想要找到太陽耀斑和磁暴的真正原因，那就必須要搞清楚太陽上到底發生了一些什麼樣的物理和化學反應，而要搞清楚這些，首先就必須要搞清楚太陽是由什麼物質構成的。讓我們先來看看，截止到 1859 年的這次太陽爆發時，當時的人類對太陽的物質構成了解到了什麼程度。
我們來簡要回顧一下 1859 年之前的太陽研究歷史。
早在 1665 年，22 歲的牛頓在自己的農村老家，完成了史上最美的物理實驗之一，牛頓色散實驗。我們因此發現了彩虹的成因，原來太陽光是由 7 色光混合而成的。而陽光分解成的這道彩虹也被科學家們叫做光譜。
到了 19 世紀初，德國誕生了一位光學儀器製作大師，他叫夫琅禾費。他發明了一種叫做“衍射光柵”的精密光學儀器。你可以找一張 DVD 光盤仔細看看，你會發現光盤也可以反射出 7 色彩虹。光盤與衍射光柵就有異曲同工之妙。
夫琅禾費通過光柵研究太陽的光譜，又有了一個驚訝的發現，在太陽光譜中，居然包含著很多神秘的黑色線條，就像我們在商品上常見的條形碼一樣。他用顯微鏡放大觀察，一共看到了 574 條黑線。它們太奇怪了，當時的物理學家們誰也不知道這些黑線是怎麼回事。光譜問題已經夠讓科學家們琢磨了，現在又出現了神秘的黑線。
夫琅禾費把衍射光柵應用在最明亮的恆星上，發現在恆星光譜中也會出現黑色的線條。這些線條的位置彼此之間有些相似也有些不同。這些神秘的黑線到底是什麼呢？有些人認為它們是望遠鏡裡的缺陷，有些人則認為它們來自地球的大氣層，更有意思的是說它們來自太陽和其他恆星的大氣層。夫琅禾費還沒找到答案就因為肺結核病逝，年僅 37 歲。
在夫琅禾費去世的那一年，有兩位化學家發現，每種化學元素在燃燒時都會發出一種獨特的顏色。換句話說，只要看火焰的顏色就能判斷出被燃燒的物質裡面有些什麼元素。這個就被叫做焰色反應。你家裡的煤氣灶燃燒的顏色就是藍色的，這就是一種焰色反應，如果你往煤氣灶的火焰上撒一點食鹽，你就會看到煤氣原本的藍色的火焰發出了明黃色的光。節日的煙花表演就是焰色反應的最佳應用。
時間來到了 1859 年，出現了兩位痴迷於研究焰色反應的科學家，一位叫基爾霍夫，一位叫本生。為了研究焰色反應，基爾霍夫造出了世界上第一臺光譜儀，而本生則發明了本生燈。本生和基爾霍夫兩個人把手邊能燒的化學藥品都燒了一遍。他們記錄下了各種材料的光譜。他們發現，這些化學元素的光譜都是一根根細細的線條，完全不像太陽光譜那樣連綿不斷。比如把食鹽拿去燒，就會出現兩條黃色的譜線。他們倆很快就發現，這些譜線就像是元素的條形碼一樣，與各種元素有著一一對應的關係。兩個人還做過這樣的測試，一個人往本生燈上撒化學藥品，另一個人馬上就可以根據光譜線判斷出燒的是什麼東西，包含了一些什麼元素，而且百試百靈。
本生還有一個厲害的地方，他製造出了當時是有史以來最純淨的化學樣本，這使得他們在個別譜線的校準上更加有信心。基爾霍夫則利用物理知識設計出舉世無雙的設備來分析線條。基爾霍夫早年出了意外造成身體殘疾，所以他總是在昏暗的實驗室裡專心致志地操作精密的設備，以最精湛的方式直接將光線引入儀器中。有一天他取得了突破，他點燃了石灰樣本，產生了用來照亮劇院舞臺的著名的石灰光。石灰燃燒時會發出白色的火焰，透過稜鏡分解後能夠產生一個連續的顏色譜。接著，在光穿過稜鏡前，基爾霍夫集中一縷石灰光穿過本生燈的火焰。
