率先成功甄别磁层顶瑞利-泰勒不稳定性

当外部太阳风动压突然下降时，地球磁层顶由于这种不稳定性而产生形变，形成“窗帘涟漪”，并伴随独特的电场和附近等离子体横越磁场运动。（图片由作者提供）

【资料图】

近日，我国科学家利用THEMIS（西弥斯计划，是美国航空航天局主导的一个空间科学探测项目）星座5颗卫星中的一颗卫星TH—D的探测数据，成功甄别出磁层顶的瑞利-泰勒不稳定性。其中给出的观测特征，与27年前理论预期的磁场在平行方向上压缩，在垂直方向上蜿蜒，等离子体的密度、温度等都随着边界层的波动而周期性扰动完全吻合。同时，基于对瑞利-泰勒不稳定性的深入理解，还成功提取了以前的文章没有提及的电场扰动特征，以及电场在等离子体中带来的跨越磁力线的传输效应。地球磁场边缘的“窗帘涟漪”，率先被中国科学家证实了。该成果6月27日发表在《美国地球物理研究》上。

空间等离子体中存在“窗帘涟漪”

瑞利-泰勒不稳定性，是指在密度不同的两种流体界面上，受到重力作用而使密度小的流体（比如油），托着密度大的流体（比如水），从而在这个界面上出现不稳定性。这种不稳定性表现为界面上任何扰动都会被迅速放大而使界面崩塌。由于重力是产生这种不稳定性的一个必要条件，所以这种不稳定性又称为重力不稳定性。

早期研究这一现象的是英国科学家瑞利勋爵（Lord Rayleigh）。后来的英国科学家泰勒（Geoffrey Ingram Taylor）在研究中发现，当上述界面存在加速度，且较轻的流体推动较重流体运动时，相当于界面上存在一个等效重力。这种情况下也能产生同样的不稳定性。由于他们在这一研究上的开创性贡献，这种不稳定性就以他们两个人的名字命名，简称R—T不稳定性。

在等离子体中，由于磁场的存在，扰动界面多呈现类似古罗马石柱上刻出来的纵向槽型形态。这种不稳定性又称为槽型不稳定性。理论上讲，在空间等离子体中，只要满足界面上的重力和与重力相反的密度梯度，或者与界面上加速度相同的密度梯度，就可能产生瑞利-泰勒不稳定性，并在窗帘般的界面上制造出纵向凹槽状的“窗帘涟漪”。

理论预测始终未在卫星观测中得到证实

磁层顶是一个把地球磁层等离子体与太阳风分开的界面，也可以看作是浸没在太阳风中的地球磁场所吹出来的泡泡的外边界。这个界面因处于不断变化的拉锯战中而来回摆动，其典型的运动速度大约为每秒几十公里。由于空间等离子体的理想导电性，几乎没有电阻，所以等离子体只能沿着磁力线运动，而不能跨越磁力线运动。换言之，等离子体总是与其中磁场冻结在一起相伴相随，从而使太阳风无法跨越磁力线进入磁层顶以内的磁层区域。

那么，在磁层顶能否激发出瑞利-泰勒不稳定性而形成 “窗帘涟漪”？再进一步讲，这种“窗帘涟漪”能否提供太阳风跨越磁层顶进入磁层的通道？1996年，科学家在一篇论文中给出了理论分析，其结论是，在行星际磁场北向条件下，如果磁层顶加速度超过1km/s2 ，并且持续1—2分钟，可以激发出瑞利-泰勒不稳定性。文章同时给出了这种不稳定性的预期观测特征。这些特征包括界面扰动造成磁场的扰动、局地磁场压缩、磁层顶厚度增加、密度梯度减小，并指出单颗卫星很难捕捉到这一物理过程。理论分析最终需要用观测来证实，而寻求这种观测证据的过程，往往需要几十年甚至更久。

在空间等离子体探测中，单颗卫星无法区分时间变化和空间变化。因此，搭载相同仪器的多颗卫星形成一个星座，“组团”进行同步探测是当下的一种发展趋势。采用多点同步探测，就可以利用空间梯度计算方法，定量区分物理量的时间变化和空间变化，从而更准确地甄别物理过程的各种细节。

从1957年第一颗卫星上天，到本世纪初的5颗THMEIS卫星组团，人类制造的卫星无数次穿越了磁层顶，但论文所提出的问题，始终没有在卫星观测中得到回答和证实。也就是说，没有人知道磁层顶瑞利-泰勒不稳定性长什么样。

我国科学家终于揪出“狐狸尾巴”

由于等离子体中的瑞利-泰勒不稳定性中必然经过电荷分离过程，从而形成静电场，所以这一不稳定性过程必然伴随一个特殊的电场信号，它必然隐藏在观测数据中。

早在20世纪中期，出于当时对核爆冲击波和核电站中磁约束的研究需要，有科学家对等离子体中的瑞利-泰勒不稳定性进行了理论分析，明确给出等离子体中瑞利-泰勒不稳定性的伴随电场，应该是在垂直磁场方向上相位相差90度的两个正弦信号。但在所有等离子体物理教科书中，几乎没有人提到这一理论预期的解析表达式。

幸运的是，我国科学家在研究中发现，如果能在数据分析中仔细甄别，就可以找出藏在复杂数据中的端倪——那两个相位相差90度的正弦信号。经过反复验证，我国科学家终于揪出了隐藏在杂草丛中的“狐狸尾巴”，还进一步在等离子体相空间分布特征中，找到了瑞利-泰勒不稳定性这一特有伴随电场所带来的等离子体跨越磁力线传输的证据。

这一研究结果近日通过严格的同行评审并发表于《美国地球物理研究》。审稿人高度评价了这一研究成果：“这是一项很重要的研究，其科学意义处于该领域的最前沿。”另一审稿人认为：“这是磁层顶瑞利-泰勒不稳定性的第一个观测案例。作者对卫星观测数据进行了非常细致的分析，并给出了教科书式的呈现，观测不仅与早期已有的理论工作相符合，而且还基于透彻的分析，又增加了新的重要元素和内容。”

审稿人提到的这些“新的重要元素和内容”，指的就是我国科学家对瑞利-泰勒不稳定性伴随电场的独特识别方法，对这种不稳定性增长率的估算，以及对其中必然伴随的电荷分离比率的确定方法。

相较于27年前的理论研究，卫星观测所提供的证据和细节，将以更加生动的事实呈现在人们面前，极大深化了我们对这一发生在大约8万公里以外的地球磁场边缘的“窗帘涟漪”现象发生发展过程的理解和认知，并为太阳风等离子体在磁场重联机制不能奏效时进入磁层，并引发空间天气灾害事件提供了定量参考。

（作者系中科星图维天信科技股份有限公司首席科学家）