Segmentation of Brain Tissue from Magnetic Resonance Images

Segmentation of medical imagery is a challenging problem due to the complexity of the images, as well as to the absence of models of the anatomy that fully capture the possible deformations in each structure. Brain tissue is a particularly complex structure, and its segmentation is an important step for studies in temporal change detection of morphology, as well as for 3D visualization in surgical planning. In this paper, we present a method for segmentation of brain tissue from magnetic resonance images that is a combination of three existing techniques from the Computer Vision literature: EM segmentation, binary morphology, and active contour models. Each of these techniques has been customized for the problem of brain tissue segmentation in a way that the resultant method is more robust than its components. Finally, we present the results of a parallel implementation of this method on IBM's supercomputer Power Visualization System for a database of 20 brain scans each with 256x256x124 voxels and validate those against segmentations generated by neuroanatomy experts.

Polítics a la universitat. El treball dels gèneres periodístics amb fonts de primera mà

Aquesta comunicació té l’objectiu de presentar la metodologia que s’aplica a l’assignatura de Periodisme Especialitzat I (Polític), que imparteixen els professors Ramon Miravitllas (COM Radio) i Xavier Ginesta (El 9 Nou) a la Universitat Autònoma de Barcelona. Amb l’aplicació de l’Espai Europeu d’Educació Superior (EEES) i el plantejament socio-constructivista de l’aprenentatge universitari amb l’anomenat Pla Bolonya, alguns docents que imparteixen periodisme polític a la Universitat Autònoma de Barcelona van fer una aposta clara per poder explicar la realitat política i les seves institucions a partir de l’accés dels estudiants a les fonts de primera mà des de la mateixa universitat o amb sortides fora de l’aula. Per això, les pràctiques d’aquesta assignatura es fan amb les intervencions de diputats i diputades catalans a l’aula, la participació dels estudiants a les tertúlies reals del programa La Nit, de COM Radio i, finalment, la seva participació a la simulació parlamentària (SPC) que els serveis educatius del Parlament de Catalunya organitzen, des de fa cinc anys, amb la Universitat Rovira i Virgili (URV). Aquesta experiència no hagués estat possible sense la col·laboració activa entre el món professional, representant per COM Radio i l’Universitat Autònoma de Barcelona

Metodologia de disseny conceptual d'estacions depuradores d'aigües residuals que combina el procés de decisió jeràrquic amb l'anàlisi de decisions multicriteri

