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2016-9-8

卡林顿磁暴引发的东亚极光

归档于: 天文空间科学, 史海钩沉 @ 8:45 pm

1859年夏秋之交发生的磁暴是太阳物理研究史上的著名事件,因当时进行了白光耀斑观测的英国天文爱好者理查德·卡林顿(Richard Carrington)而得名。这是历史上第一次对太阳爆发进行的观测,而且可能也是现代科学诞生以来最猛烈的一场太阳风暴,在强度上只有2012年7月底的那次能与之比肩,而且后者并未撞击地球磁层。这次事件对地球磁场带来了全局性的影响,除了刚刚进入工业时代的欧美各国经历了电报失灵乃至发报机电涌之外,各地的地磁计都记录下了强烈的信号,而南至非洲的撒哈拉沙漠乃至美洲的哥伦比亚都报告称看到了极光。

卡林顿在1859年9月1日留下的太阳黑子描图记录,其中A和B表示白光耀斑开始爆发的地方,在5分钟的时间里,亮斑运动到了C和D处,随后消失。

最近arXiv公布的一篇论文就汇总了当年东亚地区对极光的目击报告,补足了对卡林顿事件的历史研究。这篇文章由日本多所大学和研究机构的学者撰写,看所在单位应该是文理科皆有,算是跨学科的研究。由于地磁北极偏向北美一带,东亚地区的磁纬度要比北美同纬度地区为低,所以并不适宜极光的出现。哪怕在中国最北端的漠河,多年来的极光记录也是屈指可数。卡林顿耀斑能够在这里诱发极光,也足见其影响范围之广了。

从1859年8月28日起,太阳上就出现了日渐增多的黑子。8月底,澳大利亚的昆士兰州报告称发现了极光。在卡林顿于9月1日午前记录下白光耀斑爆发后17小时,伴随耀斑而来的日冕物质抛射(CME)撞击地球磁层。这样快的飞行速度对于CME来说也属罕见,可能是8月底诱发澳洲极光的另一起较小规模的CME已经先期为其开路的缘故。由于在目睹耀斑后不久,卡林顿就接到了其他人记录下地磁暴的消息,他得出了地球磁场和太阳活动相关联的正确结论。可惜的是,可能是当时天气不佳的缘故,到目前为止,能确认与卡林顿耀斑成协的东半球极光记载屈指可数。

这篇新论文的作者就梳理了从1859年8月28日到1859年9月4日间中日朝三国的原始文献记录,包括中国的《栾城县志》与《清代起居注·咸丰朝》,日本的《山一金木屋又三郎日记》、《印南町史·依冈宇兵卫諸事控》、《新宫市史·校定年代记》与《平鹿町乡土志·见闻年年手控》,还有朝鲜的《日省录》与《承天院日记》。其中先前已经有学者在《栾城县志》以及日本的几种文献中发现了符合卡林顿磁暴诱发极光的记载。此外,作者还调研了同期日本的一系列日记文档,以图寻找额外的记录,并摸清当年文档作者所在地的天气情况。

搜索结果是,1份中国文献以及6份日本文献中发现了极光的线索。有趣的是,这些档案均属地方志或私人日记,而非《起居注》这种要列入正史的官方记载。同样,朝鲜记录天象变化的官方文档也对极光只字不提。

《栾城县志》中对1859年9月2日极光的记录。

中国出自《栾城县志》的记载原文是“清官咸丰九年…秋八月癸卯夜,赤气起于西北,亘于东北,平明始灭”。地理位置北纬37度53分的栾城县位于河北省,磁纬度在北纬25度多一些的样子。这一条记载对应1859年9月2日晚间的极光,在上世纪80年代就被北京天文台的学者指出过。日本的6条记载分别来自和歌山、青森与秋田等地,纬度范围在北纬33度50分到40度36分之间,对颜色的形容也不乏“赤气”、“赤火”、“薄赤”等形容,跟《栾城县志》的记载在时间和颜色上都很相近。这几处在经度方向覆盖了超过25度。考虑只有在太阳活动较为强烈的情况下,高能粒子才能激发氧原子发出红光,这卡林顿磁暴的强度果然是名不虚传。

东亚观测到的极光向南延伸到了磁纬度的北纬23度左右,与美洲所见的最低磁纬22度相近,由此可以估算出极光椭圆的覆盖区域。印度孟买同期的磁力计测量发现了世界时9月2日凌晨5:30到6:00,以及下午14:30的两个尖峰,分别对应东亚地区9月2日的下午和夜间。其中第二个尖峰应该与东亚的极光记载相吻合。但比较奇怪的是,《印南町史·依冈宇兵卫諸事控》称在当地时间下午太阳落山前看到了“北方云赤”,不过考虑其发生时间,这可能只是日落之前的火烧云而已,不太像是极其罕见的昼间极光。更有意思的是,《新宫市史·校定年代记》中还提到,在此90年前的1770年9月中旬某日,北方也出现了红光。不知这是否也对应当时的某次太阳活动?

孟买磁力计测量到的磁暴与东亚各记载中极光出现时间的比较。由于东亚地区古代使用的是不定时法,其记下的时间与当代的时间度量之间换算不是很严格,只能说这些记载对应的时刻与孟买记录下的第二次磁暴接近。图中还标出了《印南町史·依冈宇兵卫諸事控》所称的太阳落山前的红云。(图片来源:Hayakawa et al. 2016

关于这些文献的可靠性,考虑《栾城县志》成书于1872-1874年间,作者本身可能就目睹过当年的极光事件,所以还是相当可靠的。而编纂于明治年间的《新宫市史·校定年代记》收录了熊本周围一系列的记载,其中的最后一位作者也可能是卡林顿事件的目击者,但详情不明。《印南町史·依冈宇兵卫諸事控》以及《山一金木屋又三郎日记》都属作者身份明确的私人日记,造假的可能性也不大,后者还尤其可贵地保留了众多地区的天气记录。不过《平鹿町乡土志·见闻年年手控》的来源就有些疑问了,其原始作者和写作地都已不可考,所以所列记录究竟是亲眼所见还是耳闻不得而知。这样看来,《栾城县志》与《山一金木屋又三郎日记》的可靠性最好,其次是《印南町史·依冈宇兵卫諸事控》,《新宫市史·校定年代记》再次,又以《平鹿町乡土志·见闻年年手控》最次。

至于朝鲜半岛缺乏极光记录的问题,可能要归因于天气的影响。1859年9月初,朝鲜官方的天气记录是9月2日晴,但前后均为雨天,因此依常理来看2日夜晚很可能也是乌云满天的。日本只有本州岛的关西和歌山与北部的青森一带留下了极光记录,不过通过分析古人的日记,研究者发现当时除了关东、京都、金泽与鹿儿岛之外,日本全境大抵晴好,只是2日晚间可能有云带覆盖了日本中部,所以极光不得一见。

也许关乎卡林顿耀斑更多的记载还散布在一众民间笔记中待考。这场发生在一个半多世纪之前的太阳活动事件之所以至今还吸引着研究者的目光,就是因为它超强的规模以及对地球造成的巨大影响。倘或这场耀斑发生在今天,其造成的直接经济损失恐怕要以万亿美元计算。对它的认识越深入,我们就能越好地了解大型太阳活动的威力,并采取应对的措施。

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