Hypothetical low-mass particles, such as axions, provide a compelling explanation for the dark matter in the universe. Such particles are expected to emerge abundantly from the hot interior of stars. To test this prediction, the CERN Axion Solar Telescope (CAST) uses a 9 T refurbished Large Hadron Collider test magnet directed towards the Sun. In the strong magnetic field, solar axions can be converted to X-ray photons which can be recorded by X-ray detectors. In the 2013–2015 run, thanks to low-background detectors and a new X-ray telescope, the signal-to-noise ratio was increased by about a factor of three. Here, we report the best limit on the axion–photon coupling strength (0.66 × 10−10 GeV−1 at 95% confidence level) set by CAST, which now reaches similar levels to the most restrictive astrophysical bounds. Axions are hypothetical light particles that could explain the dark matter. They could be produced in the interior of the Sun and the CERN Axion Solar Telescope sets the best limit on how strongly axions can interact with light.

Solar Orbiter, the first mission of ESA's Cosmic Vision 2015-2025 programme and a mission of international collaboration between ESA and NASA, will explore the Sun and heliosphere from close up and out of the ecliptic plane. It was launched on 10 February 2020 04:03 UTC from Cape Canaveral and aims to address key questions of solar and heliospheric physics pertaining to how the Sun creates and controls the Heliosphere, and why solar activity changes with time. To answer these, the mission carries six remote-sensing instruments to observe the Sun and the solar corona, and four in-situ instruments to measure the solar wind, energetic particles, and electromagnetic fields. In this paper, we describe the science objectives of the mission, and how these will be addressed by the joint observations of the instruments onboard. The paper first summarises the mission-level science objectives, followed by an overview of the spacecraft and payload. We report the observables and performance figures of each instrument, as well as the trajectory design. This is followed by a summary of the science operations concept. The paper concludes with a more detailed description of the science objectives. Solar Orbiter will combine in-situ measurements in the heliosphere with high-resolution remote-sensing observations of the Sun to address fundamental questions of solar and heliospheric physics. The performance of the Solar Orbiter payload meets the requirements derived from the mission's science objectives. Its science return will be augmented further by coordinated observations with other space missions and ground-based observatories.

Abstract. Simulations of climate over the Last Millennium (850–1850 CE) have been incorporated into the third phase of the Paleoclimate Modelling Intercomparison Project (PMIP3). The drivers of climate over this period are chiefly orbital, solar, volcanic, changes in land use/land cover and some variation in greenhouse gas levels. While some of these effects can be easily defined, the reconstructions of solar, volcanic and land use-related forcing are more uncertain. We describe here the approach taken in defining the scenarios used in PMIP3, document the forcing reconstructions and discuss likely implications.

Aims. We present a physically consistent reconstruction of the total solar irradiance for the Holocene. Methods. We extend the SATIRE models to estimate the evolution of the total (and partly spectral) solar irradiance over the Holocene. The basic assumption is that the variations of the solar irradiance are due to the evolution of the dark and bright magnetic features on the solar surface. The evolution of the decadally averaged magnetic flux is computed from decadal values of cosmogenic isotope concentrations recorded in natural archives employing a series of physics-based models connecting the processes from the modulation of the cosmic ray flux in the heliosphere to their record in natural archives. We then compute the total solar irradiance (TSI) as a linear combination of the jth and jth + 1 decadal values of the open magnetic flux. Results. Reconstructions of the TSI over the Holocene, each valid for a di_erent paleomagnetic time series, are presented. Our analysis suggests that major sources of uncertainty in the TSI in this model are the heritage of the uncertainty of the TSI since 1610 reconstructed from sunspot data and the uncertainty of the evolution of the Earth's magnetic dipole moment. The analysis of the distribution functions of the reconstructed irradiance for the last 3000 years indicates that the estimates based on the virtual axial dipole moment are significantly lower at earlier times than the reconstructions based on the virtual dipole moment. Conclusions. We present the first physics-based reconstruction of the total solar irradiance over the Holocene, which will be of interest for studies of climate change over the last 11500 years. The reconstruction indicates that the decadally averaged total solar irradiance ranges over approximately 1.5 W/m2 from grand maxima to grand minima.

Abstract. A long-standing task in climate research has been to distinguish between anthropogenic climate change and natural climate variability. A prerequisite for fulfilling this task is the understanding of the relative roles of external drivers and internal variability of climate and the carbon cycle. Here, we present the first ensemble simulations over the last 1200 years with a comprehensive Earth system model including a fully interactive carbon cycle. Applying up-to-date reconstructions of external forcing including the recent low-amplitude estimates of solar variations, the ensemble simulations reproduce temperature evolutions consistent with the range of reconstructions. The 20th-century warming trend stands out against all pre-industrial trends within the ensemble. Volcanic eruptions are necessary to explain variations in pre-industrial climate such as the Little Ice Age; yet only the strongest, repeated eruptions lead to cooling trends that differ significantly from the internal variability across all ensemble members. The simulated atmospheric CO2 concentrations exhibit a stable carbon cycle over the pre-industrial era with multi-centennial variations somewhat smaller than in the observational records. Early land-cover changes have modulated atmospheric CO2 concentrations only slightly. We provide a model-based quantification of the sensitivity (termed γ) of the global carbon cycle to temperature for a variety of climate and forcing conditions. We diagnose a distinct dependence of γ on the forcing strength and time-scales involved, thus providing a possible explanation for the systematic difference in the observational estimates for different segments of the last millennium.

The lack of long and reliable time series of solar spectral irradiance (SSI) measurements makes an accurate quantification of solar contributions to recent climate change difficult. Whereas earlier SSI observations and models provided a qualitatively consistent picture of the SSI variability, recent measurements by the SORCE satellite suggest a significantly stronger variability in the ultraviolet (UV) spectral range and changes in the visible and near-infrared (NIR) bands in anti-phase with the solar cycle. A number of recent chemistry-climate model (CCM) simulations have shown that this might have significant implications on the Earth's atmosphere. Motivated by these results, we summarize here our current knowledge of SSI variability and its impact on Earth's climate. We present a detailed overview of existing SSI measurements and provide thorough comparison of models available to date. SSI changes influence the Earth's atmosphere, both directly, through changes in shortwave (SW) heating and therefore, temperature and ozone distributions in the stratosphere, and indirectly, through dynamical feedbacks. We investigate these direct and indirect effects using several state-of-the art CCM simulations forced with measured and modeled SSI changes. A unique asset of this study is the use of a common comprehensive approach for an issue that is usually addressed separately by different communities. Omissis. Finally, we discuss the reliability of the available data and we propose additional coordinated work, first to build composite SSI datasets out of scattered observations and to refine current SSI models, and second, to run coordinated CCM experiments.

The brightness of the Sun varies on all timescales on which it has been observed, and there is increasing evidence that this has an influence on climate. The amplitudes of such variations depend on the wavelength and possibly the timescale. Although many aspects of this variability are well established, the exact magnitude of secular variations (going beyond a solar cycle) and the spectral dependence of variations are under discussion. The main drivers of solar variability are thought to be magnetic features at the solar surface. The climate response can be, on a global scale, largely accounted for by simple energetic considerations, but understanding the regional climate effects is more difficult. Promising mechanisms for such a driving have been identified, including through the influence of UV irradiance on the stratosphere and dynamical coupling to the surface. Here, we provide an overview of the current state of our knowledge, as well as of the main open questions.

Context.Total solar irradiance changes by about 0.1% between solar activity maximum and minimum. Accurate measurements of this quantity are only available since 1978 and do not provide information on longer-term secular trends.