Балфур Стюарт: Физик и метеоролог

Введение

Шотландский физик и метеоролог (1828–1887)

Балфур Стюарт (1 ноября 1828 – 19 декабря 1887) был шотландским физиком и метеорологом. Его исследования в области теплового излучения привели к присуждению ему медали Рамфорда Королевского общества в 1868 году. В 1859 году он был назначен директором обсерватории Кью. Он был избран профессором физики в Оуэнс-колледже в Манчестере и оставался на этой должности до самой смерти, которая наступила недалеко от Дрогеды, в Ирландии, 19 декабря 1887 года. Он является автором нескольких успешных учебников по естествознанию, а также статьи «Земной магнетизм» в девятом издании Британской энциклопедии.

Карьера

Стюарт родился 1 ноября 1828 года в Лондоне, в Лите (к северу от Эдинбурга), сыном Уильяма Стюарта, торговца чаем, и его жены Джейн Клаустон. Его отец занимался бизнесом в Великобритании и Австралии. Он получил образование в Данди. Затем он изучал физику в Университете Сент-Эндрюса и Эдинбургском университете. После обучения физике в Эдинбурге в 1856 году он стал ассистентом Джеймса Дэвида Форбса. Форбс особенно интересовался вопросами тепла, метеорологии и земного магнетизма, и именно этим Стюарт также в основном посвятил себя. Впервые его заинтересовала теплота излучения, и к 1858 году он завершил свои первые исследования в этой области. Это дало замечательное расширение «закона обмена» Пьера Превоста и позволило ему установить тот факт, что излучение не является поверхностным явлением, а происходит во всей внутренней части излучающего тела, и что излучательная и поглощающая способности вещества должны быть равными не только для излучения в целом, но и для каждого его компонента. В знак признания этой работы он получил в 1868 году медаль Рэмфорда Королевского общества, в которое он был избран шесть лет назад. Из других работ, в которых он занимался этим и родственными отраслями физики, можно упомянуть «Наблюдения с жестким спектроскопом», «Нагрев диска быстрым движением в вакууме», «Тепловое равновесие в корпусе, содержащем материю в видимом движении» и «Внутреннее излучение в униаксальных кристаллах». В 1859 году он был назначен директором обсерватории Кью, и там естественно заинтересовался проблемами метеорологии и земного магнетизма. В 1870 году, когда он был очень серьезно ранен в железнодорожной аварии, он был избран профессором физики в колледже Оуэнса в Манчестере и оставался на этом посту до своей смерти, которая произошла около Дрогеды в Ирландии 19 декабря 1887 года. Он был автором нескольких успешных учебников по науке, а также статьи о «Земном магнетизме» в девятом издании Британской энциклопедии. В сотрудничестве с профессором П. Г. Тайтом он написал «Невидимую Вселенную», сначала опубликованную анонимно, которая была предназначена для борьбы с распространенным понятием несовместимости науки и религии. Он отметил, что в то время как «магнитные возмущения необычной силы и очень широкого масштаба» были зафиксированы в различных местах по всему миру, в обсерватории Кью было преимущество самозаписывающих магнитографов, которые позволили «получить непрерывный фотографический регистр состояния трех элементов магнитной силы Земли, а именно, склонения и горизонтальной и вертикальной интенсивности». Стюарт продолжил следующее замечание. Теперь я хочу обратить внимание на некоторые особенности этой магнитной бури. Похоже, что у нас есть два четко выраженных возмущения, каждое из которых началось внезапно и закончилось постепенно, первое из которых началось вечером 28 августа, а второе – рано утром 2 сентября. Поэтому эти два больших возмущения соответствуют по времени двум большим полярным сияниям, о которых уже упоминалось. Второе возмущение было вызвано тем, что теперь известно как событие Кэррингтона, большой солнечной вспышкой, которую Ричард Кэррингтон и Ричард Ходжсон наблюдали телескопом утром 1 сентября 1859 года. Первое возмущение не имело наблюдаемой солнечной активности до его начала. Это может быть связано с тем, что связанное с этим извержение Солнца было либо не замечено оптическими телескопами во время его возникновения, либо потому, что само извержение не произвело оптической, или «белого света», вспышки, как вспышка Кэррингтона, и поэтому было невидимым для оптических телескопов, используемых в то время. На заседании Королевского астрономического общества 11 ноября 1859 года Ричард Кэррингтон представил доклад, в котором описывал свои наблюдения за супервспышкой, произошедшей 1 сентября в 11:18 по Гринвичу, а позже названной в его честь. В том, что, по-видимому, является редакционным дополнением, сделанным после встречи, в скобках было приложено следующее замечание. (Мистер Кэррингтон на ноябрьском собрании Общества представил полную схему солнечного диска того времени и копии фотографических записей изменений трех магнитных элементов, полученных в Кью, и указал, что умеренное, но очень заметное возмущение произошло около 11 часов 20 минут утра 1 сентября, продолжительность которого была короткой; и что приблизительно через четыре часа после полуночи там началась большая магнитная буря, которая в последующих сообщениях была признана значительной как в южном, так и в северном полушариях. Хотя одновременное происшествие может заслуживать внимания, он не хотел бы предполагать, что склоняется к поспешному установлению связи между ними. «Одна ласточка весны не делает».)

