看书。中低纬度地区报告了两次极光事件，一次在8月28日，另一次在9月2日。这些报道来自英国伦敦、纽约、波士顿、悉尼、墨尔本、霍巴特和澳大利亚其他地方。Elias Loomis教授花费了大量的时间和精力收集世界各地的极光报告，最终整理出9篇论文，在美国《科学杂志》上连载。极光席卷了中低纬度地区，到达了墨西哥、古巴、夏威夷等地。其中，最低纬度的记录来自圣萨尔瓦多，大概是北纬13度[16]。因为极光太美，激起了很多艺术家的创作热情。美国著名诗人威廉·华莱士曾写过一首诗[17]:

。。。哦，多么美妙的形状

用你的光带

在地球上燃烧

从你黑夜的壁垒中；

带着你奇怪的朦胧色彩；

以你瞬息万变的形式，

点燃红色闪电冲

猛烈的热带风暴——

啊，可怕的形状！

然而通过所有仍然出现

那双爱说话的眼睛

遥远的星空；

所以在恐惧中，我们仍然

一个符号能看见吗

天堂般的爱

在我们身上翻滚的火焰中；永远，永远

虽然身披火衣，

有怜悯的微笑

从我们的上帝和我们的陛下-

啊，北方之光！如同亿万年前一样，

你们在我们身上的光辉不是徒然的！

受此启发，美国著名画家弗雷德里克·丘奇于1865年完成了油画《北极光》。在参观史密森尼美国艺术博物馆时，我有幸看到了这幅作品的真实内容，如图6所示。

6.油画《北极光》，现藏于史密森尼美国艺术博物馆。(来源:https://americanart.si.edu/artwork/aurora-borealis-4806)

在两端，我们把注意力转向东方。1859年9月1日是中国清朝咸丰九年八月初四。当时软弱的晚清政府一方面忙于解决太平天国运动带来的“内忧”，另一方面又在第二次鸦片战争中抵抗英法联军挑起的“外患”。但即便如此，认真负责的地方官员还是照常在地方志中记录了当时的所见所闻。见直隶正定府(今石家庄市栾城区)《栾城县志》:“秋、八月癸卯之夜，赤气始于西北，持续于东北，绝于平明[18]。”以及《获鹿县志》(今石家庄市鹿泉区):“九年，七月之夜，红灯始于西北，持续于东北，三夜后散[19]。”栾城区和鹿泉区位于河北省石家庄市行政区域内，纬度38度左右，属于典型的中纬度地区。一般来说，它们也是极光难以光顾的地区。1859年的日本，虽然德川幕府已经奄奄一息，但在各国名将支持的官员著述中，还是留下了一些有价值的记载[20]。

回顾过去，以史为鉴。

在卡林顿事件后的几十年里，太阳物理学家和地磁学家从越来越多的样本中逐渐强化了太阳耀斑和大型地磁暴之间可能的因果关系。“继承”了卡林顿衣钵的爱德华·蒙德(Edward Maunder)在英国皇家天文学会的一次公开演讲中，巧妙地利用了磁暴的27天重复爆发规律，解释了磁暴的根源来自太阳本身[21]。相应的，“太阳表面有磁场”，“太阳耀斑是由磁场的能量释放出来的”，这些概念也呼之欲出。卡林顿事件后约50年，乔治·黑尔利用塞曼效应[22]观测到太阳黑子中存在磁场，从而基本确认耀斑与磁场能量释放有关。大约50年后，也就是发现卡灵顿事件100年后，英国物理学家彼得·斯威特和美国物理学家尤金·帕克建立了磁场重联理论。而几年后，捷克裔美国物理学家Harry Petschek发展了快速磁重联理论，对这一现象给出了合乎逻辑的理论解释[23，24]。

这个事件对社会的影响作者早就提出来了，对当时社会的经济影响也进行了阐述。但如果在电子技术高度发达的今天发生同等级别的太阳爆炸，经济损失将无法估量。因此，公众有必要对此次太阳喷发有一个理性客观的认识。网上有很多关于卡灵顿事件的纪录片和教学视频。有兴趣的读者自行搜索，这里就不赘述了。不过值得一提的是，低成本制作的电影《太阳耀斑》[25]和《卡林顿事件》[26]更有趣。让我们看一看。

我不是科学史研究者，但还是想根据自己的主观想法，尝试探讨一下卡林顿事件发现的意义。我们可以看到，卡灵顿首次对太阳耀斑做出了定性的判断，定量地描述了这一现象的持续时间和位置，引发了后世太阳物理学家对太阳耀斑物理参数的执着追求，开启了太阳爆发活动-日地物理学-空 [27]之间天气研究的先河，也为恒星辐亮度的研究铺平了道路[28] (27)我们还可以看到，在维多利亚时代， 卡林顿、霍奇森等不在天文研究机构工作的“业余天文学家”仍然为天文学的发展做出了巨大贡献，他们是专职天文学家科研工作的有益补充，在天文学研究的转型期具有里程碑式的意义[29，30]。

一百六十二年后，我还不忘对太阳耀斑的“寿星”说一声“生日快乐”！

表示感谢/感激

感谢国家天文台谭研究员通读全文，并对初稿和二稿提出宝贵的修改意见。感谢云南天文台陶老师和青岛天文台老师提供手绘黑子图。同时，我们不应该忘记，中国国家图书馆为本文的写作提供了大量的英文文献。

参考资料和注释:

