第1章我學(xué)習(xí)和研究的回顧以及地球空間雙星探測(cè)計(jì)劃劉振興
　　中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京100190
　　1.1求學(xué)、立志與科研創(chuàng)新
　　1.1.1艱難的中小學(xué)學(xué)習(xí)
　　1929年9月14日，我出生在山東省昌樂(lè)縣營(yíng)子村一戶農(nóng)家，是一對(duì)雙胞胎中的弟弟。出生時(shí)，我的父親常年在外做工，當(dāng)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(wú)憂無(wú)慮地享受著成長(zhǎng)的快樂(lè)，從爺爺那里常得到一些自然與社會(huì)中的常識(shí)及做人的道理。在玩樂(lè)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(gè)嘴兒。我們從小就對(duì)各類自然現(xiàn)象表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的好奇心與求知欲。每逢打雷閃電，我就問(wèn)奶奶雷電的來(lái)歷。在幫母親喂蠶的過(guò)程中，跟大孩子去村前小河抓魚時(shí)，我對(duì)蠶與青蛙的發(fā)育過(guò)程也十分好奇。從小養(yǎng)成的這種好奇心，對(duì)我后來(lái)在科學(xué)方面的觀察和探索興趣至關(guān)重要。在我6歲那年?duì)敔斶^(guò)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(lái)我們上了本村的小學(xué)，1938年1月，日本侵略軍侵占昌樂(lè)城，小學(xué)被迫撤銷，之后我們兄弟倆又在私塾學(xué)習(xí)了兩年。1940年，縣教育局派人到我村辦起了新式學(xué)堂，并統(tǒng)一配發(fā)抗日教材。學(xué)堂的老師叫趙立平，經(jīng)常激勵(lì)學(xué)生的愛國(guó)精神，培養(yǎng)民族氣節(jié)。因使用抗日教材，學(xué)堂后來(lái)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(xué)堂自然也停了課。后來(lái)，我們轉(zhuǎn)到了村里新辦的類似于輔導(dǎo)班性質(zhì)的學(xué)堂補(bǔ)習(xí)此前缺失的課程，準(zhǔn)備報(bào)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(dāng)即殞命。多年來(lái)，一想起這事，我就心驚膽顫，對(duì)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(shí)業(yè)家所有。他在青島經(jīng)營(yíng)企業(yè)，但很關(guān)心高小的發(fā)展，時(shí)常在回鄉(xiāng)探視時(shí)為師生們作一番講話，鼓勵(lì)孩子們努力學(xué)習(xí)，將來(lái)成為國(guó)家的有用之材。他為我們兄弟所向慕，從那時(shí)我們就樹立了一個(gè)初步的理想：好好學(xué)習(xí)，長(zhǎng)大之后像他一樣發(fā)展實(shí)業(yè)，成為對(duì)人民和社會(huì)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(shí)，成績(jī)已在班里遙遙領(lǐng)先。
　　高小畢業(yè)之后，我們哥倆都考上了昌樂(lè)中學(xué)就讀簡(jiǎn)易師范，因?yàn)楹?jiǎn)易師范對(duì)家庭困難而成績(jī)優(yōu)異的學(xué)生有生活補(bǔ)助。哥哥上的是昌樂(lè)中學(xué)總校簡(jiǎn)師班，我上了離家一二十里的昌樂(lè)中學(xué)山唐分校簡(jiǎn)師班。簡(jiǎn)易師范的學(xué)習(xí)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(lái)襲時(shí)，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(xué)習(xí)。由于成績(jī)優(yōu)異，我每月都能得到52斤小米的獎(jiǎng)勵(lì)。簡(jiǎn)易師范畢業(yè)后，我們哥倆在家干了幾個(gè)月的農(nóng)活，又在附近村子的小學(xué)教了幾個(gè)月的書。之后，我們都考入濰縣師范學(xué)校。沒(méi)多久，由于戰(zhàn)亂，學(xué)校解散，我們又都回了家。
　　這時(shí)已到了1948年，為了繼續(xù)求學(xué)，我們兄弟倆在一個(gè)做煙草生意的姑表哥帶領(lǐng)下，奔赴480公里以外的青島見到了父親。到達(dá)青島后不久，我們就進(jìn)入青島市轄臨時(shí)中學(xué)就讀。1949年6月，青島解放，臨時(shí)中學(xué)隨即被合并入青島市第四中學(xué)（青島四中）。青島四中辦學(xué)正規(guī)，師資力量也相對(duì)雄厚，學(xué)習(xí)、生活條件都很好。我們兄弟倆的成績(jī)?cè)谒闹腥匀幻�列前茅（圖1.1）。
