空间中心科研人员利用观测数据首次统计分析磁层顶Kelvin-Helmholtz不稳定性的波动特性

　　近日，中科院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室王赤研究员领导的研究小组在国际上首次利用卫星观测事例统计研究K-H波动的特征量及其与太阳风驱动条件的关系，研究对全面认识K-H波动的全球演化过程和定量估计太阳风的传输过程有重要意义。该研究成果发表在美国地球物理学会（American Geophysical Union, AGU）学术期刊《地球物理期刊》（Journal of Geophysical Research (JGR): Space Physics）上。http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2014JA020379/abstract 

　　存在速度剪切的两层流体分界面上，可以激发Kelvin-Helmholtz不稳定，该不稳定性可以有效地交换分界面两侧的物质。对于地球空间的外边界——磁层顶，外侧是高速绕流的太阳风等离子体，内侧是低速的磁层等离子体；磁层顶边界同样可以激发K-H不稳定性，形成的波动和涡旋能够把太阳风等离子体、动量和能量输运进磁层，是行星际磁场（IMF）北向条件下太阳风能量进入磁层空间的主要途径之一。

　　过往诸多研究通过分析在轨的卫星数据或者使用局域的数值模型，对K-H不稳定性形成一定的认识，但单点观测和局域模拟仅能研究非常小区域的物理过程，对于三维磁层顶上K-H波动的激发和整体性演化过程知之甚少。通过使用小组自主开发的PPMLR-MHD全球磁流体力学模型，王赤小组已经对K-H波动的三维过程进行非常详尽的研究，得到众多定量和定性结果（如图1），部分结果多次被国际同行引用；但归根结底，数值模型的结果需要观测给予验证。

　　THEMIS是美国航空航天局（NASA）发射的包含五颗卫星的磁层物理任务，其中的B和C星是理想的用于磁层低纬边界层研究的卫星。日前，王赤研究小组的林栋、李文亚和唐斌斌在这两颗卫星2008年和2009年的观测数据中独立找到14个K-H波动事例；结合过往已经报道的事例，总计获得56个事例，由此建立当前观测条件下，磁层顶K-H

　　稳定性最大的事例数据库（如图2）。研究人员使用能谱方法逐一分析事例得到波动的周期，利用K-H涡旋区域的质心速度估计波动的相速度，并由此获得波长。通过探讨波动特征量与太阳风条件的关系，研究人员发现：波动的周期（90 s– 350 s）在磁层甚低频波动的Pc5范围内，高速的太阳风速度激发更高频的波动，当行星际磁场时钟角增大时，波动周期也整体趋向于更长；沿着磁层顶的低纬边界层，K-H波动波长不断增加（如图3）。这些结果与该研究小组此前用PPMLR-MHD数值模型得到的结果非常吻合。

　　相关链接：

　　如何引用：Lin, D., C. Wang, W. Li, B. Tang, X. Guo, and Z. Peng (2014), Properties of Kelvin-Helmholtz waves at the magnetopause under northward interplanetary magnetic field: Statistical study, J. Geophys. Res. Space Physics, 119, 7485–7494, doi:10.1002/2014JA020379.

　　（供稿：空间天气学国家重点实验室）

图1：PPMLR-MHD模型得到的北向IMF下磁层顶K-H波动的全球图像 Li et al., JGR, 2013]

图2：THEMIS-C卫星观测到的典型Kelvin-Helmholtz波动事例（左）及所有K-H波动事例在磁层顶的分布情况（右）

图3：波动周期与太阳风速度和行星际磁场时钟角的关系（上）及K-H波长沿磁层顶的分布（下）