然後他在火焰上撒了一點鈉，使得火光中閃出鈉特有的黃色。在熒幕上，他看到夫琅禾費的黑色 D 線出現在石灰光的光譜上。鈉蒸氣吸收了來自石灰光特有的黃色波長，以黃色火焰的形態在實驗室裡燃燒。隨後他用陽光做實驗。這次他使用的是沒有對應夫琅禾費線的化學物質——鋰。他將鋰粉撒在本生燈的火焰上。當黑色的鋰線出現在太陽光譜上時，他看得著迷了。基爾霍夫一下子證明了兩件事：太陽上一定有鈉，因為夫琅禾費D線的存在；但是太陽上沒有鋰，因為沒有鋰線。他做到了過去人們認為絕對不可能做到的事情：不需要實際切割進行分析就能弄明白一個物體的化學成分。
基爾霍夫確定了光譜分析的三條規則。
- 第一條：高溫的固體或稠密氣體會產生連續的光譜，是一個從藍色到紅色分佈的綵帶。
- 第二條：高溫的稀薄氣體會產生髮射光譜，是一系列明亮的色線，位置則取決於氣體的化學成分。
- 第三條：被較低溫度的稀薄氣體包圍的固體則會產生吸收光譜，連續光譜會被某些特定波長所吸收，產生一系列黑線，位置就與氣體發射譜線的位置一樣。這三條規則證明了發射譜線和吸收譜線之間有某種特定的聯繫。
除了太陽的化學成分以外，基爾霍夫在光譜分析上的規則也提供了兩個關於太陽本質的必然結論。實驗結果顯示，金屬需要在極高的溫度下才能融化及放出蒸氣。因此太陽的大氣層一定非常熱，應該有好幾千攝氏度的高溫，以便維持充滿金屬氣體的大氣層。而太陽本身應該更熱，才能發出連續的彩色光譜，大氣層的氣體吸收有色光而產生夫琅禾費線。
天文學家將太陽的可見層稱為光球層，並最終確認這一層並不是包在固體外的發亮雲層。沒有什麼物體能夠在幾千攝氏度的高溫下保持固態。
在光球層的上方，則是太陽大氣層，當光球層的光線穿過大氣層進入太空時，大氣層中的金屬氣體就會產生夫琅禾費線。不過，他們很快發現，會有一個嚴重的干擾，就是地球的大氣層，陽光必須穿過地球的大氣層才能照到光譜儀上。
這意味著有些夫琅禾費線可能並非來自太陽，而是來自地球大氣層中的化學物質。
這個問題確實是個麻煩，但是，隨著愈來愈多的天文學家研究太陽光譜，他們明顯地發現，夫琅禾費線總會分成兩組，一組不會改變，另一組則會隨著時間而稍微改變顏色的深度。天文學家很快意識到，這些變化的線取決於太陽在天空中的位置。當陽光越是斜射，它的光線就越要穿過更厚的地球大氣層，有些夫琅禾費線的顏色就會變深。因此這些線條表示的是地球大氣層中的化學物質。保持固定不變的線條則是來自太陽大氣層中的化學物質。
隨著基爾霍夫的這一突破傳遍世界各地，天文學家在新的光譜分析技術上踏出了實驗性的第一步。他們發現在太陽上還有鐵、鈣、鎂和許多其他物質。
以上這些差不多就是在1859年那次太陽風暴之前，人們對太陽物質的基本瞭解。1859 年的太陽風暴讓天文學家們對太陽的興趣陡增，這使得第二年，也就是 1860 年 7 月 18 日的那次日全食備受矚目。因為日全食是研究太陽的絕佳時期，很多平時無法看到的現象都能在日全食的時候觀測到。
這次日全食的一個理想觀測地點在西班牙。英國邱園天文臺的沃倫·德拉魯準備把最新引進的一臺神器搬到西班牙去。這臺神器叫做太陽照相儀，這架獨特的望遠鏡相機一下子就能拍到卡林頓要努力幾個小時才能畫下來並做測量的圖像。德拉魯非常確信攝影技術在天文學中的地位，他希望會有一次成就來證明攝影技術的價值。德拉魯在想，他的太陽照相儀能否抓拍到月球擋住陽光產生黑暗的一瞬間呢。帶著這個理想，他費勁千辛萬苦，終於把笨重的設備運到了西班牙。
