科学的科普（18）微观物理（4）射线对气体的影响C

张武昌 2025年1月19日星期日

（一）极光科学早期

极光很早就被高纬度的人类发现，并带来了许多美丽的传说。欧洲3万年前的洞穴壁画中有些图像被认为是描绘极光，亚里士多德在公元前344年对极光有所提及。

但是从科学上对极光进行解释始于伽利略，他提出极光是大气反射阳光造成的。18世纪，风筝捕电者Benjamin Franklin认为极光是因为地球两极是电极，当下雪或潮湿时，空气导电形成极光。

1859年9月的一天，英国天文学家Richard Carrington观察到太阳有两个闪亮的耀斑solarflare，第二天，全球发生了很强的极光，在热带地区都可见。因此，他认为地球上的极光与太阳有关，这是最早使用科学观测资料将太阳活动和极光联系起来（但不是因果）。

（二）伯克兰时代

  1858年，德物理学家普吕克尔利用低压气体放电管研究气体放电时发现了阴极射线，1876年，德国物理学家戈德斯坦将这种射线命名为阴极射线( cathode ray)。

磁层物理的奠基人、世界上第一位空间科学家（the first space scientist）K. Kristian Birkeland克里斯蒂安·伯克兰，1867年12月13日生于挪威奥斯陆，1917年6月15日卒于日本。

1896年，他在一块磁铁附近进行阴极射线实验时，注意到电子导向磁极并在此产生了闪光，很像极光。这一现象启发他提出了他的极光假说auroral hypothesis：极光是由阴极射线被引导到地球磁极后产生的现象，射线很大可能来自太阳。

伯克兰的极光假说不仅提出了极光的原理，还猜出了地球外层空间有大量射线，那时候汤姆逊还没有确定阴极射线是电子，也不知道地外空间有大量离子粒子射线，射线与气体作用产生光，这个假说大大超前了同时代科学家的认知。

为了验证这一假说（假说被验证后才能称为理论），伯克兰在1897-1903年组织了3支北极考察队进行地磁和其他地球物理测量。在1902-1903挪威极光考察队The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903。

伯克兰的验证工作主要来自地球模型试验。1900年-1908年，他做了真空室中模拟日地系统的实验，即著名的地球模型实验，首次在实验室内产生了人工极光。地球模型英文为terrella，是在一个球体内装入条形磁铁模拟地球的磁性特征进行实验的装置，最早由William Gelbert吉尔伯特在研究地球磁场时发明，Terrella最早使用于1613年，意为小地球Earthkin。

伯克兰的模拟装置是将地球模型（内有磁铁模仿地球磁场）放到阴极射线管内，模拟太空带电离子和地球的作用。阴极射线管的体积高达1000 L，电压高达25000伏特。

Birkeland 和助手 Olav Devik 在1000 L宇宙和36 cm地球模型前合影（1913年）。下文中钞票上的实验装置线条图即来此这张照片。

然后阴极射线管工作时，在地球的两极出现了类似极光的现象。

伯克兰用地球模型得出的极光照片

伯克兰还提出了极光为条带形的原因。带电粒子（离子）在地球磁场的引导下进入大气上层，被大气弹回，沿磁力线返回太空，因此形成了一个电流（后来被称为伯克兰电流Birkeland Current）。

Auroral-like Birkeland currents created by scientist Kristian Birkeland in his terrella, featuring a magnetised anode globe in an evacuated chamber

除了发表科学论文之外，伯克兰的工作还有广泛的社会影响。1913年，伯克兰的研究被Aftenposten头版头条介绍。

然而，由于当时不知道地外空间有大量离子粒子射线，射线与气体作用产生光，这个假说大大超前了同时代科学家的认知。

1912年赫斯在《物理学杂志》发表题为“在7个自由气球飞行中的贯穿辐射”的论文，提出大气层外存在穿透性很强的辐射，将空气电离。 “这种迄今为止尚不为人知的东西主要在高空发现……它可能是来自太空的穿透辐射。”

伯克兰的假说在科学界有很强的反对声音。在后来的科学史资料中，许多作者对这些反对声音及其持有者怀有负面的感情，但是我认为这些反对（即使是持有者为了维护自身的学术地位）是科学发现过程中必须的存在，即科学发现必须实证。

对太空中存在大量带电粒子的验证需要等到太空时代。

（三）范艾伦辐射带

1957年是地球物理年，10月4日，苏联发射成功第一个人造卫星斯普特尼克1号（Sputnik-1）。仅仅一个月后，在11月3日，苏联发射了大得多、也更加复杂斯普特尼克2号，在莫斯科国立大学的谢尔盖·韦尔诺夫（Sergei Vernov）领导下，在卫星安装了一根盖革-缪勒管，这是进入太空的第一个科学仪器，测量卫星遭遇的辐射程度。在二战之前的许多年里，韦尔诺夫已经用建在地面上和由气球携带的仪器来研究宇宙射线。

斯普特尼克2号卫星对地球磁场所穿过的区域进行了取样，那些波动是辐射带存在的证据。问题在于，当航天器的弹道将它带离苏联国境时，苏联科学家无法获取卫星数据。苏联科学中存在的全面保密性质使得它不可能与其他那些在地面接收站拾取到卫星传送信号的国家进行协商。澳大利亚科学家就在斯普特尼克2号卫星在远地点掠过澳大利亚上空时记录了卫星的数据，并要求获得密码，以便破译那些数据。苏联人拒绝了。当苏联人要求从澳大利亚人手上获得数据时，澳大利亚人也拒绝了。苏联科学研究就是这样受到“保密”的妨碍。

