作者 | 大雁
除了絢麗迷人的極光，地磁現象是空間物理的另一個現象支撐。它主要是指地面上的磁場是隨時間變化的，這些變化大多受到太陽活動的影響和控制。
圖1.復原的古代司南模型
人們對地磁現象的認識和利用可以追溯到戰國時期甚至黃帝時期。相傳軒轅黃帝在與蚩尤作戰時，遇到大霧，於是就製作了指南車，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。據章鴻釗編著的《古礦錄》記載，早在戰國時期這裡就出產一種具有「吸力」的石頭，因為慈祥的母親也有「吸力」，所以最早叫做「慈石」，後來隨著漢字的演化而稱為「磁石」。《鬼谷子》記載：「鄭人之取玉也，必載司南之車，為其不惑也。」說明當時人們開採玉石時，已經使用指南車來指示方向。《淮南子說山訓》記載：「磁石可吸鐵，及其於銅，則不行也。」這明確描述了當時對磁石的認知。漢武帝年間，憑藉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「驗了小方」，才被皇帝封為「五利將軍」。東漢時期，王充的《論衡·是應篇》說：「司南之勺，投之於地，其柢指南。」這說明我國在東漢之前甚至更早已經用磁石來指示方向——把磁石打磨成勺子形狀，放在一個標有方位的方形盤上，這就是司南。後來，磁石做成長條形、針形、魚形等，可以用支點、線懸以及水浮等方式來保證磁石的自由轉動，唐代廣泛用於風水學的「堪輿術」，做成標有八卦方位和風水學標識的羅盤，為當時貴族和皇族的大宅、宮殿以及陵墓確定方位。宋代沈括的《夢溪筆談》中，詳細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。水浮多盪搖，指爪及碗唇上皆可為之，運轉尤速，但堅滑易墜，不若縷懸為最善。其法取新渡中獨繭縷，以芥子許蠟綴於針腰，無風處懸之，則針常指南。」這被認為是指南針的最早記錄。而實際上，指南針經歷了長時間的演化，其實際應用的歷史，應該早於《夢溪筆談》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》記述了當時航海時辨認方向的方法：「舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，隱晦則觀指南針。」晚上看星星，白天看太陽，陰天時就靠指南針辨別方向。指南針傳入西方，也被用於航海。12世紀下半葉，英國小鎮聖奧爾本斯有一個叫做尼甘（Alexander Neekan）的和尚，在著作中記載了磁針可以指北，用一個支點把磁針支起來，就可以用來在陰天時指示方向。14世紀的官方記錄表明，歐洲人已經普遍使用指南針來給海上航行的船隻導航。
《夢溪筆談》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磁偏角（北極）向西偏是一致的。歐洲對於磁偏角的認識則晚了300多年。1544年，德國紐倫堡市聖澤巴爾德小鎮的牧師哈特曼（Georg Hartmann）在一封信中記述了測量於1510年的羅馬和紐倫堡的磁偏角分別為東偏6度和10度。
地磁場不僅存在水平面內的磁偏角，而且存在豎直平面內的磁傾角，也就是地磁場方向與水平面的夾角。在這點上，歐洲走在了前面。1576年，英國科學家諾曼（Robert Norman）最早測量了磁傾角。這多多少少為吉爾伯特（William Gilbert）提供了啟發和線索。吉爾伯特本是英國劍橋大學的醫學博士（後來被任命為英國女王伊莉莎白的首席私人醫生），但他長期對磁現象很感興趣。在1600年的《論磁》一書中，他提出地球就是一個大磁體，稱為偶極子磁場，並且給出了不同緯度上的磁場方向。吉爾伯特認為地球磁場是不變的，並且地球在太空中就靠它來定向。而實際上，地球磁場是隨時間變化的，與地球的定向無關。
圖3.地球磁場的偶極子形態。磁場的北極在南半球，磁場的南極在北半球。圖片來源於網絡
過了一個世紀以後，英國科學家哈雷（Edmund Halley），因為發表了地磁理論的論文，而受到英王威廉三世的關注和信任。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行地磁的測量和考察。這是最早的純粹地以科學為目的的考察。在這兩次考察的基礎上，哈雷製作了大西洋的地磁航海圖，最早提供了大範圍的地磁分布情況。
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，有利於發現角度的微小變化
英國鐘錶匠格雷漢姆（George Graham），15歲離開家鄉，到倫敦的一個鐘錶行當學徒，後來不僅成為鐘錶大師，還為哈雷這樣著名的天文學家設計和製造了許多天文儀器。1722年，格雷漢姆無意間發現指南針總是在按照某種規律運動，小磁針在早上和下午、白天和晚上的指向不同。瑞典科學家攝爾修斯(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家。他的助手海奧特（Olof Hiorter）為了進一步弄清楚地球磁場變化的規律和原因，在近三年持續觀測的基礎上，發現了地球磁場的日變化。這是由於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，觀測者隨著地球自轉，就可以在一天裡掃過這樣一個電流渦所產生的磁場，形成了地球磁場的日變化。瑞典地處北歐，靠近北極圈，因此海奧特具備觀測極光的天然條件，而格雷漢姆又善於觀察磁場的細微變化。1741年4月5日，他與倫敦的格雷漢姆在極光爆發中同時觀測極光和地磁場的變化，結果發現地磁場的變化與極光活動有著密切聯繫。這使空間物理的兩大現象支撐第一次聯繫起來，也是我們在前面追溯古代磁石現象的原因。
至此，人類開始對地球上的磁現象由現象認知和簡單應用轉向了科學探索，隨後將在你來我往的質疑、思考和探索中展現科學精神。且聽下回分解。
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大雁，有情懷的空間物理學博士，關注科普的一線科學家。
封面圖片來源於UNPLASH
排版：蘿蔔娟
審核：六朵、蒼翼蝴蝶、淡定珠子
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