太阳和200克朗

 

编译/Syaisyai 整理自Pål Brekke 极光讲座



      当你掏出一张200挪威克朗“科学纸币”付款时,不妨多看一眼这位伟大的科学家与他的成果。他曾7次获得诺贝尔提名,但从未获奖。


      背景中,北极光款款舞动在夜空,北极星闪烁,雪晶象征着冬季,这是一年里北极光的活跃时间(当然,这里也有一些防伪的安全考量)。我们还能在上面找到大名鼎鼎的小熊星座和北斗星。


      挪威科学家克里斯蒂安·伯克兰(Kristian OlafBernhard Birkeland,1867-1917)的肖像印在200克朗纸币的正面。他最负盛名的成就是阐明了极光的原理。他与画家爱德华·蒙克(1000克朗肖像人物)、小说家S. 温斯特(500克朗肖像人物)、女高音歌唱家基尔斯腾·弗拉格丝塔德(100克朗肖像人物)和作家P.C.阿斯别约恩森(50克朗肖像人物) 共同组成挪威第7版纸币的“纸币天团”。




      右下角的插图表现出伯克兰对电流方向的一些思考。极光弧附近的电流平行于地面,而更高处的则沿地球磁场线流动,这些电流被称为“伯克兰电流”。


      纸币的背面以在白天可见的极光为基础。与挪威北岸只在夜晚现形的极光不同,在这片位于北冰洋的挪威斯瓦尔巴群岛上空,我们在白天同样能够观察到极光。




      纸币水印区的插画描绘的便是伯克兰制造出“人工北极光”的“特洛拉”实验装置。当年,伯克兰在实验室中演示了这一过程:来自太阳的带电粒子流穿过宇宙到达地球,在昼半球被地球磁场压缩后,再在夜半球拉伸形成长尾,最终产生了极光。



      挪威科学家克里斯蒂安·伯克兰(Kristian Birkeland)并不是将极光与太阳联系起来的第一人。


      1774年,法国人让·雅克·德迈朗(Jean-Jacques de Mairan)就已经这样做了。这位研究昼夜与生物节律的科学家在物理学的其他几个领域频频跨界,他认为,太阳的大气层和地球通过某种方式相互联系。在当时,这一观点很难被接受。


      极光研究的真正突破,还是来自伯克兰。伯克兰提出,是来自太阳的带电粒子“点亮”了极光。


      为了证明自己的理论,伯克兰制造了一个小型的真空室(其实就是一个真空的玻璃箱子),并用一颗磁化的金属球模拟地球——它被称为“特洛拉”(Terrella,拉丁语,意为“小地球”)。当他以电子刺激特洛拉,引向特洛拉的电子流自动地流向了磁极,同时产生一圈光晕。


      伯克兰由此推断极光的产生也是依据相同的原理——来自太阳的高能带电粒子在到达地球后被地磁场引向极区,在与地球大气层中的原子碰撞中发出光亮。


      而在这些粒子抵达地球以前,它们还有另一段漫漫旅程。一个完整版的极光故事需要从它的源头讲起,那是银河系数以十亿记的星球中普通大小的一颗——太阳。


      太阳如同一个巨型发电厂,其中心温度超过1400万度,高气压下,挤在一起的氢原子发生聚变成为氦原子,释放出的能量从太阳中心向外辐射,在表层形成巨大的漩涡。


      每隔11年,太阳就会经历一段活跃期,即“太阳极大期”,之后的五年是相对稳定的时期,即“太阳极小期”。太阳极大期总是伴随着很多太阳黑子的出现,它们通常在太阳表层由内向外运动的强烈磁场附近,能阻止一些太阳光的逃逸,从而呈现出暗黑的斑点。


      有时,太阳黑子附近的强磁场区域会扭曲和断裂,强烈的爆发会使粒子和X射线加速进入太空(即“太阳耀斑”),释放的能量等同于10亿兆吨TNT爆炸。某些情况下大量气体被掷到太空(即“日冕物质抛射”),喷发而出的数十亿吨粒子速度高达每小时800万公里。


      这些从太阳上层大气射出的超高速带电粒子流就是我们所说的“太阳风”。在太阳极大期,太阳风可能每天发生好几次,有时也会对准地球的方向。


      接下来所发生的正如我们从伯克兰的真空玻璃箱子里看到的那样。当太阳风到达地球,奇怪的事发生了,一个无形的屏障——地球磁场,让这些远道而来的粒子改变了方向,向两极流去。


      地球磁场是连通的,如同一个通道,将气流导向地球白昼那一边的极点,产生白日中的极光,很可惜,我们的眼睛是看不到的。


      接着,地球磁场进一步在地球背面(夜半球那一面)延伸,并终端相连,在好似橡皮筋一样的延展中,粒子流也沿着地磁线流向了处于夜晚的极地区域,它们和地球大气中的原子发生碰撞,如同霓虹灯一般发出光线。至此,我们终可见得夜空中鬼魅一般的极光。


      这一小段极光故事被“记录”在200克朗面额的挪威纸币上,你能在上面看到这位伟大的科学家与他的几项研究成果。但当时的伯克兰一定没有想到,自己的脸竟会出现在一种自己极度缺乏的东西上——当年他为了获得研究极光的资金,发明了线圈炮,和投资者共同组建机械公司,开发了从空气中固氮的伯克兰- 艾德电弧法,并合伙创办了挪威水电集团。

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