Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.

A "Trojan horse" strategy to reverse drug-resistance in brain tumors

Los gliomas malignos representan una de las formas más agresivas de los tumores del sistema nervioso central (SNC). De acuerdo con la clasificación de los tumores cerebrales de la Organización Mundial de la Salud (OMS), los astrocitomas han sido categorizados en cuatro grados, determinados por la patología subyacente. Es así como los gliomas malignos (o de alto grado) incluyen el glioma anaplásico (grado III) así como el glioblastoma multiforme (GBM, grado IV),estos últimos los más agresivos con el peor pronóstico (1). El manejo terapéutico de los tumores del SNC se basa en la cirugía, la radioterapia y la quimioterapia, dependiendo de las características del tumor, el estadio clínico y la edad (2),(3), sin embargo ninguno de los tratamientos estándar es completamente seguro y compatible con una calidad de vida aceptable (3), (4). En general, la quimioterapia es la primera opción en los tumores diseminados, como el glioblastoma invasivo y el meduloblastoma de alto riesgo o con metástasis múltiple, pero el pronóstico en estos pacientes es muy pobre (2),(3). Solamente nuevas terapias dirigidas (2) como las terapias anti-angiogénicas (4); o terapias génicas muestran un beneficio real en grupos limitados de pacientes con defectos moleculares específicos conocidos (4). De este modo, se hace necesario el desarrollo de nuevas terapias farmacológicas para atacar los tumores cerebrales. Frente a las terapias los gliomas malignos son con frecuencia quimioresistentes, y esta resistencia parece depender de al menos dos mecanismos: en primer lugar, la pobre penetración de muchas drogas anticáncer a través de la barrera hematoencefálica (BBB: Blood Brain Barrier), la barrera del fluido sangre-cerebroespinal (BCSFB: Blood-cerebrospinal fluid barrier) y la barrera sangre-tumor (BTB: blood-tumor barrier). Dicha resistencia se debe a la interacción de la droga con varios transportadores o bombas de eflujo de droga ABC (ABC: ATP-binding cassette) que se sobre expresan en las células endoteliales o epiteliales de estas barreras. En segundo lugar, estos transportadores de eflujo de drogas ABC propios de las células tumorales confieren un fenotipo conocido como resistencia a multidrogas (MDR: multidrug resistance), el cual es característico de varios tumores sólidos. Este fenotipo también está presente en los tumores del SNC y su papel en gliomas es objeto de investigación (5). Por consiguiente el suministro de medicamentos a través de la BBB es uno de los problemas vitales en los tratamientos de terapia dirigida. Estudios recientes han demostrado que algunas moléculas pequeñas utilizadas en estas terapias son sustratos de la glicoproteína P (Pgp: P-gycoprotein), así como también de otras bombas de eflujo como las proteínas relacionadas con la resistencia a multidrogas (MRPs: multidrug resistance-related proteins (MRPs) o la proteína relacionada con cáncer de seno (BCRP: breast-cancer resistance related protein)) que no permiten que las drogas de este tipo alcancen el tumor (1). Un sustrato de Pgp y BCRP es la DOXOrubicina (DOXO), un fármaco utilizado en la terapia anti cáncer, el cual es muy eficaz para atacar las células del tumor cerebral in vitro, pero con un uso clínico limitado por la poca entrega a través de la barrera hematoencefálica (BBB) y por la resistencia propia de los tumores. Por otra parte las células de BBB y las células del tumor cerebral tienen también proteínas superficiales, como el receptor de la lipoproteína de baja densidad (LDLR), que podría utilizarse como blanco terapéutico en BBB y tumores cerebrales. Es asi como la importancia de este estudio se basa en la generación de estrategias terapéuticas que promuevan el paso de las drogas a través de la barrera hematoencefalica y tumoral, y a su vez, se reconozcan mecanismos celulares que induzcan el incremento en la expresión de los transportadores ABC, de manera que puedan ser utilizados como blancos terapéuticos.Este estudio demostró que el uso de una nueva estrategia basada en el “Caballo de Troya”, donde se combina la droga DOXOrubicina, la cual es introducida dentro de un liposoma, salvaguarda la droga de manera que se evita su reconocimiento por parte de los transportadores ABC tanto de la BBB como de las células del tumor. La construcción del liposoma permitió utilizar el receptor LDLR de las células asegurando la entrada a través de la BBB y hacia las células tumorales a través de un proceso de endocitosis. Este mecanismo fue asociado al uso de estatinas o drogas anticolesterol las cuales favorecieron la expresión de LDLR y disminuyeron la actividad de los transportadores ABC por nitración de los mismos, incrementando la eficiencia de nuestro Caballo de Troya. Por consiguiente demostramos que el uso de una nueva estrategia o formulación denominada ApolipoDOXO más el uso de estatinas favorece la administración de fármacos a través de la BBB, venciendo la resistencia del tumor y reduciendo los efectos colaterales dosis dependiente de la DOXOrubicina. Además esta estrategia del "Caballo de Troya", es un nuevo enfoque terapéutico que puede ser considerado como una nueva estrategia para aumentar la eficacia de diferentes fármacos en varios tumores cerebrales y garantiza una alta eficiencia incluso en un medio hipóxico,característico de las células cancerosas, donde la expresión del transportador Pgp se vió aumentada. Teniendo en cuenta la relación entre algunas vías de señalización reconocidas como moduladores de la actividad de Pgp, este estudio presenta no solo la estrategia del Caballo de Troya, sino también otra propuesta terapéutica relacionada con el uso de Temozolomide más DOXOrubicina. Esta estrategia demostró que el temozolomide logra penetrar la BBB por que interviene en la via de señalización de la Wnt/GSK3/β-catenina, la cual modula la expresión del transportador Pgp. Se demostró que el TMZ disminuye la proteína y el mRNA de Wnt3 permitiendo plantear la hipótesis de que la droga al disminuir la transcripción del gen Wnt3 en células de BBB, incrementa la activación de la vía fosforilando la β-catenina y conduciendo a disminuir la β-catenina nuclear y por tanto su unión al promotor del gen mdr1. Con base en los resultados este estudio permitió el reconocimiento de tres mecanismos básicos relacionados con la expresión de los transportadores ABC y asociados a las estrategias empleadas: el primero fue el uso de las estatinas, el cual condujo a la nitración de los transportadores disminuyendo su actividad por la via del factor de transcripción NFκB; el segundo a partir del uso del temozolomide, el cual metila el gen de Wnt3 reduciendo la actividad de la via de señalización de la la β-catenina, disminuyendo la expresión del transportador Pgp. El tercero consistió en la determinación de la relación entre el eje RhoA/RhoA quinasa como un modulador de la via (no canónica) GSK3/β-catenina. Se demostró que la proteína quinasa RhoA promovió la activación de la proteína PTB1, la cual al fosforilar a GSK3 indujo la fosforilación de la β-catenina, lo cual dio lugar a su destrucción por el proteosoma, evitando su unión al promotor del gen mdr1 y por tanto reduciendo su expresión. En conclusión las estrategias propuestas en este trabajo incrementaron la citotoxicidad de las células tumorales al aumentar la permeabilidad no solo de la barrera hematoencefálica, sino también de la propia barrera tumoral. Igualmente, la estrategia del “Caballo de Troya” podría ser útil para la terapia de otras enfermedades asociadas al sistema nervioso central. Por otra parte estos estudios indican que el reconocimiento de mecanismos asociados a la expresión de los transportadores ABC podría constituir una herramienta clave en el desarrollo de nuevas terapias anticáncer.

