太阳风与金星相互作用中非线性Kelvin-Helmholtz不稳定性的研究

Studies of the Kelvin-Helmholtz instability (KHI) in the process of the solar wind interaction with Venus were motivated by spacecraft measurements suggesting the appearance of the instability, the importance of which lies primarily in the fact that a consequence of the KH vortices and the detachment of plasma clouds is the loss of ionospheric particles from the planet. Albeit many studies from numerical simulations and data analysis, the development mechanism of KH vortices and the causal relationship between KH vortices and the loss of ionospheric particles are not still clear. In addition, Hall effects were neglected in the previous numerical studies. The purpose of the proposal is to study the nonlinear KHI and the relevant plasma waves, detached plasma clouds and ionospheric particle loss at ionopause of Venus, through combining numerical simulation and data analysis. In order to count in ion dynamic processes in course of numerical simulation, Hall MHD equations will be utilized and solved by a new eight-wave conserved algorithm. KHI will be numerical simulated in conjunction with background plasma conditions from Venus Express. The results of such studies will then be compared with the spacecraft data analysis in order to determine the growth rates, growth times and wavelengths, as well as magnetic and flow field structures resulting from KHI, especially the nonlinear property of KHI. The influences of velocity shear, density jump and parallel magnetic field on the appearance of KH vortices will be studied. Conclusions about evolution mechanism of nonlinear KHI under ambient Venus conditions and possible connections between plasma waves, detached plasma clouds and KHI will result out of this study. This research will help to understand the process of the solar wind interaction with Venus and development mechanism of nonlinear KHI at ionopause of Venus, and provide information on the contribution of the instability to atmospheric loss at Venus.

卫星观测和数值模拟表明Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性在太阳风与金星相互作用中起着重要作用，但是以往的模拟研究忽略了重要的Hall项，而且对K-H涡旋在金星电离层顶上的产生条件和演化机理,及其与电离层粒子逃逸之间的关系也尚未清楚。为研究符合实际观测条件的K-H不稳定性在金星电离层顶的发展和演化特性，本项目拟采用数值模拟和数据分析两种方法。模拟中将对Hall MHD模型方程组发展能够良好捕捉MHD波系结构的八波模型守恒型算法，采用"金星快车"观测数据作为背景参数进行求解。通过与观测数据比较，研究Hall效应、密度间断和平行磁场等参数分布对K-H涡旋形成的影响及其物理机制，确定K-H不稳定性与金星等离子体云逃逸、电离层粒子损失等过程之间的关系。本项目的实施将加深人们对太阳风与金星相互作用过程的理解，为探索金星电离层等离子体环境的演化、金星水逃逸物理机理等方面提供重要科学线索。

本项目的目的是通过建立适用于金星环境的数值模拟方法，研究Kelvin -Helmholtz（K-H）不稳定性在太阳风与金星相互作用中所起的作用，并对K-H涡旋在金星电离层顶上的产生条件和演化机理,及其与电离层粒子逃逸之间的关系进行细致研究。为研究符合实际观测条件的K-H不稳定性在金星电离层顶的发展和演化特性，本项目采用了数值模拟和数据分析两种方法。首先构建了磁流体动力学方程及其算法，并采用常规算例进行验证。采用“金星快车”观测数据分析了金星环境磁场和等离子体特性分布，并作为背景参数进行理论分析，研究在金星电离层顶发生K-H不稳定性的可能性。.通过分析发现，金星电离层顶的等离子体环境区别于经典K-H不稳定性研究的区别在于金星电离层顶上有很强的密度梯度，并且沿着电离层顶有较强的平行磁场，这些因素，有可能影响K-H不稳定性在电离层顶的触发和演化。因此，研究了电离层顶两侧密度比和平行磁场强度对金星边界层上K-H不稳定发展的影响。通过对K-H不稳定性增长率和饱和度的研究，发现电离层顶两侧密度比和平行磁场强度均可抑制K-H不稳定性的发展，也就是说，密度比越大，增长率越小，而饱和度越差。同样的，平行磁场强度越大，增长率越小，而饱和度越差。在密度比较高时，不稳定性发展为准静态时的总磁能比初始总磁能高，这和较低密度比的情况相反。研究中对四个不同边界层外侧Alfven马赫数的算例的实际尺度进行估算，并将二维涡旋结构拓展为三维情况，最后估算出在这四个算例中粒子逃逸率为1.49~4.6×1026，这与Brace在1982年利用PVO的数据分析的结果基本一致。.本项目通过数值模拟证实了金星电离层上发展K-H不稳定性的可能性，在真实的金星环境下，K-H不稳定性在金星晨昏线之前已经在电离层顶上发展为非线性阶段，因此完全可卷起较大尺度脱体涡，使得离子通过脱体涡逃逸出去。本项目的实施加深人们对太阳风与金星相互作用过程的理解，为探索金星电离层等离子体环境的演化、金星水逃逸物理机理等方面提供重要科学线索。金星与火星具有相似特性，本项目的研究内容和结论亦有助于火星磁层与离子逃逸的研究。