《空间物理学进展（第五卷）》内容作为《空间物理学进展（第四卷）》的补充，主要包含以下内容：**章为刘振兴院士有关传记及我国地球空间双星探测计划的内容;第二章至第四章为有关太阳探测、太阳风和太阳高能粒子方面的研究内容；第五章至第七章为有关地球磁层方面的研究内容；第八章至第十六章为《空间物理学进展（第五卷）》的重点，包括磁层电离层耦合、中高层大气和电离层方面的研究内容；第十七章为火星研究方面的内容。
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《空间物理学进展（第五卷）》可供有关高等院校的教师、研究生以及空间物理和空间探测方面的研究工作者学习或参考。
第1章我学习和研究的回顾以及地球空间双星探测计划刘振兴
中国科学院国家空间科学中心，北京100190
1.1求学、立志与科研创新
1.1.1艰难的中小学学习
1929年9月14日，我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，我的父亲常年在外做工，当家的是我的爷爷，一位方圆几十里颇有名气的老中医。在6岁之前，我们无忧无虑地享受着成长的快乐，从爷爷那里常得到一些自然与社会中的常识及做人的道理。在玩乐之余，我们也能帮着大人做一些事，如帮爷爷做一些蜜饯为原料的药丸，也偶尔偷个嘴儿。我们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，我就问奶奶雷电的来历。在帮母亲喂蚕的过程中，跟大孩子去村前小河抓鱼时，我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，对我后来在科学方面的观察和探索兴趣至关重要。在我6岁那年爷爷过世，家庭收入变得微薄，我和哥哥也经常加入全家的劳作之中，如经常起早去菜园里为萝卜抓虫，使得幼年的我经受了重要的锻炼。
后来我们上了本村的小学，1938年1月，日本侵略军侵占昌乐城，小学被迫撤销，之后我们兄弟俩又在私塾学习了两年。1940年，县教育局派人到我村办起了新式学堂，并统一配发抗日教材。学堂的老师叫赵立平，经常激励学生的爱国精神，培养民族气节。因使用抗日教材，学堂后来被鬼子突袭，赵立平老师被捕，从此不知所踪，开办不到一年的学堂自然也停了课。后来，我们转到了村里新办的类似于辅导班性质的学堂补习此前缺失的课程，准备报考高小。在此期间，我们经历了惊魂一劫。有一次鬼子大扫荡，母亲带着我们兄弟俩前往姑妈家避难，在半路上，我们亲眼见到同行的一位老人被流弹击中，当即殒命。多年来，一想起这事，我就心惊胆颤，对日本鬼子恨得咬牙切齿。
1941年的下半年，我们考上了离家十几里的高小。高小的校舍属一位叫王懿德的实业家所有。他在青岛经营企业，但很关心高小的发展，时常在回乡探视时为师生们作一番讲话，鼓励孩子们努力学习，将来成为国家的有用之材。他为我们兄弟所向慕，从那时我们就树立了一个初步的理想：好好学习，长大之后像他一样发展实业，成为对人民和社会有用的人才。在这种理想的支撑下，我们兄弟俩刻苦努力，到高小毕业时，成绩已在班里遥遥领先。
高小毕业之后，我们哥俩都考上了昌乐中学就读简易师范，因为简易师范对家庭困难而成绩优异的学生有生活补助。哥哥上的是昌乐中学总校简师班，我上了离家一二十里的昌乐中学山唐分校简师班。简易师范的学习并不顺利，常受日寇骚扰，甚至连在教室里上课都难以得到保证。鬼子来袭时，大家都带着马扎到树林里去上课。就在这种环境下，我依然努力学习。由于成绩优异，我每月都能得到52斤小米的奖励。简易师范毕业后，我们哥俩在家干了几个月的农活，又在附近村子的小学教了几个月的书。之后，我们都考入潍县师范学校。没多久，由于战乱，学校解散，我们又都回了家。
这时已到了1948年，为了继续求学，我们兄弟俩在一个做烟草生意的姑表哥带领下，奔赴480公里以外的青岛见到了父亲。到达青岛后不久，我们就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（青岛四中）。青岛四中办学正规，师资力量也相对雄厚，学习、生活条件都很好。我们兄弟俩的成绩在四中仍然名列前茅（图1.1）。
图1.11950年1月，我(后排右三)与青岛四中同学合影，前排右三为哥哥刘振隆
1950年，为提前报考大学，我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，我们兄弟俩双双考入山东大学。
1.1.2专业波折的大学教育
出于“学好数理化，走遍天下都不怕”的朴素想法，我们哥俩考入山东大学物理系。与我们一同从青岛四中考入山东大学的一位同学上了电机系，经过一阶段学习后，他给我们讲了该系的专业学习情况：面向生产生活中的实际问题，常做些制图之类的设计。这令我们逐渐心生向往。于是我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，毕业后成为实业家，像王懿德先生那样，成为对人民和社会有用的人才。休学后，我们哥俩在不同学校各自任教。一年后我们复学，但由于学校关于专业调整的政策已变，我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。
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。青岛观象台当时隶属海军，王彬华为军官身份。当天，身着呢子军装，头戴军帽，英武帅气的王彬华在学生们面前谈到如何满足国防需要而进行天气观测和预报时，我们兄弟俩立刻为“呼风唤雨”的气象学所吸引，认为这是一个培养对国家、人民和社会有用人才的理想专业，于是毫不犹豫地选择了物理系气象专业组。
不久，物理系气象专业组被合并到了南京大学气象系。在南京大学就读期间，我经过刻苦努力，很快成绩就在班级名列前茅。由于成绩突出，我被初定为保送赴苏联留学的**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，我在保送赴苏的政审中因“出身”问题而被淘汰，只得抱憾毕业。
1.1.3师承大师的副博士学位攻读与研究
1955年大学毕业，我们兄弟俩也就此分开。哥哥被分配到沈阳中心气象台工作，我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。