La present tesi proposa una metodologia de disseny conceptual d'estacions depuradores d'aigües residuals (EDAR) mitjançant la combinació del procés de decisió jeràrquic i l'anàlisi de decisions multicriteri. El document s'inicia amb una breu introducció als principals camps abordats pel treball: el disseny dels processos químics en general, el disseny de les estacions depuradores d'aigües residuals en particular, i l'anàlisi de decisions multicriteri aplicada a la gestió ambiental. Seguidament, es fixen els objectius del treball i es descriuen tant la metodologia com el material de suport informàtic utilitzats. Per validar i contrastar la metodologia de disseny presentada, es desenvolupa un cas d'estudi on es porta a terme el disseny conceptual d'una EDAR que presenta els mateixos requeriments que l'EDAR que opera actualment al municipi de Granollers. Inicialment es presenta la informació de partida i tot seguit es defineixen els objectius de disseny, així com el conjunt de criteris que s'utilitzaran per avaluar en quina mesura es compleixen aquests objectius. Els objectius de disseny són de diferents tipus: ambientals, tècnics, socials i econòmics, i el conjunt de criteris utilitzats, concretament 33, també es classifica segons aquestes quatre categories. Cadascun dels criteris presenta un determinat pes d'importància relativa en la presa de decisions. Finalment, es desenvolupa tot el procés de decisió fins a obtenir el disseny complet de l'EDAR. El procés de decisió s'ha dividit en dues parts diferenciades però que alhora s'entrellacen: la línia d'aigua i la línia de fang. El procés de decisió presenta un total de divuit qüestions amb un màxim de quatre alternatives per pregunta (dotze qüestions corresponen a la línia d'aigua, i sis a la línia de fangs). Per solucionar cadascuna d'aquestes qüestions, s'avaluen les alternatives proposades respecte a un conjunt de criteris triats de la llista inicial. Aplicant el procés de decisió multicriteri anomenat SMART (simple multiattribute rating technique), es combinen els resultats de les alternatives respecte a cada criteri, tenint en compte la importància de cada criteri per obtenir un sol valor per alternativa. Per quantificar els criteris referents a l'operació del procés i les de tipus econòmic s'han utilitzat els programes GPS-X i CapdetWorks respectivament. Pel que fa als criteris no quantificats mitjançant aquests programes, s'han resolt de manera qualitativa i mitjançant manuals de disseny i també tenint en compte l'opinió d'experts en aquest camp. L'alternativa que obté un pes més elevat és la recomanada per al procés de decisió. El cas d'estudi finalitza un cop s'obté el disseny complet de l'EDAR. Per integrar tots aquests elements que hem esmentat i donar suport al desenvolupament del procés de decisió s'ha utilitzat el programa DRAMA (Design Rationale Management). A continuació, es fa una anàlisi comparativa entre l'EDAR que hi ha actualment al municipi de Granollers i l'EDAR resultat del cas d'estudi. Es descriu el diagrama de flux que conforma l'EDAR de Granollers i el diagrama de flux de l'EDAR resultat de l'estudi, se'n fa una anàlisi comparativa justificant cadascuna de les decisions preses en el cas d'estudi i, finalment, es fa una discussió de resultats on es reflecteixen els avantatges associats d'aplicar la metodologia de disseny conceptual proposada. Finalment, es presenten les conclusions de la tesi. Els principals resultats de la tesi es van publicar el 2002 a la revista internacional Industrial and Engineering Chemistry Research (N. Vidal, R. Bañares-Alcántara, I. Rodríguez-Roda i M. Poch: "Design of wastewater treatment plants using a conceptual design methodology", Industrial and Engineering Chemistry Research, 41 (20), pàg. 4993-5005) i la continuació de la línia de recerca al Laboratori d'Enginyeria Química i Ambiental de la UdG ha comportat la presentació del treball de recerca de Xavi Flores "Procés de decisió jeràrquic combinat amb anàlisi multicriteri per al suport al disseny conceptual de sistemes de fangs actius d'una estació depuradora d'aigües residuals" i la presentació dels resultats parcials al congrés internacional de la 9th IWA Conference on Design, Operation and Economics of Large Wastewater Treatment, que va tenir lloc el setembre passat a Praga ("Combining hierarchical decision process with multi-criteria analysis for conceptual design of WWTP", X. Flores, N. Vidal, A. Bonmatí, J. B. Copp i I. Rodríguez-Roda).

La transició a l'edat adulta i vida activa de les persones amb disminució psíquica. Criteris orientadors de la intervenció educativa

La tesi s'estructura en dos grans apartats: per un costat, el Marc Teòric en el que realitzem els estudis que ens permeten delimitar la problemàtica de les persones amb disminució psíquica i fonamentar teòricament els criteris orientadors d'estratègies dirigides a potenciar la seva transició a l'edat adulta i vida activa. A partir de l'anàlisi realitzada al Marc Teòric de la tesi s'elabora una proposta d'intervenció consistent en el disseny d'un programa destinat a potenciar les habilitats perceptivo-motrius.

