Più di 150 anni fa, il Sole ha fatto esplodere la Terra con un'enorme nuvola di particelle cariche calde. Questo blob di plasma ha generato una tempesta magnetica sulla Terra che ha causato la fuoriuscita di scintille dall'attrezzatura del telegrafo e ha persino provocato alcuni incendi. Ora chiamato l'evento di Carrington, dopo uno degli astronomi che lo osservò, una tempesta magnetica come questa potrebbe ripetersi in qualsiasi momento, solo ora influenzerebbe più dei telegrafi:potrebbe danneggiare o causare interruzioni nelle reti telefoniche wireless, sistemi GPS, reti elettriche che alimentano apparecchiature mediche salvavita e altro ancora.

I satelliti rivolti verso il sole monitorano la luce ultravioletta (UV) del Sole per avvisarci in anticipo delle tempeste solari, sia quelli grandi che potrebbero causare un evento simile a Carrington, sia quelli più piccoli, disturbi più comuni che possono interrompere temporaneamente le comunicazioni. Un elemento chiave dell'attrezzatura utilizzata in questi rilevatori è un minuscolo filtro metallico che blocca tutto tranne il segnale UV che i ricercatori devono vedere.

Ma per decenni, c'è stato un grosso problema:nel corso di appena un anno o due, questi filtri perdono misteriosamente la loro capacità di trasmettere la luce UV, "offuscamento" e costringendo gli astronomi a lanciare costose missioni di ricalibrazione annuali. Queste missioni comportano l'invio di uno strumento appena calibrato nello spazio per effettuare le proprie osservazioni indipendenti della luce solare per il confronto.

Una delle principali teorie è stata che i filtri stavano sviluppando uno strato di carbonio, la cui fonte sono i contaminanti sulla navicella spaziale, che bloccava la luce UV in ingresso. Ora, Scienziati del NIST e collaboratori del Laboratorio di fisica dell'atmosfera e dello spazio (LASP) di Boulder, Colorado, hanno trovato le prime prove che indicano che la carbonizzazione non è il problema, e deve essere qualcos'altro, come un altro possibile clandestino dalla Terra. I ricercatori descrivono il loro lavoro in Fisica solare oggi.

"Che io sappia, è il primo quantitativo, argomento davvero solido contro la carbonizzazione come causa del degrado del filtro, ", ha detto il fisico del NIST Charles Tarrio.

A cosa servono? Assolutamente tutto

La maggior parte della luce prodotta dal Sole è visibile e comprende l'arcobaleno di colori dal rosso (con una lunghezza d'onda di circa 750 nanometri) al viola (con una lunghezza d'onda di circa 400 nm). Ma il Sole produce anche luce con lunghezze d'onda troppo lunghe o corte per essere viste dall'occhio umano. Una di queste gamme è l'ultravioletto estremo (EUV), estendendosi da 100 nm fino a soli 10 nm.

Solo circa un decimo di punto percentuale della luce solare rientra nell'intervallo EUV. Quel minuscolo segnale EUV è estremamente utile perché aumenta in tandem con i brillamenti solari. Queste eruzioni sulla superficie del Sole possono causare cambiamenti nell'atmosfera superiore della Terra che interrompono le comunicazioni o interferiscono con le letture GPS, facendo in modo che il tuo telefono pensi improvvisamente che sei a 40 piedi di distanza dalla tua vera posizione.

I satelliti che misurano i segnali EUV aiutano gli scienziati a monitorare questi brillamenti solari. Ma i segnali EUV danno anche agli scienziati un preavviso di ore o addirittura giorni prima di fenomeni più distruttivi come le espulsioni di massa coronale (CME), il fenomeno responsabile dell'evento di Carrington. I futuri CME potrebbero potenzialmente sovraccaricare le nostre linee elettriche o aumentare l'esposizione alle radiazioni per l'equipaggio delle compagnie aeree e i passeggeri che viaggiano in determinate località.

E al giorno d'oggi, i satelliti fanno di più che limitarsi a darci avvertimenti, ha affermato il ricercatore senior del LASP Frank Eparvier, un collaboratore al lavoro in corso.

"Negli ultimi decenni siamo passati dal semplice invio di avvisi relativi ai brillamenti, all'essere in grado di correggere la variabilità solare dovuta a brillamenti e CME, " Ha detto Eparvier. "Sapere in tempo reale quanto varia l'EUV solare consente l'esecuzione di modelli informatici dell'atmosfera, che può quindi produrre correzioni per le unità GPS per ridurre al minimo gli impatti di tale variabilità".

Il mistero dei filtri nuvolosi

Due metalli sono particolarmente utili per filtrare le enormi quantità di luce visibile per far passare quel piccolo ma importante segnale EUV. I filtri in alluminio trasmettono la luce EUV tra 17 nm e 80 nm. I filtri allo zirconio trasmettono la luce EUV tra 6 nm e 20 nm.

Mentre questi filtri iniziano la loro vita trasmettendo molta luce EUV nelle rispettive gamme, i filtri in alluminio, in particolare, perdono rapidamente le loro capacità di trasmissione. Un filtro potrebbe iniziare consentendo il 50% della luce EUV a 30 nm attraverso il rivelatore. Ma in appena un anno, trasmette solo il 25% di questa luce. Entro cinque anni, quel numero è sceso al 10%.

