開爾文-亥姆霍茲(Kelvin-Helmholtz，K-H) 波動和磁場重聯(magnetic reconnection) 是地球磁層頂最為常見的兩種物理現象，它們對于太陽風物質和能量向磁層輸運發揮著重要作用。通常認為行星際磁場(interplanetary magnetic field, IMF)南向期間磁層頂日下點附近的磁場重聯頻繁發生，K-H波動常在北向IMF期間的磁層頂側翼被觀測到。然而基于線性理論，無論是北向還是南向IMF，K-H波動都可以在磁層頂激發并向尾側演化；實際觀測中，南向IMF條件下的K-H波動觀測十分稀少。是何種過程導致了這個觀測事實還尚無定論。
中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室王赤院士團隊的研究生李痛快在李文亞副研究員、唐斌斌研究員的共同指導下，利用磁層多尺度衛星(Magnetospheric Multiscale mission, MMS) 的觀測數據，對一個南向IMF下K-H 波動和磁重聯伴隨發生的事例開展了詳細分析，增進了人們對南向IMF下K-H波動的演化以及相關物理過程的認識，揭示了南向行星際磁場條件下開爾文-亥姆霍茲波動與磁場重聯相互作用的新機制。
圖1. MMS1 觀測到的南向行星際磁場條件下的開爾文-亥姆霍茲波動。
圍繞MMS的觀測事例，研究人員分別對兩種現象的特征進行了詳細分析并討論了兩者間的關聯。圖1展示了MMS的觀測結果，空間環境中的磁場、離子能譜以及離子數密度等物理量都呈現出明顯的準周期性擾動特征，波動周期約為3.8分鐘，符合地球磁層頂側翼處K-H波動等典型周期?；谇皩?leading)和后隨(trailing)邊緣穿越過程中磁層頂法向特征，勾畫出了K-H波動的空間形態（如e子圖所示），部分穿越呈現顯著的卷起渦旋的特征，表明該處的K-H波動已處于非線性演化階段；高速度低密度等離子體分布特征也進一步地驗證上述結論。
圖2. MMS1 在第21個電流片穿越過程中觀測到的磁場重聯特征。
對于每一次電流片穿越過程，我們從阿爾芬離子出流（磁場與離子速度的Walen關系）和磁層高能電子逃逸（形成的開放磁力線）兩個角度，逐一檢查了磁場重聯特征。如圖2所示，以第21個電流片穿越過程為例。在整個K-H波動事件的36個電流片穿越過程中，共有19個電流片穿越（7個前導邊緣和12個后隨邊緣）表現出明確的重聯特征（如圖3左圖所示）。為了進一步討論K-H波動和磁場重聯的關聯性，我們參考Harris電流片模型進一步估算了電流片的厚度并對前導和后隨邊緣的統計結果做了比較，發現后隨邊緣處的電流片比前導邊緣的更薄，考慮到電流片變薄是觸發重聯的必要條件之一，因此這一結果與在后隨邊緣處更容易觀測到重聯特征相自洽。
圖3. 不同行星際磁場條件下開爾文-亥姆霍茲波動與磁場重聯相互作用的位形關系和觀測特征。
基于本文的觀測結果，并對比過往的模擬工作，我們認為南向IMF期間K-H波動與磁場重聯可同步發生并存在相互作用：初始時已經有較大的磁剪切角，K-H波動使得電流片變薄進而促進磁場重聯的發生，在該事例中的前導邊緣和后隨邊緣處都觀測到了重聯特征，進而重聯則可通過出流造成的邊界層加寬以及復雜的等離子體流和磁場扭結形態抑制K-H波動的進一步演化，從而導致了南向IMF條件下K-H波動較低的的觀測概率。這與北向IMF下的物理過程完全不同：北向IMF下，初始時磁剪切角較小，K-H波動使得磁力線發生扭曲，在近赤道平面內形成較大磁剪切角并進一步觸發間歇性重聯，目前這一重聯只在后隨邊緣被觀測到。
該研究工作加深了對于磁場重聯和開爾文-亥姆霍茲波動共生過程的認識，得到了國家自然科學基金委員會、中國科學院、國家航天局等機構的資助，相關成果近期在線發表于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）。
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