[論文レビュー] 3-D non-LTE radiative transfer effects in Fe I lines: III. Line formation in magneto-hydrodynamic atmospheres

R. Holzreuter, S. K. Solanki|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2015

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 28被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、太陽のプラージュ領域を対象とした磁流力学（MHD）シミュレーション内におけるFe I線の3次元非局所熱平衡（non-LTE）放射移動効果を調査し、磁気要素の中心部で線が強化されるという予想に反する結果を得た。これは、磁気要素を取り巻く高密度で冷却された下降流が紫外線放射を減少させ、結果としてイオン化度が低下し、1次元非局所熱平衡（NLTE）計算と比較してより強い線が形成されるためである。

ABSTRACT

Non-local thermodynamic equilibrium (NLTE) effects in diagnostically important solar Fe I lines are important due to the strong sensitivity of Fe I to ionizing UV radiation, which may lead to a considerable under-population of the Fe I levels in the solar atmosphere and, therefore, to a sizeable weakening of Fe I lines. Such NLTE effects may be intensified or weakened by horizontal radiative transfer (RT) in a three-dimensionally (3-D) structured atmosphere. We analyze the influence of horizontal RT on commonly used Fe I lines in a snapshot of a 3-D radiation magneto-hydrodynamic (MHD) simulation of a plage region. NLTE- and horizontal RT effects occur with considerable strength (up to 50% in line depth or equivalent width) in the analyzed snapshot. As they may have either sign and both signs occur with approximately the same frequency and strength, the net effects are small when considering spatially averaged quantities. The situation in the plage atmosphere turns out to be rather complex. Horizontal transfer leads to line-weakening relative to 1-D NLTE transfer near the boundaries of kG magnetic elements. Around the centers of these elements, however, we find an often significant line-strengthening. This behavior is in contrast to that expected from previous 3-D RT computations in idealized flux-tube models, which display only a line weakening. The origin of this unexpected behavior lies in the fact that magnetic elements are surrounded by dense and relatively cool down-flowing gas, which forms the walls of the magnetic elements. The continuum in these dense walls is often formed in colder gas than in the central part of the magnetic elements. Consequently, the central parts of the magnetic element experience a sub-average UV-irradiation leading to the observed 3-D NLTE line strengthening.

研究の動機と目的

• 3次元非局所熱平衡（non-LTE）放射移動が、プラージュ領域の現実的なMHDシミュレーションにおけるFe I線形成に与える影響を評価すること。
• 水平方向の放射移動が1次元NLTEおよびLTE近似と比較して線プロファイルにどのように影響を与えるかを調査すること。
• 線の弱体化または強化効果に関して、理想化された薄い管モデルと複雑なMHD大気の間の不一致を解明すること。
• 周囲の下降流が紫外線放射場をどのように調節し、結果として磁気要素内の非局所熱平衡（NLTE）準位分布に与える影響を定量化すること。
• 太陽の光球における実際の磁気構造をモデル化する際、薄い管近似がどの程度限界に達するかを評価すること。

提案手法

• MURAMコードの3次元放射移動MHDシミュレーションスナップショットを大気モデルの入力として使用した。
• Fe I線の非局所熱平衡（non-LTE）処理を含む、全ストークスベクトルの放射移動計算を実施し、原子準位分布の計算も行った。
• 3次元非局所熱平衡効果を水平方向の放射移動を考慮して取り入れ、大気全体にわたる異方性放射場を正確に再現した。
• 3次元NLTE、1次元NLTE、およびLTE計算の線プロファイルを比較し、3次元幾何構造と非局所熱平衡物理の影響を分離した。
• 正確な衝突的および放射的遷移率を備えた詳細なFe Iモデル原子を用いて、現実的な準位分布計算を確保した。
• 空間的に分解された線プロファイルおよび等価幅を分析し、1次元NLTE予測からのずれを定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元非局所熱平衡（non-LTE）放射移動効果は、1次元NLTEモデルと比較して、現実的なMHDプラージュ大気内におけるFe I線プロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 水平方向の放射移動が、磁気要素内の線強度を増強または抑制する役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ3 周囲の粒状構造からの強い紫外線放射があるにもかかわらず、なぜMHDシミュレーションにおける磁気要素の中心部で線が強化されるのか？
• RQ4 周囲の下降流は、紫外線放射場にどのように影響を与え、結果として磁気要素内のイオン化平衡にどのような影響を及えるか？
• RQ5 薄い管近似は、複雑な3次元磁気構造内での真の放射移動挙動をどの程度正しく再現できないか？

主な発見

• 水平方向の放射移動により、3次元MHD大気内におけるFe I線の深さや等価幅に最大50％の変動（弱体化または強化）が生じた。
• 磁気フラックスチューブを取り巻く冷却され高密度な下降流の影響により、kG級磁気要素の中心部で線が強化された。
• 周囲の下降流ガスは放射的シールドとして機能し、1次元NLTE仮定と比較して、磁気要素中心部への有効な紫外線フラックスが低下した。
• 水平放射移動による線弱体化は、磁気要素の縁付近でのみ観測され、中心部では観測されず、理想化された薄い管モデルの予測とは矛盾した。
• 3次元NLTEと1次元NLTE計算の空間平均線プロファイルは、大気全体で互いに相殺される相反する効果（強化と弱体化）のため、非常に類似していた。
• 薄い管近似は、実際の磁気要素の複雑な放射環境、特に周囲の下降流によるシールド効果を正しく再現できない。