Tilfældet med de uklare filtre:Løsning af mysteriet med de nedværdigende sollysdetektorer

For mere end 150 år siden, solen sprængte Jorden med en massiv sky af varme ladede partikler. Denne plasmaklat genererede en magnetisk storm på Jorden, der fik gnister til at springe ud af telegrafudstyr og endda startede et par brande. Nu kaldet Carrington Event, efter en af ​​astronomerne, der observerede det, en magnetisk storm som denne kan ske igen når som helst, først nu ville det påvirke mere end telegrafer:Det kunne beskadige eller forårsage udfald i trådløse telefonnetværk, GPS systemer, elektriske net, der driver livreddende medicinsk udstyr og mere.

Solvendte satellitter overvåger solens ultraviolette (UV) lys for at give os forhåndsadvarsel om solstorme, både store, der kunne forårsage en Carrington-lignende begivenhed, såvel som de mindre, mere almindelige forstyrrelser, der midlertidigt kan forstyrre kommunikationen. Et vigtigt stykke udstyr, der bruges i disse detektorer, er et lille metalfilter, der blokerer alt undtagen UV-signalet, som forskere skal se.

Men i årtier, der har været et stort problem:I løbet af blot et år eller to, disse filtre mister på mystisk vis deres evne til at transmittere UV-lys, "clouding up" og tvinger astronomer til at iværksætte dyre årlige rekalibreringsmissioner. Disse missioner involverer at sende et nykalibreret instrument ud i rummet for at lave sine egne uafhængige observationer af sollyset til sammenligning.

En førende teori har været, at filtrene udviklede et lag af kulstof, hvis kilde er forurenende stoffer på rumfartøjet, der blokerede indkommende UV-lys. Nu, NIST-forskere og samarbejdspartnere fra Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) i Boulder, Colorado, har fundet det første bevis, der indikerer, at karbonisering ikke er problemet, og det må være noget andet, såsom en anden mulig blindpassager fra Jorden. Forskerne beskriver deres arbejde i Solfysik i dag.

"Mig bekendt, det er den første kvantitative, virkelig solidt argument mod karbonisering som årsag til filternedbrydningen, " sagde NIST-fysiker Charles Tarrio.

Hvad er de gode til? Absolut Alt

Det meste af lyset, der produceres af Solen, er synligt og inkluderer regnbuen af ​​farver fra rød (med en bølgelængde på omkring 750 nanometer) til violet (med en bølgelængde på omkring 400 nm). Men Solen producerer også lys med bølgelængder for lange eller korte til, at det menneskelige øje kan se. Et af disse områder er ekstrem ultraviolet (EUV), strækker sig fra 100 nm ned til kun 10 nm.

Kun omkring en tiendedel af en procent af sollys er i EUV-området. Det lille EUV-signal er ekstremt nyttigt, fordi det spidser sammen med soludbrud. Disse udbrud på Solens overflade kan forårsage ændringer i Jordens øvre atmosfære, der forstyrrer kommunikationen eller forstyrrer GPS-aflæsninger, får din telefon til pludselig at tro, at du er 40 fod væk fra din sande placering.

Satellitter, der måler EUV-signaler, hjælper videnskabsmænd med at overvåge disse soludbrud. Men EUV-signalerne giver også videnskabsfolk en heads-up på timer eller endda dage før mere destruktive fænomener som koronale masseudstødninger (CME'er), fænomenet, der er ansvarlig for Carrington Event. Fremtidige CME'er kan potentielt overbelaste vores elledninger eller øge strålingseksponeringen for flyselskabets besætning og passagerer, der rejser visse steder.

Og i dag, satellitterne gør mere end blot at give os advarsler, sagde LASP seniorforsker Frank Eparvier, en samarbejdspartner på det aktuelle arbejde.

"I de sidste par årtier er vi gået fra kun at udsende advarsler om, at der er sket udbrud til at være i stand til at korrigere for solvariabilitet på grund af udbrud og CME'er, " sagde Eparvier. "Ved at vide i realtid, hvor meget solens EUV varierer, gør det muligt at køre computermodeller af atmosfæren, som derefter kan producere korrektioner til GPS-enhederne for at minimere virkningerne af denne variabilitet."

Mysteriet med de overskyede filtre

To metaller er særligt nyttige til at filtrere de enorme mængder af synligt lys fra for at slippe igennem det lille, men vigtige EUV-signal. Aluminiumsfiltre transmitterer EUV-lys mellem 17 nm og 80 nm. Zirkoniumfiltre transmitterer EUV-lys mellem 6 nm og 20 nm.

Mens disse filtre begynder deres liv med at transmittere en masse EUV-lys i deres respektive områder, aluminiumsfiltrene, i særdeleshed, hurtigt mister deres transmissionsevner. Et filter kan starte med at lade 50 % af 30-nm EUV-lys komme igennem til detektoren. Men inden for blot et år, den transmitterer kun 25% af dette lys. Inden for fem år, det tal er nede på 10 %.