"È un problema importante, " Ha detto Tarrio. Meno luce trasmessa significa meno dati disponibili, un po' come cercare di leggere in una stanza scarsamente illuminata con occhiali da sole scuri.

Gli scienziati sanno da tempo che i depositi di carbonio possono accumularsi sugli strumenti quando sono sottoposti alla luce UV. Le fonti di carbonio sui satelliti possono essere di tutto, dalle impronte digitali ai materiali utilizzati nella costruzione del veicolo spaziale stesso. Nel caso dei filtri UV misteriosamente torbidi, i ricercatori pensavano che il carbonio potesse essere stato depositato su di loro, assorbendo la luce EUV che altrimenti sarebbe passata attraverso.

Però, dagli anni '80, gli astronomi hanno progettato con cura i veicoli spaziali per essere il più possibile privi di carbonio. E quel lavoro li ha aiutati con altri problemi di carbonizzazione. Ma non ha aiutato con il problema del filtro EUV in alluminio. Tuttavia, la comunità ancora sospettata di carbonizzazione era almeno in parte responsabile del degrado.

Meteo spaziale fai da te

Per testarlo in un ambiente controllato, I ricercatori e i collaboratori del NIST hanno utilizzato una macchina che consente loro di creare in modo efficace il proprio spazio meteorologico.

Lo strumento è il Synchrotron Ultraviolet Radiation Facility (SURF) del NIST, un acceleratore di particelle delle dimensioni di una stanza che utilizza potenti magneti per spostare gli elettroni in un cerchio. Il movimento genera luce EUV, che può essere deviato tramite specchi specializzati per colpire obiettivi, in questo caso, i filtri satellite in alluminio e zirconio.

Ogni filtro era di 6 millimetri per 18 mm, più piccolo di un francobollo, e solo 250 nm di spessore, circa 400 volte più sottile di un capello umano. I filtri campione erano in realtà leggermente più spessi dei veri filtri satellitari, con altre piccole modifiche progettate per evitare che il raggio SURF bruci letteralmente fori nei metalli. Durante una corsa, il lato posteriore di ciascun filtro è stato esposto a una fonte controllata di carbone.

Per accelerare il processo di test, il team ha fatto saltare i filtri con l'equivalente di cinque anni di tempo spaziale in una o due ore. per inciso, ottenere quel tipo di potenza del raggio non è stato un problema per SURF.

"Riduciamo SURF a circa mezzo percento della sua normale potenza per esporre i filtri a una quantità ragionevole di luce, " Disse Tarrio. "I satelliti sono a 92 milioni di miglia di distanza dal Sole, e il Sole non sta emettendo un sacco di EUV per cominciare."

Finalmente, dopo l'esposizione, i ricercatori hanno testato ogni filtro per vedere quanta luce EUV nella corretta gamma di lunghezze d'onda era in grado di passare.

Il team ha scoperto che la trasmissione non era significativamente diversa dopo l'esposizione rispetto a prima dell'esposizione, sia per l'alluminio che per lo zirconio. Infatti, la differenza nella trasmissione era solo una frazione di punto percentuale, non abbastanza da spiegare il tipo di annebbiamento che si verifica nei satelliti spaziali reali.

"Cercavamo una riduzione del 30% della trasmissione, " disse Tarrio. "E noi non l'abbiamo visto."

Come ulteriore prova, gli scienziati hanno dato ai filtri dosi di luce ancora maggiori, l'equivalente di 50 anni di radiazioni ultraviolette. E anche questo non ha prodotto molti problemi di trasmissione della luce, crescendo solo 3 nm di carbonio sui filtri, 10 volte meno di quanto i ricercatori si sarebbero aspettati se il carbonio fosse stato responsabile.

Quindi se non è carbonio...

Il vero colpevole non è stato ancora identificato, ma i ricercatori hanno già in mente un altro sospetto:l'acqua.

Come la maggior parte dei metalli, l'alluminio ha naturalmente un sottile strato sulla sua superficie di un materiale chiamato ossido, che si forma quando l'alluminio si lega all'ossigeno. Tutto, dal foglio di alluminio alle lattine di soda, ha questo strato di ossido, che è chimicamente identico allo zaffiro.

Nel meccanismo proposto, la luce EUV tirerebbe fuori gli atomi di alluminio dal filtro e li depositerebbe all'esterno del filtro, che ha già quel sottile strato di ossido. Gli atomi esposti reagirebbero quindi con l'ossigeno nell'acqua proveniente dalla Terra che ha fatto l'autostop sulla navicella spaziale. Insieme, l'alluminio e l'acqua esposti reagirebbero per formare uno strato di ossido molto più spesso, che teoricamente potrebbe assorbire la luce.

Ulteriori esperimenti SURF previsti per la fine dell'anno dovrebbero rispondere alla domanda se il problema sia davvero l'acqua, o qualcos'altro. "Questa sarebbe la prima volta che le persone guardano alla deposizione di ossido di alluminio in questo contesto, — disse Tarrio. — La stiamo esaminando come una seria possibilità.

— Segnalato e scritto da Jennifer Lauren Lee