Comparison of balloon-carried atmospheric motion sensors with Doppler lidar turbulence measurements

Magnetic sensors have been added to a standard weather balloon radiosonde package to detect motion in turbulent air. These measure the terrestrial magnetic field and return data over the standard uhf radio telemetry. Variability in the magnetic sensor data is caused by motion of the instrument package. A series of radiosonde ascents carrying these sensors has been made near a Doppler lidar measuring atmospheric properties. Lidar-retrieved quantities include vertical velocity (w) profile and its standard deviation (w). w determined over 1 h is compared with the radiosonde motion variability at the same heights. Vertical motion in the radiosonde is found to be robustly increased when w>0.75 m s−1 and is linearly proportional to w. ©2009 American Institute of Physics

Galactic cosmic ray hazard in the unusual extended solar minimum between solar cycle 23 and 24

Galactic cosmic rays (GCRs) are extremely difficult to shield against and pose one of the most severe long-term hazards for human exploration of space. The recent solar minimum between solar cycles 23 and 24 shows a prolonged period of reduced solar activity and low interplanetary magnetic field strengths. As a result, the modulation of GCRs is very weak, and the fluxes of GCRs are near their highest levels in the last 25 years in the fall of 2009. Here we explore the dose rates of GCRs in the current prolonged solar minimum and make predictions for the Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation (CRaTER), which is now measuring GCRs in the lunar environment. Our results confirm the weak modulation of GCRs leading to the largest dose rates seen in the last 25 years over a prolonged period of little solar activity.

The variation of solar wind correlation lengths over three solar cycles

We present the results of a study of solar wind velocity and magnetic field correlation lengths over the last 35 years. The correlation length of the magnetic field magnitude λ | B| increases on average by a factor of two at solar maxima compared to solar minima. The correlation lengths of the components of the magnetic field λ_{B_{XYZ}} and of the velocity λ_{V_{YZ}} do not show this change and have similar values, indicating a continual turbulent correlation length of around 1.4×106 km. We conclude that a linear relation between λ | B|, VB 2, and Kp suggests that the former is related to the total magnetic energy in the solar wind and an estimate of the average size of geoeffective structures, which is, in turn, proportional to VB 2. By looking at the distribution of daily correlation lengths we show that the solar minimum values of λ | B| correspond to the turbulent outer scale. A tail of larger λ | B| values is present at solar maximum causing the increase in mean value.

