作者 | 大雁

除了絢麗迷人的極光，地磁現(xiàn)象是空間物理的另一個(gè)現(xiàn)象支撐。它主要是指地面上的磁場(chǎng)是隨時(shí)間變化的，這些變化大多受到太陽活動(dòng)的影響和控制。

圖1.復(fù)原的古代司南模型

人們對(duì)地磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和利用可以追溯到戰(zhàn)國時(shí)期甚至黃帝時(shí)期。相傳軒轅黃帝在與蚩尤作戰(zhàn)時(shí)，遇到大霧，于是就制作了指南車，用以辨別方向。這種指南車很有可能就是利用了磁石指南的原理。在河北磁縣，有一座磁山。據(jù)章鴻釗編著的《古礦錄》記載，早在戰(zhàn)國時(shí)期這里就出產(chǎn)一種具有“吸力”的石頭，因?yàn)榇认榈哪赣H也有“吸力”，所以最早叫做“慈石”，后來隨著漢字的演化而稱為“磁石”?！豆砉茸印酚涊d：“鄭人之取玉也，必載司南之車，為其不惑也。”說明當(dāng)時(shí)人們開采玉石時(shí)，已經(jīng)使用指南車來指示方向?！痘茨献诱f山訓(xùn)》記載：“磁石可吸鐵，及其于銅，則不行也。”這明確描述了當(dāng)時(shí)對(duì)磁石的認(rèn)知。漢武帝年間，憑借在皇帝面前吹牛可以通神的“膠東宮人”欒大，就是用磁石做成的棋子給皇帝“驗(yàn)了小方”，才被皇帝封為“五利將軍”。東漢時(shí)期，王充的《論衡·是應(yīng)篇》說：“司南之勺，投之于地，其柢指南?！边@說明我國在東漢之前甚至更早已經(jīng)用磁石來指示方向——把磁石打磨成勺子形狀，放在一個(gè)標(biāo)有方位的方形盤上，這就是司南。后來，磁石做成長條形、針形、魚形等，可以用支點(diǎn)、線懸以及水浮等方式來保證磁石的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，唐代廣泛用于風(fēng)水學(xué)的“堪輿術(shù)”，做成標(biāo)有八卦方位和風(fēng)水學(xué)標(biāo)識(shí)的羅盤，為當(dāng)時(shí)貴族和皇族的大宅、宮殿以及陵墓確定方位。宋代沈括的《夢(mèng)溪筆談》中，詳細(xì)記錄了指南針的做法：“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也。水浮多蕩搖，指爪及碗唇上皆可為之，運(yùn)轉(zhuǎn)尤速，但堅(jiān)滑易墜，不若縷懸為最善。其法取新渡中獨(dú)繭縷，以芥子許蠟綴于針腰，無風(fēng)處懸之，則針常指南?！边@被認(rèn)為是指南針的最早記錄。而實(shí)際上，指南針經(jīng)歷了長時(shí)間的演化，其實(shí)際應(yīng)用的歷史，應(yīng)該早于《夢(mèng)溪筆談》的記錄。

圖2.中國科技館華夏之光展廳中的水浮磁魚

1119年，北宋朱彧的《坪洲可談》記述了當(dāng)時(shí)航海時(shí)辨認(rèn)方向的方法：“舟師識(shí)地理，夜則觀星，晝則觀日，隱晦則觀指南針?！蓖砩峡葱切牵滋炜刺?，陰天時(shí)就靠指南針辨別方向。指南針傳入西方，也被用于航海。12世紀(jì)下半葉，英國小鎮(zhèn)圣奧爾本斯有一個(gè)叫做尼甘（Alexander Neekan）的和尚，在著作中記載了磁針可以指北，用一個(gè)支點(diǎn)把磁針支起來，就可以用來在陰天時(shí)指示方向。14世紀(jì)的官方記錄表明，歐洲人已經(jīng)普遍使用指南針來給海上航行的船只導(dǎo)航。

《夢(mèng)溪筆談》中還描述了磁針（南極）“常微偏東，非全南也”，這與我國大部分地區(qū)磁偏角（北極）向西偏是一致的。歐洲對(duì)于磁偏角的認(rèn)識(shí)則晚了300多年。1544年，德國紐倫堡市圣澤巴爾德小鎮(zhèn)的牧師哈特曼（Georg Hartmann）在一封信中記述了測(cè)量于1510年的羅馬和紐倫堡的磁偏角分別為東偏6度和10度。

