金星电离层顶Kelvin-Helmholtz不稳定性的研究

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Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定性是一种由边界剪切流引起的典型的不稳定性,在天体物理中广泛存在。金星先驱者轨道飞行器(Pioneer Venus 0rbiter,PVO)的观测显示电离层顶上方有涡旋结构,这种涡结构称为等离子体云(plasma cloud),该结构可能与金星上的粒子逃逸现象息息相关。KH不稳定性被认为是造成这种结构的可能机制之一。本文选取PVO和“金星快车”(Venus Express,VEX)的卫星观测数据,从理论分析和数值模拟两方面研究了金星电离层顶附近密度不对称和磁雷诺数对KH不稳定性的影响,同时还识别了KH不稳定性演化过程中的慢波,该项研究工作为类金星行星的特殊情况提供了一种有用的方法,并且为KH不稳定性作为类金星行星附近慢波的可能来源提供了更多的线索。本文的主要结论如下:一、该部分内容主要研究了金星电离层顶附近密度的不对称性和不同磁雷诺数对KH不稳定性的影响。理论分析结果表明,当磁场恒定且磁雷诺数足够大时,KH不稳定性的增长率与密度成反比。数值模拟结果表明,密度的不对称性比磁雷诺数对KH不稳定性的影响更明显。KH不稳定性的演化过程分为三个不同的阶段:Ⅰ线性增长阶段,Ⅱ具有涡状结构的非线性阶段,Ⅲ过渡到湍流阶段。在KH不稳定性的非线性演化过程中,涡旋的空间尺度约为12a,其中a为位于金星电离层顶的剪切层的半宽度。对于每个阶段,系统的涡度也具有不同的特性。无论是在非线性阶段还是在湍流阶段,超声速流可能出现在涡度较强的位置。我们将数值模拟与理论分析结果进行了比较,两者符合得较好。二、识别了金星电离层顶附近KH不稳定性演化过程中的慢波。慢波的识别采用两个标准:相速度和密度振荡与速度振荡之比。当声速大于阿尔芬速度时,沿初始磁场方向慢波的相速度近似等于阿尔芬速度。对于慢波,密度振荡与沿初始磁场方向速度振荡的比值和波矢与磁场的夹角无关。我们对KH涡旋附近低密度一侧的数据进行了分析。数值模拟结果表明,在靠近金星磁层顶的感应磁层中存在慢波。初始磁场与波矢的夹角对慢波的存在影响不大。
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