王磊等Helmholtz不稳定性导致的等离子体云和重离子逃逸

Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性是一种由边界剪切流引起的不稳定性，在具有全球性磁场的行星（如地球和水星）以及没有全球磁场的行星（如金星和火星）的等离子环境中广泛存在。KH不稳定性发展到非线性阶段时会产生涡旋，其运动可以扭曲磁场并引起磁场拓扑的改变，导致等离子云的产生并从行星电离层脱离，造成重离子的丢失。KH不稳定性对边界层质量、动量和能量传输都有显著影响，因此在行星的等离子环境研究中具有重要意义。虽然近年来陆续有火星KH事件的报道，但是其具体形成机制和演化过程仍待深入探索。

中国科学院地质与地球物理研究所院深地资源装备技术工程实验室博士后王磊与合作导师杜爱民研究员，以及黄灿副研究员、葛亚松研究员等合作，基于已发表的火星空间KH波动事件，发现它们均位于太阳风电场南半球（-E半球）的磁堆积边界附近（图1）。然而，这种KH波的半球不对称分布特征基于有限的事件得到。它是巧合还是物理现象？这激发了研究者们的兴趣。

图1 K-H波动事件在（a）X-Z MSE平面和（c）柱坐标MSE中的投影。不同的事件用不同的几何形状标记。黑线和绿线分别代表弓激波和磁堆积边界

基于三维太阳风-火星相互作用的混合模拟程序，研究人员发现，KH波动起初在日下点附近被激发并呈准正弦位形。随着时间的推移，波动沿着-E方向发展，波长断增加，同时伴随着涡旋的产生，最后延伸到整个-E半球（图2）。这种半球不对称的波动周而复始地产生、演化。为了探究其物理机制，他们还研究了磁堆积边界附近的氢离子流场（如图3）。研究表明，在磁堆积边界附近，质子流速增强，方向主要沿着-E方向并几乎垂直于磁场。这个质子流剪切电离层，导致了KH不稳定性的产生。进一步研究表明，这个剪切流是由质子抗磁漂移运动造成的。磁层外的氧离子受太阳风电场的加速，沿着+E方向运动，同时拖曳磁场在+E半球堆积，从而导致该区域的磁场比-E半球更强（图2a）。由于热压梯度引起的漂移速度与磁场强度的倒数成正比，因此-E半球中的漂移速度更快。换句话说，两半球的磁场强度差异产生了指向-E半球的磁压力，在边界层中引起沿-E方向的质子流，并且其速度不断增加。上述解释也符合前人基于动量守恒所得到的基本认知：氧离子直接由电场加速朝+E方向运动，而质子则被推向相反的方向。

图2（a）磁场强度在t=208 s时的分布；(b-e) (n_O-n_H)/(n_O+n_H)；(f-i)氧-氢混杂率的时序演化

图3 质子速度Vz在t=208s时的分布图。其中(a)、(b)和(c)分别表示总运动速度、E×B漂移速度和-▽(nT)×B漂移速度。在图3(a)中，黑色箭头表示质子流场，而绿色箭头表示氧离子流场。(b)和(c)中的细黑线代表由氧-氢混合率局部峰值得到的磁堆积边界层

此外，研究者们还发现在-E半球存在着一种条带状结构，并伴随着氧离子通量增强（图4）。这种由KH波动产生的等离子体云贡献的氧离子净逃逸率可达1.5×10²⁴ s^-1，这与+E半球的逃逸率（1.8×10²⁴ s^-1）相当，表明这种循环出现的KH波动对火星大气演化过程至关重要。

图4 在1000公里高度处模拟得到的氧离子（O⁺和O₂⁺）通量在(a)+E半球和(b)-E半球的分布。该结果是在t=448 s时模拟得到的

研究成果发表于国际学术期刊APJ (王磊，黄灿^*，杜爱民，葛亚松，陈果，杨忠伟，李松妍，张魁祥. Kelvin–Helmholtz Instability at Mars: In Situ Observations and Kinetic Simulations[J]. The Astrophysical Journal, 2023, 947(2). DOI: 10.3847/1538-4357/acc655）。研究受国家自然科学基金项目（(41974173, 42274224, 41974206)、中国科学院战略先导项目（XDB41010304, XDA14040403, XDA14040404）等联合资助。