För mer än 150 år sedan, solen sprängde jorden med ett massivt moln av heta laddade partiklar. Denna plasmaklump genererade en magnetisk storm på jorden som fick gnistor att hoppa ut ur telegrafutrustning och till och med startade några bränder. Nu kallad Carrington Event, efter en av astronomerna som observerade det, en magnetisk storm som denna kan hända igen när som helst, först nu skulle det påverka mer än telegrafer:Det kan skada eller orsaka avbrott i trådlösa telefonnätverk, GPS-system, elnät som driver livräddande medicinsk utrustning och mer.

Satelliter som vetter mot solen övervakar solens ultravioletta (UV) ljus för att ge oss förvarning för solstormar, både stora som kan orsaka en Carrington-liknande händelse såväl som de mindre, vanligare störningar som tillfälligt kan störa kommunikationen. En viktig del av utrustningen som används i dessa detektorer är ett litet metallfilter som blockerar allt utom UV-signalen som forskare behöver se.

Men i decennier, det har funnits ett stort problem:under bara ett eller två år, dessa filter förlorar mystiskt sin förmåga att sända UV-ljus, "mulna upp" och tvinga astronomer att inleda dyra årliga omkalibreringsuppdrag. Dessa uppdrag innebär att skicka ett nykalibrerat instrument ut i rymden för att göra sina egna oberoende observationer av solljuset för jämförelse.

En ledande teori har varit att filtren utvecklade ett lager av kol, vars källa är föroreningar på rymdfarkosten, som blockerade inkommande UV-ljus. Nu, NIST-forskare och medarbetare från Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) i Boulder, Colorado, har hittat de första bevisen som tyder på att karbonisering inte är problemet, och det måste vara något annat, som en annan möjlig fripassagerare från jorden. Forskarna beskriver sitt arbete i Solfysik i dag.

"Såvitt jag vet, det är den första kvantitativa, riktigt solida argument mot förkolning som orsaken till filtrets nedbrytning, " sa NIST-fysikern Charles Tarrio.

Vad är de bra för? Absolut Allt

Det mesta av ljuset som produceras av solen är synligt och inkluderar regnbågen av färger från rött (med en våglängd på cirka 750 nanometer) till violett (med en våglängd på cirka 400 nm). Men solen producerar också ljus med våglängder för långa eller korta för det mänskliga ögat att se. Ett av dessa områden är extrem ultraviolett (EUV), sträcker sig från 100 nm ner till bara 10 nm.

Endast cirka en tiondel av en procent av solljuset är inom EUV-intervallet. Den lilla EUV-signalen är extremt användbar eftersom den spikar i takt med solflammor. Dessa utbrott på solens yta kan orsaka förändringar i jordens övre atmosfär som stör kommunikationen eller stör GPS-avläsningar, får din telefon att plötsligt tro att du är 40 fot från din verkliga plats.

Satelliter som mäter EUV-signaler hjälper forskare att övervaka dessa solflammor. Men EUV-signalerna ger också forskarna en förhandsinformation om timmar eller till och med dagar innan mer destruktiva fenomen som koronala massutstötningar (CMEs), fenomenet ansvarigt för Carrington Event. Framtida CME kan potentiellt överbelasta våra kraftledningar eller öka strålningsexponeringen för flygbolagens besättning och passagerare som reser på vissa platser.

Och nuförtiden, satelliterna gör mer än att bara ge oss varningar, sa LASP senior forskare Frank Eparvier, en samarbetspartner på det aktuella arbetet.

"Under de senaste decennierna har vi gått från att bara skicka ut varningar om att flare har hänt till att kunna korrigera för solvariabilitet på grund av flare och CME, ", sa Eparvier. "Att veta i realtid hur mycket solenergins EUV varierar gör det möjligt att köra datormodeller av atmosfären, som sedan kan producera korrigeringar för GPS-enheterna för att minimera effekterna av denna variation."

Mysteriet med de molniga filtren

Två metaller är särskilt användbara för att filtrera bort de enorma mängderna synligt ljus för att släppa igenom den lilla men viktiga EUV-signalen. Aluminiumfilter sänder EUV-ljus mellan 17 nm och 80 nm. Zirkoniumfilter sänder EUV-ljus mellan 6 nm och 20 nm.

Medan dessa filter börjar sitt liv sända mycket EUV-ljus inom sina respektive områden, aluminiumfiltren, särskilt, snabbt förlora sin överföringsförmåga. Ett filter kan börja med att släppa igenom 50 % av 30 nm EUV-ljus till detektorn. Men inom bara ett år, den sänder bara 25% av detta ljus. Inom fem år, den siffran är nere på 10 %.

