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科研人员首次在卫星观测中发现Kelvin-Helmholtz涡旋中嵌套Rayleigh-Taylor不稳定性的证据

2022年03月23日 星期三 16:18:50

太阳风向磁层的传输是磁层物理研究的一个基本问题。太阳风是太阳大气向外膨胀而形成的超声速带电粒子流,当太阳风遇到地球内禀磁场的阻挡时,会形成一个被称为地球磁层的空腔,空腔的外边界称为磁层顶。由于磁冻结效应(就像串绳约束着它所贯穿的许多珠子),磁层顶把来自地球的热等离子体与来自太阳风的冷等离子体隔开,使太阳风在这个空腔外围绕过,从而像盾牌一样为空腔里的地球提供了免于太阳风直接轰击的天然屏护,这是地球上存在宜居环境和生物进化条件的基本前提。但是这一天然屏护并不是完美的,太阳风等离子体仍然可以通过某些机制携带着动量、质量和能量通过某些途径进入磁层,从而在背向太阳的一侧形成了磁层长长的尾巴。

磁场重联被认为是太阳风进入磁层的最热门机制。然而,在以磁力线“断裂”并重新连接为特征的磁场重联不能奏效的时候,究竟是什么样的物理过程导致了原本冻结在起源于太阳的行星际磁场上的太阳风冷等离子体脱离了原来的“串绳”而转移到了来自地球磁场的另一个 “串绳”上呢?由于两侧流动速度不同而在磁层顶激发的Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性,被认为是除了磁场重联机制以外的另一种太阳风进入磁层的重要机制,但人们对于这样更加精细的物理过程并未了解清楚,尤其是没有在实际观测数据中找到答案。

图1. THEMIS 两颗卫星观测到的行星际磁场北向条件下的一串K-H涡旋。

实验室科研人员燕广庆等人,与美国加州大学伯克利分校以及马里兰大学巴尔的摩分校的科学家合作,详细分析了THEMIS卫星在磁层顶的观测数据,首先发现了一串由K-H不稳定性所激发的涡旋,这种涡旋结构使前后两颗相距约20000公里的卫星周期性地游走于磁层顶两侧,并伴随有明显的分别来自太阳风和磁层的冷热两种等离子体共存迹象。在更严格准则下的仔细甄别,确认了这种太阳风穿越磁层顶进入磁层的等离子体传输证据。这种存在于K-H涡旋之中的等离子体传输现象的直接观测,在已有的观测报道中属于比较典型的,该成果已发表在欧洲地球物理学会期刊《Annales Geophysicae》上。但探索并未就此止步。

图2. 磁层顶的K-H涡旋中嵌套的R-T不稳定性。

燕广庆等人继续深入挖掘数据中所隐藏的物理细节。在这一串K-H涡旋中,其中一个涡旋比较特别,在伴随等离子体传输现象的同时,展现出某些更加细小的结构。对这个涡旋的进一步分析发现,这个K-H涡旋中的等离子体密度升高并分成两个部分,涡旋存在清晰的次级结构,并伴有显著的等离子体传输现象,次级结构的尺度大约4000公里,相当于整个涡旋结构的三分之一。在涡旋的次级结构中,太阳风冷等离子体传输进入了磁层低纬边界层,与磁层热等离子体共存。进入磁层的冷等离子体在90度投掷角附近存在较强通量,结合离子的分布函数特征,这些来自太阳风的冷等离子体表现出横向运动特征。对电场的进一步分析表明,在去掉对流电场和平均电场后,仍存在明显的电场信号。该信号在MVA方法得到的局地坐标系中的两个垂直磁场的分量呈现相位相差90度的两个正弦信号,而第三个分量几乎沿着磁场方向。这些特征与K-H涡旋中的次级Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性相符合,并且电场扰动特征符合这种不稳定性的解析表达式。考虑到扰动电场的周期为18秒,对应波长为3800 公里,与次级结构的尺度相当,上述观测特征有力地证实了在K-H涡旋中的R-T不稳定性,这种次级不稳定性产生了涡旋中的次级结构,其伴随的静电场驱动了等离子体跨越磁力线的传输。意外地,卫星的实地观测,就像录音机一样把R-T不稳定性所伴随的电场的形态,即垂直磁场的平面内两个相差90度相位的正弦信号录了下来。虽然是“单声道”,但这也是以前所没有直接获取的观测信号。

图3. THEMIS卫星“录制”的R-T不稳定性的伴随电场信号。

此项观测分析研究,首次用卫星实地观测证实了这样的物理过程:在磁层顶两侧由于流动速度不同而产生了速度剪切,激发了K-H不稳定性,形成了一串涡旋结构。涡旋结构中等离子体与磁场冻结在一起,旋转着流动;其离心力造成了等离子体中电子和离子沿着相反方向漂移,正电荷与负电荷的分离产生了静电场,进一步激发了R-T不稳定性;这种由于电荷分离而产生的静电场,打破了磁冻结,这个额外的静电场在等离子体中产生正负电荷“步伐”一致的电场漂移,使太阳风等离子体脱离了来自太阳的“磁场串绳”,横越磁场运动,进入了磁层,并和来自地球的“磁场串绳”冻结在一起,随着地球磁场一起运动。卫星观测数据对这一物理过程刻画的非常精细,从而使多年来人们没有理解清楚的太阳风通过K-H涡旋向磁层传输的物理过程,首次在观测中得到了确认。该成果已发表在美国地球物理学会期刊《Journal of Geophysics Research: Space Physics》。审稿人认为:“这一观测描述了K-H不稳定性相关的等离子体传输的次级过程的新细节,是一个重要贡献,值得立即发表。”

此项研究受到中国科学院空间科学先导专项以及自然科学基金委相关项目资助。

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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