Stewart was born on 1 November 1828 at 1 London Row in Leith (north of Edinburgh), the son of William Stewart a tea merchant, and his wife, Jane Clouston. His father was involved in business in Great Britain and Australia. He was educated at Dundee. He then studied Physics at the University of St Andrews, and the University of Edinburgh. Following his studies of physics at Edinburgh, he became assistant to James David Forbes in 1856. Forbes was especially interested in questions of heat, meteorology, and terrestrial magnetism, and it was to these that Stewart also mainly devoted himself. Radiant heat first claimed his attention, and by 1858 he had completed his first investigations into the subject. These yielded a remarkable extension of Pierre Prévost's "Law of Exchanges," and enabled him to establish the fact that radiation is not a surface phenomenon, but takes place throughout the interior of the radiating body, and that the radiative and absorptive powers of a substance must be equal, not only for the radiation as a whole, but also for every constituent of it. In recognition of this work, he received in 1868 the Rumford Medal of the Royal Society, into which he had been elected six years before. Of other papers in which he dealt with this and kindred branches of physics may be mentioned "Observations with a Rigid Spectroscope," "Heating of a Disc by Rapid Motion in Vacuo," "Thermal Equilibrium in an Enclosure Containing Matter in Visible Motion," and "Internal Radiation in Uniaxal Crystals." In 1859 he was appointed director of Kew Observatory, and there naturally became interested in problems of meteorology and terrestrial magnetism. In 1870, the year in which he was very seriously injured in a railway accident, he was elected professor of physics at Owens College, Manchester, and retained that chair until his death, which happened near Drogheda, in Ireland, on 19 December 1887. He was the author of several successful textbooks of science, and also of the article on "Terrestrial Magnetism" in the ninth edition of the Encyclopædia Britannica. In conjunction with Professor P. G. Tait he wrote The Unseen Universe, at first published anonymously, which was intended to combat the common notion of the incompatibility of science and religion. A devoted churchman, He noted that while "magnetic disturbances of unusual violence and very wide extent" were recorded in various places around the world, the Kew Observatory had the benefit of self recording magnetographs, which allowed "the means of obtaining a continuous photographic register of the state of the three elements of the Earth’s magnetic force—namely, the declination, and the horizontal and vertical intensity." Stewart went on the make the following observation. I now proceed to notice some of the peculiarities of this magnetic storm. It appears that we have two distinct well marked disturbances, each commencing abruptly and ending gradually, the first of which began on the evening of August 28 and the second on the early morning of September 2. These two great disturbances correspond therefore in point of time to the two great auroral displays already alluded to. The second disturbance resulted from what is now known as the Carrington Event, a large solar flare that Richard Carrington and Richard Hodgson observed telescopically on the morning of 1 September, 1859. The first disturbance had no observed solar activity prior to its onset. This could be because the associated solar eruption was either unobserved by optical telescopes at the time of its occurrence, or because the eruption itself did not produce an optical, or "white light", flare like the Carrington flare and was therefore invisible to the optical telescopes in use at the time. At the 11 November 1859 meeting of the Royal Astronomical Society, Richard Carrington presented a paper describing his observations of the super flare that occurred on 1 September, at 11:18 GMT and later named in his honor. In what appears to be an editorial addition made after the meeting the following observation was appended in parentheses. (Mr. Carrington exhibited at the November Meeting of the Society a complete diagram of the disk of the sun at the time, and copies of the photographic records of the variations of the three magnetic elements, as obtained at Kew, and pointed out that a moderate but very marked disturbance took place at about 11h 20m A. M., Sept. 1st, of short duration; and that towards four hours after midnight there commenced a great magnetic storm, which subsequent accounts established to be considerable in the southern as in the northern hemisphere. While the contemporary occurrence may deserve noting, he would not have it supposed that he even leans towards hastily connecting them. “One swallow does not make a summer.”)

Из этого дополнения ясно, что Ричард Кэррингтон не был готов профессионально связывать магнитное возмущение с событием, которое он наблюдал на поверхности Солнца, даже несмотря на то, что они произошли почти одновременно. Он действительно продемонстрировал магнитограммы на заседании Королевского астрономического общества. Время 11:20 по Гринвичу хорошо согласуется с другими сообщениями, но время 4:00 по Гринвичу 2 сентября 1859 года для начала магнитной бури на час раньше, чем сообщил Стюарт. Стюарт также сообщил, что SFE – это внезапные ионосферные возмущения, вызванные рентгеновским и экстремальным ультрафиолетовым (EUV) излучением, усиливающим вихри ионосферного тока, ответственные за регулярные суточные вариации, наблюдаемые на магнитограммах. SFE чаще всего наблюдаются в местах, близких к точке подсолнца (т.е. точка на Земле, когда Солнце находится в зените), и могут наблюдаться только со станций в освещенном Солнцем полушарии в момент солнечной вспышки. Используя время Стюарта, КМО, связанное с событием Кэррингтона, достигло Земли через 17 часов 45 минут. Стюарт сообщил, что первая геомагнитная буря началась в 22:30 по Гринвичу вечером 28 августа 1859 года, как зафиксировано самозаписывающими магнитографами в обсерватории Кью. Предполагая, что первая крупная геомагнитная буря была вызвана солнечным извержением, сопоставимым по масштабу с событием Кэррингтона, которое, как известно, вызвало вторую бурю, интересно спросить, наблюдается ли SFE в записях магнитографов Кью до начала второй бури. Учитывая, что скорости КМО могут сильно варьироваться между солнечными извержениями, даже с аналогичными по размеру вспышками, сигнал SFE может быть не на 17 часов раньше начала первой бури и может быть на 24-48 часов раньше времени начала бури.