　　圖1.11950年1月，我(后排右三)與青島四中同學(xué)合影，前排右三為哥哥劉振隆
　　1950年，為提前報(bào)考大學(xué)，我們與幾位同學(xué)租了一間小閣樓，自學(xué)物理、數(shù)學(xué)等課程，并復(fù)習(xí)此前所學(xué)各科。經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的努力，我們兄弟倆雙雙考入山東大學(xué)。
　　1.1.2專業(yè)波折的大學(xué)教育
　　出于“學(xué)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(xué)物理系。與我們一同從青島四中考入山東大學(xué)的一位同學(xué)上了電機(jī)系，經(jīng)過(guò)一階段學(xué)習(xí)后，他給我們講了該系的專業(yè)學(xué)習(xí)情況：面向生產(chǎn)生活中的實(shí)際問(wèn)題，常做些制圖之類的設(shè)計(jì)。這令我們逐漸心生向往。于是我們以家境貧寒為由申請(qǐng)休學(xué)一年，目的是復(fù)學(xué)后選擇電機(jī)系，畢業(yè)后成為實(shí)業(yè)家，像王懿德先生那樣，成為對(duì)人民和社會(huì)有用的人才。休學(xué)后，我們哥倆在不同學(xué)校各自任教。一年后我們復(fù)學(xué)，但由于學(xué)校關(guān)于專業(yè)調(diào)整的政策已變，我們未能如愿調(diào)入電機(jī)系，帶著苦惱，不得已只能重新回到物理系就讀。
　　在物理系學(xué)生選專業(yè)時(shí)，學(xué)校新聘請(qǐng)的青島觀象臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)王彬華為學(xué)生作了一場(chǎng)關(guān)于鼓勵(lì)學(xué)生報(bào)選氣象專業(yè)的動(dòng)員。青島觀象臺(tái)當(dāng)時(shí)隸屬海軍，王彬華為軍官身份。當(dāng)天，身著呢子軍裝，頭戴軍帽，英武帥氣的王彬華在學(xué)生們面前談到如何滿足國(guó)防需要而進(jìn)行天氣觀測(cè)和預(yù)報(bào)時(shí)，我們兄弟倆立刻為“呼風(fēng)喚雨”的氣象學(xué)所吸引，認(rèn)為這是一個(gè)培養(yǎng)對(duì)國(guó)家、人民和社會(huì)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(xué)氣象系。在南京大學(xué)就讀期間，我經(jīng)過(guò)刻苦努力，很快成績(jī)就在班級(jí)名列前茅。由于成績(jī)突出，我被初定為保送赴蘇聯(lián)留學(xué)的**人選。但由于身為工人的父親此前有一次在填履歷表時(shí)，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(wèn)題而被淘汰，只得抱憾畢業(yè)。
　　1.1.3師承大師的副博士學(xué)位攻讀與研究
　　1955年大學(xué)畢業(yè)，我們兄弟倆也就此分開。哥哥被分配到沈陽(yáng)中心氣象臺(tái)工作，我被分配到中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所任研究實(shí)習(xí)員，從此聚少離多。
　　剛參加工作，我就接觸了仰慕已久的科學(xué)大師，見到了著名氣象學(xué)家、地球物理學(xué)家趙九章等多位科學(xué)家。1955年11月，我參加了錢學(xué)森先生關(guān)于用辯證唯物論指導(dǎo)科研工作的報(bào)告會(huì)。這使我感到無(wú)比榮幸，并對(duì)我以后的科學(xué)精神、科研思想和科研方法等方面都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
　　1957年，我通過(guò)全國(guó)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?yàn)榻�地層大氣湍流結(jié)構(gòu)特性。1958年5月，中國(guó)科學(xué)院組織了一個(gè)包括多學(xué)科的西北固沙考察隊(duì)。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(nèi)蒙古到甘肅，我**次看到西北一望無(wú)際的沙漠，大風(fēng)刮過(guò)，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(rèn)識(shí)到西北治沙的重要性和必要性。