今天是2021年9月1日，星期三，看似平淡無奇，可是如果我們回到162年前，去英國走走，那可能真的要出現另一番景象了。

緣起

1859年，大英帝國正處于漢諾威王朝的維多利亞女王統治時期，帶著日不落的光環，如日中天，史稱“維多利亞時代”[1]。如果我們此時路過倫敦，你會看到優雅的紳士戴著高頂禮帽，配上一襲深色調的正裝在品讀今天剛剛出版的《泰晤士報》，而女士們則身著束腰的長裙，一邊品嘗著英倫格調的下午茶，一邊還要手捧當時的暢銷書《簡·愛》，含英咀華。工業革命的浪潮使這個位于歐洲大陸外的島國獲得了巨大的財富，也帶來了文化的空前繁榮，幾乎在人類的各個領域都站在了當時的“世界之巔”。

當時的人們不止在生活方式上優雅時尚，略有經濟余力的，還紛紛把興趣放在科學研究上，要么花“巨資”購買昂貴的儀器，要么干脆親自上陣，自制科學儀器進行科學實驗。卡林頓 (Richard C. Carrington) 就是這樣一個深諳科學時尚的達人，他于1853年在距離倫敦30公里的薩里郡紅土崗村(Redhill, Surrey)自家別墅上花費5000英鎊[2]（簡·愛作為當時的一個私人家庭教師，年收入僅為30英鎊）建了一座私人天文臺（圖1），開始“仰觀宇宙之大，俯察品類之盛[3]”。

圖1. 紅土崗天文臺掠影（圖源：https://www.sciencemuseum.org.uk/objects-and-stories/how-does-space-weather-affect-earth）

在最初6年堅持不懈的觀測中，他利用昂貴的望遠鏡實現了白天測日，晚上觀星的 “24小時不間斷觀測”，這看似循規蹈矩的觀測活動，到了9月1日，一切就要變了。前幾天太陽上已經出現了巨大的黑子群，他連續忙了幾天手繪黑子的工作，但是對于一個樂此不疲而又技巧嫻熟的人來說，與其說是辛苦，不如說是快樂（手繪黑子是太陽研究的傳統工作，在照相術廣泛應用于天文學前，是第一手的“圖像”數據資料，我國的云南天文臺和青島觀象臺一直保持著這個傳統，圖2）。

圖2. 手繪黑子圖云南天文臺（上），青島觀象臺（下）[4](圖源：云南天文臺/青島觀象臺)

“三臺演義”

今天早晨起來，卡林頓照例把望遠鏡對準太陽，然后把太陽的白光像投射到一個預先畫好坐標的白紙上，描起黑子來。這天的黑子依舊非常大，需要花費一定的時間，一直描到接近中午。然而，突然間，在黑子區域出現兩團閃光，而且在不停的閃耀。起初，卡林頓懷疑是由于儀器的原因，造成反光，但是當排除了其他因素后，他頓時意識到這是來自太陽本身的閃耀。他驚奇的意識到這將會是一個大發現，想出去找個共同目擊者。但是60秒回來之后，卻發現兩團閃耀已經開始變化，而且存在衰減跡象。卡林頓憑著記憶迅速的把關鍵的位置描在了這張紙上，如圖3所示。他同時記錄了整個過程經歷的時間，11時18分開始，11時23分結束，大約持續5分鐘，而且也按照投射的太陽像大小估算了該事件移動的距離，大約為35000英里。最后，把這個手繪圖在11月的例行會議上展出[5]。

圖3. 閃耀首次出現在A、B位置，消失在C、D位置 (圖源：Carrington C. R. 1859, MNRAS)

非常幸運的是，還有另一位“業余天文學家”霍奇森(Richard Hodgson)先生也在倫敦北郊Highgate的自家天文臺里同時觀測到了這次事件,并在皇家天文學會例會上做了報告。對于這次閃耀事件，他不但給出了和卡林頓大致差不多的描述，還增加了對閃耀顏色和亮度的描述——幾乎可以和織女星（α Lyrae, 天琴座α星）媲美。為了保證彼此觀測發現的獨立性，卡林頓小心翼翼地保持著自己的結果，避免與霍奇森進行過多的交流，而是讓彼此獨立完成論文，提交給皇家天文學會會刊發表，兩篇文章出現在同一期的前后兩篇[6]。但是需要說明的是，當時霍奇森先生也給大會提交了一幅手繪圖，可惜不知道因為什么原因，沒有保存下來，這不得不說是一種遺憾。

當時，在Kew觀象臺[7](Redhill, Highgate, Kew三處的相對位置圖，見圖4)里安裝了最新發明的自動地磁記錄儀，卡林頓事件發生后，地磁儀記錄到了非常大的偏離，如圖5所示，在11點15分的時候，出現了一次鉤狀起伏(crochet)，18小時之后，出現了大規模地磁暴[8] （按照現在的認知，第一個crochet是電離層擾動，稱為太陽耀斑效應（Solar Flare Effect, SFE））。后世科學家給出了其地磁暴強度Dst指數（通過環電流計算的地磁指數）峰值可以達到-1760nT[9]，遠遠超過有地磁記錄以來的其他地磁暴。

圖4. 三處確認卡林頓事件的觀測地點相對位置圖（比例尺按照英里計算），白色星所處的位置為泰晤士河畔威斯敏斯特宮，英國議會所在地，落成于1858年（圖源：Cliver, E.W., The 1859 space weather event: then and now, Adv. Space Res., 38, 119–129, 2006）

圖5. Kew觀象臺地磁場矢量的水平分量時序圖，(圖源：改編自Bartels, J., Solar eruptions and their ionospheric effects – a classical observation and its new interpretation. Terr. Mag. Atmos. Elect. 42, 235, 1937)

能量幾何

這種閃耀，在中國太陽物理學家的詞典里，有一個更加深刻的名字——“耀斑”。我們現在可以對能量做個簡單的估算，根據卡林頓提供的手繪圖，耀斑源區的空間尺度大約為25角秒，持續時間約300秒，和織女星的顏色仿佛可以推測其溫度約為104K, 如果按照黑體譜的假設，那么這次耀斑的熱輻射能量可以按照下式進行估算[10]，

將上述參量代入上式中，筆者可以粗略地估計出卡林頓耀斑的熱輻射能量Q_熱≈5.57x10³²erg