当一组磁力线绕着某个主轴缠绕时，就形成了所谓的磁通量绳（Magnetic Flux Rope, MFR）结构。MFR是宇宙中普遍存在的基本等离子体结构，它广泛的出现在磁重联过程中的电流片区域、磁层和磁层顶、太阳大气、行星际空间，乃至黑洞上方的大尺度喷流中。当MFR中磁场缠绕过多或过紧时，就会发生扭缠不稳定性(Kink Instability)，因此多与爆发现象相关，如日冕物质抛射(CME)、太阳喷流(jet)等。缠绕度(Twist)是衡量一个MFR缠绕程度的物理量，表示为MFR的单位长度上磁力线缠绕的角度或从MFR的一头到另一头的总缠绕度。稳定的MFR中平均缠绕度的上限是多少，缠绕度从MFR的轴到边缘又是如何分布的，这是涉及磁通量绳形成、爆发、演化和不稳定性的基本科学问题。

      本课题组基于卫星的局地观测数据，利用自主开发的速度修正的均匀扭缠的非线性无力场磁通量管模型(Velocity-modified Gold-Hoyle Flux Rope Model, VGH模型)，对源自太阳的行星际磁绳(MC)结构开展了统计和个例研究，发现（1）行星际空间中大尺度MFR的总缠绕度(Φ）的上限由两倍的纵横比决定，即2l/R，其中l为MFR的轴长，R为半径；（2）MFR内部缠得紧外围缠得松。该成果分别于2016年和2018年发表在国际期刊《JGR – Space Physics》上：

https://doi.org/10.1002/2016JA023075,

https://doi.org/10.1002/2017JA024971

两次入选编辑推荐的亮点成果：

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/article/10.1002/2016JA023075/editor-highlight/10.5555/MIG-HO.96bbbb66-242c-4b50-b233-4529db4a642d

https://eos.org/editor-highlights/anatomy-of-a-flux-rope-hurtling-through-the-solar-system

    第一个发现是基于对行星际磁云的统计研究。我们将VGH模型运用于115个Wind卫星观测到的磁云事件，获得了磁云MFR内部的总缠绕圈数及其统计规律（如图所示）。77%的磁云内部磁场缠绕大于2圈，有的甚至高于10圈，且它们的上限与磁云的半径密切相关，遵循 Φ=2l/R的规律。该结果意味着（1）MFR可以高度扭缠，（2）MFR内圈可以缠得比外圈更紧。

    对于上述的第二个推论，我们进一步通过个例研究进行确认。我们追踪分析了一个磁云结构的缠绕度随日心距的变化。该事件发生在2014年2月，地球、水星和太阳几乎在同一条直线上，金星也仅夹20度角，因此在这三颗行星周围的飞船均记录到了这个磁云结构（如下图左）。我们同样利用VGH模型来拟合这些局地观测数据，并获得了这个磁云结构在这三个位置处的轴向磁通量和缠绕度。发现轴向磁通量随日心距是下降的，缠绕度是增加的。这一现象可以用磁云在行星际空间传播过程中的形变和剥蚀两种效应来解释，其中后一种效应恰恰说明了磁云内部磁力线的缠绕内圈紧外圈松（如下图右）。这一结果意味着太阳大气中的MFR在爆发形成日冕物质抛射前，有磁通量绳种子(seed MFR)存在。这对进一步深入理解日冕物质抛射的形成和爆发提供了重要的线索。

该系列成果获得了国家自然科学基金委员会、中国科学院和教育部的资助。相关论文信息如下：

[1]    Wang, Yuming, Bin Zhuang, Qiang Hu, Rui Liu, Chenglong Shen, and Yutian Chi, On the twists of interplanetary magnetic flux ropes observed at 1 AU, J. Geophys. Res., 121, 9316-9339, 2016.

[2]    Wang, Yuming, Chenglong Shen, Rui Liu, Jiajia Liu, Jingnan Guo, Xiaolei Li, Mengjiao Xu, Qiang Hu, and Tielong Zhang, Understanding the twist distribution inside magnetic flux ropes by anatomizing an interplanetary magnetic cloud, J. Geophys. Res., 123, 3238-3261, 2018.