地磁場(chǎng)不僅存在水平面內(nèi)的磁偏角，而且存在豎直平面內(nèi)的磁傾角，也就是地磁場(chǎng)方向與水平面的夾角。在這點(diǎn)上，歐洲走在了前面。1576年，英國科學(xué)家諾曼（Robert Norman）最早測(cè)量了磁傾角。這多多少少為吉爾伯特（William Gilbert）提供了啟發(fā)和線索。吉爾伯特本是英國劍橋大學(xué)的醫(yī)學(xué)博士（后來被任命為英國女王伊麗莎白的首席私人醫(yī)生），但他長期對(duì)磁現(xiàn)象很感興趣。在1600年的《論磁》一書中，他提出地球就是一個(gè)大磁體，稱為偶極子磁場(chǎng)，并且給出了不同緯度上的磁場(chǎng)方向。吉爾伯特認(rèn)為地球磁場(chǎng)是不變的，并且地球在太空中就靠它來定向。而實(shí)際上，地球磁場(chǎng)是隨時(shí)間變化的，與地球的定向無關(guān)。

圖3.地球磁場(chǎng)的偶極子形態(tài)。磁場(chǎng)的北極在南半球，磁場(chǎng)的南極在北半球。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

過了一個(gè)世紀(jì)以后，英國科學(xué)家哈雷（Edmund Halley），因?yàn)榘l(fā)表了地磁理論的論文，而受到英王威廉三世的關(guān)注和信任。英王給他兩艘科考船，讓他在1698年和1700年分別奔赴北大西洋和南大西洋進(jìn)行地磁的測(cè)量和考察。這是最早的純粹地以科學(xué)為目的的考察。在這兩次考察的基礎(chǔ)上，哈雷制作了大西洋的地磁航海圖，最早提供了大范圍的地磁分布情況。

圖4.中國科技館華夏之光展廳的英國旱羅盤模型。除了指南針較長、較輕之外，盤面還表明了最小為1度的刻度，有利于發(fā)現(xiàn)角度的微小變化

英國鐘表匠格雷漢姆（George Graham），15歲離開家鄉(xiāng)，到倫敦的一個(gè)鐘表行當(dāng)學(xué)徒，后來不僅成為鐘表大師，還為哈雷這樣著名的天文學(xué)家設(shè)計(jì)和制造了許多天文儀器。1722年，格雷漢姆無意間發(fā)現(xiàn)指南針總是在按照某種規(guī)律運(yùn)動(dòng)，小磁針在早上和下午、白天和晚上的指向不同。瑞典科學(xué)家攝爾修斯(Anders Celsius)也注意到這種變化。攝爾修斯就是提出攝氏度的那位科學(xué)家。他的助手海奧特（Olof Hiorter）為了進(jìn)一步弄清楚地球磁場(chǎng)變化的規(guī)律和原因，在近三年持續(xù)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了地球磁場(chǎng)的日變化。這是由于地球上空受到太陽照射而電離的高空大氣中的電離層電流渦造成，觀測(cè)者隨著地球自轉(zhuǎn)，就可以在一天里掃過這樣一個(gè)電流渦所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，形成了地球磁場(chǎng)的日變化。瑞典地處北歐，靠近北極圈，因此海奧特具備觀測(cè)極光的天然條件，而格雷漢姆又善于觀察磁場(chǎng)的細(xì)微變化。1741年4月5日，他與倫敦的格雷漢姆在極光爆發(fā)中同時(shí)觀測(cè)極光和地磁場(chǎng)的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地磁場(chǎng)的變化與極光活動(dòng)有著密切聯(lián)系。這使空間物理的兩大現(xiàn)象支撐第一次聯(lián)系起來，也是我們?cè)谇懊孀匪莨糯攀F(xiàn)象的原因。

至此，人類開始對(duì)地球上的磁現(xiàn)象由現(xiàn)象認(rèn)知和簡(jiǎn)單應(yīng)用轉(zhuǎn)向了科學(xué)探索，隨后將在你來我往的質(zhì)疑、思考和探索中展現(xiàn)科學(xué)精神。且聽下回分解。

– 作者信息 –

大雁，有情懷的空間物理學(xué)博士，關(guān)注科普的一線科學(xué)家。

封面圖片來源于UNPLASH

排版：蘿卜娟

審核：六朵、蒼翼蝴蝶、淡定珠子

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