1958年1月31日，也就是斯普特尼克2号卫星发射升空后的不到3个月，探险者1号卫星进入了环地球轨道。詹姆斯·范艾伦（James Van Allen）和他在艾奥瓦大学的研究团队在探险者1号卫星上安装了盖革-缪勒管。

范艾伦与他的团队比韦尔诺夫和他的同事们更快地意识到，他们从探险者1号卫星上见到的东西是一种全新的自然现象。然而，早些时候，就连范艾伦也误解了数据。在探险者1号卫星上升进入太空的头几分钟内，卫星上的盖革-缪勒管计数器的表现是能够理解的。但是，随后的数据让人困惑：有些阶段的计数率与宇宙射线的预期值相吻合，其他阶段的计数率远远更高，然而在其他时候，计数率跌到了零。信号的频繁遗失（以如今的标准来看，那时卫星的电力传送很弱）和计算卫星轨道的困难使得对那些数据的理解进一步复杂化。范艾伦最初以为他们探测到的是导致极光产生的低能粒子。

　　为何宇宙射线计数率会如此突然地下降，当团队对此迷惑不解时，研究生卡尔·麦基尔韦恩（Carl McIlwain）指出，粒子通量也许在某些地方是如此之高，以至于使得盖革-缪勒管进入饱和状态，这样它就无法区分不连续的脉冲，会彻底停止计数。结果证明，这一领悟是关键所在，麦基尔韦恩在实验室里将一根盖革-缪勒管原型暴露在强烈的X光源面前，确证了这种可能性。他和同事厄尼·雷（Ernie Ray）看见暴露实验的结果后，雷在范艾伦的房门上留下了这句如今成为名言的话――“太空是放射性的”。

　　当然，美国和苏联的研究人员都不相信太空是放射性的；这句话捕捉到了他们的兴奋和坚信，他们相信仪器工作正常。从探险者1号和探险者3号卫星（这颗卫星的发射是在研究人员于1958年4月做出开创性的分析之前）上获得的数据唯一可能的解释就是，卫星在某些轨道上遭遇到极高的粒子通量――这些通量起码是预计从宇宙射线获得的计数率的1 000倍。该年5月，范艾伦在美国地球物理联盟的一次会议上宣布了这一发现。

范艾伦宣布，美国"探险者"号卫星及"先锋号"卫星在地面上空的地磁场内，发现了两条宽大的辐射带。这两条辐射带离地面400英里起，向上延伸至15000英里。这两条辐射带对称于地球赤道排列，且只存在于低磁纬地区上空。基于范艾伦对发现这一辐射带的贡献，科学界将其命名为"范艾伦辐射带"。

早在20世纪初，伯克兰提出太阳在不停地发出带电粒子，这些粒子被地球磁场俘获，束缚在离地表一定距离的高空形成一条带电粒子带。范艾伦终于通过盖革辐射计数器捕捉到了这一信息。为此，1959年，范艾伦还登上了《时代》的封面，评上了美国科学院院士。

"范艾伦带"是太空时代的第一个重要天文发现， "范艾伦辐射带"也衍生出磁层物理这一全新的研究领域，全球共有20多个国家的1000多名科学家在从事该领域的研究。

后来发现了第三条辐射带，但是可能都不稳定存在。1992年2月初，美国和俄罗斯的空间科学家宣布，他们发现了地球的第三条辐射带。新辐射带位于内外范艾伦带当中的位置，是由所谓的反常宇宙线---大部分是丢失一个电子的氧离子构成的。2012年8月30日，双子卫星，发现范艾伦辐射带第三层。距离地球13000-60000 千米，强度比前两层高很多倍。

（四）伯克兰电流

1973年发射的Skylab空间站旨在为宇航员提供研究太阳及其对地球影响的环境。该实验室包括一座阿波罗望远镜- 一个用于观察各种波长的太阳辐射的太阳观测台。在这个空间站观测到了南半球的极光。

NASA astronaut Owen K. Garriott captures stunning view of southern aurora from Skylab 3 space station in 1973. 

根据多年的观测，Clauer 和McPherron (1974)绘制了伯克兰电流的全图。前面Figure 10中的电流只是下图中红框内的一小部分的细节。

Clauer, C. R., and McPherron. R. L., 1974, Mapping the local time universal time development of magnetospheric substorms using mid-latitude magnetic observations, J. Geophys. Res. 79: 2811…

伯克兰的极光理论最终被确认并被科学界所认可接纳。

现在我们知道，极光是范艾伦辐射带的带电粒子在靠近两极的地方进入（相对）低层大气引发气体辉光的现象。

（五）切尔诺贝利的死亡蓝光

1986年4月26日，切尔诺贝利核电站发生事故，放射线使空气中的氮气和氧气分子能量升高，处于激发态，等氮气和氧气分子再回到低能量的常态时，辐射出蓝色辉光。在核电站的上空产生了蓝色光柱。

（六）伯克兰钞票

1994年，伯克兰提出极光假说的100周年时，挪威银行发行了200克朗的纸币，上面印有伯克兰的头像和使用的地球模拟装置，向这位挪威最杰出的科学家致敬。2020年这一版纸币停止印刷。