如今的佘山地震监测中心站
北京时间2024年5月9日05:01，太阳活动区AR3664（S19W24）爆发了一个X1.0级X射线耀斑，于06:05结束，达到橙色警报级别。受日冕物质抛射的影响，预计10-11日地磁可能达到小地磁暴至大地磁暴水平。
在浏览“地磁暴 嗜睡””地磁暴 失眠“等热搜词条的同时，你是否好奇过我国地磁观测的历史呢?
作为中国地球物理观测启航之地，上海早在150年前就开展了地磁观测工作。
文/刘子一
上海市地震局信息中心（应急服务中心）副主任，主要从事防震减灾科学传播研究。
上海市蒲西路166号上海市气象局内坐落着一幢三层法式老建筑，它落成于1901年，落成时名为“徐家汇观象台”。100多年间，伴随扩建和迁址，气象、天文、地磁和地震观测工作在这里逐步开展。这座由法国天主教会建立的观象台见证了现代地球物理观测在中国的发展。
01
开创先河
上海地处西伯利亚-菲律宾和印度-中国-太平洋关岛海域的两大大气环流的交汇地域，是离环太平洋地震带西支中部最近的沿海城市，又位于地磁太阳静日变化北半球高空电流体系焦点常驻的纬度带上，这样有利的地理位置使上海成为东亚重要的地球物理综合观测基地。
1843年，上海开埠，成为国际通商口岸，大批欧洲传教士涌入中国。1872—1873年，法国天主教会根据“在江南教区进行科学与文化研究”的计划，选址上海徐家汇，建立了徐家汇观象台。
▲徐家汇观象台
在这座当时仅有两层、共五开间的简易平房里，法国传教士在上海开始了观天测地的科研工作。首先开展的是气象和天文观测，之后为了更全面地研究地磁场在全球各地区的分布，以及满足交通运输的需要，1874年观象台内设立地磁部，开始进行地磁观测。徐家汇观象台的第一任台长能恩斯神父当时就利用一台小小的地磁仪进行观测，并将有关磁偏角变化的最初观测结果发表在《伦敦皇家学会学报》上。
1901年，法国传教士对徐家汇观象台进行了扩建，建造测验地震器室，配备敖默理氏之竖悬摆、卫若氏之倒竖悬摆和嘉礼赞氏之电气自计横摆3台地震仪。1904年1月22日，大森式20千克水平向地震仪投入使用，2月5日，徐家汇观象台正式编辑地震观测报告，并与气象、地磁观测数据一起，发表于《徐家汇观象台年报》。
▲改建后的徐家汇观象台
可以说，徐家汇观象台逐渐增设的地磁和地震观测工作，使得它成为世界上最早的20个地磁台之一，也成为中国大陆第一个地震台，为西方的现代科学研究传入中国打开了一扇窗，也开创了我国现代地球物理观测的先河。
02
蓬勃发展
1902年春，上海公共租界计划开通一条电车轨道直达徐家汇，由于电车行驶会对地磁观测环境造成影响，1908年，徐家汇观象台地磁观测工作迁至江苏昆山县东南的陆家浜，改名为陆家浜验磁台。
▲陆家浜验磁台全貌
另外，要想发展天文研究，必须引入大型天文望远镜，徐家汇观象台在上海西南方的佘山兴建了专门从事天文观测的佘山天文台。陆家浜验磁台完成搬迁后，徐家汇观象台形成了三地四台并存的观测格局，也就是在徐家汇从事气象与地震观测工作，在佘山开展天文观测，在陆家浜进行地磁观测。
作为一个完整的研究机构，徐家汇观象台的科学研究也日益完善，蓬勃发展，尤其是在地震观测方面。1909年，徐家汇观象台引入了一台质量为1 200千克的维歇尔水平向地震仪，这是一台由德国科学家维歇尔设计的机械放大地震仪，采用熏烟方式记录，在记录7级以上的强震中发挥了巨大的作用。
1920年12月16日20时，宁夏回族自治区海原县发生特大地震，这次地震不仅是中国近代最大的地震，也是世界上最大的地震之一。当时徐家汇观象台就用这台维歇尔地震仪记录到了这次地震。据徐家汇观象台推测，地震的震中在上海的西北方向，距离大概是1 400千米。当时世界上96个地震台均记录到了这次地震，但只有徐家汇观象台和日本东京地震台对地震震中位置的推测最接近准确位置。
03
