Kinetic simulations of magnetic reconnection typically employ periodic boundary conditions that limit the duration in which the results are physically meaningful. To address this issue, a new model is proposed that is open with respect to particles, magnetic flux, and electromagnetic radiation. The model is used to examine undriven reconnection in a neutral sheet initialized with a single x-point. While at early times the results are in excellent agreement with previous periodic studies, the evolution over longer intervals is entirely different. In particular, the length of the electron diffusion region is observed to increase with time resulting in the formation of an extended electron current sheet. As a consequence, the electron diffusion region forms a bottleneck and the reconnection rate is substantially reduced. Periodically, the electron layer becomes unstable and produces a secondary island, breaking the diffusion region into two shorter segments. After growing for some period, the island is ejected and the diffusion region again expands until a new island is formed. Fast reconnection may still be possible provided that the generation of secondary islands remains sufficiently robust. These results indicate that reconnection in a neutral sheet may be inherently unsteady and raise serious questions regarding the standard model of Hall mediated reconnection.

A complete set of ISEE plasma wave, plasma, and field data are used to identify the plasma instability responsible for the generation of extremely low frequency (ELF) electromagnetic lion roars. Lion roars detected close to the magnetopause are generated by the cyclotron instability of anisotropic ( T ⊥ − / T ∥ − ≃ 1.2) thermal electrons when the local plasma critical energy, E M = B ²/8π N , falls to values ( E M ∼ 10–30 eV) close to or below the electron thermal energy, 25 eV, as a result of decreases in B . A companion theoretical paper, Thorne and Tsurutani (1981), demonstrates that the convective growth rates of lion roars under these conditions is greater than 100 dB R E −1 . The lion roars are terminated by increases in the ambient magnetic field magnitude and consequential increases in E M to values greater than 100 eV. Because there are few resonant particles at these high energies, the growth rate decreases by 3 orders of magnitude and measurable growth ceases. The value of the absolute upper limit of the frequency of unstable waves predicted by theory, ω max = A − Ω − /( A − + 1), is compared with observations. The predictions and observations are found to be in general, but not exact, agreement. Several possible explanations are explored. The quasi‐periodic, ∼20‐s magnetic and plasma oscillations which cause the variations in E M and hence alternately drive the cyclotron waves unstable and then stable are also investigated. The plasma and field pressures are shown to be out of phase, while the total pressure (electron + ion + field) remains relatively constant. Most of the pressure is associated with the particle thermal motion. The large 2∶1 variations in field strength cause large oscillations in β (8π P / B ²), from β = 1–2 at field maximum to β = 10–25 at field minimum. Analysis of the high‐resolution magnetic fields at the two closely separated spacecraft, ISEE 1 and 2, rule out the possibility that these field and plasma oscillations could be due to magnetopause motion. Cross‐correlation analyses of the magnetic fields at the two spacecraft and the time delays for maximum correlation are shown to be consistent with the magnetic structures being quasi‐static in nature. The temporal variations of the plasma and fields are due to spatial structures convecting past the spacecraft at the magnetosheath flow speed. The quasi‐periodic structures are ∼20 proton gyroradii in scale in the plasma rest frame. Magnetic structures with similar scale lengths are also shown to exist in the magnetosheaths of Jupiter and Saturn (Pioneer 11 data). The results are consistent with the interpretation that these magnetohydrodynamic structures are nonoscillatory ‘waves’ generated by the drift mirror instability. The condition for instability, β ⊥ /β ∥ > 1 + (1/β ⊥ ), is met for the cases studied in this paper. The electron and ion instabilities are intimately coupled. The generation of high β (>10), low critical energy ( E M = 10–30 eV) regions by the drift mirror instability leads to the electrons becoming cyclotron unstable. The consequential whistler mode lion roars can then be ducted by the enhanced‐density, low‐field regions. Thus lion roar durations may not represent the propagation time for an electromagnetic wave packet travelling at the group velocity, but may correspond to the convection of a magnetosheath duct (drift mirror wave) past the spacecraft. The cyclotron and drift mirror instabilities occurring in the magnetosheath are natural relaxation processes that reduce the plasma pressure anisotropies created by preferential heating of the solar wind plasma as it passes through the bow shock and the further compression that takes place as the plasma and fields approach the near‐subsolar magnetopause. One consequence of the onset of the instabilities and isotropization of the plasma is the enhanced expulsion of the plasma along field lines toward the flanks of the magnetosheath. It remains to be determined if this mechanism is a general process of ‘plasma removal’ from planetary magnetosheaths. Furthermore, the presence of nonoscillatory drift mirror waves and the convection of these structures to the magnetopause may have important consequences for magnetic merging. The alternating high and low β regions and the ( T ⊥ > T ∥ ) plasma temperature anisotropies may lead to patchy, sporadic reconnection.

