對于今天的地球科學(xué)學(xué)生來說，學(xué)習(xí)并不輕松，本以為進(jìn)入大學(xué)可以遠(yuǎn)離數(shù)學(xué)物理，結(jié)果打開課表，猛然發(fā)現(xiàn)字里行間全是物理：大氣物理、動力氣象學(xué)、固體地球物理……為什么這樣的學(xué)科也這么物理？對于中國來說，這與趙九章有著密不可分的關(guān)系。

趙九章（1907-1968）中國近代氣象學(xué)奠基人之一、是地球物理學(xué)的開拓者、空間物理和空間探測的創(chuàng)始人。某種意義上，他的一生就是聯(lián)系物理與地球科學(xué)的一生。

▲圖1 趙九章畫像

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風(fēng)起清華

1929年，如同本系列其中幾位物理學(xué)家一樣，趙九章考入清華大學(xué)物理系，成為清華第五級學(xué)生。1925年時，物理系只有葉企孫一位教授，還好在趙九章入學(xué)前一年，吳有訓(xùn)與薩本棟前往清華任教，充實了物理系的教學(xué)力量。大一的普通物理是吳有訓(xùn)講授的，吳有訓(xùn)上課雖有口音，但仍然能講地非常清晰。除此之外，吳有訓(xùn)還特別重視實驗教學(xué)，這讓趙九章特別適用，他在實驗上也特別認(rèn)真與努力。畢業(yè)后，吳有訓(xùn)讓趙九章成為物理實驗的助教，對他進(jìn)一步培養(yǎng)。

▲圖2 1933，趙九章與同班同學(xué)傅承義（右）、王竹溪（左）在清華園

與其他物理系的同窗不同的是，趙九章最后進(jìn)入了氣象領(lǐng)域，這與葉企孫的思想密切相關(guān)。雖然當(dāng)時清華并沒有氣象系，但葉企孫仍看到了氣象學(xué)與物理學(xué)的密切關(guān)系，于1925年在清華學(xué)堂一間房中設(shè)立了氣象臺，王淦昌便在這里進(jìn)行了大氣放射性研究。1931年，清華大學(xué)在一座小山上建成了氣象臺，成為當(dāng)時清華最高的建筑。

▲圖3 清華天文臺（原氣象臺）

從中國未來的學(xué)科建設(shè)與國防角度考慮，葉企孫建議讓趙九章進(jìn)入氣象學(xué)領(lǐng)域，報考留美公費(fèi)公費(fèi)生，趙九章也欣然接受了這一建議。對于這一段，錢偉長記憶猶新：“他與葉先生商量，地球物理各方面都要有人去干，如氣象、海洋地震等。那天晚上我印象非常深刻，以后幾年經(jīng)常在葉先生那里見到他。”1934年，趙九章考取清華庚款留學(xué)名額，按照當(dāng)時的規(guī)定，要在國內(nèi)導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)修一年才能出國學(xué)習(xí)，在葉企孫的幫助下，趙九章前往南京師從竺可楨學(xué)習(xí)氣象學(xué).

竺可楨是當(dāng)時中國氣象學(xué)的領(lǐng)頭人，自1918年回國后一直致力于國內(nèi)氣象學(xué)的建設(shè)。1928年，竺可楨成為“中央研究院”氣象研究所所長，開始在全國建設(shè)氣象臺站，開拓氣象研究。在綜合了南京和北京的高空探測資料之后，趙九章很快就寫出了《中國東部氣團(tuán)之分析》一文，這是他的第一篇?dú)庀髮W(xué)論文。

▲圖4 北極閣氣象臺（原“中央研究院”氣象研究所）

按照計劃，趙九章應(yīng)該在此之后赴美留學(xué)，但是葉企孫后來了解到德國柏林大學(xué)氣象學(xué)的水平很高，認(rèn)為趙九章應(yīng)該前往德國留學(xué)，竺可楨也同意這一看法。1935年7月，趙九章赴德國柏林大學(xué)攻讀氣象學(xué)。

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將物理與數(shù)學(xué)注入中國氣象學(xué)

趙九章的導(dǎo)師是著名的菲克（H.Von. Ficker）教授，這是當(dāng)時德國奧地利學(xué)派的代表人物。對于菲克來說，天氣預(yù)報是氣象學(xué)整體科學(xué)的一個重要組成部分，這就需要對天氣預(yù)報有著嚴(yán)格的數(shù)學(xué)與物理學(xué)的要求。從1910年開始，菲克進(jìn)行了多次高空氣球放飛，逐漸總結(jié)出一些天氣預(yù)報的規(guī)則，并認(rèn)識到平流層對天氣變化的操縱作用。在趙九章到達(dá)德國時，柏林大學(xué)剛好建成了氣象研究所，不遠(yuǎn)處還有高空氣象臺，這正是德國奧地利學(xué)派的鼎盛時期。