1860 年 7 月 18 日，日食的時間到了，大家憂慮地望著灰色雲層。因為天氣不配合，德拉魯非常不安，無法休息。所有的準備、努力和花費，看來似乎要化為烏有。到了上午 10 點，他終於看到了第一塊小片的晴空，群眾如期來到了臨時觀測站周圍。中午，預計日食還有兩個小時開始，天空突然放晴了。微風吹動的雲層很快消散了，只留下廣闊的燦爛藍天和金黃色的太陽。
隨著天文學家緊張地進行最後的準備工作，越來越多的人前來觀看。人群的談話聲到達了刺耳的水平，掩蓋了大天文鐘的嘀嗒聲。德拉魯本來希望聽著鐘聲來記錄日食發生的時間。現在他只能用自己的懷錶作為替代。
不久之後，隨著震動的馬蹄聲，5 名警衛騎馬進入村莊。他們聽從天文學家們的指揮，在打穀場周圍劃出邊界，不讓 200 多名群眾進入。警衛的到來大受歡迎；在他們到來之前，一些旁觀者受不住好奇心的誘惑，趁著沒被天文學家們攆走，偷偷竄到木頭觀測站旁看裡面奇怪的設備和工作人員把化學制品裝進太陽照相儀。點擊文稿可以查看來自英國皇家天文學會的珍貴照片，看看當時的天文學家是怎麼工作的。
沃倫·德拉魯（在左邊背對畫面）和他的團隊在裡巴貝羅薩為即將到來的日食做準備（來源：英國皇家天文學會）
誰知道啊，當時間走到了預定發生日食的時刻，結果他們卻發現月亮與太陽的親密接觸並未如期發生。這些天文學家大吃一驚，德拉魯趕緊帶著疑惑檢查了鐘錶，結果發現他犯了一個低級錯誤。他的懷錶快了 8 分 11 秒。這下可慘了，因為經過化學精細處理的底片在這段時間裡就毀了，於是他讓隊伍儘快準備新的底片。
下午 1 點 56 分，他看到月亮的邊緣開始漸漸“咬”上太陽，但是底片直到 2 點 02 分才準備好，然後及時裝好開始曝光。在日食期間一直持續拍攝。10 分鐘後，月亮遮住了一個黑子群，自然形成的雲層遮住了太陽。天文學家們只能停止觀測，焦慮地觀望著。直到 6 分鐘後雲層再次散開。他們趕緊繼續工作。
太陽逐漸地消失在月亮後面。德拉魯注意到，天空由蔚藍色變成了某種靛[diàn]藍色。周圍的景物也被鍍上一層青銅色。日全食終於到了，景物落入一片黑暗中，聚集的人群突然安靜了。教堂的鐘聲穿過山谷。德拉魯開始通過望遠鏡繪圖，他能分辨出太陽前面月亮褐色的表面，但是月亮後面露出的粉紅色的凸起吸引了他的注意。
當他畫完第一張草圖時，他抬頭裸眼觀看天空。在日冕蒼白的光帶周圍，天空是深深的靛藍色，地平線處是深紅色和橙色。在這不尋常的天空中，鑲嵌著明亮的木星和金星。他把目光投向周圍景物，看到壯麗的群山在月影掩蓋之下變成了藍色。他被這奇異的美景迷住了，對於自己要做科學工作而不能仔細觀看深感遺憾。他暗暗發誓，如果再有一次日食，他要做旁觀人群中的一員，專心沉浸於美景之中。做出如此承諾之後，他從景物上收回目光，把眼睛再次放到目鏡上，繼續繪圖。
他身旁的拍攝工作在繼續，一張底片已經在日全食發生時曝過光，正浸在帳篷後面的顯影液中。第二張底片正在裝入為太陽照相的望遠鏡。德拉魯畫第二張圖的時候，他實在無法控制他的好奇了。他呼叫暗室，問進展怎麼樣，當他聽到有人回應“拍照成功了，底片上可見日珥”，德拉魯禁不住興奮地叫喊起來。這個回答讓德拉魯高興而激動。他和他的團隊完成了之前沒人達到的成就，為子孫後代留下了日食的深度記錄。
