Het Nederlandse ruimte-instrument TROPOMI heeft sinds haar lancering in 2017 de nodige kosmische straling te verwerken gekregen. Een analyse van de kortgolvige infrarood detector, gericht op de detectie van methaan en koolmonoxide, toont aan dat 98.7% van de pixels nog goed werkt. Spontaan herstel van pixels draagt hier aan bij. Publicatie in Measurement Science and Technology.
TROPOMI vliegt sinds 2017 elke negentig minuten rond de aarde. Terwijl het van pool naar pool zweeft, blijft de wereld eronder doordraaien, zodat TROPOMI met elke baan geruisloos een nieuwe strook aarde scant. Uiteindelijk levert dat een complete wereldkaart op van onder meer methaan en koolmonoxide in de atmosfeer, gemeten met de detector voor nabij-infrarood.
Zo vredig als satellieten door de ruimte dwalen, zo gewelddadig is de kosmische straling die vanaf de Zon en vanuit de Melkweg op ze inslaat. We kennen deze geladen deeltjes in hun elegante verschijning als ze de aardmagnetische veldlijnen volgen naar de polen en zich tonen als het noorderlicht. Maar ruimtedetectoren lopen risico op beschadigingen in hun materiaal als ze daarover vliegen. Dit risico is nog groter als ze door de Zuid-Atlantische Anomalie boven Zuid-Amerika vliegen, waar het beschermende schild van het aardmagnetisch veld een stuk lager hangt dan de vlieghoogte van TROPOMI.
Noorderlicht. Credit: Cameron Pickett
Ondanks deze ruimte-versie van de Bermudadriehoek blijken de pixels in TROPOMI’s methaandetector vrijwel onbeschadigd te blijven. SRON is verantwoordelijk voor de monitoring van de detector en concludeert in een publicatie in Measurement Science and Technology dat altijd minimaal 98.7% van de pixels gezond is. Dit komt onder meer doordat de meerderheid van de beschadigde pixels spontaan herstelt.
‘De detector is gemaakt van een halfgeleider met een kristalstructuur,’ zegt eerste auteur Tim van Kempen (SRON). ‘Kosmische deeltjes beschadigen de pixels door het verstoren van die structuur. Opwarmen en afkoelen kan het kristal repareren, zoals een barst in een ijsblokje hersteld wordt door smelten en opnieuw invriezen. Alleen werkt onze detector bij 130 graden onder nul en is opwarmen het laatste wat je wilt. Gelukkig zien we nu dat 95% van de pixels spontaan herstelt. Dat is ook goed nieuws voor toekomstige ruimtemissies, want dit spontane herstel kenden we nog niet bij de lage temperaturen die ruimtedetectoren vaak nodig hebben.’
Impact van kosmische straling op TROPOMI’s short-wave infrared detector. Boven het zuidelijk halfrond (onderste afbeelding) vinden meer impacts plaats dan boven het noordelijk halfrond (bovenste afbeelding) vanwege de aanwezigheid van de Zuid-Atlantische Anomalie. De strepen worden veroorzaakt door kosmische straling die vanuit een hoek invliegt en zich een weg door meerdere pixels boort.
Since its launch in 2017, the Dutch TROPOMI space instrument has been constantly impacted by cosmic rays. An analysis of the onboard short-wave infrared detector, tasked with detecting methane and carbon monoxide, shows that 98.7% of its pixels are still working properly. Spontaneous recovery of pixels contributes to this. Publication in Measurement Science and Technology.
TROPOMI has been flying around the globe every ninety minutes since 2017. As it floats from pole to pole, the world underneath keeps on turning. This allows TROPOMI to quietly scan a new strip of Earth with each orbit. Eventually, that results in a complete world map of atmospheric methane and carbon monoxide, measured by the near-infrared detector.
As peaceful as satellites wander through space, the cosmic rays from the Sun and the Milky Way that strike them are violent. These charged particles are famous for their elegant appearance as they follow the Earth’s magnetic field lines toward the poles and show themselves in the shape of the northern lights. But space detectors run the risk of damaging their materials as they fly over the poles. This risk is even greater when they fly through the South Atlantic Anomaly, above South America, where the protective shield of the Earth’s magnetic field hangs much lower than TROPOMI’s flying altitude.
Northern Lights. Credit: Cameron Pickett
Despite this space version of the Bermuda Triangle, the pixels in TROPOMI’s methane detector turn out to remain almost undamaged. SRON is responsible for monitoring the detector and concludes in a publication in Measurement Science and Technology that at least 98.7% of the pixels are healthy. This is partly due to spontaneous recovery of the majority of damaged pixels.
‘The detector is made of a semiconductor with a crystal structure,’ says first author Tim van Kempen (SRON). ‘Cosmic rays damage the pixels by disrupting the lattice. Heating and cooling can repair the structure, just like a crack in an ice cube is repaired by melting and refreezing. But our detector operates at 130 degrees below zero so heating up is the last thing you want. Fortunately, we now see that 95% of the pixels recover spontaneously. That is also good news for future space missions, because we did not yet know of this spontaneous recovery at the very low temperatures that space detectors often require.’
Impact of cosmic rays on pixels of TROPOMI’s short-wave infrared detector. On the southern hemisphere (bottom) there are more impacts compared to the northern hemisphere (top) because of the presence of the South Atlantic Anomaly. The stripes are caused by cosmic rays coming from an angle and cascading through the pixels.