Nous complexos mono- i dinuclears de ruteni amb lligands polipiridílics i de tipus fosfina. Síntesi, caracterització i aplicacions catalítiques

La Tesi descriu de manera completa una sèrie de complexos de ruteni amb lligands polipiridílics i lligands auxiliars de tipus fosfina, dmso, nitril o aquo. Es descriuen estudis d'isomerització (cis/trans o coordinació meridional/facial) en complexos mononuclears, a partir de tècniques espectroscòpiques. Els resultats experimentals es corroboren a partir de càlculs DFT. S'han fet també estudis d'activitat catalítica en transferència d'hidrogen per als complexos Ru-fosfina. S'han sintetitzat també complexos dinuclears de ruteni amb el lligand tetradentat Hbpp i s'ha avaluat llur activitat en la catàlisi d'oxidació d'aigua, determinant la importància de la correcta orientació relativa dels centres actius Ru=O. L'heterogeneïtzació dels complexos sobre suports conductors permet avaluar llur activitat en fase heterogènia, millorant respecte el corresponent procés en dissolució. La co-polimerització dels catalitzadors amb espècies de tipus metalocarborà, amb major dilució del catalitzador i minimització de la sobreoxidació, millora notablement els resultats, permetent diverses reutilitzacions.

Síntesi i estructura de lligands hexaazamacrocíclics i dels seus complexos de Zn. Estudis de catàlisi i de fenòmens de reconeixement molecular amb substrats aniònics

Es realitza una breu introducció a la Química Supramolecular, la qual estudia les estructures i funcions de les associacions que resulten de la unió d'espècies moleculars a través d'enllaços intermoleculars, no covalents. El reconeixement molecular, reactivitat i transport són les funcions bàsiques de les espècies supramoleculars. El present treball tracta de la química supramolecular d'anions i del potential efecte catalític de complexos de Zinc amb lligands hexaazamacrocilics en reaccions de hidròlisis d'esters de fosfat. Els lligands descrits en aquest treball són lligands macrocíclics hexadentats formats per amines secundàries o terciàries enllaçades a cadenes alquíliques de dos o tres àtoms de carbonis formant dos braços, que estan unides per un espaiador, El conjunt de lligands que s'estudien permeten estudiar els diferents factors, geomètrics, electrònics i estèrics que controlen els fenòmens de reconeixement molecular. El treball descriu en detall els procediments de síntesi i la caracterització d'aquest conjunt de lligands. S'ha realitzat un estudi sistemàtic dels diferents factors que afecten als fenòmens de reconeixement molecular entre lligands macrocíclics (L), descrits anteriorment i substrats aniònics (S): fosfats, polifosfats i dicarboxilats. Els estudis s'han realitzat tant en dissolució aquosa, a partir de mesures potenciomètriques, com en estat sòlid per difracció de Raig-X a partir de la obtenció de les estructures cristal·lines dels complexos. La força de l'enllaç en els complexos ternaris H:L:S es racionalitza en termes d'enllaç per pont d'hidrogen, interaccions electrostàtiques i interaccions per -Stacking. Així mateix es racionalitza la importància de les dimensions i forma de la cavitat en el grau d'interacció. Actualment hi ha un gran interès en l'estudi del paper que juguen els ions metàl·lics en el centre actiu dels metal·loenzims hidrolítics tal com la carboxipeptidasa, que catalitza la hidròlisi d'aminoàcids C-terminals de substrats polipeptídics, l'anhidrasa carbònica, que catalitza la reacció d'hidratació del CO2 per donar hidrogencarbonat, la fosfatasa alcalina, que actua catalitzant la hidròlisi no específica de monoesters de fosfats a pH alcalí. El Zn(II) és un metall que es troba sovint formant part dels centres actius dels metal·loenzims i és el segon element de transició més abundant en els organismes vius. Per aquest motiu són útils els models sintètics que puguin actuar com a mimetitzadors de reaccions bioinorgàniques en les que els metal·loenzims juguen un paper com a catalitzadors. Els models sintètics són complexos de metalls de transició formats per un lligand o lligands en el seu entorn de coordinació més immediat que tinguin efectes electrònics i estèrics els més similar possible als que es produeixen en el centre actiu dels enzims. Donat la importància dels complexos de Zn(II) com a models biomimètics de metal·loenzims hidrolítics, s'han sintetitzat i caracteritzat complexos dinuclears de Zn(II) amb lligands hexaazamacrocíclics descrits anteriorment. S'ha realitzat un estudi de la seva activitat catalítica en la hidròlisi d'un ester activat, l'acetat de p-nitrofenil, un substrat característic que s'utilitza per analitzar l'activitat catalítica dels models biomimètics.