在接下來(lái)的定點(diǎn)考察中，我被分到中國(guó)科學(xué)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(fēng)沙觀測(cè)資料，認(rèn)識(shí)到風(fēng)沙與近地層湍流有密切關(guān)系，于是用數(shù)據(jù)分析和理論相結(jié)合的方法，研究了沙的傳輸過(guò)程和不同風(fēng)力與方向情況下沙丘的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在不到兩個(gè)月的時(shí)間內(nèi)就寫出了關(guān)于我國(guó)西北風(fēng)沙問(wèn)題的兩篇研究論文，后經(jīng)趙九章先生推薦，在《科學(xué)記錄》雜志上發(fā)表（劉振興，1958；1959）。這是首次對(duì)我國(guó)西北的風(fēng)沙問(wèn)題進(jìn)行觀測(cè)和理論相結(jié)合的研究，對(duì)當(dāng)時(shí)的固沙工作有著一定的參考價(jià)值（1987年，作為趙先生研究團(tuán)隊(duì)的一員，我因近地空間環(huán)境的探測(cè)和理論研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)三等獎(jiǎng)）。
　　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(xué)家向國(guó)家提出了我國(guó)也要研制人造衛(wèi)星的建議。經(jīng)批準(zhǔn)后，中國(guó)科學(xué)院成立了“581”組開始著手準(zhǔn)備衛(wèi)星研制工作。趙先生為主要負(fù)責(zé)人，根據(jù)實(shí)際情況，他建議從火箭探測(cè)開始。1959年3月，趙先生將我調(diào)入“581”組，承擔(dān)火箭探測(cè)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(xué)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(dòng)力學(xué)家郭永懷先生，請(qǐng)他指導(dǎo)我的課題研究。經(jīng)過(guò)近兩年的努力，我用稀薄氣體動(dòng)力學(xué)方法，完成了學(xué)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(píng)。
　　1959年，趙先生根據(jù)當(dāng)時(shí)空間物理發(fā)展的趨勢(shì)，在地球物理研究所成立了磁暴研究組，并親自指導(dǎo)這個(gè)組的工作。該組是我國(guó)磁層物理學(xué)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(zhuǎn)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(yáng)風(fēng)的研究領(lǐng)域。帶著地球輻射帶研究的基礎(chǔ)，1967年參加了我國(guó)**顆衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”空間粒子環(huán)境模擬試驗(yàn)的任務(wù)，所研究制定的空間粒子環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)衛(wèi)星的研制、發(fā)射和運(yùn)行安全起了一定的作用。在此基礎(chǔ)上，我負(fù)責(zé)撰寫了《人造地球衛(wèi)星環(huán)境手冊(cè)》一書中的粒子輻射部分（《人造地球衛(wèi)星環(huán)境手冊(cè)》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(cè)技術(shù)研究所到西安工作。當(dāng)時(shí)研究所的主要工作是探測(cè)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(fù)責(zé)探測(cè)器數(shù)據(jù)處理和分析工作。在“東方紅一號(hào)”衛(wèi)星上天后不到一年時(shí)間內(nèi)，廣大科研人員積極努力，于1971年3月成功發(fā)射了科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星“實(shí)踐一號(hào)”。作為“實(shí)踐一號(hào)空間探測(cè)”項(xiàng)目的參與者及《人造地球衛(wèi)星環(huán)境手冊(cè)》一書的主要作者之一，我于1978年獲得全國(guó)科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)。
