第1章我學習和研究的回顧以及地球空間雙星探測計劃劉振興
　　中國科學院國家空間科學中心，北京100190
　　1.1求學、立志與科研創(chuàng)新
　　1.1.1艱難的中小學學習
　　1929年9月14日，我出生在山東省昌樂縣營子村一戶農(nóng)家，是一對雙胞胎中的弟弟。出生時，我的父親常年在外做工，當家的是我的爺爺，一位方圓幾十里頗有名氣的老中醫(yī)。在6歲之前，我們無憂無慮地享受著成長的快樂，從爺爺那里常得到一些自然與社會中的常識及做人的道理。在玩樂之余，我們也能幫著大人做一些事，如幫爺爺做一些蜜餞為原料的藥丸，也偶爾偷個嘴兒。我們從小就對各類自然現(xiàn)象表現(xiàn)出了強烈的好奇心與求知欲。每逢打雷閃電，我就問奶奶雷電的來歷。在幫母親喂蠶的過程中，跟大孩子去村前小河抓魚時，我對蠶與青蛙的發(fā)育過程也十分好奇。從小養(yǎng)成的這種好奇心，對我后來在科學方面的觀察和探索興趣至關重要。在我6歲那年爺爺過世，家庭收入變得微薄，我和哥哥也經(jīng)常加入全家的勞作之中，如經(jīng)常起早去菜園里為蘿卜抓蟲，使得幼年的我經(jīng)受了重要的鍛煉。
　　后來我們上了本村的小學，1938年1月，日本侵略軍侵占昌樂城，小學被迫撤銷，之后我們兄弟倆又在私塾學習了兩年。1940年，縣教育局派人到我村辦起了新式學堂，并統(tǒng)一配發(fā)抗日教材。學堂的老師叫趙立平，經(jīng)常激勵學生的愛國精神，培養(yǎng)民族氣節(jié)。因使用抗日教材，學堂后來被鬼子突襲，趙立平老師被捕，從此不知所蹤，開辦不到一年的學堂自然也停了課。后來，我們轉到了村里新辦的類似于輔導班性質的學堂補習此前缺失的課程，準備報考高小。在此期間，我們經(jīng)歷了驚魂一劫。有一次鬼子大掃蕩，母親帶著我們兄弟倆前往姑媽家避難，在半路上，我們親眼見到同行的一位老人被流彈擊中，當即殞命。多年來，一想起這事，我就心驚膽顫，對日本鬼子恨得咬牙切齒。
　　1941年的下半年，我們考上了離家十幾里的高小。高小的校舍屬一位叫王懿德的實業(yè)家所有。他在青島經(jīng)營企業(yè)，但很關心高小的發(fā)展，時常在回鄉(xiāng)探視時為師生們作一番講話，鼓勵孩子們努力學習，將來成為國家的有用之材。他為我們兄弟所向慕，從那時我們就樹立了一個初步的理想：好好學習，長大之后像他一樣發(fā)展實業(yè)，成為對人民和社會有用的人才。在這種理想的支撐下，我們兄弟倆刻苦努力，到高小畢業(yè)時，成績已在班里遙遙領先。
　　高小畢業(yè)之后，我們哥倆都考上了昌樂中學就讀簡易師范，因為簡易師范對家庭困難而成績優(yōu)異的學生有生活補助。哥哥上的是昌樂中學總校簡師班，我上了離家一二十里的昌樂中學山唐分校簡師班。簡易師范的學習并不順利，常受日寇騷擾，甚至連在教室里上課都難以得到保證。鬼子來襲時，大家都帶著馬扎到樹林里去上課。就在這種環(huán)境下，我依然努力學習。由于成績優(yōu)異，我每月都能得到52斤小米的獎勵。簡易師范畢業(yè)后，我們哥倆在家干了幾個月的農(nóng)活，又在附近村子的小學教了幾個月的書。之后，我們都考入濰縣師范學校。沒多久，由于戰(zhàn)亂，學校解散，我們又都回了家。
　　這時已到了1948年，為了繼續(xù)求學，我們兄弟倆在一個做煙草生意的姑表哥帶領下，奔赴480公里以外的青島見到了父親。到達青島后不久，我們就進入青島市轄臨時中學就讀。1949年6月，青島解放，臨時中學隨即被合并入青島市第四中學（青島四中）。青島四中辦學正規(guī)，師資力量也相對雄厚，學習、生活條件都很好。我們兄弟倆的成績在四中仍然名列前茅（圖1.1）。
　　圖1.11950年1月，我(后排右三)與青島四中同學合影，前排右三為哥哥劉振隆
　　1950年，為提前報考大學，我們與幾位同學租了一間小閣樓，自學物理、數(shù)學等課程，并復習此前所學各科。經(jīng)過一個多月的努力，我們兄弟倆雙雙考入山東大學。
　　1.1.2專業(yè)波折的大學教育
　　出于“學好數(shù)理化，走遍天下都不怕”的樸素想法，我們哥倆考入山東大學物理系。與我們一同從青島四中考入山東大學的一位同學上了電機系，經(jīng)過一階段學習后，他給我們講了該系的專業(yè)學習情況：面向生產(chǎn)生活中的實際問題，常做些制圖之類的設計。這令我們逐漸心生向往。于是我們以家境貧寒為由申請休學一年，目的是復學后選擇電機系，畢業(yè)后成為實業(yè)家，像王懿德先生那樣，成為對人民和社會有用的人才。休學后，我們哥倆在不同學校各自任教。一年后我們復學，但由于學校關于專業(yè)調整的政策已變，我們未能如愿調入電機系，帶著苦惱，不得已只能重新回到物理系就讀。
