太陽風(fēng)向磁層的傳輸是磁層物理研究的一個(gè)基本問題。太陽風(fēng)是太陽大氣向外膨脹而形成的超聲速帶電粒子流，當(dāng)太陽風(fēng)遇到地球內(nèi)稟磁場的阻擋時(shí)，會(huì)形成一個(gè)被稱為地球磁層的空腔，空腔的外邊界稱為磁層頂。由于磁凍結(jié)效應(yīng)（就像串繩約束著它所貫穿的許多珠子），磁層頂把來自地球的熱等離子體與來自太陽風(fēng)的冷等離子體隔開，使太陽風(fēng)在這個(gè)空腔外圍繞過，從而像盾牌一樣為空腔里的地球提供了免于太陽風(fēng)直接轟擊的天然屏護(hù)，這是地球上存在宜居環(huán)境和生物進(jìn)化條件的基本前提。但是這一天然屏護(hù)并不是完美的，太陽風(fēng)等離子體仍然可以通過某些機(jī)制攜帶著動(dòng)量、質(zhì)量和能量通過某些途徑進(jìn)入磁層，從而在背向太陽的一側(cè)形成了磁層長長的尾巴。
磁場重聯(lián)被認(rèn)為是太陽風(fēng)進(jìn)入磁層的最熱門機(jī)制。然而，在以磁力線“斷裂”并重新連接為特征的磁場重聯(lián)不能奏效的時(shí)候，究竟是什么樣的物理過程導(dǎo)致了原本凍結(jié)在起源于太陽的行星際磁場上的太陽風(fēng)冷等離子體脫離了原來的“串繩”而轉(zhuǎn)移到了來自地球磁場的另一個(gè) “串繩”上呢？由于兩側(cè)流動(dòng)速度不同而在磁層頂激發(fā)的Kelvin-Helmholtz（K-H）不穩(wěn)定性，被認(rèn)為是除了磁場重聯(lián)機(jī)制以外的另一種太陽風(fēng)進(jìn)入磁層的重要機(jī)制，但人們對于這樣更加精細(xì)的物理過程并未了解清楚，尤其是沒有在實(shí)際觀測數(shù)據(jù)中找到答案。
圖1. THEMIS 兩顆衛(wèi)星觀測到的行星際磁場北向條件下的一串K-H渦旋。
空間中心空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研人員燕廣慶等人，與美國加州大學(xué)伯克利分校以及馬里蘭大學(xué)巴爾的摩分校的科學(xué)家合作，詳細(xì)分析了THEMIS衛(wèi)星在磁層頂?shù)挠^測數(shù)據(jù)，首先發(fā)現(xiàn)了一串由K-H不穩(wěn)定性所激發(fā)的渦旋，這種渦旋結(jié)構(gòu)使前后兩顆相距約20000公里的衛(wèi)星周期性地游走于磁層頂兩側(cè)，并伴隨有明顯的分別來自太陽風(fēng)和磁層的冷熱兩種等離子體共存跡象。在更嚴(yán)格準(zhǔn)則下的仔細(xì)甄別，確認(rèn)了這種太陽風(fēng)穿越磁層頂進(jìn)入磁層的等離子體傳輸證據(jù)。這種存在于K-H渦旋之中的等離子體傳輸現(xiàn)象的直接觀測，在已有的觀測報(bào)道中屬于比較典型的，該成果已發(fā)表在歐洲地球物理學(xué)會(huì)期刊Annales Geophysicae上。但探索并未就此止步。
圖2. 磁層頂?shù)腒-H渦旋中嵌套的R-T不穩(wěn)定性。
燕廣慶等人繼續(xù)深入挖掘數(shù)據(jù)中所隱藏的物理細(xì)節(jié)。在這一串K-H渦旋中，其中一個(gè)渦旋比較特別，在伴隨等離子體傳輸現(xiàn)象的同時(shí)，展現(xiàn)出某些更加細(xì)小的結(jié)構(gòu)。對這個(gè)渦旋的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這個(gè)K-H渦旋中的等離子體密度升高并分成兩個(gè)部分，渦旋存在清晰的次級結(jié)構(gòu)，并伴有顯著的等離子體傳輸現(xiàn)象，次級結(jié)構(gòu)的尺度大約4000公里，相當(dāng)于整個(gè)渦旋結(jié)構(gòu)的三分之一。在渦旋的次級結(jié)構(gòu)中，太陽風(fēng)冷等離子體傳輸進(jìn)入了磁層低緯邊界層，與磁層熱等離子體共存。進(jìn)入磁層的冷等離子體在90度投擲角附近存在較強(qiáng)通量，結(jié)合離子的分布函數(shù)特征，這些來自太陽風(fēng)的冷等離子體表現(xiàn)出橫向運(yùn)動(dòng)特征。對電場的進(jìn)一步分析表明，在去掉對流電場和平均電場后，仍存在明顯的電場信號(hào)。該信號(hào)在MVA方法得到的局地坐標(biāo)系中的兩個(gè)垂直磁場的分量呈現(xiàn)相位相差90度的兩個(gè)正弦信號(hào)，而第三個(gè)分量幾乎沿著磁場方向。