▲圖5 Heinrich von Ficker（1881-1957）

趙九章在菲克的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)動力氣象學(xué)與高空氣象學(xué)，并嘗試通過自己以往的數(shù)理基礎(chǔ)展開氣象研究。1937年，他發(fā)表了《信風(fēng)帶主流間的熱力學(xué)》，通過求解數(shù)理方程，定量地分析了信風(fēng)帶主流對水汽和熱量的輸送。這是他把數(shù)學(xué)和物理原理引入到氣象研究中的初步嘗試。竺可楨稱其為：“新中國建國前理論氣象研究方面最主要的收獲。”經(jīng)過幾年的學(xué)習(xí)后，趙九章對于物理和氣象的關(guān)系有了更深的理解，他認(rèn)為理論氣象學(xué)最后目的就是利用物理定理推測氣象要素的未來變化，從而進(jìn)行天氣預(yù)報，而中國的氣象學(xué)也要從描述為主的方法轉(zhuǎn)向數(shù)理方法。

▲圖6 1935年趙九章在德國

1938年，回到清華的趙九章先后開設(shè)了理論氣象學(xué)、大氣物理學(xué)等課程，并編寫了我國第一部《動力氣象學(xué)》。受到導(dǎo)師的影響，趙九章也特別重視高空氣象觀測，即使條件困難，他也通過放風(fēng)箏的形式觀測高空天氣。在他的影響下，顧震潮、朱崗昆等人都在40年代開展大氣物理學(xué)研究。顧震潮后來成為中國數(shù)值天氣預(yù)報的開創(chuàng)者，朱崗昆成為我國干旱和農(nóng)業(yè)氣象研究的創(chuàng)始人之一。

從1940年代到1960年代，趙九章最重要的工作就是繼續(xù)把物理和數(shù)學(xué)方法引入到氣象學(xué)中。1939年，羅斯貝提出了大氣長波理論，對西風(fēng)帶上長波擾動的形成與移動進(jìn)行了合理解釋，這一理論成功奠定了數(shù)值天氣預(yù)報的理論基礎(chǔ)，某種程度上讓氣象學(xué)成為一門真正的科學(xué)。在此基礎(chǔ)上，趙九章立即跟進(jìn)研究，并提出了長波在斜壓大氣中不穩(wěn)定這一概念，但是由于忽略了斜壓能量轉(zhuǎn)換的本質(zhì)，并未能推出正確的斜壓不穩(wěn)定理論。

▲圖7 羅斯貝與他的波的雜志封面

1944年，趙九章執(zhí)掌氣象所，并在其中發(fā)展地球物理研究，此所在新中國成立后成為地球物理所的主體。對于趙九章的氣象數(shù)理化道路，竺可楨給予高度贊賞：“物理為氣象之基本訓(xùn)練，日后進(jìn)步非從物理著手不行，故趙代所長主持，將來希望自無限量。”氣象學(xué)的未來真如竺可楨希望的那樣蓬勃發(fā)展。解放后，趙九章組織人員繪制我國第一張北半球天氣圖，從此我國正真正開始高空氣象學(xué)研究。當(dāng)時計算機(jī)的出現(xiàn)讓傳統(tǒng)天氣預(yù)報讓位于數(shù)值天氣預(yù)報，雖然當(dāng)時沒有計算機(jī)，但他能讓顧震潮預(yù)先開展這方面的研究，中國的數(shù)值預(yù)報由此起步。總體來看，包括云霧物理、人工影響天氣、雷電研究等各項大氣物理觀測實驗都先后在20世紀(jì)50年代開展起來。

▲圖8 原中國科學(xué)院地球物理研究所，后拆分為四個研究所

1956年在制定十二年遠(yuǎn)景規(guī)劃時，趙九章認(rèn)為：從現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展來看，氣象學(xué)是一門邊緣科學(xué)，它一方面聯(lián)系著當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境，有其地域特點(diǎn)，另一方面，則遵循著物理變化的法則，而與數(shù)理科學(xué)有共同性。因此，他提出氣象學(xué)要數(shù)理化、工程化和新技術(shù)化，并在地球物理研究所內(nèi)將這一方針確定下來。到這個時候，趙九章所要求的，就不僅僅是氣象學(xué)的數(shù)理化，而是整個地球科學(xué)的數(shù)理化。

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仰望高空

1957年，超過60個國家的物理學(xué)家參與到國際地球物理年的行動當(dāng)中，這是一場對地球物理現(xiàn)象的聯(lián)合觀測活動。中國也積極地參與其中 （后因美國制造“兩個中國”局面退出，但中國各種觀測活動仍照常進(jìn)行），并建設(shè)了一批地磁臺、電離層臺、宇宙射線臺等中高層大氣觀測臺站。1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星，這讓人類可以從太空中觀察地球的運(yùn)行。趙九章意識到這會為地球物理學(xué)賦予全新的發(fā)展機(jī)遇，決心開創(chuàng)空間物理這一領(lǐng)域。實際上，這是趙九章將地球物理從大氣轉(zhuǎn)向更為寬廣的領(lǐng)域。