鼎盛春秋
1933年，徐家汇观象台又将陆家浜验磁台迁至松江县佘山山顶，建立佘山地磁台。之后，徐家汇观象台开展了一系列有关大地测量及地球物理研究的大规模科研活动，尤其是重力加速度测定和中国地磁巡测。这对了解地球形状、地球内部构造、物质组成、探查矿址、油气资源分布等具有重要的意义，也标志着观象台迎来了它的全盛时期。
▲佘山地磁台地磁绝对测量室
20世纪30年代，徐家汇观象台第六任台长雁月飞与法国物理学家荷尔威克合作研制出便携式相对测量重力仪，即荷-雁氏弹性摆，质量仅几千克，完成一个测点仅需几分钟，满足了大规模测量的需要。当时的中国科学界也已经认识到重力测量的重要性，1933年，国立北平研究院物理学研究所邀请雁月飞作为特约研究员，以徐家汇观象台为原点，在中国交通较为方便的华北地区进行重力测量。此次测量所覆盖的区域达10万平方千米，测点大部分集中于河北和山西两省，还有少部分测点位于原察哈尔、山东和河南三省，以北平为华北之基点，太原为次基点。测量结果和数据分析发表于1934年《国立北平研究院五周年工作报告》。在完成了中国华北地区重力测量工作后，雁月飞又相继在中国东南沿海、华中及西南地区进行了173个测点的测量。这是徐家汇观象台在中国进行的第一次大规模重力加速度测定，建立了中国重力加速度网，对近代中国科学发展起到了积极的推动作用。
▲巡测时的工作照片
地磁观测是一种长时段、多点采集式的工作，通过收集与积累观测资料，并对这些资料做更进一步研究，以求把握地磁随时间、地点变化而发生的变化。自1874年徐家汇观象台增设地磁观测以来，这项工作从未间断，而能够体现其阶段性成果的则是通过大规模的巡测绘制《中国地磁图》。
在徐家汇观象台出版的《地磁丛报》第40期写道：“一地地磁图之绘制，需有预定之计划，由有经验而熟习之测验员，分组驻扎于相距三四十公里之地段，作有规则有统系之观测，造成全地面地磁值严密之测勘网。”这一要求对观象台来说难以达到，因此以往各国研究机构在华进行的测量成果成为观象台绘制《中国地磁图》的重要依据。其中最为重要的测量来自美国卡耐基研究所地磁部1906—1917年的测量数据。然而，卡耐基研究所地磁部的巡测前后历时11年，其最后一次观测距离当时也有近20年之久。那么，要绘制地磁图，首先要做的就是了解地磁三要素（磁偏角、水平强度、磁倾角）随时间的变化。为此，徐家汇观象台的佘山地磁台于1934年年底和1937年春，选择此前测过的测点重新进行测量。同时，参照20世纪20年代以来其他机构的测量结果，将两个阶段的数据相比较以确定地磁年变平均值，最后形成了包括磁偏角长期变化图、等偏线、平磁力长期变化图在内的13幅重要的地磁图。
04
新生新象
中华人民共和国成立后，上海市人民政府于1950年接管了徐家汇观象台，几经变迁，徐家汇观象台的佘山地磁台已成为如今的上海市地震局佘山地震监测中心站，观测手段发展为拥有测震、地磁、重力、钻孔应变等十多种观测手段的综合性台站。1984年，联合国教科文组织所属的国际地磁学和高空物理协会理事会授予佘山地震监测中心站“国际地球观测百年纪念”金质和银质纪念章各一枚，以表彰其多年来不间断地对国际间合作及地磁科学所作出的贡献。
▲“国际地球观测百年纪念”金质和银质纪念章
今天，在佘山地震监测中心站内，依旧保存着早期用于地磁和地震观测的Elliott磁偏角仪、维歇尔水平向地震仪、舒米特地磁经纬仪、150年来不间断地磁观测资料，以及1906年4月18日美国旧金山7.8级地震、1920年12月16日中国宁夏8.5级地震、1923年9月1日日本东京8.2级地震等历史大震的珍贵记录图，它们一同见证着上海乃至中国的地球物理观测事业百年来的发展历程。
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《科学画报》2024年第5期