開爾文-亥姆霍茲(Kelvin-Helmholtz，K-H) 波動和磁場重聯(lián)(magnetic reconnection) 是地球磁層頂最為常見的兩種物理現(xiàn)象，它們對于太陽風(fēng)物質(zhì)和能量向磁層輸運(yùn)發(fā)揮著重要作用。通常認(rèn)為行星際磁場(interplanetary magnetic field, IMF)南向期間磁層頂日下點(diǎn)附近的磁場重聯(lián)頻繁發(fā)生，K-H波動常在北向IMF期間的磁層頂側(cè)翼被觀測到。然而基于線性理論，無論是北向還是南向IMF，K-H波動都可以在磁層頂激發(fā)并向尾側(cè)演化；實(shí)際觀測中，南向IMF條件下的K-H波動觀測十分稀少。是何種過程導(dǎo)致了這個(gè)觀測事實(shí)還尚無定論。

　　中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王赤院士團(tuán)隊(duì)的研究生李痛快在李文亞副研究員、唐斌斌研究員的共同指導(dǎo)下，利用磁層多尺度衛(wèi)星(Magnetospheric Multiscale mission, MMS) 的觀測數(shù)據(jù)，對一個(gè)南向IMF下K-H 波動和磁重聯(lián)伴隨發(fā)生的事例開展了詳細(xì)分析，增進(jìn)了人們對南向IMF下K-H波動的演化以及相關(guān)物理過程的認(rèn)識，揭示了南向行星際磁場條件下開爾文-亥姆霍茲波動與磁場重聯(lián)相互作用的新機(jī)制。

圖1. MMS1 觀測到的南向行星際磁場條件下的開爾文-亥姆霍茲波動。

　　圍繞MMS的觀測事例，研究人員分別對兩種現(xiàn)象的特征進(jìn)行了詳細(xì)分析并討論了兩者間的關(guān)聯(lián)。圖1展示了MMS的觀測結(jié)果，空間環(huán)境中的磁場、離子能譜以及離子數(shù)密度等物理量都呈現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)周期性擾動特征，波動周期約為3.8分鐘，符合地球磁層頂側(cè)翼處K-H波動等典型周期?；谇皩?dǎo)(leading)和后隨(trailing)邊緣穿越過程中磁層頂法向特征，勾畫出了K-H波動的空間形態(tài)（如e子圖所示），部分穿越呈現(xiàn)顯著的卷起渦旋的特征，表明該處的K-H波動已處于非線性演化階段；高速度低密度等離子體分布特征也進(jìn)一步地驗(yàn)證上述結(jié)論。

圖2. MMS1 在第21個(gè)電流片穿越過程中觀測到的磁場重聯(lián)特征。

　　對于每一次電流片穿越過程，我們從阿爾芬離子出流（磁場與離子速度的Walen關(guān)系）和磁層高能電子逃逸（形成的開放磁力線）兩個(gè)角度，逐一檢查了磁場重聯(lián)特征。如圖2所示，以第21個(gè)電流片穿越過程為例。在整個(gè)K-H波動事件的36個(gè)電流片穿越過程中，共有19個(gè)電流片穿越（7個(gè)前導(dǎo)邊緣和12個(gè)后隨邊緣）表現(xiàn)出明確的重聯(lián)特征（如圖3左圖所示）。為了進(jìn)一步討論K-H波動和磁場重聯(lián)的關(guān)聯(lián)性，我們參考Harris電流片模型進(jìn)一步估算了電流片的厚度并對前導(dǎo)和后隨邊緣的統(tǒng)計(jì)結(jié)果做了比較，發(fā)現(xiàn)后隨邊緣處的電流片比前導(dǎo)邊緣的更薄，考慮到電流片變薄是觸發(fā)重聯(lián)的必要條件之一，因此這一結(jié)果與在后隨邊緣處更容易觀測到重聯(lián)特征相自洽。

圖3. 不同行星際磁場條件下開爾文-亥姆霍茲波動與磁場重聯(lián)相互作用的位形關(guān)系和觀測特征。

　　基于本文的觀測結(jié)果，并對比過往的模擬工作，我們認(rèn)為南向IMF期間K-H波動與磁場重聯(lián)可同步發(fā)生并存在相互作用：初始時(shí)已經(jīng)有較大的磁剪切角，K-H波動使得電流片變薄進(jìn)而促進(jìn)磁場重聯(lián)的發(fā)生，在該事例中的前導(dǎo)邊緣和后隨邊緣處都觀測到了重聯(lián)特征，進(jìn)而重聯(lián)則可通過出流造成的邊界層加寬以及復(fù)雜的等離子體流和磁場扭結(jié)形態(tài)抑制K-H波動的進(jìn)一步演化，從而導(dǎo)致了南向IMF條件下K-H波動較低的的觀測概率。這與北向IMF下的物理過程完全不同：北向IMF下，初始時(shí)磁剪切角較小，K-H波動使得磁力線發(fā)生扭曲，在近赤道平面內(nèi)形成較大磁剪切角并進(jìn)一步觸發(fā)間歇性重聯(lián)，目前這一重聯(lián)只在后隨邊緣被觀測到。

　　該研究工作加深了對于磁場重聯(lián)和開爾文-亥姆霍茲波動共生過程的認(rèn)識，得到了國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院、國家航天局等機(jī)構(gòu)的資助，相關(guān)成果近期在線發(fā)表于AGU旗下的期刊Geophysical Research Letters上。

　　Citation: Li, T., Li, W., Tang, B., Khotyaintsev, Y. V., Graham, D. B., Ardakani, A., et al. (2023). Kelvin-Helmholtz waves and magnetic reconnection at the Earth's magnetopause under southward interplanetary magnetic field. Geophysical Research Letters, 50, e2023GL105539. （https://doi.org/10.1029/2023GL105539）。

　　（供稿：天氣室）