　　在物理系學生選專業(yè)時，學校新聘請的青島觀象臺臺長王彬華為學生作了一場關于鼓勵學生報選氣象專業(yè)的動員。青島觀象臺當時隸屬海軍，王彬華為軍官身份。當天，身著呢子軍裝，頭戴軍帽，英武帥氣的王彬華在學生們面前談到如何滿足國防需要而進行天氣觀測和預報時，我們兄弟倆立刻為“呼風喚雨”的氣象學所吸引，認為這是一個培養(yǎng)對國家、人民和社會有用人才的理想專業(yè)，于是毫不猶豫地選擇了物理系氣象專業(yè)組。
　　不久，物理系氣象專業(yè)組被合并到了南京大學氣象系。在南京大學就讀期間，我經(jīng)過刻苦努力，很快成績就在班級名列前茅。由于成績突出，我被初定為保送赴蘇聯(lián)留學的**人選。但由于身為工人的父親此前有一次在填履歷表時，誤將自己家庭“成分”填為地主，我在保送赴蘇的政審中因“出身”問題而被淘汰，只得抱憾畢業(yè)。
　　1.1.3師承大師的副博士學位攻讀與研究
　　1955年大學畢業(yè)，我們兄弟倆也就此分開。哥哥被分配到沈陽中心氣象臺工作，我被分配到中國科學院地球物理研究所任研究實習員，從此聚少離多。
　　剛參加工作，我就接觸了仰慕已久的科學大師，見到了著名氣象學家、地球物理學家趙九章等多位科學家。1955年11月，我參加了錢學森先生關于用辯證唯物論指導科研工作的報告會。這使我感到無比榮幸，并對我以后的科學精神、科研思想和科研方法等方面都產(chǎn)生了深遠的影響。
　　1957年，我通過全國統(tǒng)考被錄取為趙九章先生的副博士研究生。就讀副博士研究生之初，我的選題方向為近地層大氣湍流結構特性。1958年5月，中國科學院組織了一個包括多學科的西北固沙考察隊。在趙九章先生的建議下，我參加了這次固沙考察。從北京出發(fā)經(jīng)內蒙古到甘肅，我**次看到西北一望無際的沙漠，大風刮過，沙粒飛起，天昏地暗，農(nóng)田被掩蓋，部分鐵路被阻塞。這使我深刻認識到西北治沙的重要性和必要性。在接下來的定點考察中，我被分到中國科學院寧夏中衛(wèi)沙坡頭固沙站。我閱覽了該站積累數(shù)年的風沙觀測資料，認識到風沙與近地層湍流有密切關系，于是用數(shù)據(jù)分析和理論相結合的方法，研究了沙的傳輸過程和不同風力與方向情況下沙丘的運動規(guī)律。在不到兩個月的時間內就寫出了關于我國西北風沙問題的兩篇研究論文，后經(jīng)趙九章先生推薦，在《科學記錄》雜志上發(fā)表（劉振興，1958；1959）。這是首次對我國西北的風沙問題進行觀測和理論相結合的研究，對當時的固沙工作有著一定的參考價值（1987年，作為趙先生研究團隊的一員，我因近地空間環(huán)境的探測和理論研究獲得了國家自然科學三等獎）。
　　1957年10月，蘇聯(lián)人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功。以趙九章先生為首的著名科學家向國家提出了我國也要研制人造衛(wèi)星的建議。經(jīng)批準后，中國科學院成立了“581”組開始著手準備衛(wèi)星研制工作。趙先生為主要負責人，根據(jù)實際情況，他建議從火箭探測開始。1959年3月，趙先生將我調入“581”組，承擔火箭探測數(shù)據(jù)處理工作。此后在我的建議下，我的副博士研究生學位論文由近地層大氣物理研究方向改為高空大氣物理方向。趙先生還特地把我推薦給著名的空氣動力學家郭永懷先生，請他指導我的課題研究。經(jīng)過近兩年的努力，我用稀薄氣體動力學方法，完成了學位論文《流星與空間大氣相互作用》，并得到了郭永懷先生的好評。
　　1959年，趙先生根據(jù)當時空間物理發(fā)展的趨勢，在地球物理研究所成立了磁暴研究組，并親自指導這個組的工作。該組是我國磁層物理學發(fā)展的搖籃。研究生畢業(yè)以后，在趙先生的安排下，我從高層大氣組轉入了磁暴研究組，從事磁暴期間地球輻射帶變化的研究。從此，我又從高層大氣跨入了磁層物理和太陽風的研究領域。帶著地球輻射帶研究的基礎，1967年參加了我國**顆衛(wèi)星“東方紅一號”空間粒子環(huán)境模擬試驗的任務，所研究制定的空間粒子環(huán)境參數(shù)標準，對衛(wèi)星的研制、發(fā)射和運行安全起了一定的作用。在此基礎上，我負責撰寫了《人造地球衛(wèi)星環(huán)境手冊》一書中的粒子輻射部分（《人造地球衛(wèi)星環(huán)境手冊》編寫組，1971）。
