空间中心科研人员成功解读行星际磁场南向期间Kelvin-Helmholtz 涡旋的最新观测

　　近日，空间天气国家重点实验室科研人员燕广庆等及时追踪了THEMIS卫星的观测资料并进行了细致分析，获取了行星际磁场南向期间Kelvin-Helmholtz涡旋的难得观测证据，进一步通过卫星观测事实证明了在行星际磁场南向期间也可以发生具有规则周期性的Kelvin-Helmholtz涡旋，客观地打破了Kelvin-Helmholtz涡旋只能在行星际磁场北向条件下发生的传统观念，以全新的视角解读磁层顶边界层Kelvin-Helmholtz涡旋的观测特征。该成果发表在美国地球物理学会（American Geophysical Union）旗下的权威学术期刊地球物理研究快报（Geophysical Research Letters）上。

　　存在速度剪切的两种流体的边界上很容易激发Kelvin-Helmholtz表面波，这种表面波增长到非线性阶段就表现为Kelvin-Helmholtz涡旋。在空间等离子体中，典型的例子是在距离地球近乎十万公里以外的地球磁层晨昏侧翼的低纬边界层，由于磁鞘的速度剪切引起的Kelvin-Helmholtz涡旋结构。根据前人的理论推测和数值模拟，这种涡旋结构更容易在行星际磁场北向条件下发生，而已有的卫星观测证据几乎都是在行星际磁场北向条件下观测到的，并且被认为是行星际磁场北向条件下太阳风向磁层传输的重要途径。而在行星磁场南向条件下所观测到的Kelvin-Helmholtz涡旋，则只有Hwang等人利用Cluster卫星的观测数据报告过。行星际磁场南向条件下Kelvin-Helmholtz涡旋的观测特征及其对太阳风向磁层传输的作用，因缺乏足够的卫星观测证据，目前尚不清楚。

　　燕广庆等利用THEMIS卫星的观测数据，捕捉到了在行星际磁场南向期间发生在昏侧磁层顶的Kelvin-Helmholtz涡旋结构，并表现出清晰和规则的周期性特征。此时THEMIS的三颗卫星运行于距离地球大约8万公里的昏侧磁层顶，另外两颗位于月球轨道的THEMIS（ARTEMIS）卫星监测到了稳定的南向行星际磁场。来自于磁鞘的速度剪切在磁层顶激发了Kelvin-Helmholtz不稳定性，引起的Kelvin-Helmholtz涡旋结构沿着磁层顶向尾向传播，从而使卫星周期性的穿梭于磁层顶两侧，形成周期性的多次磁层顶穿越信号。卫星所观测到的具有显著旋转特征的速度场表明了涡旋的存在，所观测到的电场的旋转特征则表明了磁层顶由于涡旋结构而被扭曲的特点。依据多卫星的观测，可以计算出其尾向传播的相速度约为292 km/s，利用三点卫星观测数据的空间梯度计算方法，可以计算出沿着卫星三点平面法向方向的速度涡旋分量，并呈现清晰的4分钟周期性。

　　在涡旋结构的边界上，卫星观测到了磁场压缩的特点，根据法拉第定律，磁场变化应该引起垂直于磁场的环形感应电场，而卫星所观测到的感应电场恰好在这个磁场压缩区域存在5~8mV/m的峰值。经过分析估算，这种磁场压缩所引起的感应电场也大约为几个mV/m，与观测到的感应电场吻合得非常好，这说明所观测到的感应电场确实来自于涡旋边界上的磁场压缩效应，从而利用卫星在8万公里外的观测数据对法拉第定律进行了实验验证。这是首次在Kelvin-Helmholtz涡旋边界上观测到由于磁场压缩引起的感应电场。这种感应电场可能是诱发磁场重联过程以及引起太阳风向磁层传输过程的一个重要因素。

　　这是科研人员及时追踪THEMIS卫星观测资料并进行细致分析得出的结果，提供了行星际磁场南向期间Kelvin-Helmholtz涡旋的难得观测证据，并基于卫星观测事实进一步证明了在行星际磁场南向期间也可以发生具有规则周期性的Kelvin-Helmholtz涡旋，客观地打破了Kelvin-Helmholtz涡旋只能在行星际磁场北向条件下发生的传统观念，以全新的视角解读磁层顶边界层Kelvin-Helmholtz涡旋的观测特征，并进一步深入研究它在太阳风向磁场传输中的作用。

　　相关链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2014GL060589/pdf 

　　Citation: Yan, G. Q, F. S. Mozer, C. Shen, T. Chen, G. K. Parks, C. L. Cai, J. P. Mcfadden (2014), Kelvin-Helmholtz vortices observed by THEMIS at the duskside of magnetopause under southward IMF, Geophys. Res. Lett., 41, doi:10.1002/2014GL060589.

　　（供稿：天气室）

图1. THEMIS卫星所观测到的行星际磁场（月球轨道附近的向阳面太阳风中），地球磁层昏侧低纬边界层的涡旋结构速度场和磁场，以及基于三点观测数据计算的速度涡旋。

图2. THEMIS卫星在昏侧低纬边界层观测到的速度场和电场表明了涡旋结构的存在以及由此造成的磁层顶扭曲。

图3. THEMIS 卫星所观测到的涡旋结构边界上与磁场压缩对应的感应电场，竖线处的双极信号表明感应电场呈闭合圆环形态，而基于法拉第定律对感应电场的估算与这一观测一致。