科學家發現衛星上云層過濾器之謎的答案 _科學

NIST科學家利用實驗和建模來解釋為什么某些面向太陽的衛星上的鋁過濾器隨著時間的推移變得神秘莫測。在新的NIST模型中，水蒸氣可能從儀器附近的熱毯中釋放出來。這項工作改進了以前的模型，以前的模型沒有考慮紫外線輻射的影響，因此預測的氧化物生長要少得多。為了解決這個問題，NIST團隊建議未來的儀器包含一層碳來阻止鋁離子的移動，并安裝阻止水蒸氣進入的管道。Credit: Sean Kelley/NIST
據美國物理學家組織網（by Jennifer Lauren Lee, National Institute of Standards and Technology）：在一些面向太陽的衛星上發生了一件神秘的事情，來自國家標準與技術研究所(NIST)和大氣與空間物理實驗室(LASP)的科學家們正在研究這個問題。該團隊一直試圖找出是什么遮蔽并損害了微小的薄金屬膜的性能，該膜在陽光進入監測太陽紫外線(UV)的探測器時過濾陽光。
這些探測器可以警告我們即將到來的太陽風暴——來自太陽表面的輻射爆發——可能會到達地球，暫時中斷通信或干擾GPS讀數。
去年，該團隊推翻了流行的理論:這種云是衛星上堆積的有機來源的碳在過濾器表面的積累。
現在，在一系列的三篇新論文中，來自NIST和LASP的同一個團隊為他們認為的真正的罪魁禍首提出了強有力的理由:水引起的氧化，加上來自太陽的紫外線，產生了一層厚厚的氧化鋁層——比以前認為的可能厚得多——阻擋了入射的光線。
作為獎勵，研究人員認為他們已經確定了水的來源:熱毯，用于控制航天器上儀器的溫度。這些信息可以幫助科學家改善依賴這種過濾器的未來衛星的性能，也許可以通過添加硬件來限制過濾器暴露在隔熱層周圍的區域，或者通過使用不同的材料作為過濾器本身的一部分。
三篇論文中的第一篇發表在今天的《太陽物理學》雜志上。
“據我所知，我們是唯一的人看過濾器氧化由于暴露在紫外線下，”NIST的查爾斯塔里奧說。
NIST大學物理學家羅伯特·伯格說，證明水是造成這一問題的原因“有點像是一記組合拳” 。“第一拳從物理上表明，這種涉及水的化學過程可能會導致類似于我們在衛星上實際看到的情況。第二個要點是，一旦你建立了一個把一切都考慮在內的理論模型，那么這些數字就會和我們在衛星上看到的數字在數量上吻合。
“把一切放在一起，我深信不疑，”伯格說。"水是過濾器退化的原因."
#NoFilter
太陽產生的大多數光都是可見的，范圍從波長約為750納米(納米，十億分之一米)的紅光到波長約為400納米的紫光。在其他波長中，太陽也發出相對少量的極紫外(EUV)光，這種光從100納米延伸到10納米，這種波長對人眼來說太短了。
雖然很?。獷UV信號很有用，因為它與太陽耀斑一起出現尖峰，可能會中斷地球上的通信或導致GPS出現問題。在更具破壞性的現象(如日冕物質拋射)到達地球之前，EUV信號還可以提前幾個小時甚至幾天提醒科學家。這些帶電粒子爆炸會使電線過載，或者增加機組人員和乘客的輻射暴露。
面向太陽的空間探測器上的一個關鍵設備是鋁過濾器，每個都比郵票小，可以阻擋除17納米和80納米波長之間的EUV光以外的所有光。
雖然它們在太空中開始了它們的生活，在它們的范圍內傳輸大量的EUV光，但在短短幾年內，它們可能會失去大量的傳輸能力。例如，一個過濾器可以讓50%的30納米EUV光通過檢測器。這個數字可能會在一年內下降到25%，五年內下降到10% 。
科學家認為，一定是某種未知物質在生長或沉積在過濾器上，導致它們在短短幾個月內變暗，并限制了進入探測器的光量。最主要的理論是，碳從儀器本身排出，沉積在過濾器上。
當NIST和LASP的工作人員去年反駁這一說法時，他們將注意力轉向了他們認為更有可能的解釋:氧化過程，其中水分子(H2O)中的氧原子與過濾器本身(Al)中的鋁原子結合，形成一層模糊的氧化鋁(Al2O3) 。(順便說一句，地球上所有的鋁物體，從汽水罐到煎鍋，都天然地覆蓋著一層薄薄的氧化鋁。)
科學家們已經知道，在有水的情況下，將鋁表面暴露在紫外線下，可以在自然形成的氧化層之外生長出額外的氧化層。但是沒有現有的理論可以解釋氧化鋁是如何變得足夠厚從而導致這種渾濁問題的。
研究人員決定徹底探索水的存在如何影響過濾器，以確定到底發生了什么。
沖浪了
NIST的研究人員想在一個可控的環境中測試他們的水理論:一臺能有效讓他們創造太空天氣的機器。該設備被稱為NIST同步加速器紫外輻射設備(SURF)，是一個房間大小的粒子加速器，使用強大的磁鐵在環中移動電子。這種運動產生EUV光，可以通過專門的鏡子轉向，撞擊目標，如正在測試的衛星濾波器。
盡管將他們的樣品過濾器暴露在實驗室制造的紫外光下長達20天，他們還是無法生長出足夠厚的氧化層來解釋真實空間過濾器的混濁。但是氧化層仍然比公認理論預測的要厚得多。
研究人員認為，如果進一步暴露，他們將達到所需的厚度。他們還預計，樣品過濾器必須暴露在SURF光束中約10個月，才能達到與實際空間中的過濾器相同的氧化層厚度。

NIST的模型(黑色虛線)預測的氧化物生長與兩個面向太陽的探測器上的鋁過濾器上看到的實際氧化物生長完全匹配，這兩個探測器稱為MEGS-A(紅色)和ESP(藍色)，都位于太空中的太陽動力學天文臺(SDO)上。這兩個探測器上的過濾器多年來一直受到神秘的云問題的影響。Credit: National Institute of Standards and Technology
采取不同的策略，該團隊還進行了建模研究。完成的模型幾乎完全符合天文學家在太空中看到的真實鋁過濾器。
新模型成功的一個關鍵是，它解釋了電子在鋁過濾器中傳播時會散射的事實。這種散射減緩了它們的進程，從而影響了氧化物生長的動力學。
“這是第一個考慮散射電子的模型，它使用的參數與文獻中對化學反應每個步驟的預期一致，”Berg說。
加水就行了
然而，為了讓模型起作用，一個關鍵的信息被遺漏了:一個重要的水源，它可能是這個反應的養料。
“它必須能夠以合理的恒定速率連續五年排放水分， ”塔里奧說。“這讓博比[伯格]開始尋找，這到底是什么？有什么合適的來源？他找到了。”
伯格總結說，最有可能的來源是保溫毯。這些是由一種叫做聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的塑料制成的，這種塑料可以捕捉地球上的水分。對于大多數設備來說，這種水通常不是問題。
“很難想象還有什么東西能容納如此多的水，”伯格說。
研究人員希望，未來的工作可能包括測試過濾器的不同材料，這些材料在相關波長下仍然是透明的，但不容易氧化。