The success of the Magnetospheric Multiscale mission depends on the accurate measurement of the magnetic field on all four spacecraft. To ensure this success, two independently designed and built fluxgate magnetometers were developed, avoiding single-point failures. The magnetometers were dubbed the digital fluxgate (DFG), which uses an ASIC implementation and was supplied by the Space Research Institute of the Austrian Academy of Sciences and the analogue magnetometer (AFG) with a more traditional circuit board design supplied by the University of California, Los Angeles. A stringent magnetic cleanliness program was executed under the supervision of the Johns Hopkins University’s Applied Physics Laboratory. To achieve mission objectives, the calibration determined on the ground will be refined in space to ensure all eight magnetometers are precisely inter-calibrated. Near real-time data plays a key role in the transmission of high-resolution observations stored on board so rapid processing of the low-resolution data is required. This article describes these instruments, the magnetic cleanliness program, and the instrument pre-launch calibrations, the planned in-flight calibration program, and the information flow that provides the data on the rapid time scale needed for mission success.

Magnetic reconnection is a fundamental physical process in plasmas whereby stored magnetic energy is converted into heat and kinetic energy of charged particles. Reconnection occurs in many astrophysical plasma environments and in laboratory plasmas. Using measurements with very high time resolution, NASA's Magnetospheric Multiscale (MMS) mission has found direct evidence for electron demagnetization and acceleration at sites along the sunward boundary of Earth's magnetosphere where the interplanetary magnetic field reconnects with the terrestrial magnetic field. We have (i) observed the conversion of magnetic energy to particle energy; (ii) measured the electric field and current, which together cause the dissipation of magnetic energy; and (iii) identified the electron population that carries the current as a result of demagnetization and acceleration within the reconnection diffusion/dissipation region.

We report observations of “fast solitary waves” that are ubiquitous in downward current regions of the mid‐altitude auroral zone. The single‐period structures have large amplitudes (up to 2.5 V/m), travel much faster than the ion acoustic speed, carry substantial potentials (up to ∼100 Volts), and are associated with strong modulations of energetic electron fluxes. The amplitude and speed of the structures distinguishes them from ion‐acoustic solitary waves or weak double layers. The electromagnetic signature appears to be that of an positive charge (electron hole) traveling anti‐earthward. We present evidence that the structures are in or near regions of magnetic‐field‐aligned electric fields and propose that these nonlinear structures play a key role in supporting parallel electric fields in the downward current region of the auroral zone.

The Electric Fields and Waves (EFW) Instruments on the two Radiation Belt Storm Probe (RBSP) spacecraft (recently renamed the Van Allen Probes) are designed to measure three dimensional quasi-static and low frequency electric fields and waves associated with the major mechanisms responsible for the acceleration of energetic charged particles in the inner magnetosphere of the Earth. For this measurement, the instrument uses two pairs of spherical double probe sensors at the ends of orthogonal centripetally deployed booms in the spin plane with tip-to-tip separations of 100 meters. The third component of the electric field is measured by two spherical sensors separated by ∼15 m, deployed at the ends of two stacer booms oppositely directed along the spin axis of the spacecraft. The instrument provides a continuous stream of measurements over the entire orbit of the low frequency electric field vector at 32 samples/s in a survey mode. This survey mode also includes measurements of spacecraft potential to provide information on thermal electron plasma variations and structure. Survey mode spectral information allows the continuous evaluation of the peak value and spectral power in electric, magnetic and density fluctuations from several Hz to 6.5 kHz. On-board cross-spectral data allows the calculation of field-aligned wave Poynting flux along the magnetic field. For higher frequency waveform information, two different programmable burst memories are used with nominal sampling rates of 512 samples/s and 16 k samples/s. The EFW burst modes provide targeted measurements over brief time intervals of 3-d electric fields, 3-d wave magnetic fields (from the EMFISIS magnetic search coil sensors), and spacecraft potential. In the burst modes all six sensor-spacecraft potential measurements are telemetered enabling interferometric timing of small-scale plasma structures. In the first burst mode, the instrument stores all or a substantial fraction of the high frequency measurements in a 32 gigabyte burst memory. The sub-intervals to be downloaded are uplinked by ground command after inspection of instrument survey data and other information available on the ground. The second burst mode involves autonomous storing and playback of data controlled by flight software algorithms, which assess the “highest quality” events on the basis of instrument measurements and information from other instruments available on orbit. The EFW instrument provides 3-d wave electric field signals with a frequency response up to 400 kHz to the EMFISIS instrument for analysis and telemetry (Kletzing et al. Space Sci. Rev. 2013).

