近日，中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心空間天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研人員燕廣慶等及時(shí)追蹤了THEMIS衛(wèi)星的觀測資料并進(jìn)行了細(xì)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(jìn)一步通過衛(wèi)星觀測事實(shí)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(xué)會（American Geophysical Union）旗下的學(xué)術(shù)期刊《地球物理研究快報(bào)》（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(cè)翼的低緯邊界層，由于磁鞘的速度剪切引起的Kelvin-Helmholtz渦旋結(jié)構(gòu)。根據(jù)前人的理論推測和數(shù)值模擬，這種渦旋結(jié)構(gòu)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(rèn)為是行星際磁場北向條件下太陽風(fēng)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(bào)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(fēng)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(cè)磁層頂?shù)腒elvin-Helmholtz渦旋結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出清晰和規(guī)則的周期性特征。此時(shí)THEMIS的三顆衛(wèi)星運(yùn)行于距離地球大約8萬公里的昏側(cè)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(jié)構(gòu)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(cè)，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(zhuǎn)特征的速度場表明了渦旋的存在，所觀測到的電場的旋轉(zhuǎn)特征則表明了磁層頂由于渦旋結(jié)構(gòu)而被扭曲的特點(diǎn)。依據(jù)多衛(wèi)星的觀測，可以計(jì)算出其尾向傳播的相速度約為292 km/s，利用三點(diǎn)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的空間梯度計(jì)算方法，可以計(jì)算出沿著衛(wèi)星三點(diǎn)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(jié)構(gòu)的邊界上，衛(wèi)星觀測到了磁場壓縮的特點(diǎn)，根據(jù)法拉第定律，磁場變化應(yīng)該引起垂直于磁場的環(huán)形感應(yīng)電場，而衛(wèi)星所觀測到的感應(yīng)電場恰好在這個(gè)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(yīng)電場也大約為幾個(gè)mV/m，與觀測到的感應(yīng)電場吻合得非常好，這說明所觀測到的感應(yīng)電場確實(shí)來自于渦旋邊界上的磁場壓縮效應(yīng)，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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yīng)電場。這種感應(yīng)電場可能是誘發(fā)磁場重聯(lián)過程以及引起太陽風(fēng)向磁層傳輸過程的一個(gè)重要因素。
這是科研人員及時(shí)追蹤THEMIS衛(wèi)星觀測資料并進(jìn)行細(xì)致分析得出的結(jié)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(shí)進(jìn)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(jìn)一步深入研究它在太陽風(fēng)向磁場傳輸中的作用。
論文信息: 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.
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(fēng)中），地球磁層昏側(cè)低緯邊界層的渦旋結(jié)構(gòu)速度場和磁場，以及基于三點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)計(jì)算的速度渦旋。
圖2. THEMIS衛(wèi)星在昏側(cè)低緯邊界層觀測到的速度場和電場表明了渦旋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)邊界上與磁場壓縮對應(yīng)的感應(yīng)電場，豎線處的雙極信號表明感應(yīng)電場呈閉合圓環(huán)形態(tài)，而基于法拉第定律對感應(yīng)電場的估算與這一觀測一致。