Metrics for solar wind prediction models: Comparison of empirical, hybrid, and physics-based schemes with 8 years of L1 observations

Space weather effects on technological systems originate with energy carried from the Sun to the terrestrial environment by the solar wind. In this study, we present results of modeling of solar corona-heliosphere processes to predict solar wind conditions at the L1 Lagrangian point upstream of Earth. In particular we calculate performance metrics for (1) empirical, (2) hybrid empirical/physics-based, and (3) full physics-based coupled corona-heliosphere models over an 8-year period (1995–2002). L1 measurements of the radial solar wind speed are the primary basis for validation of the coronal and heliosphere models studied, though other solar wind parameters are also considered. The models are from the Center for Integrated Space-Weather Modeling (CISM) which has developed a coupled model of the whole Sun-to-Earth system, from the solar photosphere to the terrestrial thermosphere. Simple point-by-point analysis techniques, such as mean-square-error and correlation coefficients, indicate that the empirical coronal-heliosphere model currently gives the best forecast of solar wind speed at 1 AU. A more detailed analysis shows that errors in the physics-based models are predominately the result of small timing offsets to solar wind structures and that the large-scale features of the solar wind are actually well modeled. We suggest that additional “tuning” of the coupling between the coronal and heliosphere models could lead to a significant improvement of their accuracy. Furthermore, we note that the physics-based models accurately capture dynamic effects at solar wind stream interaction regions, such as magnetic field compression, flow deflection, and density buildup, which the empirical scheme cannot.

Role of coronal mass ejections in the heliospheric Hale cycle

The 11-year solar cycle variation in the heliospheric magnetic field strength can be explained by the temporary buildup of closed flux released by coronal mass ejections (CMEs). If this explanation is correct, and the total open magnetic flux is conserved, then the interplanetary-CME closed flux must eventually open via reconnection with open flux close to the Sun. In this case each CME will move the reconnected open flux by at least the CME footpoint separation distance. Since the polarity of CME footpoints tends to follow a pattern similar to the Hale cycle of sunspot polarity, repeated CME eruption and subsequent reconnection will naturally result in latitudinal transport of open solar flux. We demonstrate how this process can reverse the coronal and heliospheric fields, and we calculate that the amount of flux involved is sufficient to accomplish the reversal within the 11 years of the solar cycle.

Understanding electron heat flux signatures in the solar wind

Suprathermal electrons (E > 80 eV) carry heat flux away from the Sun. Processes controlling the heat flux are not well understood. To gain insight into these processes, we model heat flux as a linear dependence on two independent parameters: electron number flux and electron pitch angle anisotropy. Pitch angle anisotropy is further modeled as a linear dependence on two solar wind components: magnetic field strength and plasma density. These components show no correlation with number flux, reinforcing its independence from pitch angle anisotropy. Multiple linear regression applied to 2 years of Wind data shows good correspondence between modeled and observed heat flux and anisotropy. The results suggest that the interplay of solar wind parameters and electron number flux results in distinctive heat flux dropouts at heliospheric features like plasma sheets but that these parameters continuously modify heat flux. This is inconsistent with magnetic disconnection as the primary cause of heat flux dropouts. Analysis of fast and slow solar wind regimes separately shows that electron number flux and pitch angle anisotropy are equally correlated with heat flux in slow wind but that number flux is the dominant correlative in fast wind. Also, magnetic field strength correlates better with pitch angle anisotropy in slow wind than in fast wind. The energy dependence of the model fits suggests different scattering processes in fast and slow wind.

On the evolution of the solar wind between 1 and 5 AU at the time of the Cassini Jupiter flyby: Multispacecraft observations of interplanetary coronal mass ejections including the formation of a merged interaction region

The Cassini flyby of Jupiter occurred at a time near solar maximum. Consequently, the pre-Jupiter data set reveals clear and numerous transient perturbations to the Parker Spiral solar wind structure. Limited plasma data are available at Cassini for this period due to pointing restrictions imposed on the instrument. This renders the identification of the nature of such structures ambiguous, as determinations based on the magnetic field data alone are unreliable. However, a fortuitous alignment of the planets during this encounter allowed us to trace these structures back to those observed previously by the Wind spacecraft near the Earth. Of the phenomena that we are satisfactorily able to trace back to their manifestation at 1 AU, two are identified as being due to interplanetary coronal mass ejections. One event at Cassini is shown to be a merged interaction region, which is formed from the compression of a magnetic cloud by two anomalously fast solar wind streams. The flux-rope structure associated with this magnetic cloud is not as apparent at Cassini and has most likely been compressed and deformed. Confirmation of the validity of the ballistic projections used here is provided by results obtained from a one-dimensional magnetohydrodynamic projection of solar wind parameters measured upstream near the Earth. It is found that when the Earth and Cassini are within a few tens of degrees in heliospheric longitude, the results of this one-dimensional model predict the actual conditions measured at 5 AU to an impressive degree. Finally, the validity of the use of such one-dimensional projections in obtaining quasi-solar wind parameters at the outer planets is discussed.

