开尔文-亥姆霍兹(Kelvin-Helmholtz，K-H) 波动和磁场重联(magnetic reconnection) 是地球磁层顶最为常见的两种物理现象，它们对于太阳风物质和能量向磁层输运发挥着重要作用。通常认为行星际磁场(interplanetary magnetic field, IMF)南向期间磁层顶日下点附近的磁场重联频繁发生，K-H波动常在北向IMF期间的磁层顶侧翼被观测到。然而基于线性理论，无论是北向还是南向IMF，K-H波动都可以在磁层顶激发并向尾侧演化；实际观测中，南向IMF条件下的K-H波动观测十分稀少。是何种过程导致了这个观测事实还尚无定论。
中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室王赤院士团队的研究生李痛快在李文亚副研究员、唐斌斌研究员的共同指导下，利用磁层多尺度卫星(Magnetospheric Multiscale mission, MMS) 的观测数据，对一个南向IMF下K-H 波动和磁重联伴随发生的事例开展了详细分析，增进了人们对南向IMF下K-H波动的演化以及相关物理过程的认识，揭示了南向行星际磁场条件下开尔文-亥姆霍兹波动与磁场重联相互作用的新机制。
图1. MMS1 观测到的南向行星际磁场条件下的开尔文-亥姆霍兹波动。
围绕MMS的观测事例，研究人员分别对两种现象的特征进行了详细分析并讨论了两者间的关联。图1展示了MMS的观测结果，空间环境中的磁场、离子能谱以及离子数密度等物理量都呈现出明显的准周期性扰动特征，波动周期约为3.8分钟，符合地球磁层顶侧翼处K-H波动等典型周期。基于前导(leading)和后随(trailing)边缘穿越过程中磁层顶法向特征，勾画出了K-H波动的空间形态（如e子图所示），部分穿越呈现显著的卷起涡旋的特征，表明该处的K-H波动已处于非线性演化阶段；高速度低密度等离子体分布特征也进一步地验证上述结论。
图2. MMS1 在第21个电流片穿越过程中观测到的磁场重联特征。
对于每一次电流片穿越过程，我们从阿尔芬离子出流（磁场与离子速度的Walen关系）和磁层高能电子逃逸（形成的开放磁力线）两个角度，逐一检查了磁场重联特征。如图2所示，以第21个电流片穿越过程为例。在整个K-H波动事件的36个电流片穿越过程中，共有19个电流片穿越（7个前导边缘和12个后随边缘）表现出明确的重联特征（如图3左图所示）。为了进一步讨论K-H波动和磁场重联的关联性，我们参考Harris电流片模型进一步估算了电流片的厚度并对前导和后随边缘的统计结果做了比较，发现后随边缘处的电流片比前导边缘的更薄，考虑到电流片变薄是触发重联的必要条件之一，因此这一结果与在后随边缘处更容易观测到重联特征相自洽。
图3. 不同行星际磁场条件下开尔文-亥姆霍兹波动与磁场重联相互作用的位形关系和观测特征。
基于本文的观测结果，并对比过往的模拟工作，我们认为南向IMF期间K-H波动与磁场重联可同步发生并存在相互作用：初始时已经有较大的磁剪切角，K-H波动使得电流片变薄进而促进磁场重联的发生，在该事例中的前导边缘和后随边缘处都观测到了重联特征，进而重联则可通过出流造成的边界层加宽以及复杂的等离子体流和磁场扭结形态抑制K-H波动的进一步演化，从而导致了南向IMF条件下K-H波动较低的的观测概率。这与北向IMF下的物理过程完全不同：北向IMF下，初始时磁剪切角较小，K-H波动使得磁力线发生扭曲，在近赤道平面内形成较大磁剪切角并进一步触发间歇性重联，目前这一重联只在后随边缘被观测到。
该研究工作加深了对于磁场重联和开尔文-亥姆霍兹波动共生过程的认识，得到了国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家航天局等机构的资助，相关成果近期在线发表于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：天气室）
