第1章我學(xué)習(xí)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(xué)院國家空間科學(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(xué)方面的觀察和探索興趣至關(guān)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(xué)，1938年1月，日本侵略軍侵占昌樂城，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)常激勵學(xué)生的愛國精神，培養(yǎng)民族氣節(jié)。因使用抗日教材，學(xué)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(xué)堂自然也停了課。后來，我們轉(zhuǎn)到了村里新辦的類似于輔導(dǎo)班性質(zhì)的學(xué)堂補習(xí)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(guān)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(xué)習(xí)，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(xué)習(xí)，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(lǐng)先。
　　高小畢業(yè)之后，我們哥倆都考上了昌樂中學(xué)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(xué)生有生活補助。哥哥上的是昌樂中學(xué)總校簡師班，我上了離家一二十里的昌樂中學(xué)山唐分校簡師班。簡易師范的學(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(xué)習(xí)。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(xué)教了幾個月的書。之后，我們都考入濰縣師范學(xué)校。沒多久，由于戰(zhàn)亂，學(xué)校解散，我們又都回了家。
　　這時已到了1948年，為了繼續(xù)求學(xué)，我們兄弟倆在一個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。到達青島后不久，我們就進入青島市轄臨時中學(xué)就讀。1949年6月，青島解放，臨時中學(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)，師資力量也相對雄厚，學(xué)習(xí)、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(xué)合影，前排右三為哥哥劉振隆
　　1950年，為提前報考大學(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)過一個多月的努力，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)上了電機系，經(jīng)過一階段學(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)生活中的實際問題，常做些制圖之類的設(shè)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(xué)一年，目的是復(fù)學(xué)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(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，學(xué)校新聘請的青島觀象臺臺長王彬華為學(xué)生作了一場關(guān)于鼓勵學(xué)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(xué)生們面前談到如何滿足國防需要而進行天氣觀測和預(yù)報時，我們兄弟倆立刻為“呼風(fēng)喚雨”的氣象學(xué)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(xué)氣象系。在南京大學(xué)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(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，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(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。哥哥被分配到沈陽中心氣象臺工作，我被分配到中國科學(xué)院地球物理研究所任研究實習(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)科研工作的報告會。這使我感到無比榮幸，并對我以后的科學(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(jié)構(gòu)特性。1958年5月，中國科學(xué)院組織了一個包括多學(xué)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(nèi)蒙古到甘肅，我**次看到西北一望無際的沙漠，大風(fēng)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(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)沙觀測資料，認識到風(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，研究了沙的傳輸過程和不同風(fēng)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(nèi)就寫出了關(guān)于我國西北風(fēng)沙問題的兩篇研究論文，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）。這是首次對我國西北的風(fēng)沙問題進行觀測和理論相結(jié)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(xué)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(xué)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(xué)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(diào)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(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力學(xué)家郭永懷先生，請他指導(dǎo)我的課題研究。經(jīng)過近兩年的努力，我用稀薄氣體動力學(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。
　　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(dǎo)這個組的工作。該組是我國磁層物理學(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**顆衛(wèi)星“東方紅一號”空間粒子環(huán)境模擬試驗的任務(wù)，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(chǔ)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(shù)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(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(xué)大會獎。
　　從1975年起，我開始在國內(nèi)開展太陽風(fēng)研究。從太陽風(fēng)的衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)太陽風(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，推廣到太陽風(fēng)湍流的研究中，從而得出了太陽風(fēng)湍譜的普遍表達式，理論與探測結(jié)果符合得很好（劉振興，1980）。在研究中，我逐漸認識到太陽風(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《太陽風(fēng)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(fēng)向磁層和電離層中的傳輸”項目獲中國科學(xué)院自然科學(xué)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(xué)者赴美國馬里蘭大學(xué)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(jié)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)對木星磁盤結(jié)構(gòu)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(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”。該書主編美國著名空間物理學(xué)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(xué)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(dǎo)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(xué)、斯坦福大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校進行訪問、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)展的全球過程，將國際上長期爭論的兩種觀點“太陽風(fēng)直接驅(qū)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(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(nèi)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