Síntesi, caracterització química i estudi de l'activitat biològica de nous complexos de Pt(II) amb lligands de tipus diaminocarboxílic i els respectius ésters i derivats peptídics

El cisplatí, PtCl2(NH3)2, ha estat una de les drogues més utilitzades en la quimioteràpia del càncer des del descobriment de la seva activitat. Però degut a la seva alta toxicitat i greus efectes secundaris, s'han sintetitzat nous compostos amb la finalitat de reduir aquests inconvenients. En aquest sentit, el treball desenvolupat en aquesta tesi doctoral ha estat la síntesi i caracterització de tretze complexos de Pt(II) amb la finalitat d'estudiar llur activitat antitumoral. Aquests complexos presenten unes característiques estructurals comunes: geometria cis, dos lligands làbils de tipus clorur i un lligand diaminoquelatant derivat dels àcids d,l-2,3-diaminopropiònic (Hdap) i d,l-2,4-diaminobutíric (Hdab). S'han dissenyat unes estratègies sintètiques a partir de les quals els lligands han estat funcionalitzats amb diferents grups de tipus éster, aminoàcid i peptídic: Etdap·2HCl, Etdab·2HCl, [(dap-Metala)·2CF3COOH], [(dab-Metala)·2CF3COOH], [(dap-phe)·2CF3COOH], [(dab-phe)·2CF3COOH], [(dap-Mettrp)·2CF3COOH], [(dab-Mettrp)·2CF3COOH], [(dap-ASTTTNYT-NH2)·2CF3COOH], essent Metala= éster metílic de L-alanina, phe= L-fenilalanina, Mettrp= éster metílic del L-triptofà. Aquests lligands diaminoquelatants s'han utilitzat per sintetitzar els corresponents complexos de Pt(II): PtCl2(Hdap), PtCl2(Hdab), PtCl2(Etdap), PtCl2(Etdab), PtCl2(dap-Metala), PtCl2(dab-Metala), PtCl2(dap-ala), PtCl2(dab-ala), PtCl2(dap-phe), PtCl2(dab-phe), PtCl2(dap-Mettrp), PtCl2(dab-Mettrp), PtCl2(dap-ASTTTNYT-NH2). A través de diferents tècniques i assaigs biològics (dicroisme circular, electroforesi en gel d'agarosa, microscopia de forces atòmiques, citometria de flux, assaigs de proliferació cel·lular) s'ha pogut demostrar l'activitat antitumoral d'aquests compostos. A través de la tècnica de dicroisme circular (DC) s'ha pogut demostrar que els lligands lliures no interaccionen covalentment amb el DNA de Calf Thymus i no modifiquen l'estructura secundària de la doble hèlix. En canvi, els respectius complexos han demostrat tenir capacitat per interaccionar amb el DNA i modificar la seva estructura secundària. Els complexos PtCl2(Hdap), PtCl2(Hdab) i PtCl2(dab-phe) mostren un comportament similar al cisplatí, generant adductes cis-bifuncionals que distorcionen la doble hèlix de forma no desnaturalitzant amb obertura de la doble cadena. Els complexos PtCl2(Etdap), PtCl2(Etdab), PtCl2(dap-ala), PtCl2(dab-ala), PtCl2(dap-Metala), PtCl2(dab-Metala), PtCl2(dap-phe), PtCl2(dap-ASTTTNYT-NH2) quan interaccionen amb el DNA generen un canvi en la conformació del DNA de la forma B a la forma C, produint-se un augment de la curvatura de l'hèlix per rotació de les bases nitrogenades. En aquests estudis s'ha comprovat que l'estructura del complex influeix en l'efecte generat sobre l'estructura secundària de l'àcid nucleic. En primer lloc, existeix una diferència en el comportament en funció del tamany del lligand diaminoquelatant, de manera que els complexos amb el lligand (dab) provoquen un efecte més remarcable. També s'observa aquest canvi de comportament al passar dels complexos que tenen el grup funcional esterificat als que el tenen protonat. D'aquesta manera, s'observa un major efecte sobre l'estructura secundària del DNA en aquells complexos que tenen el lligand diaminoquelatant de tres