涡旋常见于普通流体中。等离子体环境中也存在涡旋，但由于电磁场的存在，其结构和演化要比普通流体中复杂的多。在太空中，等离子体涡旋在边界层可以输运等离子体；在磁层中等离子体涡旋还能产生场向电流并连接到电离层；我们在地面上看到的极光，往往也受其影响。
人们常常根据雷达遥感信息或间接通过地面磁强计的探测（基于电离层中的电流能够引起地面磁场改变的原理），来观测地球电离层中的等离子体涡旋。而这个涡旋在磁层中是否也一定对应类似的涡旋，却不能轻易定论。二三十年前的理论/模型已经预测了太阳风动压正脉冲能在磁层内激发等离子体涡旋，进而激发电离层涡旋，近年来人们通过数据模拟再现了这一过程。然而，目前还没有关于太阳风动压脉冲在磁层（包括日侧和夜侧）激发等离子体涡旋的局地观测证据。虽然在电离层已经有了大量的观测证据，但在磁层中，这种理论和模拟中所预测的涡旋确实存在吗？本工作中，我们利用THEMIS卫星，报道了太阳风动压正脉冲在磁层夜侧等离子体片激发涡旋的多卫星观测证据，我们还通过全球MHD模拟以及地磁场测量研究了涡旋的全球效应。
2009年4月24日，WIND卫星在太阳风中观测到了一个行星际激波，它伴随着动压的突然增强。当激波扫过磁层后，磁层被突然压缩（这称为急始脉冲，sudden impulse, SI），THEMIS三颗卫星（THB、THC、THD）在磁尾昏侧观测到了磁场和离子速度的扰动。单颗卫星速度矢量的时序变化符合典型的等离子体涡旋的运动过程，也符合数值模拟的结果。随后THD还观测到了电磁场的振荡，这种震荡具有阿尔芬驻波的特征，可能由与涡旋相关的磁力线共振（field line resonance，FLR）所激发。接着，涡旋继续尾向运动，然后被距离THD约4个地球半径远的THB和THC观测到。THB和THC两颗卫星间隔约1.5个地球半径，它们对等离子体速度矢量的同时观测显示了流场的旋转特性，进一步确认了这是一个等离子体涡旋，与之前的模型和模拟都相当符合。并且，从观测和模拟中，我们也注意到，与之前模型预测不同的是，涡旋不仅仅存在于磁层顶附近，也存在于磁层内部较深的区域，其尺度有5-8个地球半径，并且还可能随着其向磁尾传播的过程中继续增大。地面地磁台站的观测表明，这个涡旋在卫星磁力线足点处也激发了电离层涡旋，并往高纬运动。
本研究由我中心、美国加州大学洛杉矶分校、美国密歇根大学、北京大学、美国新罕布什尔大学、英国卢瑟福实验室、中科院及北京航空航天大学等单位的科学家合作完成，文章已发表于Journal of Geophysical Research: Space Physics杂志。该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、国家教育部基金的支持。
发表文章
Q. Q. Shi, M.D. Hartinger, V. Angelopoulos, A.M. Tian, S.Y. Fu, Q.-G.
Zong, J. M. Weygand, J. Raeder, Z.Y. Pu, X.Z. Zhou, M.W. Dunlop, W.L. Liu, H.
Zhang, Z.H. Yao, and X.C. Shen (2014), Solar wind pressure pulse-driven
magnetospheric vortices and their global consequences, J. Geophys. Res. Space
Physics, 119, doi:10.1002/2013JA019551.
文章在THEMIS Nuggets网站的报道:
http://themis.igpp.ucla.edu/nuggets/nuggets_2014/Shi/Shi_14.html
文章链接:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2013JA019551/abstract.html
Figure1磁尾对太阳风动压脉冲响应的卫星观测及全球MHD数值模拟结果。阴影区域标示了涡旋存在的时间段。垂直虚线表示磁层压缩（SI）开始的时刻，即太阳风动压脉冲到达的时刻。通过对比可以发现模拟和观测相当符合。
Figure2磁层等离子体涡旋的模拟动画。
Figure3模拟与THEMIS B和C卫星观测的对比。（a）昏侧磁层的全球MHD模拟结果。背景颜色代表等离子体压强，箭头代表等离子体速度。（b）THEMIS B，C和D三颗卫星的位置和赤道面磁场位型。(c-f)THEMIS B和C卫星在不同时刻对等离子体速度矢量的观测。(c)在SI到达前，我们发现THB和THC观测到的流速都很小。(d)在SI到达时，THB和THC观测到了尾向和指向磁层内部的等离子体流，与磁层顶的压缩相符合。(e,f)几分钟之后，THB和THC观测到的流矢量变得互不相同，显示了逆时针旋转运动的特征，与模拟以及理论模型都相符。因此，根据模拟和多点探测结果，我们确认这是一个太阳风动压脉冲引起的尾向运动的涡旋。
Figure4左图显示了THEMIS B，C和D卫星的足点附近的地磁台站观测到的磁场水平分量的变化，台站纬度由高到低排列。右图显示了地磁台站反演的电离层等效电流。星星代表地磁台站，实心圆圈代表THEMIS B（红色），C（绿色）和D（蓝色）沿着磁力线投影到电离层的足点。每个矢量代表电流的方向和大小。在THEMIS
B，C和D的电离层足点附近观测到了一个逆时针转动的涡旋（右图中黄色圆圈区域）。涡旋极性对应上行场向电流，与磁尾观测到的涡旋所产生的场向电流相一致。
Figure 5太阳风动压增强导致磁层和电离层涡旋的示意图。太阳风动压突变经过磁层的时候，可以在晨昏两侧各产生一个涡旋。涡旋随着间断的尾向传播，从向阳面走到背阳面，并且可以通过场向电流（动压增强对应一区性质的场向电流），产生电离层的涡旋。
