空间科学“最亮的星” | 刘振兴：太空“奕星”

刘振兴

　　2001年7月9日，在巴黎欧空局本部签署“双星计划”后合影。（左起：刘振兴、中国航天局局长栾恩杰、欧空局科学项目部主任D.J.Southwood、欧空局局长A.Rodata）

　　1984年，刘振兴在空间科学学会春节座谈会上发言

　　1984年，刘振兴在空间科学学会春节座谈会上发言

　　刘振兴生于1929年，山东昌乐人。1955年毕业于南京大学气象系，分配至中国科学院地球物理研究所工作。1961年在该所获得副博士学位。之后长期工作于地球物理研究所二部、应用地球物理所（国防科委空间物理及探测技术研究所、七机部五院505研究所、中科院空间物理研究所）、中科院空间科学与应用研究中心。中国地球空间双星探测计划首席科学家。长期从事磁层物理研究，在地球辐射带理论、太阳风湍流结构、木星磁层磁盘模式、极光区粒子加速、磁层亚暴过程和磁场重联理论研究方面作出了重要的成果。1995年当选中国科学院院士。 

　　从近地物理到高空大气物理，再到磁层物理、行星际物理，刘振兴在多个专业方向纵横驰骋。其“双星计划”的提出与实施，在中国空间物理的发展中更是具有里程碑式的意义。 

　　艰难曲折的读书历程 

　　1929年9月14日，刘振兴出生在山东省昌乐县营子村一户农家，是一对双胞胎中的弟弟。出生时，他的父亲常年在外做工，当家的是他的爷爷，一位方圆几十里颇有名气的老中医。刘振兴从小就对各类自然现象表现出了强烈的好奇心与求知欲。每逢打雷闪电，他就向奶奶刨根问底关于雷电的来历。在帮母亲喂蚕以及跟大孩子去村前小河抓鱼时，他对蚕与青蛙的发育过程也十分好奇。从小养成的这种好奇心，对他后来在科学方面的观察和探索兴趣的养成至关重要。 

　　6岁时，刘振兴和胞兄上了本村的小学。1938年1月，日本侵略军侵占昌乐城，小学被迫撤销，之后他们兄弟俩又在私塾学习了两年。1940年，县教育局派人到村里办起了新式学堂，他们又获得读书机会。因使用抗日教材，学堂后来被日本鬼子突袭，老师赵立平被捕，学堂自然也停了课。后来，他们转到了村里新办的另一个类似于辅导班性质的学堂补习此前缺失课程。在此期间，他们经历了惊魂一劫：有一次，因为日本鬼子大扫荡，母亲带着他们兄弟俩前往姑妈家去避难。在半道上，他们亲眼见到同行的一位老人被日本鬼子的流弹击中，当即陨命。多年来，一提起日本鬼子，刘振兴都会恨得咬牙切齿。 

　　1941年下半年，小哥俩考上了离家十几里地的高小。高小校舍的创始人王懿德在青岛经营企业，时常在回乡探视时鼓励孩子们努力学习，将来成为国家有用之材。这位王先生为刘家兄弟所敬佩，使他们从那时就树立了一个理想：好好学习，长大之后成为对国家和社会有用的人才。 

　　高小毕业后，因为简易师范（初中层次，下文简称简师）对家庭困难而成绩优异的学生有生活补助，他们哥俩都考上昌乐中学就读简师。哥哥上的是总校，刘振兴则上了离家一二十里地的山唐分校。简师的学习并不顺利，常受日寇骚扰，甚至连在教室里上课都难以得到保证。日寇来袭时，大家都带着马扎到树林里去上课。就在这种环境下，刘振兴依然努力学习。由于成绩优异，他每月都能得到52斤小米的奖励。简师毕业后，他们哥俩在家干了一段时间农活，又在附近的村小学里教了几个月的书。之后，他们又考入潍县师范学校（高中层次）。但没多久，学校因战乱而解散，他们又卷起铺盖回了家。 

　　此时已是1948年，为了继续求学，他们兄弟俩到青岛投奔父亲，之后进入青岛市辖临时中学就读。1949年6月，青岛解放，临时中学随即被合并入青岛市第四中学。刘振兴的成绩在四中仍然名列前茅，每次考试总在前五名之内。1950年，为提前报考大学，他们与几位同学租了一间小阁楼，自学物理、数学等课程，并复习此前所学各科。经过一个多月的努力，兄弟俩双双考入山东大学物理系。 