metilens (dab) i amb el grup carboxilat terminal protonat. Per tal de modelitzar la interacció d'aquests complexos amb el DNA, s'ha estudiat la interacció d'aquests compostos de Pt(II) amb 5'-GMP a través de RMN-1H, observant la variació dels senyals corresponents al H8 de 5'-GMP. Així s'ha pogut demostrar que aquests compostos interaccionen amb la 5'-GMP a través d'un enllaç covalent Pt-N7, de la mateixa manera a com interacciona el cisplatí. A través d'electroforesi en gel d'agarosa i microscopia de forces atòmiques (AFM) s'ha pogut determinar l'efecte que generen els lligands lliures i els respectius complexos de Pt(II) sobre l'estructura terciària del plasmidi pBR322. Els lligands provoquen un augment de l'agregació de les molècules de DNA i un lleuger augment de la compactació de l'estructura terciària. Aquests resultats s'atribueixen a la capacitat d'aquests compostos a interaccionar per pont d'hidrogen amb el DNA. Els corresponents complexos de Pt(II) provoquen un augment de l'agregació i una important compactació, degut per una banda a la capacitat de l'àtom de Pt a interaccionar covalentment amb el DNA, i per altra banda, a la capacitat del lligand a interaccionar per pont d'hidrogen amb l'àcid nucleic. Finalment s'ha estudiat l'activitat citotòxica d'aquests complexos de Pt(II) en diferents línies cel·lulars: A431 (línia de carcinoma epidermoide), HeLa (línia de carcinoma de coll d'úter) i HL-60 (línia promielocítica de leucèmia). Els complexos moderadament solubles en aigua, PtCl2(Hdap), PtCl2(Hdab), PtCl2(dap-ala), PtCl2(dab-ala), PtCl2(dap-phe) i PtCl2(dab-phe), han demostrat ser actius. L'activitat depèn de la concentració de complex, del temps d'incubació i de la línia cel·lular. Per temps d'incubació alts i concentracions de complex elevades s'observa la màxima activitat. Els complexos de l'alanina, PtCl2(dap-ala) i PtCl2(dab-ala), són els que mostren més activitat, mentre que els compostos de la fenilalanina són els menys actius, degut probablement a la voluminositat del lligand, la qual pot impedir o dificultar el transport del compost a través de la membrana cel·lular. L'activitat citotòxica dels complexos insolubles en aigua, PtCl2(Etdap) i PtCl2(Etdab), queda bloquejada per l'elevada concentració de DMSO (12%) necessària per solubilitzar els compostos. Aquests resultats permeten deduir que la presència d'un 12% de DMSO anul·la l'activitat d'aquests complexos, ja que el DMSO pot coordinar-se amb el Pt ocupant les posicions làbils del complex i evitant que es pugui coordinar amb el DNA. Els assaigs de proliferació cel·lular del complex PtCl2(dap-ASTTTNYT-NH2) i del pèptid lliure ASTTTNYT-NH2 han demostrat que ambdós compostos són actius. Tot i això, l'activitat del complex és superior a la del pèptid lliure, ja que el Pt pot interaccionar covalentment amb el DNA i augmentar l'efecte citotòxic. Per tant, el complex presenta un lligand portador biològicament actiu que pot transportar el metall a través de la membrana cel·lular i facilitar així la seva interacció amb el DNA. A través de la tècnica de citometria de flux s'ha comprovat que en tots els casos la mort cel·lular produïda pels complexos ha estat per apoptosi. Per últim, s'ha sintetitzat i caracteritzat un complex trinuclear de Pt(II), {[Pt(Me2Bpy)2][PtCl2(Me2Bpy)]2}, essent Me2Bpy= 4,4'-dimetil-2,2'-dipiridil. La resolució de la seva estructura per difracció de Raig-X ha permès determinar l'existència d'una interacció intramolecular Pt-Pt de 3.474 Å.

