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.

Magnetic reconnection is a universal process leading to energy conversion in plasmas1. It occurs in the Solar System2,3,4,5,6,7, in laboratory plasmas 8 and is important in astrophysics 9,10. Reconnection has been observed so far only at large-scale boundaries between different plasma environments 4,5,6,7,8. It is not known whether reconnection occurs and is important in turbulent plasmas where many small-scale boundaries can form. Solar11 and laboratory12 measurements as well as numerical simulations 13,14,15,16 indicate such possibility. Here we report, for the first time, in situ evidence of reconnection in a turbulent plasma. The turbulent environment is the solar wind downstream of the Earth’s bow shock. We show that reconnection is fast and electromagnetic energy is converted into heating and acceleration of particles. This has significant implications for laboratory and astrophysical plasmas where both turbulence and reconnection should be common.

[1] Two dipolarization front (DF) structures observed by Cluster in the Earth midtail region (XGSM ≈ −15 RE), showing respectively the feature of Fermi and betatron acceleration of suprathermal electrons, are studied in detail in this paper. Our results show that Fermi acceleration dominates inside a decaying flux pileup region (FPR), while betatron acceleration dominates inside a growing FPR. Both decaying and growing FPRs are associated with the DF and can be distinguished by examining whether the peak of the bursty bulk flow (BBF) is co-located with the DF (decaying) or is behind the DF (growing). Fermi acceleration is routinely caused by the shrinking length of flux tubes, while betatron acceleration is caused by a local compression of the magnetic field. With a simple model, we reproduce the processes of Fermi and betatron acceleration for the higher-energy (>40 keV) electrons. For the lower-energy (<20 keV) electrons, Fermi and betatron acceleration are not the dominant processes. Our observations reveal that betatron acceleration can be prominent in the midtail region even though the magnetic field lines are significantly stretched there.

Abstract Magnetic reconnection—the process responsible for many explosive phenomena in both nature and laboratory—is efficient at dissipating magnetic energy into particle energy. To date, exactly how this dissipation happens remains unclear, owing to the scarcity of multipoint measurements of the “diffusion region” at the sub‐ion scale. Here we report such a measurement by Cluster—four spacecraft with separation of 1/5 ion scale. We discover numerous current filaments and magnetic nulls inside the diffusion region of magnetic reconnection, with the strongest currents appearing at spiral nulls (O‐lines) and the separatrices. Inside each current filament, kinetic‐scale turbulence is significantly increased and the energy dissipation, E′ ⋅ j, is 100 times larger than the typical value. At the jet reversal point, where radial nulls (X‐lines) are detected, the current, turbulence, and energy dissipations are surprisingly small. All these features clearly demonstrate that energy dissipation in magnetic reconnection occurs at O‐lines but not X‐lines.

Abstract We use the Magnetospheric Multiscale mission to study electron kinetic entropy across Earth's quasi‐perpendicular bow shock. We perform a statistical study of how the change in electron entropy depends on the different plasma parameters associated with a collisionless shock crossing. The change in electron entropy exhibits strong correlations with upstream electron plasma beta, Alfvén Mach number, and electron thermal Mach number. We investigate the source of entropy generation by correlating the change in electron entropy across the shock to the measured electric and magnetic field wave power strengths for different frequency intervals within different regions in the shock transition layer. The electron entropy change is observed to be greater for higher electric field wave power within the shock ramp and shock foot for frequencies between the lower hybrid frequency and electron cyclotron frequency, suggesting electrostatic waves are important for electron kinetic entropy generation at Earth's quasi‐perpendicular bow shock. Any eventual cross‐shock potential contribution to the electron entropy generation has not been considered in this study.