太陽風向磁層的傳輸是磁層物理研究的一個基本問題。太陽風是太陽大氣向外膨脹而形成的超聲速帶電粒子流，當太陽風遇到地球內禀磁場的阻擋時，會形成一個被稱為地球磁層的空腔，空腔的外邊界稱為磁層頂。由於磁凍結效應（就像串繩約束著它所貫穿的許多珠子），磁層頂把來自地球的熱电浆與來自太陽風的冷电浆隔開，使太陽風在這個空腔週邊繞過，從而像盾牌一樣為空腔裏的地球提供了免於太陽風直接轟擊的天然屏護，這是地球上存在宜居環境和生物進化條件的基本前提。但是這一天然屏護並不是完美的，太陽風电浆仍然可以通過某些機制攜帶著動量、質量和能量通過某些途徑進入磁層，從而在背向太陽的一側形成了磁層長長的尾巴。
磁場重聯被認為是太陽風進入磁層的最熱門機制。然而，在以磁力線“斷裂”並重新連接為特徵的磁場重聯不能奏效的時候，究竟是什麼樣的物理過程導致了原本凍結在起源於太陽的行星際磁場上的太陽風冷电浆脫離了原來的“串繩”而轉移到了來自地球磁場的另一個“串繩”上呢？由於兩側流動速度不同而在磁層頂激發的Kelvin-Helmholtz（K-H）不穩定性，被認為是除了磁場重聯機制以外的另一種太陽風進入磁層的重要機制，但人們對於這樣更加精細的物理過程並未瞭解清楚，尤其是沒有在實際觀測數據中找到答案。
圖1.THEMIS兩顆衛星觀測到的行星際磁場北向條件下的一串K-H渦旋。
空間中心空間天氣學國家重點實驗室科研人員燕廣慶等人，與美國加州大學伯克利分校以及馬里蘭大學巴爾的摩分校的科學家合作，詳細分析了THEMIS衛星在磁層頂的觀測數據，首先發現了一串由K-H不穩定性所激發的渦旋，這種渦旋結構使前後兩顆相距約20000公里的衛星週期性地遊走於磁層頂兩側，並伴隨有明顯的分別來自太陽風和磁層的冷熱兩種电浆共存迹象。在更嚴格準則下的仔細甄別，確認了這種太陽風穿越磁層頂進入磁層的电浆傳輸證據。這種存在於K-H渦旋之中的电浆傳輸現象的直接觀測，在已有的觀測報導中屬於比較典型的，該成果已發表在歐洲地球物理學會期刊Annales Geophysicae上。但探索並未就此止步。
圖2.磁層頂的K-H渦旋中嵌套的R-T不穩定性。
燕廣慶等人繼續深入挖掘數據中所隱藏的物理細節。在這一串K-H渦旋中，其中一個渦旋比較特別，在伴隨电浆傳輸現象的同時，展現出某些更加細小的結構。對這個渦旋的進一步分析發現，這個K-H渦旋中的电浆密度升高並分成兩個部分，渦旋存在清晰的次級結構，並伴有顯著的电浆傳輸現象，次級結構的尺度大約4000公里，相當於整個渦旋結構的三分之一。在渦旋的次級結構中，太陽風冷电浆傳輸進入了磁層低緯邊界層，與磁層熱电浆共存。進入磁層的冷电浆在90度投擲角附近存在較强通量，結合離子的分佈函數特徵，這些來自太陽風的冷电浆表現出橫向運動特徵。對電場的進一步分析表明，在去掉對流電場和平均電場後，仍存在明顯的電場訊號。該訊號在MVA方法得到的局地坐標系中的兩個垂直磁場的分量呈現相位相差90度的兩個正弦訊號，而第三個分量幾乎沿著磁場方向。這些特徵與K-H渦旋中的次級Rayleigh-Taylor（R-T）不穩定性相符合，並且電場擾動特徵符合這種不穩定性的解析運算式。考慮到擾動電場的週期為18秒，對應波長為3800公里，與次級結構的尺度相當，上述觀測特徵有力地證實了在K-H渦旋中的R-T不穩定性，這種次級不穩定性產生了渦旋中的次級結構，其伴隨的靜電場驅動了电浆跨越磁力線的傳輸。意外地，衛星的實地觀測，就像答錄機一樣把R-T不穩定性所伴隨的電場的形態，即垂直磁場的平面內兩個相差90度相位的正弦訊號錄了下來。雖然是“單聲道”，但這也是以前所沒有直接獲取的觀測訊號。
圖3.THEMIS衛星“錄製”的R-T不穩定性的伴隨電場訊號。
此項觀測分析研究，首次用衛星實地觀測證實了這樣的物理過程：在磁層頂兩側由於流動速度不同而產生了速度剪切，激發了K-H不穩定性，形成了一串渦旋結構。渦旋結構中电浆與磁場凍結在一起，旋轉著流動；其離心力造成了电浆中電子和離子沿著相反方向漂移，正電荷與負電荷的分離產生了靜電場，進一步激發了R-T不穩定性；這種由於電荷分離而產生的靜電場，打破了磁凍結，這個額外的靜電場在电浆中產生正負電荷“步伐”一致的電場漂移，使太陽風电浆脫離了來自太陽的“磁場串繩”，橫越磁場運動，進入了磁層，並和來自地球的“磁場串繩”凍結在一起，隨著地球磁場一起運動。衛星觀測數據對這一物理過程刻畫的非常精細，從而使多年來人們沒有理解清楚的太陽風通過K-H渦旋向磁層傳輸的物理過程，首次在觀測中得到了確認。該成果已發表在美國地球物理學會期刊Journal of Geophysics Research: Space Physics。審稿人認為：“這一觀測描述了K-H不穩定性相關的电浆傳輸的次級過程的新細節，是一個重要貢獻，值得立即發表。”
此項研究得到了中國科學院空間科學戰略性先導專項以及國家自然科學基金委相關項目的資助。
Citation 1: Yan G. Q.，G. K. Parks，C. L. Cai，T. Chen，J. McFadden，Y. Ren: Plasma transport into the duskside magnetosphere caused by Kelvin-Helmholtz Vortices as the response to northward turning of the interplanetary magnetic field observed by THEMIS，Annals Geophysicae，38，263-273，2020.
Citation 2: Yan G. Q.，F. S. Mozer，G. K. Parks，C. L. Cai，T. Chen，M. L. Goldstein，Y. Ren: Substructure of a Kelvin-Helmholtz vortex accompanied by plasma transport under northward Interplanetary Magnetic Field，J. Geophys.Res. Space Physics，127，1-16，2022.