The FIELDS instrumentation suite on the Magnetospheric Multiscale (MMS) mission provides comprehensive measurements of the full vector magnetic and electric fields in the reconnection regions investigated by MMS, including the dayside magnetopause and the night-side magnetotail acceleration regions out to 25 Re. Six sensors on each of the four MMS spacecraft provide overlapping measurements of these fields with sensitive cross-calibrations both before and after launch. The FIELDS magnetic sensors consist of redundant flux-gate magnetometers (AFG and DFG) over the frequency range from DC to 64 Hz, a search coil magnetometer (SCM) providing AC measurements over the full whistler mode spectrum expected to be seen on MMS, and an Electron Drift Instrument (EDI) that calibrates offsets for the magnetometers. The FIELDS three-axis electric field measurements are provided by two sets of biased double-probe sensors (SDP and ADP) operating in a highly symmetric spacecraft environment to reduce significantly electrostatic errors. These sensors are complemented with the EDI electric measurements that are free from all local spacecraft perturbations. Cross-calibrated vector electric field measurements are thus produced from DC to 100 kHz, well beyond the upper hybrid resonance whose frequency provides an accurate determination of the local electron density. Due to its very large geometric factor, EDI also provides very high time resolution (∼1 ms) ambient electron flux measurements at a few selected energies near 1 keV. This paper provides an overview of the FIELDS suite, its science objectives and measurement requirements, and its performance as verified in calibration and cross-calibration procedures that result in anticipated errors less than 0.1 nT in B and 0.5 mV/m in E. Summaries of data products that result from FIELDS are also described, as well as algorithms for cross-calibration. Details of the design and performance characteristics of AFG/DFG, SCM, ADP, SDP, and EDI are provided in five companion papers.

Magnetic reconnection in current sheets is a magnetic-to-particle energy conversion process that is fundamental to many space and laboratory plasma systems. In the standard model of reconnection, this process occurs in a minuscule electron-scale diffusion region1,2. On larger scales, ions couple to the newly reconnected magnetic-field lines and are ejected away from the diffusion region in the form of bi-directional ion jets at the ion Alfvén speed3-5. Much of the energy conversion occurs in spatially extended ion exhausts downstream of the diffusion region 6 . In turbulent plasmas, which contain a large number of small-scale current sheets, reconnection has long been suggested to have a major role in the dissipation of turbulent energy at kinetic scales7-11. However, evidence for reconnection plasma jetting in small-scale turbulent plasmas has so far been lacking. Here we report observations made in Earth's turbulent magnetosheath region (downstream of the bow shock) of an electron-scale current sheet in which diverging bi-directional super-ion-Alfvénic electron jets, parallel electric fields and enhanced magnetic-to-particle energy conversion were detected. Contrary to the standard model of reconnection, the thin reconnecting current sheet was not embedded in a wider ion-scale current layer and no ion jets were detected. Observations of this and other similar, but unidirectional, electron jet events without signatures of ion reconnection reveal a form of reconnection that can drive turbulent energy transfer and dissipation in electron-scale current sheets without ion coupling.

Abstract Mars once had a dense atmosphere enabling liquid water existing on its surface, however, much of that atmosphere has since escaped to space. We examine how incoming solar and solar wind energy fluxes drive escape of atomic and molecular oxygen ions (O + and ) at Mars. We use MAVEN data to evaluate ion escape from 1 February 2016 through 25 May 2022. We find that Martian O + and both have increased escape flux with increased solar wind kinetic energy flux and this relationship is generally logarithmic. Increased solar wind electromagnetic energy flux also corresponds to increased O + and escape flux, however, increased solar wind electromagnetic energy flux seems to first dampen ion escape until a threshold level is reached, at which point ion escape increases with increasing electromagnetic energy flux. Increased solar irradiance (both total and ionizing) does not obviously increase escape of O + and . Our results suggest that the solar wind electromagnetic energy flux should be considered along with the kinetic energy flux as an important driver of ion escape, and that other parameters should be considered when evaluating solar irradiance's impact on O + and escape.

Abstract We survey 20 reconnection outflow events observed by Magnetospheric MultiScale in the low- β and high-Alfvén-speed regime of the Earth’s magnetotail to investigate the scaling of ion bulk heating produced by reconnection. The range of inflow Alfvén speeds (800–4000 km s −1 ) and inflow ion β (0.002–1) covered by this study is in a plasma regime that could be applicable to the solar corona and flare environments. We find that the observed ion heating increases with increasing inflow (upstream) Alfvén speed, V A , based on the reconnecting magnetic field and the upstream plasma density. However, ion heating does not increase linearly as a function of available magnetic energy per particle,  m i V A 2  . Instead, the heating increases progressively less as  m i V A 2  rises. This is in contrast to a previous study using the same data set, which found that electron heating in this high-Alfvén-speed and low- β regime scales linearly with  m i V A 2  , with a scaling factor nearly identical to that found for the low- V A and high- β magnetopause. Consequently, the ion-to-electron heating ratio in reconnection exhausts decreases with increasing upstream V A , suggesting that the energy partition between ions and electrons in reconnection exhausts could be a function of the available magnetic energy per particle. Finally, we find that the observed difference in ion and electron heating scaling may be consistent with the predicted effects of a trapping potential in the exhaust, which enhances electron heating, but reduces ion heating.