The Solar Wind Electrons Alphas and Protons (SWEAP) Investigation on Solar Probe Plus is a four sensor instrument suite that provides complete measurements of the electrons and ionized helium and hydrogen that constitute the bulk of solar wind and coronal plasma. SWEAP consists of the Solar Probe Cup (SPC) and the Solar Probe Analyzers (SPAN). SPC is a Faraday Cup that looks directly at the Sun and measures ion and electron fluxes and flow angles as a function of energy. SPAN consists of an ion and electron electrostatic analyzer (ESA) on the ram side of SPP (SPAN-A) and an electron ESA on the anti-ram side (SPAN-B). The SPAN-A ion ESA has a time of flight section that enables it to sort particles by their mass/charge ratio, permitting differentiation of ion species. SPAN-A and -B are rotated relative to one another so their broad fields of view combine like the seams on a baseball to view the entire sky except for the region obscured by the heat shield and covered by SPC. Observations by SPC and SPAN produce the combined field of view and measurement capabilities required to fulfill the science objectives of SWEAP and Solar Probe Plus. SWEAP measurements, in concert with magnetic and electric fields, energetic particles, and white light contextual imaging will enable discovery and understanding of solar wind acceleration and formation, coronal and solar wind heating, and particle acceleration in the inner heliosphere of the solar system. SPC and SPAN are managed by the SWEAP Electronics Module (SWEM), which distributes power, formats onboard data products, and serves as a single electrical interface to the spacecraft. SWEAP data products include ion and electron velocity distribution functions with high energy and angular resolution. Full resolution data are stored within the SWEM, enabling high resolution observations of structures such as shocks, reconnection events, and other transient structures to be selected for download after the fact. This paper describes the implementation of the SWEAP Investigation, the driving requirements for the suite, expected performance of the instruments, and planned data products, as of mission preliminary design review.

The prediction of a supersonic solar wind1 was first confirmed by spacecraft near Earth2,3 and later by spacecraft at heliocentric distances as small as 62 solar radii4. These missions showed that plasma accelerates as it emerges from the corona, aided by unidentified processes that transport energy outwards from the Sun before depositing it in the wind. Alfvénic fluctuations are a promising candidate for such a process because they are seen in the corona and solar wind and contain considerable energy5–7. Magnetic tension forces the corona to co-rotate with the Sun, but any residual rotation far from the Sun reported until now has been much smaller than the amplitude of waves and deflections from interacting wind streams8. Here we report observations of solar-wind plasma at heliocentric distances of about 35 solar radii9–11, well within the distance at which stream interactions become important. We find that Alfvén waves organize into structured velocity spikes with duration of up to minutes, which are associated with propagating S-like bends in the magnetic-field lines. We detect an increasing rotational component to the flow velocity of the solar wind around the Sun, peaking at 35 to 50 kilometres per second—considerably above the amplitude of the waves. These flows exceed classical velocity predictions of a few kilometres per second, challenging models of circulation in the corona and calling into question our understanding of how stars lose angular momentum and spin down as they age12–14. Data collected by the Parker Solar Probe in the solar corona are used to determine the organization of Alfvén waves, revealing an increasing flow velocity peaking at 35–50 km s−1.

The first two orbits of the Parker Solar Probe (PSP) spacecraft have enabled the first in situ measurements of the solar wind down to a heliocentric distance of 0.17 au (or 36 Rs). Here, we present an analysis of this data to study solar wind turbulence at 0.17 au and its evolution out to 1 au. While many features remain similar, key differences at 0.17 au include: increased turbulence energy levels by more than an order of magnitude, a magnetic field spectral index of -3/2 matching that of the velocity and both Elsasser fields, a lower magnetic compressibility consistent with a smaller slow-mode kinetic energy fraction, and a much smaller outer scale that has had time for substantial nonlinear processing. There is also an overall increase in the dominance of outward-propagating Alfv\'enic fluctuations compared to inward-propagating ones, and the radial variation of the inward component is consistent with its generation by reflection from the large-scale gradient in Alfv\'en speed. The energy flux in this turbulence at 0.17 au was found to be ~10% of that in the bulk solar wind kinetic energy, becoming ~40% when extrapolated to the Alfv\'en point, and both the fraction and rate of increase of this flux towards the Sun is consistent with turbulence-driven models in which the solar wind is powered by this flux.

