科学家发现卫星上浑浊过滤器之谜的答案

一些面向太阳的卫星正在发生一个谜团，来自美国国家标准与技术研究院(NIST)和大气与空间物理实验室(LASP)的科学家正在研究这个问题。该团队一直试图弄清楚是什么在浑浊并损害微小的薄金属膜的性能，这些金属膜在进入监测太阳紫外线(UV)射线的探测器时过滤阳光。

这些探测器可以警告我们即将发生的太阳风暴 - 来自太阳表面的辐射爆发 - 可能会到达地球并暂时中断通信或干扰GPS读数。

去年，该团队反驳了流行的理论：这种云雾是过滤器表面的碳积聚，这些碳来自储存在卫星上的有机来源。

现在，在一系列三篇新论文中，来自NIST和LASP的同一团队已经为他们认为真正的罪魁祸首提出了强有力的理由：水引起的氧化，它与来自太阳的紫外线一起产生了一层厚厚的氧化铝 - 比以前认为的要厚得多 - 阻挡入射光线。

作为奖励，研究人员认为他们已经确定了水的来源：热毯，用于控制航天器上仪器的温度。这些信息可以帮助科学家提高依赖这种过滤器的未来卫星的性能，也许是通过添加硬件来限制过滤器暴露在热毯周围区域，或者使用不同的材料作为过滤器本身的一部分。

这三篇论文中的第一篇今天发表在《太阳物理学》上。

“据我所知，我们是唯一关注由于暴露于紫外线而导致的过滤器氧化的人，”NIST的Charles Tarrio说。

证明水是造成这个问题的原因“有点像一两拳，”NIST物理学家罗伯特伯格说。“Punch One在物理上表明，这种涉及水的化学过程可能会导致类似于我们在卫星上实际看到的情况。第二个重拳是说，一旦你创建了一个考虑到一切的理论模型，那么这些数字就会与我们在卫星上看到的数字在数量上保持一致。

“把所有东西放在一起，我确信，”伯格说。“水是导致过滤器退化的原因。

#NoFilter

太阳产生的大部分光是可见的，范围从波长约为750纳米(nm，十亿分之一米)的红光到波长约为400纳米的紫光。在其他波长中，太阳在极紫外(EUV)范围内也发出相对少量的光，从100 nm延伸到10 nm，波长太短，人眼无法看到。

虽然很小，但EUV信号很有用，因为它与太阳耀斑一起尖峰，可能会破坏地球上的通信或导致GPS出现问题。EUV信号还让科学家在更具破坏性的现象(如日冕物质抛射)到达地球之前数小时甚至数天的提醒。这些带电粒子的爆炸会使电力线过载或增加航空公司机组人员和乘客的辐射暴露。

面向太阳的空间探测器上的一个关键设备是铝制滤光片，每个滤光片都比邮票小，可以阻挡除17 nm至80 nm波长之间的EUV光之外的所有光。

虽然它们在太空中开始生活，在其范围内传输大量的EUV光，但在短短几年内，它们可能会失去大量的传输能力。例如，滤光片可能首先允许 50% 的 30 nm EUV 光通过检测器。这个数字可以在一年内下降到25%，五年内下降到10%。

科学家们认为，一定是一些未知物质在过滤器上生长或沉积，导致它们在短短几个月内变暗，并限制了进入探测器的光量。主要理论是碳从仪器本身中释气并沉积在过滤器上。

当NIST和LASP的工作人员去年反驳这一点时，他们将注意力转向他们认为更有可能的解释：氧化过程，其中来自水分子的氧原子(H2O)与来自过滤器本身的铝原子(Al)结合，形成一层朦胧的氧化铝(Al)2O3).(顺便说一下，一层薄薄的氧化铝自然地覆盖着地球上的所有铝物体，从汽水罐到煎锅。

科学家们已经知道，在水存在下将铝表面暴露在紫外线下会比自然形成的氧化物层长出额外的氧化物层。但是没有现有的理论可以解释氧化铝如何变得足够厚以引起这种混浊问题。

研究人员决定彻底探索水的存在如何影响过滤器，以确定到底发生了什么。

冲浪起来

NIST的研究人员希望在受控环境中测试他们的水理论：一种有效地让他们创造太空天气的机器。该设备被称为NIST的同步辐射紫外线辐射设施(SURF)，是一个房间大小的粒子加速器，它使用强大的磁铁在环中移动电子。该运动产生EUV光，该光可以通过专门的镜子转移以撞击目标，例如正在测试的卫星滤波器。

尽管将样品过滤器暴露在实验室制造的紫外线下长达20天，但他们无法生长出所需的氧化物层，以解释真实空间过滤器的混浊度。但氧化层仍然比公认的理论预测的要厚得多。

研究人员认为，如果进一步暴露，它们将达到所需的厚度。他们还预测，样品过滤器必须暴露在SURF光束下约10个月，才能达到与实际空间中的过滤器相同的氧化物厚度。

该团队采取了不同的策略，还进行了建模研究。完成的模型几乎与天文学家在太空中真正的铝过滤器中看到的完全匹配。

新模型成功的一个关键部分是它解释了电子在铝过滤器内行进时散射的事实。这种散射减缓了它们的进展，从而影响了氧化物生长的动力学。

“这是第一个考虑散射电子的模型，它使用的参数与化学反应中每个步骤的文献预期一致，”伯格说。

只需加水

然而，为了使模型起作用，缺少一个关键信息：可能为这种反应提供的重要水源。

“它必须是能够以合理的恒定速率连续五年排放水的东西，”塔里奥说。“这让鲍比(伯格)开始寻找，这到底是什么?什么来源可能合适?他找到了。

伯格总结说，最有可能的来源是保温毯。这些是用一种称为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的塑料制成的，已知可以在地球上捕获水。对于大多数设备来说，这种水通常不是问题。

“很难想到还有什么东西可以容纳这种水，”伯格说。

研究人员希望，未来的工作可能包括测试不同的滤光片材料，这些材料在相关波长下仍然是透明的，但不容易受到氧化。