The Fast Plasma Investigation (FPI) was developed for flight on the Magnetospheric Multiscale (MMS) mission to measure the differential directional flux of magnetospheric electrons and ions with unprecedented time resolution to resolve kinetic-scale plasma dynamics. This increased resolution has been accomplished by placing four dual 180-degree top hat spectrometers for electrons and four dual 180-degree top hat spectrometers for ions around the periphery of each of four MMS spacecraft. Using electrostatic field-of-view deflection, the eight spectrometers for each species together provide 4pi-sr field-of-view with, at worst, 11.25-degree sample spacing. Energy/charge sampling is provided by swept electrostatic energy/charge selection over the range from 10 eV/q to 30000 eV/q. The eight dual spectrometers on each spacecraft are controlled and interrogated by a single block redundant Instrument Data Processing Unit, which in turn interfaces to the observatory’s Instrument Suite Central Instrument Data Processor. This paper describes the design of FPI, its ground and in-flight calibration, its operational concept, and its data products.

The Exploration of energization and Radiation in Geospace (ERG) project explores the acceleration, transport, and loss of relativistic electrons in the radiation belts and the dynamics for geospace storms. This project consists of three research teams for satellite observation, ground-based network observation, and integrated data analysis/simulation. This synergetic approach is essential for obtaining a comprehensive understanding of the relativistic electron generation/loss processes of the radiation belts as well as geospace storms through cross-energy/cross-regional couplings, in which different plasma/particle populations and regions are strongly coupled with each other. This paper gives an overview of the ERG project and presents the initial results from the ERG (Arase) satellite.

Abstract Ion pickup by the solar wind is ubiquitous in space plasma. Because pickup ions are originally produced by ionization of an exospheric neutral atmosphere, their measurements contain information on the exospheric neutral abundance. Here we established a method to retrieve exospheric number densities, by analyzing the ion velocity distribution functions of pickup ions measured by the Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN spacecraft. We successfully retrieved exospheric oxygen density distributions at altitudes ranging from 1000 to 10,000 km around Mars except for the vicinity of the bow shock. This method can be applied to other space missions to study the upper atmosphere of planets, moons, and other small bodies in our solar system, where pickup ions exist.

Abstract Recent simulation studies using the RAM‐SCB model showed that proton precipitation contributes significantly to the total energy flux deposited into the subauroral ionosphere thereby affecting the magnetosphere‐ionosphere coupling. In this study, we use the BATS‐R‐US + RAM‐SCB model to understand the evolution of ElectroMagnetic Ion Cyclotron (EMIC) waves in the inner magnetosphere, their correspondence to the proton precipitation into the subauroral ionosphere, and to assess the performance of the model in reproducing the EMIC wave‐particle interactions. During the 27 May 2017 storm, Arase and RBSP‐A satellites observed typical signatures of EMIC waves in the inner magnetosphere. Within this interval, Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) and National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)/MetOp satellites observed significant proton precipitation in the dusk‐midnight sector. Simulation results show that H‐ and He‐band EMIC waves are excited within regions of strong temperature anisotropy near the plasmapause. The simulated growth rates of EMIC waves show a similar trend to that of the EMIC wave power observed by the Arase and RBSP‐A satellites, suggesting that the model can reproduce the EMIC wave activity qualitatively. The simulated H‐band waves in the dusk sector are stronger than He‐band waves possibly due to the presence of excess protons in the boundary conditions obtained from the BATS‐R‐US code. The precipitating proton fluxes reproduced by the simulation with EMIC waves are found to agree reasonably well with the DMSP and NOAA/MetOp satellite observations. It is suggested that EMIC wave scattering of ring current ions can account for proton precipitation observed by the DMSP and MetOp satellites during the 27 May 2017 storm.

Electromagnetic whistler-mode chorus waves are a key driver of variations in energetic electron fluxes in the Earth's magnetosphere through the wave-particle interaction. Traditionally understood as a diffusive process, these interactions account for long-term electron flux variations (> several minutes). However, theories suggest that chorus waves can also cause rapid (< 1 s) electron acceleration and significant flux variations within less than a second through a nonlinear wave-particle interaction. Detecting these rapid accelerations has been a great challenge due to a limited time resolution of conventional particle instruments. Here, we employ an analysis technique to enhance the time resolution of the particle measurements, revealing rapid electron flux variations within less than one second associated with chorus waves. This technique exposes short-lived flux increases significantly larger than those observable with the standard time resolution. Our findings indicate that these transient flux variations result from the nonlinear acceleration of electrons induced by the chorus waves, highlighting the importance of nonlinear wave-particle interactions in creating high energy electrons in the Earth's magnetosphere. The same acceleration mechanism should operate in the magnetospheres of Jupiter and Saturn where chorus waves are present, and in laboratory plasma environments when chorus-like waves are excited.