[1] Hoppen K. T,《维多利亚时代中期，1846-1886 》,牛津:牛津大学出版社，2000年

[2]普罗瑟，从收集:卡林顿的耀斑记录，阿斯特隆。地球物理学。59(5):9, 2018

[3]东晋王羲之《兰亭集序》，见《王羲之:三种》，上海:上海辞书出版社，2010年。

【4】同一黑子群在太阳表面6天内的移动过程。

[5]卡灵顿，R.C .，描述一个奇异的外观在阳光下看到1859年9月1日，周一。不是。罗伊。阿斯特龙。社会主义者, 20, 13, 1859

[6]霍奇森，R .在《太阳报》上看到的一个奇怪的外表。不是。罗伊。阿斯特龙。社会主义者, 20, 15, 1859

[7]天文台位于伦敦西郊的邱园西南侧。英国皇家植物园有一个非常优雅的中文译名“元秋”，但现在天文台已经成为私人住宅，不再对公众开放。

[8]斯图尔特，b。从1859年8月28日持续到9月7日的大磁扰，由邱园天文台的摄影记录。菲洛斯。反式。151, 423, 1861

[9] Tsurutani，B.T .等人，1859年9月1日至2日的极端磁暴。地球物理学杂志。第108 (A7)号决议，第1268号，2003年

[10]施罗德，D. V .，热物理学导论，牛津:牛津大学出版社，2021

[11]因为斯蒂芬-玻尔兹曼定律是由斯洛文尼亚裔奥地利物理学家约瑟夫·斯蒂芬(1879)和奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼(1884)独立提出的(两人都是师生关系，都生活在当时的奥地利帝国——奥匈帝国)。

[12] Brodrick，d .等人，根据银河射电背景的电离层衰减推断的2003年11月4日太阳耀斑的X射线强度，J. Geophys。2005年第110号决议，A09S36

[13]上新世，距今530万-260万年的地质时代。1833年，英国著名地质学家查理斯·莱尔在其经典著作《地质学原理》中首次提出。

[14]露西，南方古猿的骨骼标本，生活在大约320万年前。她曾被视为“人类”的最早祖先，现藏于埃塞俄比亚国家博物馆。参见Johanson，d .，Wong，K. Lucy的遗产:对人类起源的探索。纽约:皇冠出版集团，2010年。

[15]温德里奇，奥罗拉:寻找北极光，格拉斯哥:威廉·柯林斯出版社，2017年

[16] Green，J. L .等人,《1859年大极光风暴的目击者报告》,高级空间研究，38，145，2006年

[17]华莱士，w .，东佛罗里达，1859年9月15日发行

[18]北京天文台，中国古代天象志集，南京:江苏科学技术出版社，1988。忍，伸。明，天刚亮。

[19]《火炉县志(卷五)世纪卷》(20)

[20] Hayakawa，h.《卡林顿磁暴期间低纬度极光的东亚观测》, Astron出版社。社会主义者日本。68 (6): 99, 2016

21 Maunder，E.W .格林威治皇家天文台记录的磁扰及其与太阳黑子的联系。星期一不是。罗伊。阿斯特龙。社会主义者65, 2, 1905

[22]黑尔，G. E .在太阳黑子磁场的可能存在。天体物理学。1908年第28卷第315页

[23] Priest E,《太阳磁流体力学》,剑桥:剑桥大学出版社，2014

[24]姚晨，等离子体物理基础，北京:科学出版社，2019。

[25]https://www.imdb.com/title/tt1130091/

[26]https://www.imdb.com/title/tt2247254/

[27]方成，走进我们生活的新学科-空间天气科学，自然杂志，28，4，194，2006。

[28]阎焱等，类太阳恒星上恒星耀斑的特征时间。星期一不是。罗伊。阿斯特龙。社会主义者，505，L79，2021

[29]查普曼，a .，维多利亚业余天文学家:1820-1920年英国的独立天文研究，霍博肯，新泽西州:威利，1999年

[30]s . Clark，《太阳王:理查德·卡灵顿的意外悲剧和现代天文学如何开始的故事》，普林斯顿:普林斯顿大学出版社，2019年

附言

卡灵顿先生(1826-1875)，一个酿酒商的儿子，早年毕业于剑桥大学三一学院数学专业，在杜伦大学天文台做观测员。后来，由于与天文台管理层意见不合，他辞去了工作，投身于私人天文台的建设。在私人天文台运行期间(1853-1861年)，他和助手们一起编纂了北天球目录，积累了7年的太阳黑子观测数据。在绘制太阳黑子的过程中，卡林顿先生发现了太阳自转不良的现象，在剧透之前，他发现了太阳黑子随纬度的迁移规律。后来因为忙于家族生意，很难平衡酿酒人和天文学家的角色转换，也没有提供完整的数据。1861年卖掉天文台后，他屡次找不到工作，身患重病，随后又遭遇不幸的婚姻。他在49岁时结束了他短暂的生命。

卡林顿先生对天文学的热爱贯穿了他的一生。为了研究天文学，他荒废了家业，花费了大量财产，甚至牺牲了健康，夜以继日地努力工作。后来，连助手也因工作量过大而辞职，他几乎是一个人继续观测，为后人留下了珍贵的天文遗产。临终时，他甚至在遗嘱中声明，他将把自己埋在心爱的天文台台址。

卡灵顿先生在1859年获得了英国皇家天文学会的金质奖章，随后在1864年获得了法国科学院的拉朗德奖，以表彰那些对天文学做出巨大贡献的人。为了纪念他对太阳物理学的杰出贡献，后来天文学界将太阳自转周期约27天的周期命名为“卡林顿周”，也将“卡林顿坐标”作为太阳表面位置的重要参考。但我们最不应该忘记的是，作者的重头戏发生在162年前的今天“卡灵顿事件”。

作者:闫妍

编辑:赵

资料来源:Guangming.com