　　与刘家兄弟俩一同从青岛四中考入山东大学的一位叫孙世伦的同学上了电机系，经过一阶段学习后，他给刘家兄弟讲了电机系的专业学习情况：面向生产、生活中的实际问题，常做些制图之类的设计。这令兄弟俩逐渐心生向往。于是他们以家境贫寒为由申请休学一年，目的是复学后选择电机系。休学期间，他们哥俩在不同学校各自任教。但复学后，由于学校关于专业调整的政策已变，他们未能如愿调入电机系，带着苦恼，不得已只能重新回到物理系就读。 

　　就在物理系学生选专业时，学校新聘请的青岛观象台台长王彬华为学生作了一场关于鼓励学生报选气象专业的动员。当时，他们兄弟俩一下子被“呼风唤雨”的气象学所吸引，认为这是一个培养对国家和社会有用人才的好专业，毫不犹豫地选择了物理系气象专业组。但之后不久，该组就被合并到了南京大学气象系。 

　　在南京大学气象系就读期间，刘振兴经过刻苦努力，成绩很快就在班级中名列前茅了，尤其是动力气象学课程。由于成绩突出，他被初定为保送赴苏联留学的第一人选。但由于身为工人的父亲此前有一次在填履历表时，误将自己家庭“成分”填为地主，导致刘振兴在保送赴苏的政审中因“出身”问题而被淘汰，只得抱憾毕业。 

　　在大师指导下潜心研究 

　　1955年，刘家兄弟俩大学毕业后就此分开——哥哥被分配到沈阳中心气象台工作，刘振兴被分配到中国科学院地球物理研究所任研究实习员。从此聚少离多。 

　　1957年，刘振兴通过全国统考被录取为地球物理所所长赵九章的副博士研究生。起初，他的选题方向为近地层大气湍流结构特性。1958年5月，中科院组织了一个包括多学科的西北固沙考察队。在赵九章先生的建议下，刘振兴参加了这次固沙考察。在中科院宁夏中卫沙坡头固沙站，他阅览了该站积累数年的风沙观测资料，认识到风沙与近地层湍流有密切关系，于是用数据分析和理论相结合的方法，研究了沙的传输过程和不同风力与方向情况下沙丘的运动规律。在不到两个月的时间内就写出了关于我国西北风沙问题的两篇研究论文，后经赵九章推荐发表。这是首次对我国西北的风沙问题进行观测和理论相结合的研究，对当时的固沙工作有着一定的参考价值。 

　　1958年，中国科学院开始着手准备我国的人造卫星研制工作，为此成立了“581”组。赵九章为主要负责人，根据实际情况，他建议从火箭探测开始。1959年3月，赵九章将刘振兴调入“581”组，承担火箭探测数据处理工作。此后在刘振兴的要求下，其副博士论文由近地层大气物理研究方向改为高空大气物理方向。赵先生还特地把他推荐给著名的空气动力学家郭永怀，请其指导课题研究。经过近两年的努力，刘振兴用稀薄气体动力学方法，完成了题为《流星与空间大气相互作用》的副博士学位论文，并得到了郭永怀的好评。 

　　1959年，赵九章根据当时空间物理发展的趋势，在地球物理研究所成立了磁暴研究组，并亲自指导这个组的工作。该组是我国磁层物理学发展的摇篮。 

　　刘振兴研究生毕业以后，在赵九章的安排下，从高层大气组转入了磁暴研究组，从事磁暴期间地球辐射带变化的研究。从此，他又从高层大气跨入了磁层物理和太阳风的研究领域。 

　　带着地球辐射带研究的基础，刘振兴于1967年参加了我国第一颗卫星“东方红一号”空间粒子环境模拟试验的任务，所研究制定的空间粒子环境参数标准，对卫星的研制、发射和运行安全起了一定的作用。在此基础上，他撰写了《人造地球卫星环境手册》一书中的粒子辐射部分。 

　　1968年，恩师赵九章含冤去世，这使刘振兴悲伤欲绝。 

　　次年10月，他随空间物理及探测技术研究所到西安工作。当时研究所主要工作是探测空间粒子环境，包括地球辐射带和同步高度区粒子环境，为下一步卫星研制提供空间环境数据。他和另一位同事负责探测器数据处理和分析工作。在“东方红一号”卫星上天后不到一年时间内，广大科研人员积极努力，于1971年3月成功发射了科学试验卫星“实践一号”。 

　　从1975年起，刘振兴开始在国内开展太阳风研究。从太阳风的卫星探测数据中，他发现太阳风中存在着湍流现象，而且与低层大气的湍流有些相似之处。在这一启示下，他将研究低层大气湍流的基础和方法，推广到太阳风湍流的研究中，从而得出了太阳风湍谱的普遍表达式，理论与探测结果符合得很好。此外，他还提出了太阳风—磁层—电离层—高层大气耦合的概念。 

　　从“刘氏模型”到“涡旋诱发重联” 

