The synthesis of high coercivity cobalt-in-carbon nanotube hybrid structures and their optical limiting properties

Magnetic heterostructures with carbon nanotubes having multiple functionalities are fascinating materials which can be manipulated by means of an external magnetic field. In this paper we report our investigations on the synthesis and optical limiting properties of pristine cobalt nanotubes and high coercivity cobalt-in-carbon nanotubes (a new nanosystem where carbon nanotubes are filled with cobalt nanotubes). A general mobility assisted growth mechanism for the formation of one-dimensional nanostructures inside nanopores is verified in the case of carbon nanotubes. The open-aperture z-scan technique is employed for the optical limiting measurements in which nanosecond laser pulses at 532 nm have been used for optical excitation. Compared to the benchmark pristine carbon nanotubes these materials show an enhanced nonlinear optical absorption, and the nonlinear optical parameters calculated from the data show that these materials are efficient optical limiters. To the best of our knowledge this is the first report where the optical limiting properties of metal nanotubes are compared to those of carbon nanotubes

Annealing inducedlowcoercivity,nanocrystallineCo–Fe–Si thin films exhibitinginversecosine angular variation

Co–Fe–Si based films exhibit high magnetic moments and are highly sought after for applications like soft under layer sinper pendicular recording mediatomagneto-electro-mechanical sensor applications.In this workt he effect of annealing on s tructural,morphologicaland magnetic propertiesofco–Fe–Si thin films wasinvestigated.compositional analysis using x-rayphotoelectron spectroscopy and secondary ion massspectroscopyrevealedanativeoxidesurfacelayerconsistingofoxidesofco,feandsionthe surface. The morphology of theas deposited films shows mound like structures conformingtothe Volmer–Webergrowthmodel.Nanocrystallisationofamorphous films upon annealing was observed by glancing anglex-raydiffraction and transmission electron microscopy.Theevolutionofmagnetic properties with annealing is explained using the Herzermodel.Vibrating sample magnetometry measurements carried out at various angles from01 to 901 to the applied magnetic field were employed to study the angula rvariation of coercivity.The angular variation fits the modified Kondorsky model. Interestingly,the coercivity evolution with annealing deduced frommagneto-opticalKerreffectstudies indicates areversetrendcomparedtomagetisationobservedinthebulk.Thiscanbeattributedtoa domain wallpinningatnativeoxidelayeronthesurfaceofthin films. Theevolutionofsurfacemagnetic properties iscorrelatedwithmorphologyevolutionprobedusingatomicforcemicroscopy.The morphology aswellasthepresenceofthenativeoxidelayerdictatesthesurfacemagneticproperties and this is corroborated by the apparent difference in the bulk and surface magnetic properties

Exchange bias effect in partially oxidized amorphous Fe–Ni–B based metallic glass nanostructures

The magnetic properties of amorphous Fe–Ni–B based metallic glass nanostructures were investigated. The nanostructures underwent a spin-glass transition at temperatures below 100 K and revealed an irreversible temperature following the linear de Almeida–Thouless dependence. When the nanostructures were cooled below 25 K in a magnetic field, they exhibited an exchange bias effect with enhanced coercivity. The observed onset of exchange bias is associated with the coexistence of the spin-glass phase along with the appearance of another spin-glass phase formed by oxidation of the structurally disordered surface layer, displaying a distinct training effect and cooling field dependence. The latter showed a maximum in exchange bias field and coercivity, which is probably due to competing multiple equivalent spin configurations at the boundary between the two spin-glass phases

Lead free heterogeneous multilayers with giant magneto electric coupling for microelectronics/microelectromechanical systems applications

Lead free magneto electrics with a strong sub resonant (broad frequency range) magneto electric coupling coefficient (MECC) is the goal of the day which can revolutionise the microelectronics and microelectromechanical systems (MEMS) industry. We report giant resonant MECC in lead free nanograined Barium Titanate–CoFe (Alloy)-Barium Titanate [BTO-CoFe-BTO] sandwiched thin films. The resonant MECC values obtained here are the highest values recorded in thin films/ multilayers. Sub-resonant MECC values are quite comparable to the highest MECC reported in 2-2 layered structures. MECC got enhanced by two orders at a low frequency resonance. The results show the potential of these thin films for transducer, magnetic field assisted energy harvesters, switching devices, and storage applications. Some possible device integration techniques are also discussed

Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray

Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray Stefan Rohrer Im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsprojektes, gefördert von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG), wurden am Institut für Mikroelektronik (IPM) der Universität Kassel digitale Magnetfeldsensoren mit einer Breite bis zu 1 µm entwickelt. Die vorliegende Dissertation stellt ein aus diesem Forschungsprojekt entstandenes Magnetfeld-Sensorarray vor, das speziell dazu entworfen wurde, um digitale Magnetfelder schnell und auf minimaler Fläche mit einer guten räumlichen und zeitlichen Auflösung zu detektieren. Der noch in einem 1,0µm-CMOS-Prozess gefertigte Test-Chip arbeitet bis zu einer Taktfrequenz von 27 MHz bei einem Sensorabstand von 6,75 µm. Damit ist er das derzeit kleinste und schnellste digitale Magnetfeld-Sensorarray in einem Standard-CMOS-Prozess. Konvertiert auf eine 0,09µm-Technologie können Frequenzen bis 1 GHz erreicht werden bei einem Sensorabstand von unter 1 µm. In der Dissertation werden die wichtigsten Ergebnisse des Projekts detailliert beschrieben. Basis des Sensors ist eine rückgekoppelte Inverter-Anordnung. Als magnetfeldsensitives Element dient ein auf dem Hall-Effekt basierender Doppel-Drain-MAGFET, der das Verhalten der Kippschaltung beeinflusst. Aus den digitalen Ausgangsdaten kann die Stärke und die Polarität des Magnetfelds bestimmt werden. Die Gesamtanordnung bildet einen stochastischen Magnetfeld-Sensor. In der Arbeit wird ein Modell für das Kippverhalten der rückgekoppelten Inverter präsentiert. Die Rauscheinflüsse des Sensors werden analysiert und in einem stochastischen Differentialgleichungssystem modelliert. Die Lösung der stochastischen Differentialgleichung zeigt die Entwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung des Ausgangssignals über die Zeit und welche Einflussfaktoren die Fehlerwahrscheinlichkeit des Sensors beeinflussen. Sie gibt Hinweise darauf, welche Parameter für das Design und Layout eines stochastischen Sensors zu einem optimalen Ergebnis führen. Die auf den theoretischen Berechnungen basierenden Schaltungen und Layout-Komponenten eines digitalen stochastischen Sensors werden in der Arbeit vorgestellt. Aufgrund der technologisch bedingten Prozesstoleranzen ist für jeden Detektor eine eigene kompensierende Kalibrierung erforderlich. Unterschiedliche Realisierungen dafür werden präsentiert und bewertet. Zur genaueren Modellierung wird ein SPICE-Modell aufgestellt und damit für das Kippverhalten des Sensors eine stochastische Differentialgleichung mit SPICE-bestimmten Koeffizienten hergeleitet. Gegenüber den Standard-Magnetfeldsensoren bietet die stochastische digitale Auswertung den Vorteil einer flexiblen Messung. Man kann wählen zwischen schnellen Messungen bei reduzierter Genauigkeit und einer hohen lokalen Auflösung oder einer hohen Genauigkeit bei der Auswertung langsam veränderlicher Magnetfelder im Bereich von unter 1 mT. Die Arbeit präsentiert die Messergebnisse des Testchips. Die gemessene Empfindlichkeit und die Fehlerwahrscheinlichkeit sowie die optimalen Arbeitspunkte und die Kennliniencharakteristik werden dargestellt. Die relative Empfindlichkeit der MAGFETs beträgt 0,0075/T. Die damit erzielbaren Fehlerwahrscheinlichkeiten werden in der Arbeit aufgelistet. Verglichen mit dem theoretischen Modell zeigt das gemessene Kippverhalten der stochastischen Sensoren eine gute Übereinstimmung. Verschiedene Messungen von analogen und digitalen Magnetfeldern bestätigen die Anwendbarkeit des Sensors für schnelle Magnetfeldmessungen bis 27 MHz auch bei kleinen Magnetfeldern unter 1 mT. Die Messungen der Sensorcharakteristik in Abhängigkeit von der Temperatur zeigen, dass die Empfindlichkeit bei sehr tiefen Temperaturen deutlich steigt aufgrund der Abnahme des Rauschens. Eine Zusammenfassung und ein ausführliches Literaturverzeichnis geben einen Überblick über den Stand der Technik.

Elastic nuclear scattering at intermediate and relativistic energies

The classical scattering cross section of two colliding nuclei at intermediate and relativistic energies is reevaluated. The influence of retardation and magnetic field effects is taken into account. Corrections due to electron screening as well as due to attractive nuclear forces are discussed. This paper represents an addendum to [l].

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.

The diabatic contour advective semi-Lagrangian model

This article describes a novel algorithmic development extending the contour advective semi-Lagrangian model to include nonconservative effects. The Lagrangian contour representation of finescale tracer fields, such as potential vorticity, allows for conservative, nondiffusive treatment of sharp gradients allowing very high numerical Reynolds numbers. It has been widely employed in accurate geostrophic turbulence and tracer advection simulations. In the present, diabatic version of the model the constraint of conservative dynamics is overcome by including a parallel Eulerian field that absorbs the nonconservative ( diabatic) tendencies. The diabatic buildup in this Eulerian field is limited through regular, controlled transfers of this field to the contour representation. This transfer is done with a fast newly developed contouring algorithm. This model has been implemented for several idealized geometries. In this paper a single-layer doubly periodic geometry is used to demonstrate the validity of the model. The present model converges faster than the analogous semi-Lagrangian models at increased resolutions. At the same nominal spatial resolution the new model is 40 times faster than the analogous semi-Lagrangian model. Results of an orographically forced idealized storm track show nontrivial dependency of storm-track statistics on resolution and on the numerical model employed. If this result is more generally applicable, this may have important consequences for future high-resolution climate modeling.

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.