Abstract. The accurate measurement of the magnetic field along the orbits of the four Cluster spacecraft is a primary objective of the mission. The magnetic field is a key constituent of the plasma in and around the magnetosphere, and it plays an active role in all physical processes that define the structure and dynamics of magnetospheric phenomena on all scales. With the four-point measurements on Cluster, it has become possible to study the three-dimensional aspects of space plasma phenomena on scales commeasurable with the size of the spacecraft constellation, and to distinguish temporal and spatial dependences of small-scale processes. We present an overview of the instrumentation used to measure the magnetic field on the four Cluster spacecraft and an overview the performance of the operational modes used in flight. We also report on the results of the preliminary in-orbit calibration of the magnetometers; these results show that all components of the magnetic field are measured with an accuracy approaching 0.1 nT. Further data analysis is expected to bring an even more accurate determination of the calibration parameters. Several examples of the capabilities of the investigation are presented from the commissioning phase of the mission, and from the different regions visited by the spacecraft to date: the tail current sheet, the dusk side magnetopause and magnetosheath, the bow shock and the cusp. We also describe the data processing flow and the implementation of data distribution to other Cluster investigations and to the scientific community in general.Key words. Interplanetary physics (instruments and techniques) – magnetospheric physics (magnetospheric configuration and dynamics) – space plasma physics (shock waves)

Magnetospheric substorms explosively release solar wind energy previously stored in Earth's magnetotail, encompassing the entire magnetosphere and producing spectacular auroral displays. It has been unclear whether a substorm is triggered by a disruption of the electrical current flowing across the near-Earth magnetotail, at approximately 10 R(E) (R(E): Earth radius, or 6374 kilometers), or by the process of magnetic reconnection typically seen farther out in the magnetotail, at approximately 20 to 30 R(E). We report on simultaneous measurements in the magnetotail at multiple distances, at the time of substorm onset. Reconnection was observed at 20 R(E), at least 1.5 minutes before auroral intensification, at least 2 minutes before substorm expansion, and about 3 minutes before near-Earth current disruption. These results demonstrate that substorms are likely initiated by tail reconnection.

In this paper we study a flow burst event which took place during enhanced geomagnetic activity on July 22, 2001, when Cluster was located in the postmidnight magnetotail. The flow burst was associated with a clear dipolarization ahead of the high‐speed part of the predominantly Earthward directed flow. Based on the analysis of the four spacecraft data, we found that a ∼2000 km thick dipolarization front moves Earthward and dawnward with a speed of ∼77 km/s. The plasma before this front is deflected, consistent with the plasma ahead of a localized plasma bubble centered at midnight side being pushed aside by the moving obstacle. The main body of the high‐speed flow is directed mainly parallel to the dipolarization front. These observations indicate that the evolution of the dipolarization front across the tail is directly coupled with the fast flow.

The magnetometer instrument on the Solar Orbiter mission is designed to measure the magnetic field local to the spacecraft continuously for the entire mission duration. The need to characterise not only the background magnetic field but also its variations on scales from far above to well below the proton gyroscale result in challenging requirements on stability, precision, and noise, as well as magnetic and operational limitations on both the spacecraft and other instruments. The challenging vibration and thermal environment has led to significant development of the mechanical sensor design. The overall instrument design, performance, data products, and operational strategy are described.

Dust particle impacts on the Wind spacecraft were detected with its plasma wave instrument Wind/WAVES. Frequency analysis on the resulting dust impact time series has revealed spectral peaks indicative of a solar rotation signature. We investigated whether this solar rotation signature is embedded in the interplanetary or in the interstellar dust (ISD) and whether it is caused by co-rotating interaction regions (CIRs), by the sector structure of the interplanetary magnetic field (IMF), or by external effects. We performed frequency analysis on different subsets of the data to investigate the origin of these spectral peaks, comparing segments of Wind's orbit when the spacecraft moved against or with the ISD inflow direction and comparing the time periods of the ISD focusing phase and the ISD defocusing phase of the solar magnetic cycle. A superposed epoch analysis of the number of dust impacts during CIRs was used to investigate the systematic effect of CIRs. Case studies of time periods with frequent or infrequent occurrences of CIRs were performed and compared to synthetic data of cosmic dust impacts affected by CIRs. We performed similar case studies for time periods with a stable or chaotic IMF sector structure. The superposed epoch analysis was repeated for a time series of the spacecraft floating potential. Spectral peaks were found at the solar rotation period of $ sim d $ and its harmonics at $13.5\ d $ and $9\ d $. This solar rotation signature may affect both interplanetary and interstellar dust. The appearance of this signature correlates with the occurrence of CIRs but not with the stability of the IMF sector structure. The CIRs cause, on average, a reduction in the number of dust impact detections. Periodic changes of the spacecraft's floating potential were found to partially counteract this reduction by enhancing the instrument's sensitivity to dust impacts; these changes of the floating potential are thus unlikely to be the cause of the solar rotation signature.