Numerical simulation of the 12 May 1997 CME Event: The role of magnetic reconnection

We perform a numerical study of the evolution of a Coronal Mass Ejection (CME) and its interaction with the coronal magnetic field based on the 12 May 1997, CME event using a global MagnetoHydroDynamic (MHD) model for the solar corona. The ambient solar wind steady-state solution is driven by photospheric magnetic field data, while the solar eruption is obtained by superimposing an unstable flux rope onto the steady-state solution. During the initial stage of CME expansion, the core flux rope reconnects with the neighboring field, which facilitates lateral expansion of the CME footprint in the low corona. The flux rope field also reconnects with the oppositely orientated overlying magnetic field in the manner of the breakout model. During this stage of the eruption, the simulated CME rotates counter-clockwise to achieve an orientation that is in agreement with the interplanetary flux rope observed at 1 AU. A significant component of the CME that expands into interplanetary space comprises one of the side lobes created mainly as a result of reconnection with the overlying field. Within 3 hours, reconnection effectively modifies the CME connectivity from the initial condition where both footpoints are rooted in the active region to a situation where one footpoint is displaced into the quiet Sun, at a significant distance (≈1R ) from the original source region. The expansion and rotation due to interaction with the overlying magnetic field stops when the CME reaches the outer edge of the helmet streamer belt, where the field is organized on a global scale. The simulation thus offers a new view of the role reconnection plays in rotating a CME flux rope and transporting its footpoints while preserving its core structure.

The neural response to emotional prosody, as revealed by functional magnetic resonance imaging

Prosody is an important feature of language, comprising intonation, loudness, and tempo. Emotional prosodic processing forms an integral part of our social interactions. The main aim of this study was to use bold contrast fMRI to clarify the normal functional neuroanatomy of emotional prosody, in passive and active contexts. Subjects performed six separate scanning studies, within which two different conditions were contrasted: (1) "pure" emotional prosody versus rest; (2) congruent emotional prosody versus 'neutral' sentences; (3) congruent emotional prosody versus rest; (4) incongruent emotional prosody versus rest; (5) congruent versus incongruent emotional prosody; and (6) an active experiment in which subjects were instructed to either attend to the emotion conveyed by semantic content or that conveyed by tone of voice. Data resulting from these contrasts were analysed using SPM99. Passive listening to emotional prosody consistently activated the lateral temporal lobe (superior and/or middle temporal gyri). This temporal lobe response was relatively right-lateralised with or without semantic information. Both the separate and direct comparisons of congruent and incongruent emotional prosody revealed that subjects used fewer brain regions to process incongruent emotional prosody than congruent. The neural response to attention to semantics, was left lateralised, and recruited an extensive network not activated by attention to emotional prosody. Attention to emotional prosody modulated the response to speech, and induced right-lateralised activity, including the middle temporal gyrus. In confirming the results of lesion and neuropsychological studies, the current study emphasises the importance of the right hemisphere in the processing of emotional prosody, specifically the lateral temporal lobes. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Extended magnetic reconnection across the dayside magnetopause

The extent of where magnetic reconnection (MR), the dominant process responsible for energy and plasma transport into the magnetosphere, operates across Earth’s dayside magnetopause has previously been only indirectly shown by observations. We report the first direct evidence of X-line structure resulting from the operation of MR at each of two widely separated locations along the tilted, subsolar line of maximum current on Earth’s magnetopause, confirming the operation of MR at two or more sites across the extended region where MR is expected to occur. The evidence results from in-situ observations of the associated ion and electron plasma distributions, present within each magnetic X-line structure, taken by two spacecraft passing through the active MR regions simultaneously.