刚参加工作，我就接触了仰慕已久的科学大师，见到了著名气象学家、地球物理学家赵九章等多位科学家。1955年11月，我参加了钱学森先生关于用辩证唯物论指导科研工作的报告会。这使我感到无比荣幸，并对我以后的科学精神、科研思想和科研方法等方面都产生了深远的影响。
1957年，我通过全国统考被录取为赵九章先生的副博士研究生。就读副博士研究生之初，我的选题方向为近地层大气湍流结构特性。1958年5月，中国科学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，我参加了这次固沙考察。从北京出发经内蒙古到甘肃，我**次看到西北一望无际的沙漠，大风刮过，沙粒飞起，天昏地暗，农田被掩盖，部分铁路被阻塞。这使我深刻认识到西北治沙的重要性和必要性。在接下来的定点考察中，我被分到中国科学院宁夏中卫沙坡头固沙站。我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，后经赵九章先生推荐，在《科学记录》杂志上发表（刘振兴，1958；1959）。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（1987年，作为赵先生研究团队的一员，我因近地空间环境的探测和理论研究获得了国家自然科学三等奖）。
1957年10月，苏联人造地球卫星发射成功。以赵九章先生为首的著名科学家向国家提出了我国也要研制人造卫星的建议。经批准后，中国科学院成立了“581”组开始着手准备卫星研制工作。赵先生为主要负责人，根据实际情况，他建议从火箭探测开始。1959年3月，赵先生将我调入“581”组，承担火箭探测数据处理工作。此后在我的建议下，我的副博士研究生学位论文由近地层大气物理研究方向改为高空大气物理方向。赵先生还特地把我推荐给著名的空气动力学家郭永怀先生，请他指导我的课题研究。经过近两年的努力，我用稀薄气体动力学方法，完成了学位论文《流星与空间大气相互作用》，并得到了郭永怀先生的好评。
1959年，赵先生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。研究生毕业以后，在赵先生的安排下，我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，我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，1967年参加了我国**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，我负责撰写了《人造地球卫星环境手册》一书中的粒子辐射部分（《人造地球卫星环境手册》编写组，1971）。
1968年，恩师赵九章先生含冤去世，这使我悲伤欲绝。次年10月，我随空间物理及探测技术研究所到西安工作。当时研究所的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。我和另一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”。作为“实践一号空间探测”项目的参与者及《人造地球卫星环境手册》一书的主要作者之一，我于1978年获得全国科学大会奖。
从1975年起，我开始在国内开展太阳风研究。从太阳风的卫星探测数据中，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，我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（刘振兴，1980）。在研究中，我逐渐认识到太阳风、磁层、电离层和高层大气之间有密切的耦合关系，于是写了题为《太阳风磁层电离层高层大气间的耦合过程》的论文（刘振兴，1980）。1987年，“太阳风向磁层和电离层中的传输”项目获中国科学院自然科学三等奖。
1.1.4从刘氏模型到涡旋诱发重联理论
改革开放后，对外交流的大门打开，1980年5月至次年9月我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。木星磁层模型理论是木星磁层物理中的重要课题。当时主要有两个模型用来解释木星磁层结果的观测现象：磁异常模型与磁盘模型。此前公认的木星磁盘模型假定整个磁层是随着木星共转，磁盘面处处与磁赤道平行。但这两个假定与后来的探测事实并不相符。我根据美国“旅行者”飞船对木星磁层探测的**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（Liu， 1982）。其主要结果载入了剑桥大学出版的《木星磁层物理》（Dessler， 2002）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：“这项研图1.21987年3月，在美国访问期间在阿拉斯加“圣诞老人之家”的留影究表现出重大的发展，可能成为这方面的经典著作之一。” 这项研究于1987年被中国科学院推荐为***重大科技成果。回国后，我先后被评为副研究员、研究员、博士生导师、研究室主任等；1984年，被评为我国**批有突出贡献的中青年专家。
1987年，我再度赴美半年，先后在阿拉斯加大学、斯坦福大学、加利福尼亚大学洛杉矶分校进行访问、讲学与合作研究（图1.2）。在此期间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（Liu et al.， 1988）。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，我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。我们还将VIR理论应用于能量传输事件(FTE)，建立一个三维的FTE模型（Liu and Hu， 1988; Liu et al.， 1990）。
在VIR理论之前，国际上已有几个瞬时磁场重联模型。这些模型都认为，两个磁场相反的等离子体区在两边垂直流推动下被向内压缩，*后在存在反常电阻的扩散区产生磁场重联。我认为，这些过程在磁尾电流片区是容易出现的，但在大部分磁层顶边界层区流场基本上是与磁力线平行的。因而，在这些区域，上述模型的条件与实际情况不相符。其次，在磁层顶边界
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