"Det er et væsentligt problem, " sagde Tarrio. Mindre transmitteret lys betyder færre data tilgængelige - lidt som at prøve at læse i et svagt oplyst rum med mørke solbriller.

Forskere har længe vidst, at kulstofaflejringer kan opbygges på instrumenter, når de udsættes for UV-lys. Kilder til kulstof på satellitter kan være alt fra fingeraftryk til de materialer, der bruges i konstruktionen af ​​selve rumfartøjet. I tilfælde af de mystisk uklare UV-filtre, forskere troede, at der kunne være blevet aflejret kulstof på dem, absorberer EUV-lys, som ellers ville have passeret igennem.

Imidlertid, siden 1980'erne, astronomer har omhyggeligt designet rumfartøjer til at være så kulstoffrie som muligt. Og det arbejde har hjulpet dem med andre karboniseringsproblemer. Men det hjalp ikke med EUV-filteret i aluminium. Alligevel, samfundet havde stadig mistanke om karbonisering var i det mindste delvist ansvarlig for nedbrydningen.

Lav-din-egen rumvejr

For at teste dette i en kontrolleret indstilling, NIST-forskere og samarbejdspartnere brugte en maskine, der effektivt lader dem skabe deres eget rumvejr.

Instrumentet er NIST's Synchrotron Ultraviolet Radiation Facility (SURF), en partikelaccelerator i rumstørrelse, der bruger kraftige magneter til at flytte elektroner i en cirkel. Bevægelsen genererer EUV-lys, som kan omdirigeres via specialiserede spejle til påvirkningsmål - i dette tilfælde, satellitfiltrene af aluminium og zirkonium.

Hvert filter var 6 millimeter gange 18 mm, mindre end et frimærke, og kun 250 nm tyk, omkring 400 gange tyndere end et menneskehår. Prøvefiltrene var faktisk lidt tykkere end rigtige satellitfiltre, med andre små ændringer designet til at forhindre SURF-strålen i bogstaveligt talt at brænde huller ind i metallerne. Under en løbetur, bagsiden af ​​hvert filter blev udsat for en kontrolleret kulstofkilde.

For at fremskynde testprocessen, holdet sprængte filtrene med, hvad der svarer til fem års rumvejr på blot en time eller to. I øvrigt, at få den slags strålekraft var ingen sved for SURF.

"Vi skruer SURF ned til omkring en halv procent af dens normale effekt for at udsætte filtrene for en rimelig mængde lys, " sagde Tarrio. "Satelitterne er 92 millioner miles væk fra Solen, og Solen udsender ikke en frygtelig masse EUV til at begynde med."

Endelig, efter eksponering, forskere testede hvert filter for at se, hvor meget EUV-lys i det korrekte bølgelængdeområde var i stand til at passere igennem.

Holdet fandt, at transmissionen ikke var signifikant anderledes efter eksponering versus før eksponering, for enten aluminium eller zirconium. Faktisk, forskellen i transmission var kun en brøkdel af en procent, ikke nær nok til at forklare den form for uklarhed, der sker i rigtige rumsatellitter.

"Vi ledte efter et fald på 30% i transmissionen, " sagde Tarrio. "Og vi så det bare ikke."

Som en ekstra test, forskerne gav filtrene endnu større doser lys - svarende til 50 års ultraviolet stråling. Og selv det gav ikke meget af et lystransmissionsproblem, vokser kun 3 nm kulstof på filtrene - 10 gange mindre, end forskere ville have forventet, hvis kulstof var ansvarligt.

Så hvis det ikke er kulstof ...

Den virkelige skyldige er endnu ikke identificeret, men forskere har allerede en anden mistænkt i tankerne:vand.

Som de fleste metaller, aluminium har naturligt et tyndt lag på overfladen af ​​et materiale kaldet et oxid, som dannes, når aluminium binder til ilt. Alt fra aluminiumsfolie til sodavandsdåser har dette oxidlag, som er kemisk identisk med safir.

I den foreslåede mekanisme, EUV-lyset ville trække atomer af aluminium ud af filteret og afsætte dem på filterets ydre, som allerede har det tynde oxidlag. De blottede atomer ville derefter reagere med ilten i vand fra Jorden, der har haft en tur på rumfartøjet. Sammen, det blottede aluminium og vand ville reagere og danne et meget tykkere oxidlag, som teoretisk set kunne absorbere lyset.

Yderligere SURF-forsøg, der er planlagt til senere i år, skulle besvare spørgsmålet om, hvorvidt problemet virkelig er vand, eller noget andet. "Dette ville være første gang, at folk har set på aflejringen af ​​aluminiumoxid i denne sammenhæng, " sagde Tarrio. "Vi ser på det som en seriøs mulighed."

— Rapporteret og skrevet af Jennifer Lauren Lee