Redox-active, dinuclear sandwich compounds [Cp*Fe(μ-L)FeCp*] (L = naphthalene and anthracene)

Although there has been much interest in the chemistry of bimetallic transition metal complexes, compounds with naphthalene or anthracene as bridging ligands are still rare. In this article, we describe the synthesis of the homodinuclear iron complexes [Cp*Fe(μ-η4:η4-L)FeCp*] (1: L = C10H8, 2: L = C14H10; Cp* = η5-C5Me5). The complexes were characterized by 1H and 13C{1H} NMR, UV/Vis, and 57Fe Mössbauer spectroscopy, and their molecular structures were determined by X-ray crystallography. Both complexes are diamagnetic as a result of the strong magnetic coupling of the 17e FeI centers mediated by the polyarene bridge. An analysisof the redox behavior of 1 and 2 by cyclic voltammetry andUV/Vis spectroelectrochemistry shows that the complexes can be oxidized reversibly in two well-separated one-electron steps to the monocation [Cp*Fe(μ-L)FeCp*]+ and the dication [Cp*Fe(μ-L)FeCp*]2+. The reduction to the monoanion [Cp*Fe(μ-L)FeCp*]– was also observed.

Energetic electron signatures in an active magnetotail plasma sheet

Particles with energies of tens to hundreds of keV provide a powerful diagnostic of the acceleration processes that characterise the Earth’s magnetosphere, in particular the highly dynamic nightside plasma sheet. Such energetic particles can be detected by the RAPID experiment, onboard the quartet of Cluster spacecraft. We present results from the study of a series of quasi-periodic, intense energetic electron signatures in the magnetotail revealed by RAPID Imaging Electron Spectrometer (IES) observations some 19 Earth radii (RE) downtail, associated with the passage of a highly geoeffective, high-speed solar wind stream. The RAPID-IES signatures – interpreted in combination with magnetic field and lower-energy electron measurements from the FGM and PEACE experiments on Cluster, respectively, and with reference to energetic electron observations from the CEPPAD-IES instrument on Polar – are understood in terms of repeated encounters of the Cluster spacecraft with the tail plasma sheet in response to the resultant tail reconfiguration in each of a series of substorms. We consider the Cluster response for two of these substorms (identified according to the conventional expansion phase onset indicators of particle injection at geosynchronous orbit and Pi2 pulsations at Earth) in terms of two possible tail configurations in which a Near-Earth Neutral Line forms either antisunward or sunward of the Cluster spacecraft. The latter scenario, in which the reconnection X-line is assumed to form sunward of Cluster and subsequently migrate downtail such that the spacecraft become engulfed in a tailward expanding plasma sheet, is shown to be more consistent with the observations.

Long-term variations in the magnetic fields of the Sun and the heliosphere: their origin, effects, and implications

Recent studies of the variation of geomagnetic activity over the past 140 years have quantified the "coronal source" magnetic flux F-s that leaves the solar atmosphere and enters the heliosphere and have shown that it has risen, on average, by an estimated 34% since 1963 and by 140% since 1900. This variation of open solar flux has been reproduced by Solanki et al. [2000] using a model which demonstrates how the open flux accumulates and decays, depending on the rate of flux emergence in active regions and on the length of the solar cycle. We here use a new technique to evaluate solar cycle length and find that it does vary in association with the rate of change of F-s in the way predicted. The long-term variation of the rate of flux emergence is found to be very similar in form to that in F-s, which may offer a potential explanation of why F-s appears to be a useful proxy for extrapolating solar total irradiance back in time. We also find that most of the variation of cosmic ray fluxes incident on Earth is explained by the strength of the heliospheric field (quantified by F-s) and use observations of the abundance of the isotope Be-10 (produced by cosmic rays and deposited in ice sheets) to study the decrease in F-s during the Maunder minimum. The interior motions at the base of the convection zone, where the solar dynamo is probably located, have recently been revealed using the helioseismology technique and found to exhibit a 1.3-year oscillation. This periodicity is here reported in observations of the interplanetary magnetic field and geomagnetic activity but is only present after 1940, When present, it shows a strong 22-year variation, peaking near the maximum of even-numbered sunspot cycles and showing minima at the peaks of odd-numbered cycles. We discuss the implications of these long-term solar and heliospheric variations for Earth's environment.