　　改革开放后，我国对外交流的大门打开，刘振兴于1980年5月至次年9月作为访问学者赴美国马里兰大学进行木星磁层理论模式等方面的研究。他根据美国“旅行者”飞船对木星磁层探测的最新数据，分析认为木星的快速旋转对木星磁盘结构有着重要的影响，从而提出了一个新的木星磁层磁盘模型。其主要结果载入了剑桥大学出版的《木星磁层物理》一书中，被称为“刘氏模型”。该书主编、美国著名空间物理学家A.J.Dessler教授如此评价：“这项研究表现出重大的发展，可能成为这方面的经典著作之一。” 

　　1987年，刘振兴再度赴美半年，先后在阿拉斯加大学、丹福大学、加州大学洛杉矶分校进行访问、讲学与合作研究。在此期间他与阿拉斯加大学教授李罗权等合作，提出了磁层亚暴的等效电路模型。该模型用等效电路方法首次考虑了磁层亚暴发生和发展的全球过程，将国际上长期争论的两种观点“太阳风直接驱动过程”和“卸载过程”统一起来，解释了磁层亚暴期间磁层和电离层电流系统的耦合过程和变化规律。这项研究受到了国际同行的高度关注，所发表的文章被多次引用。 

　　1986～1988年，刘振兴首次提出了流体涡旋诱发磁场重联（VIR）的新概念，建立了涡旋诱发重联理论模型。他还与合作者将VIR理论应用于能量传输事件（FTE），建立了一个三维的FTE模型。刘振兴将动力气象学中的一些物理现象与磁场重联联系起来进行思考，从中得到了新的启示，首次提出了流体涡旋诱发磁场重联的新机制，建立了一个新的磁场重联理论，为研究磁场重联开辟了一条新的途径。 

　　在1994年举行的国际磁层顶物理学术讨论会上，涡旋诱发重联与多X重联模型、单X重联模型共同被公认为通量传输事件的三个基本模型。 

　　打开中欧空间科学合作之门 

　　20世纪90年代，欧洲航天局（下文简称欧空局）与美国、日本和前苏联的空间机构组成了国际空间局协调组（IACG），制定了“国际日地物理”（ISTP）计划。这项计划的一个核心内容是发射包括4颗卫星的星簇（Cluster）卫星。欧空局为了完善Cluster卫星科学数据系统（CSDS）的功能，于1990年7月发出通告，邀请各国的空间科学家参加CSDS进行合作研究。 

　　1990年11月，刘振兴代表中国科学院空间科学与应用研究中心向欧空局递交了一份提案。欧空局认为中方在基础研究方面有一定优势，其科学评审委员会于1992年2月审议通过了中方的提案。该委员会决定同意中国科学院空间科学与应用研究中心加入欧空局CSDS系统，邀请中方代表出席欧空局于1992年6月17日~19日在荷兰举行的第六次卫星科学工作会议，并讨论有关合作事宜。1993年11月24日，中国与欧空局双方在北京正式签署了中欧科学研究合作协议。 

　　根据协议，中方成立了中国Cluster数据和研究中心及中国Cluster科学工作队，刘振兴任这两个机构的主任和中方首席科学家。此后中国Cluster科学数据和研究中心成为欧空局Cluster科学数据系统的正式成员。这是我国第一次与欧空局开展规模较大和层次较高的国际合作项目，为以后开展进一步合作奠定了良好的基础。 

　　现在中国Cluster科学数据中心可以不断获得Cluster 4颗卫星上的探测数据，这对于我国空间物理研究发挥着重要的作用。 

　　“双星计划”弈出精彩一局 

　　自从1957年第一颗人造地球卫星成功发射以来，国际上提出并实现了一系列的空间科学探测计划。我国是一个空间大国，但还不是空间强国，在空间探测方面与空间强国相比还有相当大的差距，这正是限制我国空间科学发展的主要因素之一。因此，亟须发展我国的空间探测和科学研究，迅速提高我国空间科学研究的水平。虽然我国与欧空局Cluster计划开展了合作，但还缺乏自主的空间科学探测与研究计划。 

　　为此，刘振兴于1997年初提出了地球空间双星探测计划（简称“双星计划”），其基本想法是将地球磁层最重要的空间区域用两颗卫星覆盖来开展探测，形成独立的地球空间探测卫星系统。同时，“双星计划”又与欧空局的Cluster卫星探测计划内外相互配合，开展地球空间的“六点”协调探测。 

　　欧空局对刘振兴提出的“双星计划”十分重视，派出了以科学项目主任为首的代表团于1997年11月访问了北京，与中国科学院空间中心讨论了关于“双星计划”的合作问题。欧空局代表团认为，“双星计划”对Cluster水平的提高是至关重要的，对国际日地计划将会做出重要贡献。1997年11月举行的欧空局Cluster科学工作队会议上，与会的主要研究者们对“双星计划”十分重视，一致通过与“双星计划”研究者进行合作。同时，国际空间局协调组（IACG）也已通过一项议题，将“双星计划”纳入国际探测任务。 

