磁层顶Kelvin-Helmholtz不稳定性的不对称性研究

The Kelvin-Helmholtz (K-H) instability at the magnetopause is one of the significant mechanisms to transfer solar wind energy, momentum, and plasma into Earth’s magnetosphere. The asymmetric solar wind transport is mainly due to the asymmetry of the K-H instability. We will use the PPMLR-MHD global simulation model to investigate the K-H instability during interplanetary magnetic field (IMF) conditions of Parker spiral and different clock angles. The spectral analysis method will be applied for quantitative determination of the asymmetry of the excitation and propagation of the K-H instability. The control factor of the IMF on the asymmetry will be revealed from the three-dimensional analysis of the magnetic field from the solar wind to the magnetopause. This study will improve our quantitative understanding of the K-H instability character and the KH-induced solar wind transport.

磁层顶Kelvin-Helmholtz不稳定性是输运太阳风能量、动量和粒子进入磁层的关键物理机制之一，其不对称性特征是产生输运过程不对称性的主要成因。本项目将利用PPMLR-MHD全球磁流体力学模型研究Parker螺旋场和不同行星际磁场时钟角下的磁层顶K-H不稳定性，定量确定K-H不稳定性激发和演化过程的晨昏不对称性特征；通过对行星际磁场从太阳风到磁层顶的三维演化过程分析，揭示行星际磁场对K-H不稳定性不对称性的控制作用，提升对K-H不稳定性特征及其产生太阳风输运过程的定量认识。

磁层顶是太阳风和地球磁层相互作用的边界，磁层顶上激发的Kelvin-Helmholtz不稳定性是太阳风能量、动量和粒子输运进地球磁层的关键物理机制之一，磁层顶K-H波动的晨昏激发和演化特征及其中的动理学过程还缺乏深入研究。本项目组充分发挥当前国际主流卫星项目的探测优势，并结合全球磁流体力学模型PPMLR-MHD的模拟结果，开展了如下三个方向的研究工作。一、在MMS和THEMIS的观测中，首次寻找到磁层顶晨昏两侧同时激发的K-H波动事例，对波动周期的分析发现K-H波动在晨昏两侧准对称性地激发，尾向的演化在波动尾侧产生更强的磁场剪切，为磁场重联的激发提供最基础的条件。二、我们深入分析了K-H波动尾侧边界上观测到的一个离子尺度磁通量绳事件，磁通量绳磁层侧存在的较强低混杂波动有效地输运太阳风电子进入磁层，该工作首次对K-H波动形成的电子输运过程进行了探讨。三、利用THEMIS卫星和地面台站的联合观测，我们首次发现磁层顶K-H波动在磁层全球范围（磁层顶-磁层-地面）内产生的甚低频波动，该研究工作为K-H引起的太阳风能量输运提供了新认知。总而言之，本项目组开展的研究工作从多圈层和多物理视角提升了对磁层顶K-H波动的认识。