太阳风是太阳大气（日冕层）向外膨胀而形成的等离子体流动，充满了太阳系各行星轨道以及更远的太阳系区域。我们的生命摇篮――地球，就浸没在速度大约400 km/s的太阳风中。但由于地球内禀磁场在空间的延伸，在地球附近形成了一个被称为磁层的空腔，大部分太阳风等离子体在这个空腔之外绕流，从而保护了地球上的生命演化环境和人类及其技术系统的安全。然而，磁层的屏护并不是绝对的，仍然有一部分太阳风通过某些物理过程穿越磁层顶进入磁层，并在地球空间引发极光、磁暴、亚暴等空间天气现象，以及波及地球同步轨道、辐射带、临近空间区域、甚至地面和地下的各种扰动和灾害性事件。除了磁场重联过程，K-H涡旋是太阳风向磁层传输的另一种重要机制，但对于这一等离子体传输现象的直接观测却非常少见。
近日，实验室科研人员燕广庆等在分析THEMIS卫星在磁层顶的探测数据时发现，在行星际磁场IMF由晨昏方向突然转北向时，2颗THEMIS卫星在昏侧磁层顶先后观测到周期为2分钟左右、持续35分钟的磁层顶波动，并伴随磁鞘等离子体穿越磁层顶进入磁层低纬边界层。通过分析卫星观测到的等离子体流动特征，确定在这种磁层顶周期性波动期间，等离子体流动呈现出旋转特征；用MVA方法确定的磁层顶法线方向，在穿入和穿出磁层顶时的局地法线方向相对于平均磁层顶法线方向的偏离，符合涡旋形成的磁层顶扭曲特征；卫星观测到的磁场的扰动，也与磁层顶K-H涡旋中的预期扰动相一致；等离子体密度和速度分布中出现了一部分高速低密等离子体，这是K-H涡旋形成的典型特征。这些观测特征表明，在行星际磁场由晨昏方向突然转北向时，在磁层顶激发了K-H不稳定性，这种不稳定性的迅速增长导致了K-H涡旋的形成。通过分析卫星观测到的等离子体能谱特征，发现在K-H涡旋中存在磁鞘冷等离子体与磁层热等离子体的共存现象，表明磁鞘等离子体通过K-H传输进入了磁层，并与磁层等离子体混合。涡旋序列从上游卫星和下游卫星，历经100秒左右， K-H涡旋的形态、等离子体的能谱特征，都表现出由规则的涡旋序列到相对弥散的演化特征，表明了在这期间，磁鞘等离子体有效地传输进入了磁层。
这一观测研究表明，在行星际磁场由晨昏方向突然转北向时，在磁层顶激发了K-H不稳定性，这种不稳定性的迅速增长导致了K-H涡旋的形成，K-H涡旋又导致了磁鞘等离子体向磁层的显著传输。
此项研究提高了我们对K-H涡旋中等离子体传输的观测认识，为进一步揭示这种传输过程的物理机制提供了支持。该成果于2020年2月发表于欧洲地球物理学会权威期刊Annuals Geophysicae上，并于2020年7月入选THEMIS NUGGETS 2020年亮点研究成果。
Citation：
Yan G. Q., Parks G. K., Cai C. L., Chen T., MacFadden J., Ren Y.: Plasma transport into the duskside magnetosphere caused by Kelvin-Helmholtz Vortices in response to northward turning of the interplanetary magnetic field observed by THEMIS, Annales Geophysicae, 38, 263-273, 2020.
http://themis.igpp.ucla.edu/nuggets/nuggets_2020/Yan/Yan_20.html
图1. 行星际磁场突然转北向时2颗THEMIS观测到的磁层顶波动和等离子体能谱特征。
图2. 使用MVA 方法计算的磁场法向方向确定的磁层顶扭曲位型。