　　從1975年起，我開始在國(guó)內(nèi)開展太陽(yáng)風(fēng)研究。從太陽(yáng)風(fēng)的衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)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(chǔ)和方法，推廣到太陽(yáng)風(fēng)湍流的研究中，從而得出了太陽(yáng)風(fēng)湍譜的普遍表達(dá)式，理論與探測(cè)結(jié)果符合得很好（劉振興，1980）。在研究中，我逐漸認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)風(fēng)、磁層、電離層和高層大氣之間有密切的耦合關(guān)系，于是寫了題為《太陽(yáng)風(fēng)磁層電離層高層大氣間的耦合過(guò)程》的論文（劉振興，1980）。1987年，“太陽(yáng)風(fēng)向磁層和電離層中的傳輸”項(xiàng)目獲中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)三等獎(jiǎng)。
　　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(duì)外交流的大門打開，1980年5月至次年9月我作為訪問(wèn)學(xué)者赴美國(guó)馬里蘭大學(xué)進(jìn)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(dāng)時(shí)主要有兩個(gè)模型用來(lái)解釋木星磁層結(jié)果的觀測(cè)現(xiàn)象：磁異常模型與磁盤模型。此前公認(rèn)的木星磁盤模型假定整個(gè)磁層是隨著木星共轉(zhuǎn)，磁盤面處處與磁赤道平行。但這兩個(gè)假定與后來(lái)的探測(cè)事實(shí)并不相符。我根據(jù)美國(guó)“旅行者”飛船對(duì)木星磁層探測(cè)的**數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為木星的快速旋轉(zhuǎn)對(duì)木星磁盤結(jié)構(gòu)有著重要的影響，從而提出了一個(gè)新的木星磁層磁盤模型（Liu， 1982）。其主要結(jié)果載入了劍橋大學(xué)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(guó)著名空間物理學(xué)家A.J.Dessler教授如此評(píng)價(jià)：“這項(xiàng)研圖1.21987年3月，在美國(guó)訪問(wèn)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(xiàng)研究于1987年被中國(guó)科學(xué)院推薦為***重大科技成果。回國(guó)后，我先后被評(píng)為副研究員、研究員、博士生導(dǎo)師、研究室主任等；1984年，被評(píng)為我國(guó)**批有突出貢獻(xiàn)的中青年專家。
　　1987年，我再度赴美半年，先后在阿拉斯加大學(xué)、斯坦福大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校進(jìn)行訪問(wèn)、講學(xué)與合作研究（圖1.2）。在此期間與阿拉斯加大學(xué)教授李羅權(quán)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(guò)程，將國(guó)際上長(zhǎng)期爭(zhēng)論的兩種觀點(diǎn)“太陽(yáng)風(fēng)直接驅(qū)動(dòng)過(guò)程”和“卸載過(guò)程”統(tǒng)一起來(lái)，解釋了磁層亞暴期間磁層和電離層電流系統(tǒng)的耦合過(guò)程和變化規(guī)律。這項(xiàng)研究受到了國(guó)際同行的高度關(guān)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(chǎng)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(yīng)用于能量傳輸事件(FTE)，建立一個(gè)三維的FTE模型（Liu and Hu， 1988; Liu et al.， 1990）。
　　在VIR理論之前，國(guó)際上已有幾個(gè)瞬時(shí)磁場(chǎng)重聯(lián)模型。這些模型都認(rèn)為，兩個(gè)磁場(chǎng)相反的等離子體區(qū)在兩邊垂直流推動(dòng)下被向內(nèi)壓縮，*后在存在反常電阻的擴(kuò)散區(qū)產(chǎn)生磁場(chǎng)重聯(lián)。我認(rèn)為，這些過(guò)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(chǎng)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(shí)際情況不相符。其次，在磁層頂邊界