這些特征與K-H渦旋中的次級Rayleigh-Taylor（R-T）不穩(wěn)定性相符合，并且電場擾動(dòng)特征符合這種不穩(wěn)定性的解析表達(dá)式?？紤]到擾動(dòng)電場的周期為18秒，對應(yīng)波長為3800 公里，與次級結(jié)構(gòu)的尺度相當(dāng)，上述觀測特征有力地證實(shí)了在K-H渦旋中的R-T不穩(wěn)定性，這種次級不穩(wěn)定性產(chǎn)生了渦旋中的次級結(jié)構(gòu)，其伴隨的靜電場驅(qū)動(dòng)了等離子體跨越磁力線的傳輸。意外地，衛(wèi)星的實(shí)地觀測，就像錄音機(jī)一樣把R-T不穩(wěn)定性所伴隨的電場的形態(tài)，即垂直磁場的平面內(nèi)兩個(gè)相差90度相位的正弦信號(hào)錄了下來。雖然是“單聲道”，但這也是以前所沒有直接獲取的觀測信號(hào)。
圖3. THEMIS衛(wèi)星“錄制”的R-T不穩(wěn)定性的伴隨電場信號(hào)。
此項(xiàng)觀測分析研究，首次用衛(wèi)星實(shí)地觀測證實(shí)了這樣的物理過程：在磁層頂兩側(cè)由于流動(dòng)速度不同而產(chǎn)生了速度剪切，激發(fā)了K-H不穩(wěn)定性，形成了一串渦旋結(jié)構(gòu)。渦旋結(jié)構(gòu)中等離子體與磁場凍結(jié)在一起，旋轉(zhuǎn)著流動(dòng)；其離心力造成了等離子體中電子和離子沿著相反方向漂移，正電荷與負(fù)電荷的分離產(chǎn)生了靜電場，進(jìn)一步激發(fā)了R-T不穩(wěn)定性；這種由于電荷分離而產(chǎn)生的靜電場，打破了磁凍結(jié)，這個(gè)額外的靜電場在等離子體中產(chǎn)生正負(fù)電荷“步伐”一致的電場漂移，使太陽風(fēng)等離子體脫離了來自太陽的“磁場串繩”，橫越磁場運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入了磁層，并和來自地球的“磁場串繩”凍結(jié)在一起，隨著地球磁場一起運(yùn)動(dòng)。衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)對這一物理過程刻畫的非常精細(xì)，從而使多年來人們沒有理解清楚的太陽風(fēng)通過K-H渦旋向磁層傳輸?shù)奈锢磉^程，首次在觀測中得到了確認(rèn)。該成果已發(fā)表在美國地球物理學(xué)會(huì)期刊Journal of Geophysics Research: Space Physics。審稿人認(rèn)為：“這一觀測描述了K-H不穩(wěn)定性相關(guān)的等離子體傳輸?shù)拇渭夁^程的新細(xì)節(jié)，是一個(gè)重要貢獻(xiàn)，值得立即發(fā)表。”
此項(xiàng)研究得到了中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)以及國家自然科學(xué)基金委相關(guān)項(xiàng)目的資助。
Citation 1: Yan G. Q., G. K. Parks, C. L. Cai, T. Chen, J. McFadden, Y. Ren: Plasma transport into the duskside magnetosphere caused by Kelvin-Helmholtz Vortices as the response to northward turning of the interplanetary magnetic field observed by THEMIS, Annals Geophysicae, 38, 263-273, 2020.
Citation 2: Yan G. Q., F. S. Mozer, G. K. Parks, C. L. Cai, T. Chen, M. L. Goldstein, Y. Ren: Substructure of a Kelvin-Helmholtz vortex accompanied by plasma transport under northward Interplanetary Magnetic Field, J. Geophys. Res. Space Physics, 127, 1-16, 2022.
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