▲圖9 地球大氣分層

1959年，他在地球物理所內(nèi)部組建了以開展空間物理研究為目的的磁暴研究組，之前的地磁與高空觀測設(shè)備此時排上了用場。之所以進(jìn)軍磁暴領(lǐng)域，也是因為美蘇兩國的衛(wèi)星探測證實了空間輻射帶的存在，讓磁暴領(lǐng)域進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段。考慮到磁暴現(xiàn)象是空間電測現(xiàn)象一個綜合過程，這最終成為空間物理的突破口。

在此之前，中國已經(jīng)進(jìn)行了幾十年的地磁研究，但是與之前的氣象學(xué)一樣，仍在描述階段。因此，趙九章又將物理數(shù)學(xué)的研究方法引入地磁學(xué)研究，利用數(shù)理方法解釋由觀測資料發(fā)現(xiàn)的磁暴及其他擾動現(xiàn)象。1959年，趙九章將一個自行車車棚改造成等離子模擬實驗室，利用氣體放電方法，開展探測擾動期地球輻射帶變化的模擬實驗，這在當(dāng)時屬于前沿研究。

▲圖10 1964年趙九章 (后排右四) 、王淦昌 (后排右三) 與科大學(xué)生在一起

從1960年到1964年，在這幾年時間中，趙九章完成了建立研究隊伍與實驗室的挑戰(zhàn)，并取得了可喜的成果，在國際會議上的報告多次得到同行贊賞。這說明數(shù)理學(xué)的方法對于地磁學(xué)與空間物理同樣有效。

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俯瞰地球

俯瞰地球

當(dāng)然，對于空間物理來說，最好的辦法并非是在地面進(jìn)行模擬實驗，而是在高空進(jìn)行真正的觀測。人造衛(wèi)星發(fā)射后，趙九章不僅意識到其對于空間物理的重要性，也極力倡導(dǎo)我國也要發(fā)射人造衛(wèi)星。國際地球物理年之后，他便將一部分人員的研究方向轉(zhuǎn)移到空間物理，以作為發(fā)射衛(wèi)星的飛行環(huán)境基礎(chǔ)。

1958年，為了落實中央關(guān)于搞人造衛(wèi)星的指示，中科院成立了581組，專門研究衛(wèi)星問題，錢學(xué)森擔(dān)任組長，趙九章?lián)胃苯M長。在這一任務(wù)之下，趙九章組織了遙測、雷達(dá)等研究隊伍，并開展了中高層大氣、電離層、太陽輻射等探測器的研制。之后，在趙九章的建議下，中國決定從探空火箭做起。早期的探空火箭并不能飛很高，正好適用于氣象探測。1960年，中國第一枚氣象火箭T-7型發(fā)射成功，地球物理所開始通過這一火箭來訓(xùn)練隊伍。

▲圖11 T-7探空火箭成功發(fā)射

對于衛(wèi)星系列的規(guī)劃，趙九章也有自己的想法，并為此做了較長的準(zhǔn)備。 在趙九章的設(shè)想中，衛(wèi)星最后不僅能夠成為一個大型的空間物理研究設(shè)備，也能夠?qū)τ趪烙兴砸妗?因此，在推進(jìn)東方紅1號的同時，趙九章也非常重視規(guī)劃工作的推進(jìn)。 王淦昌對此評價道： “當(dāng)年趙九章主持制定的我國第一顆衛(wèi)星的研究方案計劃和衛(wèi)星系列規(guī)劃既符合科學(xué)又符合實際。 ”然而，對于趙九章來說，他卻沒看到中國第一顆人造衛(wèi)星的發(fā)射成功，在離發(fā)射還有18個月的時候已經(jīng)離開人世，那時候第一顆人造衛(wèi)星的初樣已經(jīng)基本完成。

1999年，趙九章被追授為兩彈一星元勛，也被尊稱為中國人造衛(wèi)星事業(yè)的倡導(dǎo)者和奠基人之一。

近代自然科學(xué)的近代化特征之一就是其能夠通過數(shù)學(xué)和邏輯嚴(yán)密地描述自然現(xiàn)象，并且能夠進(jìn)行精確的量化分析。在這一方面，氣象學(xué)中的挪威學(xué)派、德國奧地利學(xué)派以及芝加哥學(xué)派等發(fā)揮了重要的作用，成功地讓氣象學(xué)物理化數(shù)學(xué)化。而對于中國來說，能夠較早的達(dá)到這一要求并持續(xù)推進(jìn)這一目標(biāo)，讓包括氣象學(xué)之內(nèi)的地球科學(xué)物理化，趙九章發(fā)揮了極為重要的作用。這雖然加大了一些學(xué)習(xí)的難度，卻讓我們離精確地描繪這個世界更近一步。

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