Coupling between the lower and upper atmosphere, combined with loss of gas from the upper atmosphere to space, likely contributed to the thin, cold, dry atmosphere of modern Mars. To help understand ongoing ion loss to space, the Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN) spacecraft made comprehensive measurements of the Mars upper atmosphere, ionosphere, and interactions with the Sun and solar wind during an interplanetary coronal mass ejection impact in March 2015. Responses include changes in the bow shock and magnetosheath, formation of widespread diffuse aurora, and enhancement of pick-up ions. Observations and models both show an enhancement in escape rate of ions to space during the event. Ion loss during solar events early in Mars history may have been a major contributor to the long-term evolution of the Mars atmosphere.

Abstract This work reports a novel plasma wave observation in the near-Sun solar wind: frequency-dispersed ion acoustic waves. Similar waves have previously been reported in association with interplanetary shocks or planetary bow shocks, but the waves reported here occur throughout the solar wind sunward of ∼60 solar radii, far from any identified shocks. The waves reported here vary their central frequency by factors of 3–10 over tens of milliseconds, with frequencies that move up or down in time. Using a semiautomated identification algorithm, thousands of wave instances are recorded during each near-Sun orbit of the Parker Solar Probe spacecraft. Wave statistical properties are determined and used to estimate their plasma frame frequency and the energies of protons most likely to be resonant with these waves. Proton velocity distribution functions are explored for one wave interval, and proton enhancements that may be consistent with proton beams are observed. A conclusion from this analysis is that properties of the observed frequency-dispersed ion acoustic waves are consistent with driving by cold, impulsively accelerated proton beams near the ambient proton thermal speed. Based on the large number of observed waves and their properties, it is likely that the impulsive proton beam acceleration mechanism generating these waves is active throughout the inner heliosphere. This may have implications for the acceleration of the solar wind.

Abstract We report observations of multiple subscale reconnecting current sheets embedded inside a large-scale heliospheric current sheet (HCS) reconnection exhaust. The discovery was made possible by the unusual skimming trajectory of Parker Solar Probe through a sunward-directed HCS exhaust, sampling structures convecting with the exhaust outflows for more than 3 hr during Encounter 14, at a radial distance of ∼17 solar radii. A large number of subscale current sheets (SCSs) were detected inside the HCS exhaust. Remarkably, five SCSs showed direct evidence for reconnection, displaying near-Alfvénic outflow jets and bifurcated current sheets. The reconnecting SCSs all had small magnetic shears (27°–81°), i.e., strong guide fields. The thickness of the subscale reconnecting current sheets ranged from ∼60 km to ∼5000 km (∼20–2000 ion inertial lengths). The SCS exhausts were directed predominantly in the normal or out-of-plane direction of the HCS, i.e., nearly orthogonal to the HCS exhaust direction. The presence of multiple low-magnetic-shear reconnecting current sheets inside a large-scale exhaust could be associated with coalescence of multiple large flux ropes inside the HCS exhaust. The orientation of some SCS exhausts was partly in the ecliptic plane of the HCS, which may indicate that the coalescence process is highly three-dimensional. Since the coalescence process is likely short-lived, the detection of five such events inside a single HCS crossing could imply the common occurrence of flux rope coalescence in large-scale HCS reconnection exhausts.

Abstract Based on observations from the Parker Solar Probe in the near-Sun solar wind, this study identifies an ion-scale wave event characterized by two distinct frequency bands. The lower-band waves exhibit right-hand polarization, while the upper-band waves have left-hand polarization. Alongside these waves, there are clear indications of the existence of both proton core and beam components, with the perpendicular temperature being higher than the parallel temperature in the measured proton velocity distribution functions (VDFs). Utilizing the plasma parameters derived from typical proton VDFs, instability analyses are conducted to investigate the mode nature of the observed waves and their excitation mechanism. The lower-band waves are identified as sunward ion cyclotron waves (ICWs), generated through the proton beam cyclotron instability; the upper-band waves are recognized as antisunward ICWs, induced by the proton core cyclotron instability. This study provides the first direct observational evidence confirming the presence of counterpropagating ICWs and proton cyclotron instability in the solar wind.