近日，空間天氣國家重點實驗室科研人員燕廣慶等及時追蹤了THEMIS衛(wèi)星的觀測資料并進行了細致分析，獲取了行星際磁場南向期間Kelvin-Helmholtz渦旋的難得觀測證據(jù)，進一步通過衛(wèi)星觀測事實證明了在行星際磁場南向期間也可以發(fā)生具有規(guī)則周期性的Kelvin-Helmholtz渦旋，客觀地打破了Kelvin-Helmholtz渦旋只能在行星際磁場北向條件下發(fā)生的傳統(tǒng)觀念，以全新的視角解讀磁層頂邊界層Kelvin-Helmholtz渦旋的觀測特征。該成果發(fā)表在美國地球物理學會（American Geophysical Union）旗下的權威學術期刊地球物理研究快報（Geophysical Research Letters）上。

　　存在速度剪切的兩種流體的邊界上很容易激發(fā)Kelvin-Helmholtz表面波，這種表面波增長到非線性階段就表現(xiàn)為Kelvin-Helmholtz渦旋。在空間等離子體中，典型的例子是在距離地球近乎十萬公里以外的地球磁層晨昏側翼的低緯邊界層，由于磁鞘的速度剪切引起的Kelvin-Helmholtz渦旋結構。根據(jù)前人的理論推測和數(shù)值模擬，這種渦旋結構更容易在行星際磁場北向條件下發(fā)生，而已有的衛(wèi)星觀測證據(jù)幾乎都是在行星際磁場北向條件下觀測到的，并且被認為是行星際磁場北向條件下太陽風向磁層傳輸?shù)闹匾緩?。而在行星磁場南向條件下所觀測到的Kelvin-Helmholtz渦旋，則只有Hwang等人利用Cluster衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)報告過。行星際磁場南向條件下Kelvin-Helmholtz渦旋的觀測特征及其對太陽風向磁層傳輸?shù)淖饔?，因缺乏足夠的衛(wèi)星觀測證據(jù)，目前尚不清楚。

　　燕廣慶等利用THEMIS衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，捕捉到了在行星際磁場南向期間發(fā)生在昏側磁層頂?shù)腒elvin-Helmholtz渦旋結構，并表現(xiàn)出清晰和規(guī)則的周期性特征。此時THEMIS的三顆衛(wèi)星運行于距離地球大約8萬公里的昏側磁層頂，另外兩顆位于月球軌道的THEMIS（ARTEMIS）衛(wèi)星監(jiān)測到了穩(wěn)定的南向行星際磁場。來自于磁鞘的速度剪切在磁層頂激發(fā)了Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性，引起的Kelvin-Helmholtz渦旋結構沿著磁層頂向尾向傳播，從而使衛(wèi)星周期性的穿梭于磁層頂兩側，形成周期性的多次磁層頂穿越信號。衛(wèi)星所觀測到的具有顯著旋轉特征的速度場表明了渦旋的存在，所觀測到的電場的旋轉特征則表明了磁層頂由于渦旋結構而被扭曲的特點。依據(jù)多衛(wèi)星的觀測，可以計算出其尾向傳播的相速度約為292 km/s，利用三點衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的空間梯度計算方法，可以計算出沿著衛(wèi)星三點平面法向方向的速度渦旋分量，并呈現(xiàn)清晰的4分鐘周期性。

　　在渦旋結構的邊界上，衛(wèi)星觀測到了磁場壓縮的特點，根據(jù)法拉第定律，磁場變化應該引起垂直于磁場的環(huán)形感應電場，而衛(wèi)星所觀測到的感應電場恰好在這個磁場壓縮區(qū)域存在5~8mV/m的峰值。經(jīng)過分析估算，這種磁場壓縮所引起的感應電場也大約為幾個mV/m，與觀測到的感應電場吻合得非常好，這說明所觀測到的感應電場確實來自于渦旋邊界上的磁場壓縮效應，從而利用衛(wèi)星在8萬公里外的觀測數(shù)據(jù)對法拉第定律進行了實驗驗證。這是首次在Kelvin-Helmholtz渦旋邊界上觀測到由于磁場壓縮引起的感應電場。這種感應電場可能是誘發(fā)磁場重聯(lián)過程以及引起太陽風向磁層傳輸過程的一個重要因素。

　　這是科研人員及時追蹤THEMIS衛(wèi)星觀測資料并進行細致分析得出的結果，提供了行星際磁場南向期間Kelvin-Helmholtz渦旋的難得觀測證據(jù)，并基于衛(wèi)星觀測事實進一步證明了在行星際磁場南向期間也可以發(fā)生具有規(guī)則周期性的Kelvin-Helmholtz渦旋，客觀地打破了Kelvin-Helmholtz渦旋只能在行星際磁場北向條件下發(fā)生的傳統(tǒng)觀念，以全新的視角解讀磁層頂邊界層Kelvin-Helmholtz渦旋的觀測特征，并進一步深入研究它在太陽風向磁場傳輸中的作用。

　　相關鏈接：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.

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圖1. THEMIS衛(wèi)星所觀測到的行星際磁場（月球軌道附近的向陽面太陽風中），地球磁層昏側低緯邊界層的渦旋結構速度場和磁場，以及基于三點觀測數(shù)據(jù)計算的速度渦旋。

圖2. THEMIS衛(wèi)星在昏側低緯邊界層觀測到的速度場和電場表明了渦旋結構的存在以及由此造成的磁層頂扭曲。

圖3. THEMIS 衛(wèi)星所觀測到的渦旋結構邊界上與磁場壓縮對應的感應電場，豎線處的雙極信號表明感應電場呈閉合圓環(huán)形態(tài)，而基于法拉第定律對感應電場的估算與這一觀測一致。