Predictions of the arrival time of coronal mass ejections at 1AU: an analysis of the causes of errors

Three existing models of Interplanetary Coronal Mass Ejection (ICME) transit between the Sun and the Earth are compared to coronagraph and in situ observations: all three models are found to perform with a similar level of accuracy (i.e. an average error between observed and predicted 1AU transit times of approximately 11 h). To improve long-term space weather prediction, factors influencing CME transit are investigated. Both the removal of the plane of sky projection (as suffered by coronagraph derived speeds of Earth directed CMEs) and the use of observed values of solar wind speed, fail to significantly improve transit time prediction. However, a correlation is found to exist between the late/early arrival of an ICME and the width of the preceding sheath region, suggesting that the error is a geometrical effect that can only be removed by a more accurate determination of a CME trajectory and expansion. The correlation between magnetic field intensity and speed of ejecta at 1AU is also investigated. It is found to be weak in the body of the ICME, but strong in the sheath, if the upstream solar wind conditions are taken into account.

Current deflection at cracks: some insights from modelling

Eddy current testing by current deflection detects surface cracks and geometric features by sensing the re-routing of currents. Currents are diverted by cracks in two ways: down the walls, and along their length at the surface. Current deflection utilises the latter currents, detecting them via their tangential magnetic field. Results from 3-D finite element computer modelling, which show the two forms of deflection, are presented. Further results indicate that the current deflection technique is suitable for the detection of surface cracks in smooth materials with varying material properties.

Intermittent release of transients in the slow solar wind: 2. In situ evidence

In paper 1, we showed that the Heliospheric Imager (HI) instruments on the pair of NASA STEREO spacecraft can be used to image the streamer belt and, in particular, the variability of the slow solar wind which originates near helmet streamers. The observation of intense intermittent transient outflow by HI implies that the corresponding in situ observations of the slow solar wind and corotating interaction regions (CIRs) should contain many signatures of transients. In the present paper, we compare the HI observations with in situ measurements from the STEREO and ACE spacecraft. Analysis of the solar wind ion, magnetic field, and suprathermal electron flux measurements from the STEREO spacecraft reveals the presence of both closed and partially disconnected interplanetary magnetic field lines permeating the slow solar wind. We predict that one of the transients embedded within the second CIR (CIR‐D in paper 1) should impact the near‐Earth ACE spacecraft. ACE measurements confirm the presence of a transient at the time of CIR passage; the transient signature includes helical magnetic fields and bidirectional suprathermal electrons. On the same day, a strahl electron dropout is observed at STEREO‐B, correlated with the passage of a high plasma beta structure. Unlike ACE, STEREO‐B observes the transient a few hours ahead of the CIR. STEREO‐A, STEREO‐B, and ACE spacecraft observe very different slow solar wind properties ahead of and during the CIR analyzed in this paper, which we associate with the intermittent release of transients.

Intermittent release of transients in the slow solar wind: 1. Remote sensing observations

The Heliospheric Imager (HI) instruments on board the STEREO spacecraft are used to analyze the solar wind during August and September 2007. We show how HI can be used to image the streamer belt and, in particular, the variability of the slow solar wind which originates inside and in the vicinity of the streamer belt. Intermittent mass flows are observed in HI difference images, streaming out along the extension of helmet streamers. These flows can appear very differently in images: plasma distributed on twisted flux ropes, V‐shaped structures, or “blobs.” The variety of these transient features may highlight the richness of phenomena that could occur near helmet streamers: emergence of flux ropes, reconnection of magnetic field lines at the tip of helmet streamers, or disconnection of open magnetic field lines. The plasma released with these transient events forms part of the solar wind in the higher corona; HI observations show that these transients are frequently entrained by corotating interaction regions (CIRs), leading to the formation of larger, brighter plasma structures in HI images. This entrainment is used to estimate the trajectory of these plasma ejecta. In doing so, we demonstrate that successive transients can be entrained by the same CIR in the high corona if they emanate from the same corotating source. Some parts of the streamers are more effective sources of transients than others. Surprisingly, evidence is given for the outflow of a recurring twisted magnetic structure, suggesting that the emergence of flux ropes can be recurrent.