沃倫·德拉魯拍攝的日全食照片（圖片來源：英國皇家天文學會）
在成功的鼓舞下，團隊工作了幾個小時，直到陽光重回大地以後。在月球完全離開太陽時，他們繼續畫圖、測量、拍照。回到英國後，德拉魯的成功獲得了舉國慶賀。然而那時沒有人發現，太陽展示了它的外層大氣中一些非同凡響的東西。如果他們注意到其重要性，就能找出卡林頓發現的耀斑是如何觸發隨後的磁場“風暴”的線索。很遺憾的是，他們沒有。
1860 年日食那天，因地球自轉而形成的日全食帶通過了加拿大、美國的一小部分，跨過大西洋一直到西班牙和北非。3 個天體排成一列的過程結束後，月球的陰影離開了地球表面。
許多歐洲天文學家都等在西班牙觀看這次日全食。當短暫的黑暗掃過比斯開灣的海岸時，幾位觀測者注意到在日冕的西南方出現干擾。那不是如輪輻般向外射出的日冕光芒，而是一道緩緩彎曲的流光伸到大約兩倍太陽半徑的地方。幾分鐘之後，在西班牙中心地區，“火眼金睛”的觀測者在畫本上記錄了第二道光芒。這兩道光芒來自太陽表面的同一地方，但彎向相反方向，完整的形狀就像一支鬱金香。當日食來到西班牙的地中海沿岸時，日食已經登陸西班牙有 11 分鐘了。這裡的天文學家看到了新的進展。“鬱金香”脫離太陽，在日冕中獨自形成了一個橢圓形的泡泡。
當日全食離開西班牙後，阿爾及利亞的觀測者作出了最後的日食記錄。在巴特納的法國軍隊工程師和在蘭布撒的天文學家都注意到了太陽西南方的現象。但在日食過後，沒有任何天文學家想到要去研究日冕中的泡泡有何意義。更為糟糕的是，還有人對此提出質疑。
儘管一些觀測者說那個泡泡很壯觀，但觀看日食的人裡面有三分之一沒看到。也許有些人觀測技術不好或使用的設備太差，或是在日全食的短短几分鐘內無暇注意。其中一位沒看到泡泡的天文學家是備受尊崇的彼得羅·塞奇神父。他負責管理羅馬的梵蒂岡天文臺，因此在歐洲各地享有崇高的聲譽。他的觀測技巧向來很精湛。他繪製了最早的火星地圖之一，發現了太陽表面上的新特徵。但在 1860 年日食那一天，他在棕櫚沙漠進行觀測，卻沒看到泡泡，這給這一現象帶來嚴重的不可信度。
日食報告出現的這種差異，使天文學家們放棄了繪圖的方法，漸漸相信只有用照相機照片留下的觀測記錄才可信。攝影技術很快地成為捕捉自然本質的首選工具，它能排除人為的影響。德拉魯成功拍到了日全食發生時的太陽照片，正體現了這種新技術的優點。因為他的照片只拍到日珥和明亮的內冕，沒拍到暗淡的外冕即泡泡出現的地方，所以這些照片也無法平息爭論。
事實上，泡泡正是太陽粒子的噴發，有時候跟著耀斑一起出現，如果噴發的方向直接對著地球，與地球碰撞就會引發磁暴。但當時對日冕的相關知識知之甚少，更不要說太陽帶電粒子的性質，所以這次觀測的意義就沒被充分認識。如果那個泡泡正對著地球，第二天晚上也出現了壯觀的磁性極光，天文學家也許就會更注意它。但事實上，儘管有三分之二的觀測者看到了，這個結構卻幾乎被忽略了。就算要討論它，其真實性也總是充滿懷疑。一直要到一個世紀之後，NASA 的空間站“天空實驗室”開始定期拍攝日冕，記錄下的噴發畫面才再次讓人想起 1860 年的繪圖。
人類要揭開太陽的秘密，還有很長的路要走。卡林頓 1875 年去世，死因很可能是腦溢血，年僅 49 歲。這是天文學界的一個損失，但幸運的是，卡林頓的學術繼承人已經默默在工作了，他自己已經收集了堆積如山的太陽黑子數據，最終將雕刻出無人能夠摧毀的科學豐碑。
