NIST科學(xué)家利用實(shí)驗(yàn)和建模來(lái)解釋為什么某些面向太陽(yáng)的衛(wèi)星上的鋁過(guò)濾器隨著時(shí)間的推移變得神秘莫測(cè) 。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(lái) 。這項(xiàng)工作改進(jìn)了以前的模型 ， 以前的模型沒(méi)有考慮紫外線輻射的影響，因此預(yù)測(cè)的氧化物生長(zhǎng)要少得多 。為了解決這個(gè)問(wèn)題，NIST團(tuán)隊(duì)建議未來(lái)的儀器包含一層碳來(lái)阻止鋁離子的移動(dòng)，并安裝阻止水蒸氣進(jìn)入的管道 。Credit: Sean Kelley/NIST
據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（by Jennifer Lauren Lee, National Institute of Standards and Technology）：在一些面向太陽(yáng)的衛(wèi)星上發(fā)生了一件神秘的事情，來(lái)自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)和大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室(LASP)的科學(xué)家們正在研究這個(gè)問(wèn)題 。該團(tuán)隊(duì)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(yáng)光進(jìn)入監(jiān)測(cè)太陽(yáng)紫外線(UV)的探測(cè)器時(shí)過(guò)濾陽(yáng)光 。
這些探測(cè)器可以警告我們即將到來(lái)的太陽(yáng)風(fēng)暴——來(lái)自太陽(yáng)表面的輻射爆發(fā)——可能會(huì)到達(dá)地球，暫時(shí)中斷通信或干擾GPS讀數(shù) 。
去年，該團(tuán)隊(duì)推翻了流行的理論:這種云是衛(wèi)星上堆積的有機(jī)來(lái)源的碳在過(guò)濾器表面的積累 。
現(xiàn)在，在一系列的三篇新論文中，來(lái)自NIST和LASP的同一個(gè)團(tuán)隊(duì)為他們認(rèn)為的真正的罪魁禍?zhǔn)滋岢隽藦?qiáng)有力的理由:水引起的氧化，加上來(lái)自太陽(yáng)的紫外線，產(chǎn)生了一層厚厚的氧化鋁層——比以前認(rèn)為的可能厚得多——阻擋了入射的光線 。
作為獎(jiǎng)勵(lì)，研究人員認(rèn)為他們已經(jīng)確定了水的來(lái)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(xué)家改善依賴(lài)這種過(guò)濾器的未來(lái)衛(wèi)星的性能 ， 也許可以通過(guò)添加硬件來(lái)限制過(guò)濾器暴露在隔熱層周?chē)膮^(qū)域，或者通過(guò)使用不同的材料作為過(guò)濾器本身的一部分 。
三篇論文中的第一篇發(fā)表在今天的《太陽(yáng)物理學(xué)》雜志上 。
“據(jù)我所知，我們是唯一的人看過(guò)濾器氧化由于暴露在紫外線下，”NIST的查爾斯塔里奧說(shuō) 。
NIST大學(xué)物理學(xué)家羅伯特·伯格說(shuō)，證明水是造成這一問(wèn)題的原因“有點(diǎn)像是一記組合拳” 。“第一拳從物理上表明，這種涉及水的化學(xué)過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致類(lèi)似于我們?cè)谛l(wèi)星上實(shí)際看到的情況 。第二個(gè)要點(diǎn)是 ， 一旦你建立了一個(gè)把一切都考慮在內(nèi)的理論模型，那么這些數(shù)字就會(huì)和我們?cè)谛l(wèi)星上看到的數(shù)字在數(shù)量上吻合 。
“把一切放在一起 ， 我深信不疑，”伯格說(shuō) 。"水是過(guò)濾器退化的原因."