"Det är en viktig fråga, " sa Tarrio. Mindre ljus som sänds ut betyder mindre data tillgänglig - lite som att försöka läsa i ett svagt upplyst rum med mörka solglasögon.

Forskare har länge vetat att kolavlagringar kan byggas upp på instrument när de utsätts för UV-ljus. Källor till kol på satelliter kan vara allt från fingeravtryck till de material som används vid konstruktionen av själva rymdfarkosten. När det gäller de mystiskt grumliga UV-filtren, forskare trodde att kol kunde ha avsatts på dem, absorberar EUV-ljus som annars skulle ha passerat igenom.

Dock, sedan 1980-talet, astronomer har noggrant designat rymdfarkoster för att vara så kolfria som möjligt. Och det arbetet har hjälpt dem med andra karboniseringsproblem. Men det hjälpte inte med EUV-filterfrågan i aluminium. Ändå, samhället misstänkte fortfarande att karbonisering var åtminstone delvis ansvarig för nedbrytningen.

Gör ditt eget rymdväder

För att testa detta i en kontrollerad miljö, NIST-forskare och medarbetare använde en maskin som effektivt låter dem skapa sitt eget rymdväder.

Instrumentet är NIST:s Synchrotron Ultraviolet Radiation Facility (SURF), en partikelaccelerator i rumsstorlek som använder kraftfulla magneter för att flytta elektroner i en cirkel. Rörelsen genererar EUV-ljus, som kan avledas via specialiserade speglar för att träffa mål – i det här fallet, satellitfiltren av aluminium och zirkonium.

Varje filter var 6 millimeter gånger 18 mm, mindre än ett frimärke, och endast 250 nm tjock, cirka 400 gånger tunnare än ett människohår. Provfiltren var faktiskt något tjockare än riktiga satellitfilter, med andra små förändringar utformade för att förhindra att SURF-strålen bokstavligen bränner hål i metallerna. Under en löprunda, baksidan av varje filter exponerades för en kontrollerad kolkälla.

För att påskynda testprocessen, teamet sprängde filtren med motsvarande fem års rymdväder på bara en timme eller två. Tillfälligtvis, att få den typen av strålkraft var inget svett för SURF.

"Vi sänker SURF till ungefär en halv procent av dess normala effekt för att utsätta filtren för en rimlig mängd ljus, " sa Tarrio. "Satelitterna är 92 miljoner miles borta från solen, och solen släpper inte ut så mycket EUV till att börja med."

Till sist, efter exponering, forskare testade varje filter för att se hur mycket EUV-ljus i rätt våglängdsområde kunde passera igenom.

Teamet fann att överföringen inte var signifikant annorlunda efter exponering jämfört med före exponering, för antingen aluminium eller zirkonium. Faktiskt, skillnaden i överföring var bara en bråkdel av en procent, inte tillnärmelsevis tillräckligt för att förklara den typ av grumling som sker i verkliga rymdsatelliter.

"Vi letade efter en 30%-ig minskning av överföringen, sa Tarrio. Och vi såg det bara inte.

Som ett extra test, forskarna gav filtren ännu större doser av ljus – motsvarande 50 års ultraviolett strålning. Och inte ens det skapade mycket av ett ljusöverföringsproblem, odlar bara 3 nm kol på filtren – 10 gånger mindre än forskarna skulle ha förväntat sig om kol var ansvarigt.

Så om det inte är kol...

Den verkliga gärningsmannen har ännu inte identifierats, men forskare har redan en annan misstänkt i åtanke:vatten.

Som de flesta metaller, aluminium har naturligt ett tunt lager på sin yta av ett material som kallas en oxid, som bildas när aluminium binder med syre. Allt från aluminiumfolie till läskburkar har detta oxidskikt, som är kemiskt identisk med safir.

I den föreslagna mekanismen, EUV-ljuset skulle dra ut atomer av aluminium ur filtret och avsätta dem på filtrets utsida, som redan har det där tunna oxidskiktet. De exponerade atomerna skulle då reagera med syret i vattnet från jorden som har åkt på rymdfarkosten. Tillsammans, det exponerade aluminiumet och vattnet skulle reagera och bilda ett mycket tjockare oxidskikt, som teoretiskt sett skulle kunna absorbera ljuset.

Ytterligare SURF-experiment planerade till senare i år borde svara på frågan om problemet verkligen är vatten, eller något annat. "Detta skulle vara första gången som folk har tittat på avsättningen av aluminiumoxid i detta sammanhang, " sa Tarrio. "Vi tittar på det som en allvarlig möjlighet."

— Rapporterad och skriven av Jennifer Lauren Lee