Long-term variations in the magnetic field of the Sun and possible implications for terrestrial climate

Recent studies of the variation of geomagnetic activity over the past 140 years have quantified the "coronal source" or "open" magnetic flux F-s that leaves the solar atmosphere and enters the heliosphere and have shown that it has risen, on average, by 34% since 1963 and by 140% since 1900. This variation is reflected in studies of the heliospheric field using isotopes deposited in ice sheets and meteorites by the action of galactic comic rays. The variation has also been reproduced using a model that demonstrates how the open flux accumulates and decays, depending on the rate of flux emergence in active regions and on the length of the solar cycle. The cosmic ray flux at energies > 3 GeV is found to have decayed by about 15% during the 20(th) century (and by about 4% at > 13 GeV). We show that the changes in the open flux do reflect changes in the photospheric and sub-surface field which offers an explanation of why open flux appears to be a good proxy for solar irradiance extrapolation. Correlations between F-s, solar cycle length, L, and 11-year smoothed sunspot number, R-11, explain why the various irradiance reconstructions for the last 150 years are similar in form. Possible implications of the inferred changes in cosmic ray flux and irradiance for global temperatures on Earth are discussed.

Auroral and plasma flow transients at magnetic noon

We present observations of a transient event in the dayside auroral ionosphere at magnetic noon. F-region plasma convection measurements were made by the EISCAT radar, operating in the beamswinging “Polar” experiment mode, and simultaneous observations of the dayside auroral emissions were made by optical meridian-scanning photometers and all-sky TV cameras at Ny Ålesund, Spitzbergen. The data were recorded on 9 January 1989, and a sequence of bursts of flow, with associated transient aurora, were observed between 08:45 and 11:00 U.T. In this paper we concentrate on an event around 09:05 U.T. because that is very close to local magnetic noon. The optical data show a transient intensification and widening (in latitude) of the cusp/cleft region, as seen in red line auroral emissions. Over an interval of about 10 min, the band of 630 nm aurora widened from about 1.5° of invariant latitude to over 5° and returned to its original width. Embedded within the widening band of 630 nm emissions were two intense, active 557.7 nm arc fragments with rays which persisted for about 2 min each. The flow data before and after the optical transient show eastward flows, with speeds increasing markedly with latitude across the band of 630 nm aurora. Strong, apparently westward, flows appeared inside the band while it was widening, but these rotated round to eastward, through northward, as the band shrunk to its original width. The observed ion temperatures verify that the flow speeds during the transient were, to a large extent, as derived using the beamswinging technique; but they also show that the flow increase initially occurred in the western azimuth only. This spatial gradient in the flow introduces ambiguity in the direction of these initial flows and they could have been north-eastward rather than westward. However, the westward direction derived by the beamswinging is consistent with the motion of the colocated and coincident active 557.7 nm arc fragment, A more stable transient 557.7 nm aurora was found close to the shear between the inferred westward flows and the persisting eastward flows to the North. Throughout the transient, northward flow was observed across the equatorward boundary of the 630 nm aurora. Interpretation of the data is made difficult by lack of IMF data, problems in distinguishing the cusp and cleft aurora and uncertainty over which field lines are open and which are closed. However, at magnetic noon there is a 50% probability that we were observing the cusp, in which case from its southerly location we infer that the IMF was southward and many features are suggestive of time-varying reconnection at a single X-line on the dayside magnetopause. This IMF orientation is also consistent with the polar rain precipitation observed simultaneously by the DMSP-F9 satellite in the southern polar cap. There is also a 25% chance that we were observing the cleft (or the mantle poleward of the cleft). In this case we infer that the IMF was northward and the transient is well explained by reconnection which is not only transient in time but occurs at various sites located randomly on the dayside magnetopause (i.e. patchy in space). Lastly, there is a 25% chance that we were observing the cusp poleward of the cleft, in which case we infer that IMF Bz was near zero and the transient is explained by a mixture of the previous two interpretations.