NASA's Solar Probe Plus (SPP) mission will make the first in situ measurements of the solar corona and the birthplace of the solar wind. The FIELDS instrument suite on SPP will make direct measurements of electric and magnetic fields, the properties of in situ plasma waves, electron density and temperature profiles, and interplanetary radio emissions, amongst other things. Here, we describe the scientific objectives targeted by the SPP/FIELDS instrument, the instrument design itself, and the instrument concept of operations and planned data products.

During the solar minimum, when the Sun is at its least active, the solar wind1,2 is observed at high latitudes as a predominantly fast (more than 500 kilometres per second), highly Alfvénic rarefied stream of plasma originating from deep within coronal holes. Closer to the ecliptic plane, the solar wind is interspersed with a more variable slow wind3 of less than 500 kilometres per second. The precise origins of the slow wind streams are less certain4; theories and observations suggest that they may originate at the tips of helmet streamers5,6, from interchange reconnection near coronal hole boundaries7,8, or within coronal holes with highly diverging magnetic fields9,10. The heating mechanism required to drive the solar wind is also unresolved, although candidate mechanisms include Alfvén-wave turbulence11,12, heating by reconnection in nanoflares13, ion cyclotron wave heating14 and acceleration by thermal gradients1. At a distance of one astronomical unit, the wind is mixed and evolved, and therefore much of the diagnostic structure of these sources and processes has been lost. Here we present observations from the Parker Solar Probe15 at 36 to 54 solar radii that show evidence of slow Alfvénic solar wind emerging from a small equatorial coronal hole. The measured magnetic field exhibits patches of large, intermittent reversals that are associated with jets of plasma and enhanced Poynting flux and that are interspersed in a smoother and less turbulent flow with a near-radial magnetic field. Furthermore, plasma-wave measurements suggest the existence of electron and ion velocity-space micro-instabilities10,16 that are associated with plasma heating and thermalization processes. Our measurements suggest that there is an impulsive mechanism associated with solar-wind energization and that micro-instabilities play a part in heating, and we provide evidence that low-latitude coronal holes are a key source of the slow solar wind. Measurements from the Parker Solar Probe show that slow solar wind near the Sun’s equator originates in coronal holes.

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 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.