　　“双星计划”中的赤道区卫星“探测一号”（TC-1）于2003年12月30日在西昌卫星发射中心由“长征二号丙/SM”型运载火箭成功发射，极区卫星“探测二号”（TC-2）于2004年7月25日在太原卫星发射中心再次发射成功。 

　　地球空间双星探测计划是我国第一个空间科学探测计划，是我方为主的我国与欧空局开展合作的重大国际合作探测计划。通过“双星计划”的顺利实施，为我国空间物理研究取得了大量先进的探测数据；提高了多点卫星探测数据的分析能力，并取得了创新性研究成果；提高了空间探测仪器的研制水平；提高了我国卫星技术的研制水平；培养了一支高水平的空间科技队伍；提高了我国在空间物理界的地位和作用。 

　　刘振兴曾作过一个比喻：“这就像下棋，位置非常关键，就空着两个地方，你下了这个棋子，这盘棋就活了。”正是怀着这种“天作棋盘星作子”的气概，刘振兴以“双星”与欧空局的Cluster卫星相配合，弈出了精彩的一局。（作者：丁兆君，中国科学技术大学校史馆馆员） 

　　延伸阅读 

　　同行印象——刘振兴其人其事 

　　濮祖荫（北京大学地球与空间科学学院教授）： 

　　刚接触他的时候，我就觉得他这个人思想很活跃。他的特点就是脑袋瓜里的想法很多。你看他原来是学气象的，后来又做了大气物理，从气象跨到大气物理，做的第一个工作就是低层大气物理方面的研究。他跨得很快，思路很敏捷，善于把不同学科的东西揉合在一起建立新的内容。他经常把气象方面的、大气物理方面的一些概念，融合到空间物理里面来，所以思路敏捷，反应很快，经常有新东西。 

　　关于FTE，最早提出理论模型的是台湾的李罗权，他现在是台湾“中研院”院士，那时候在美国阿拉斯加Fairbanks大学；还有空间中心的傅竹风，他曾到阿拉斯加去访问。李罗权有一个想法就是多X线重联，两个X点，中间就是一个磁岛，一个FTE，三维就是一个开放的通量管(磁绳)。李罗权很有理论思想，傅竹风很会数值计算，就用计算机做二维数值模拟，最终形成国际上最流行的一个模型。 

　　后来另外两个欧洲人，影响较大的是M.Scholer，他们提出可能存在单独一个X点，产生局地的一个磁泡，FTE就是那个磁泡，单点x重联的FTE，不是一个开放的通量管。这个模型在国际上也很受重视。 

　　刘振兴就觉得在磁层边界这里磁鞘流对磁层的影响不能忽略。磁层顶外边有磁鞘流运动，磁层边界就会有速度剪接剪切，剪切大了，流场就要出现涡旋，流场的涡旋就会引起磁场的涡旋，他把FTE通量管通量叫作磁涡旋。他就让研究生胡一丁做了数值模拟，结果做出来之后，于1988年发表在美国《地球物理研究通讯》上。 

　　这是他做得非常好的一个工作。这样国际上就有了三个主要的模型，一个是多x重联模型，一个单x重联模型，然后就是涡旋诱发模型。（根据丁兆君于2014年1月23日访谈濮祖荫教授录音整理） 

　　王水（中国科学技术大学地球与空间科学系教授、中科院院士）： 

　　刘振兴最重要的一个工作，就是推动了“双星计划”。我认为这是他很重要的一个贡献。这个想法非常好，欧洲发射了4颗cluster卫星，刘振兴提出自己也放2颗，组成一个6颗卫星的编队，这样可以探测空间中一些中小层系统的时空变化。 

　　欧空局他们做空间探测有好多年了，而“双星”是我们国家第一个真正的卫星探测计划。我认为它的意义，第一就是推动了我们国家空间探测的开始，第二是推动了我们中国跟欧空局的合作。所以我认为意义还是很重大的。 

　　我认为刘振兴贡献确实很大，在推动这个“双星计划”方面，是大家公认的。不仅仅国内的空间学界，国外的空间学界对他也是承认的。 

　　刘振兴是一个很热情的人，他对我们空间科学的每一项活动都很支持，都积极参加。学会、出版、会议，他都是积极参加的。作为科学家来讲，这是最主要的，就是说你要参加学术活动，通过学术影响力，来推动学科的发展。（根据丁兆君于2014年12月1日访谈王水院士录音整理） 

（本文原载于《中国科学报》2015-04-03，第3版。）