　　1968年，恩師趙九章先生含冤去世，這使我悲傷欲絕。次年10月，我隨空間物理及探測技術研究所到西安工作。當時研究所的主要工作是探測空間粒子環(huán)境，包括地球輻射帶和同步高度區(qū)粒子環(huán)境，為下一步衛(wèi)星研制提供空間環(huán)境數(shù)據(jù)。我和另一同事負責探測器數(shù)據(jù)處理和分析工作。在“東方紅一號”衛(wèi)星上天后不到一年時間內，廣大科研人員積極努力，于1971年3月成功發(fā)射了科學試驗衛(wèi)星“實踐一號”。作為“實踐一號空間探測”項目的參與者及《人造地球衛(wèi)星環(huán)境手冊》一書的主要作者之一，我于1978年獲得全國科學大會獎。
　　從1975年起，我開始在國內開展太陽風研究。從太陽風的衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)太陽風中存在著湍流現(xiàn)象，而且與低層大氣的湍流有些相似之處。在這一啟示下，我將研究低層大氣湍流的基礎和方法，推廣到太陽風湍流的研究中，從而得出了太陽風湍譜的普遍表達式，理論與探測結果符合得很好（劉振興，1980）。在研究中，我逐漸認識到太陽風、磁層、電離層和高層大氣之間有密切的耦合關系，于是寫了題為《太陽風磁層電離層高層大氣間的耦合過程》的論文（劉振興，1980）。1987年，“太陽風向磁層和電離層中的傳輸”項目獲中國科學院自然科學三等獎。
　　1.1.4從劉氏模型到渦旋誘發(fā)重聯(lián)理論
　　改革開放后，對外交流的大門打開，1980年5月至次年9月我作為訪問學者赴美國馬里蘭大學進行木星磁層理論模式等方面的研究。木星磁層模型理論是木星磁層物理中的重要課題。當時主要有兩個模型用來解釋木星磁層結果的觀測現(xiàn)象：磁異常模型與磁盤模型。此前公認的木星磁盤模型假定整個磁層是隨著木星共轉，磁盤面處處與磁赤道平行。但這兩個假定與后來的探測事實并不相符。我根據(jù)美國“旅行者”飛船對木星磁層探測的**數(shù)據(jù)，分析認為木星的快速旋轉對木星磁盤結構有著重要的影響，從而提出了一個新的木星磁層磁盤模型（Liu， 1982）。其主要結果載入了劍橋大學出版的《木星磁層物理》（Dessler， 2002）一書中，被稱為“劉氏模型”。該書主編美國著名空間物理學家A.J.Dessler教授如此評價：“這項研圖1.21987年3月，在美國訪問期間在阿拉斯加“圣誕老人之家”的留影究表現(xiàn)出重大的發(fā)展，可能成為這方面的經(jīng)典著作之一�！� 這項研究于1987年被中國科學院推薦為***重大科技成果�；貒�后，我先后被評為副研究員、研究員、博士生導師、研究室主任等；1984年，被評為我國**批有突出貢獻的中青年專家。
　　1987年，我再度赴美半年，先后在阿拉斯加大學、斯坦福大學、加利福尼亞大學洛杉磯分校進行訪問、講學與合作研究（圖1.2）。在此期間與阿拉斯加大學教授李羅權等合作，提出了磁層亞暴的等效電路模型（Liu et al.， 1988）。該模型用等效電路方法首次考慮了磁層亞暴發(fā)生和發(fā)展的全球過程，將國際上長期爭論的兩種觀點“太陽風直接驅動過程”和“卸載過程”統(tǒng)一起來，解釋了磁層亞暴期間磁層和電離層電流系統(tǒng)的耦合過程和變化規(guī)律。這項研究受到了國際同行的高度關注，所發(fā)表的文章被多次引用。
　　1986～1988年，我首次提出了流體渦旋誘發(fā)磁場重聯(lián)(VIR)的新概念，建立了渦旋誘發(fā)重聯(lián)理論模型。我們還將VIR理論應用于能量傳輸事件(FTE)，建立一個三維的FTE模型（Liu and Hu， 1988; Liu et al.， 1990）。
　　在VIR理論之前，國際上已有幾個瞬時磁場重聯(lián)模型。這些模型都認為，兩個磁場相反的等離子體區(qū)在兩邊垂直流推動下被向內壓縮，*后在存在反常電阻的擴散區(qū)產(chǎn)生磁場重聯(lián)。我認為，這些過程在磁尾電流片區(qū)是容易出現(xiàn)的，但在大部分磁層頂邊界層區(qū)流場基本上是與磁力線平行的。因而，在這些區(qū)域，上述模型的條件與實際情況不相符。其次，在磁層頂邊界