科学家发现卫星上云层过滤器之谜的答案

NIST科学家利用实验和建模来解释为什么某些面向太阳的卫星上的铝过滤器随着时间的推移变得神秘莫测。在新的NIST模型中，水蒸气可能从仪器附近的热毯中释放出来。这项工作改进了以前的模型，以前的模型没有考虑紫外线辐射的影响，因此预测的氧化物生长要少得多。为了解决这个问题，NIST团队建议未来的仪器包含一层碳来阻止铝离子的移动，并安装阻止水蒸气进入的管道。Credit: Sean Kelley/NIST

（神秘的地球uux.cn）据美国物理学家组织网（by Jennifer Lauren Lee, National Institute of Standards and Technology）：在一些面向太阳的卫星上发生了一件神秘的事情，来自国家标准与技术研究所(NIST)和大气与空间物理实验室(LASP)的科学家们正在研究这个问题。该团队一直试图找出是什么遮蔽并损害了微小的薄金属膜的性能，该膜在阳光进入监测太阳紫外线(UV)的探测器时过滤阳光。

这些探测器可以警告我们即将到来的太阳风暴——来自太阳表面的辐射爆发——可能会到达地球，暂时中断通信或干扰GPS读数。

去年，该团队推翻了流行的理论:这种云是卫星上堆积的有机来源的碳在过滤器表面的积累。

现在，在一系列的三篇新论文中，来自NIST和LASP的同一个团队为他们认为的真正的罪魁祸首提出了强有力的理由:水引起的氧化，加上来自太阳的紫外线，产生了一层厚厚的氧化铝层——比以前认为的可能厚得多——阻挡了入射的光线。

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改善依赖这种过滤器的未来卫星的性能，也许可以通过添加硬件来限制过滤器暴露在隔热层周围的区域，或者通过使用不同的材料作为过滤器本身的一部分。

三篇论文中的第一篇发表在今天的《太阳物理学》杂志上。

“据我所知，我们是唯一的人看过滤器氧化由于暴露在紫外线下，”NIST的查尔斯塔里奥说。

NIST大学物理学家罗伯特·伯格说，证明水是造成这一问题的原因“有点像是一记组合拳”。“第一拳从物理上表明，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。第二个要点是，一旦你建立了一个把一切都考虑在内的理论模型，那么这些数字就会和我们在卫星上看到的数字在数量上吻合。

“把一切放在一起，我深信不疑，”伯格说。"水是过滤器退化的原因."

太阳产生的大多数光都是可见的，范围从波长约为750纳米(纳米，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，太阳也发出相对少量的极紫外(EUV)光，这种光从100纳米延伸到10纳米，这种波长对人眼来说太短了。

虽然很小，但EUV信号很有用，因为它与太阳耀斑一起出现尖峰，可能会中断地球上的通信或导致GPS出现问题。在更具破坏性的现象(如日冕物质抛射)到达地球之前，EUV信号还可以提前几个小时甚至几天提醒科学家。这些带电粒子爆炸会使电线过载，或者增加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过滤器，每个都比邮票小，可以阻挡除17纳米和80纳米波长之间的EUV光以外的所有光。

虽然它们在太空中开始了它们的生活，在它们的范围内传输大量的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，一个过滤器可以让50%的30纳米EUV光通过检测器。这个数字可能会在一年内下降到25%，五年内下降到10%。

科学家认为，一定是某种未知物质在生长或沉积在过滤器上，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。最主要的理论是，碳从仪器本身排出，沉积在过滤器上。

当NIST和LASP的工作人员去年反驳这一说法时，他们将注意力转向了他们认为更有可能的解释:氧化过程，其中水分子(H2O)中的氧原子与过滤器本身(Al)中的铝原子结合，形成一层模糊的氧化铝(Al2O3)。(顺便说一句，地球上所有的铝物体，从汽水罐到煎锅，都天然地覆盖着一层薄薄的氧化铝。)

科学家们已经知道，在有水的情况下，将铝表面暴露在紫外线下，可以在自然形成的氧化层之外生长出额外的氧化层。但是没有现有的理论可以解释氧化铝是如何变得足够厚从而导致这种浑浊问题的。

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。

NIST的研究人员想在一个可控的环境中测试他们的水理论:一台能有效让他们创造太空天气的机器。该设备被称为NIST同步加速器紫外辐射设备(SURF)，是一个房间大小的粒子加速器，使用强大的磁铁在环中移动电子。这种运动产生EUV光，可以通过专门的镜子转向，撞击目标，如正在测试的卫星滤波器。

尽管将他们的样品过滤器暴露在实验室制造的紫外光下长达20天，他们还是无法生长出足够厚的氧化层来解释真实空间过滤器的混浊。但是氧化层仍然比公认理论预测的要厚得多。

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

NIST的模型(黑色虚线)预测的氧化物生长与两个面向太阳的探测器上的铝过滤器上看到的实际氧化物生长完全匹配，这两个探测器称为MEGS-A(红色)和ESP(蓝色)，都位于太空中的太阳动力学天文台(SDO)上。这两个探测器上的过滤器多年来一直受到神秘的云问题的影响。Credit: National Institute of Standards and Technology

采取不同的策略，该团队还进行了建模研究。完成的模型几乎完全符合天文学家在太空中看到的真实铝过滤器。

新模型成功的一个关键是，它解释了电子在铝过滤器中传播时会散射的事实。这种散射减缓了它们的进程，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，它使用的参数与文献中对化学反应每个步骤的预期一致，”Berg说。

然而，为了让模型起作用，一个关键的信息被遗漏了:一个重要的水源，它可能是这个反应的养料。

“它必须能够以合理的恒定速率连续五年排放水分，”塔里奥说。“这让博比[伯格]开始寻找，这到底是什么？有什么合适的来源？他找到了。”

伯格总结说，最有可能的来源是保温毯。这些是由一种叫做聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的塑料制成的，这种塑料可以捕捉地球上的水分。对于大多数设备来说，这种水通常不是问题。

“很难想象还有什么东西能容纳如此多的水，”伯格说。

研究人员希望，未来的工作可能包括测试过滤器的不同材料，这些材料在相关波长下仍然是透明的，但不容易氧化。