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太陽(yáng)產(chǎn)生的大多數(shù)光都是可見(jiàn)的，范圍從波長(zhǎng)約為750納米(納米 ， 十億分之一米)的紅光到波長(zhǎng)約為400納米的紫光 。在其他波長(zhǎng)中，太陽(yáng)也發(fā)出相對(duì)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(zhǎng)對(duì)人眼來(lái)說(shuō)太短了 。
雖然很?。獷UV信號(hào)很有用，因?yàn)樗c太陽(yáng)耀斑一起出現(xiàn)尖峰，可能會(huì)中斷地球上的通信或?qū)е翯PS出現(xiàn)問(wèn)題 。在更具破壞性的現(xiàn)象(如日冕物質(zhì)拋射)到達(dá)地球之前，EUV信號(hào)還可以提前幾個(gè)小時(shí)甚至幾天提醒科學(xué)家 。這些帶電粒子爆炸會(huì)使電線過(guò)載，或者增加機(jī)組人員和乘客的輻射暴露 。
面向太陽(yáng)的空間探測(cè)器上的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備是鋁過(guò)濾器，每個(gè)都比郵票小，可以阻擋除17納米和80納米波長(zhǎng)之間的EUV光以外的所有光 。
雖然它們?cè)谔罩虚_(kāi)始了它們的生活 ， 在它們的范圍內(nèi)傳輸大量的EUV光，但在短短幾年內(nèi) ， 它們可能會(huì)失去大量的傳輸能力 。例如，一個(gè)過(guò)濾器可以讓50%的30納米EUV光通過(guò)檢測(cè)器 。這個(gè)數(shù)字可能會(huì)在一年內(nèi)下降到25%，五年內(nèi)下降到10% 。
科學(xué)家認(rèn)為 ， 一定是某種未知物質(zhì)在生長(zhǎng)或沉積在過(guò)濾器上，導(dǎo)致它們?cè)诙潭處讉€(gè)月內(nèi)變暗，并限制了進(jìn)入探測(cè)器的光量 。最主要的理論是，碳從儀器本身排出 ， 沉積在過(guò)濾器上 。
當(dāng)NIST和LASP的工作人員去年反駁這一說(shuō)法時(shí)，他們將注意力轉(zhuǎn)向了他們認(rèn)為更有可能的解釋:氧化過(guò)程，其中水分子(H2O)中的氧原子與過(guò)濾器本身(Al)中的鋁原子結(jié)合，形成一層模糊的氧化鋁(Al2O3) 。(順便說(shuō)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(xué)家們已經(jīng)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(zhǎng)出額外的氧化層 。但是沒(méi)有現(xiàn)有的理論可以解釋氧化鋁是如何變得足夠厚從而導(dǎo)致這種渾濁問(wèn)題的 。
研究人員決定徹底探索水的存在如何影響過(guò)濾器 ， 以確定到底發(fā)生了什么 。
沖浪了
NIST的研究人員想在一個(gè)可控的環(huán)境中測(cè)試他們的水理論:一臺(tái)能有效讓他們創(chuàng)造太空天氣的機(jī)器 。該設(shè)備被稱(chēng)為NIST同步加速器紫外輻射設(shè)備(SURF)，是一個(gè)房間大小的粒子加速器，使用強(qiáng)大的磁鐵在環(huán)中移動(dòng)電子 。這種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生EUV光 ， 可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)的鏡子轉(zhuǎn)向，撞擊目標(biāo)，如正在測(cè)試的衛(wèi)星濾波器 。
盡管將他們的樣品過(guò)濾器暴露在實(shí)驗(yàn)室制造的紫外光下長(zhǎng)達(dá)20天，他們還是無(wú)法生長(zhǎng)出足夠厚的氧化層來(lái)解釋真實(shí)空間過(guò)濾器的混濁 。但是氧化層仍然比公認(rèn)理論預(yù)測(cè)的要厚得多 。
研究人員認(rèn)為，如果進(jìn)一步暴露，他們將達(dá)到所需的厚度 。他們還預(yù)計(jì) ， 樣品過(guò)濾器必須暴露在SURF光束中約10個(gè)月，才能達(dá)到與實(shí)際空間中的過(guò)濾器相同的氧化層厚度 。
NIST的模型(黑色虛線)預(yù)測(cè)的氧化物生長(zhǎng)與兩個(gè)面向太陽(yáng)的探測(cè)器上的鋁過(guò)濾器上看到的實(shí)際氧化物生長(zhǎng)完全匹配，這兩個(gè)探測(cè)器稱(chēng)為MEGS-A(紅色)和ESP(藍(lán)色)，都位于太空中的太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)(SDO)上 。這兩個(gè)探測(cè)器上的過(guò)濾器多年來(lái)一直受到神秘的云問(wèn)題的影響 。Credit: National Institute of Standards and Technology
采取不同的策略 ， 該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了建模研究 。完成的模型幾乎完全符合天文學(xué)家在太空中看到的真實(shí)鋁過(guò)濾器 。
新模型成功的一個(gè)關(guān)鍵是，它解釋了電子在鋁過(guò)濾器中傳播時(shí)會(huì)散射的事實(shí) 。這種散射減緩了它們的進(jìn)程，從而影響了氧化物生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué) 。
“這是第一個(gè)考慮散射電子的模型，它使用的參數(shù)與文獻(xiàn)中對(duì)化學(xué)反應(yīng)每個(gè)步驟的預(yù)期一致，”Berg說(shuō) 。
加水就行了
然而，為了讓模型起作用，一個(gè)關(guān)鍵的信息被遺漏了:一個(gè)重要的水源，它可能是這個(gè)反應(yīng)的養(yǎng)料 。
“它必須能夠以合理的恒定速率連續(xù)五年排放水分 ， ”塔里奧說(shuō) 。“這讓博比[伯格]開(kāi)始尋找，這到底是什么？有什么合適的來(lái)源？他找到了 。”
伯格總結(jié)說(shuō)，最有可能的來(lái)源是保溫毯 。這些是由一種叫做聚對(duì)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(duì)于大多數(shù)設(shè)備來(lái)說(shuō)，這種水通常不是問(wèn)題 。
“很難想象還有什么東西能容納如此多的水，”伯格說(shuō) 。
研究人員希望，未來(lái)的工作可能包括測(cè)試過(guò)濾器的不同材料，這些材料在相關(guān)波長(zhǎng)下仍然是透明的，但不容易氧化 。
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