A survey of the plasma environment within Jupiter's bow shock is presented in terms of the in situ, calibrated electron plasma measurements made between 10 eV and 5.95 keV by the Voyager Plasma Science Experiment (PLS). These measurements have been analyzed and corrected for spacecraft potential variations; the data have been reduced to nearly model independent macroscopic parameters of the local electron density and temperature. The electron parameters are derived without reference to or internal calibration from the positive ion measurements made by the PLS experiment. Extensive statistical and direct comparisons with other determinations of the local plasma charge density clearly indicate that the analysis procedures used have successfully and routinely discriminated between spacecraft sheath and ambient plasmas. These statistical cross correlations have been performed over the density range of 10 −3 to 2 × 10²/cm³. These data clearly define the bow shock, the magnetosheath (30–50 eV) the magnetosphere (10 −2 /cm³,2–3 keV) as well as the periodic appearances of the plasma sheet which are illustrated to be routinely cooler than the surroundings. The proximity of the plasma sheet defines a regime in the magnetosphere where very cold electron plasma (as low as 50 eV) at 40 R J can be seen in unexpected density enhancements. These plasma ‘spikes’ in the density can often represent an order of magnitude enhancement above the ambient density and are correlated with diamagnetic depressions. These features have been seen at nearly all magnetic latitudes within the plasma sheet. The temperature within these spikes is lowered by similar factors indicating that the principal density enhancements are of cold plasma. The plasma sheet when traversed in the outer magnetosphere has a similar density and temperature morphology as that seen in these ‘spikes.’ In all cases the plasma sheet crossing lasts for intervals commensurate with that defined by the diamagnetic depression in the simultaneously measured and displayed magnetic field. The electron temperatures in the plasma sheet in the outer and middle magnetosphere appear to have a positive radial gradient with jovicentric distance. The electron temperature is observed to be lower on the centrifugal side of the minimum magnetic field strength seen in each sheet, while the suprathermal electron density is enhanced symmetrically about the locally indicated magnetic equator. The electron distribution functions within the plasma sheet are markedly non‐Maxwellian; during the density enhancement of the plasma sheet the thermal sub‐population is generally enhanced more than the suprathermal population. The suprathermal fraction of the electron density within the plasma sheet is an increasing function of jovicentric distance. Direct, in situ sampling of the electron plasma environment of Io's torus clearly illustrates that the system is demonstrably removed from local thermodynamic equilibrium; these measurements illustrate that between 5.5 and 8.9 R J there are sizeable systematic variations of the macroscopic and microscopic parameters; there are at least three electron thermal regimes within the torus. These three regimes have mean electron energies in the outer, temperate, and inner torus of the order of 100, 10–40, and less than 5 eV, respectively. The distribution functions in these regimes are always non‐Maxwellian with the suprathermal population an increasing fraction of the density and partial pressure with increasing distance from Jupiter. The common non‐Maxwellian character of the electron torus plasma unequivocally implies that the electrons and ions cannot locally have the same temperature if binary Coulomb collisions are the only scattering present in the plasma torus. The direct in situ torus electron spectra are shown to be compatible with a number of indirect assessments of the electron state in the torus including observations of plasma hiss, whistler Landau damping, gyro‐harmonic emissions, possible asymmetric sink for collisional ionization of sodium, and capacity to ionize sulfur whose presence is implied by the optical and EUV measurements. It is also suggested that the Io plasma torus is the limiting form of the plasma sheet, possibly being its complete direct source, since a progression in the fractional number in the cold, or thermal number density is clear: this fraction is 0.999 in the inner torus, but only 0.5 in the plasma sheet at 40 R J . We have tentatively concluded that the radial temperature profile within the plasma sheet is caused by the intermixing of two different electron populations that probably have different temporal histories and spatial paths to their local observation. The cool plasma source of the plasma sheet and spikes is probably the Io plasma torus and arrives in the plasma sheet as a result of flux tube interchange motions or other generalized transport which can be accomplished without diverting the plasma from the centrifugal equator. The hot suprathermal populations in the plasma sheet have most recently come from the sparse, hot mid‐atitude ‘bath’ of electrons which are directly observed juxtaposed to the plasma sheet. As the cool plasma is diluted by filling an increasing volume as it undergoes radial expansion, the outer hot bath of electrons can increasingly dominate until at sufficient radial distance the sheet per se does not exist anymore.

Global hybrid (electron fluid, kinetic ions) and fully kinetic simulations of the magnetosphere have been used to show surprising interconnection between shocks, turbulence, and magnetic reconnection. In particular, collisionless shocks with their reflected ions that can get upstream before retransmission can generate previously unforeseen phenomena in the post shocked flows: (i) formation of reconnecting current sheets and magnetic islands with sizes up to tens of ion inertial length. (ii) Generation of large scale low frequency electromagnetic waves that are compressed and amplified as they cross the shock. These “wavefronts” maintain their integrity for tens of ion cyclotron times but eventually disrupt and dissipate their energy. (iii) Rippling of the shock front, which can in turn lead to formation of fast collimated jets extending to hundreds of ion inertial lengths downstream of the shock. The jets, which have high dynamical pressure, “stir” the downstream region, creating large scale disturbances such as vortices, sunward flows, and can trigger flux ropes along the magnetopause. This phenomenology closes the loop between shocks, turbulence, and magnetic reconnection in ways previously unrealized. These interconnections appear generic for the collisionless plasmas typical of space and are expected even at planar shocks, although they will also occur at curved shocks as occur at planets or around ejecta.