[論文レビュー] Carbon monoxide in the solar atmosphere I. Numerical method and two-dimensional models

Sven Wedemeyer, I. Kamp+2 more|ArXiv.org|Mar 23, 2005

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、太陽の光球層および低コロナ層における一氧化炭化物（CO）の生成と消失をシミュレートするために、CO5BOLD放射流体力学コード内に時間に依存する化学反応ネットワークを構築した。その結果、COは主に中光球層付近（τ500 ≈ 1）の冷たい逆転対流領域に集中しており、化学的平衡からの著しい逸脱は、主に高温のコロナ層ショック波において生じ、その際は水酸化物（OH）を介した反応がCOの生成と消失を支配していることが判明した。

ABSTRACT

The radiation hydrodynamic code CO5BOLD has been supplemented with the time-dependent treatment of chemical reaction networks. Advection of particle densities due to the hydrodynamic flow field is also included. The radiative transfer is treated frequency-independently, i.e. grey, so far. The upgraded code has been applied to two-dimensional simulations of carbon monoxide (CO) in the non-magnetic solar photosphere and low chromosphere. For this purpose a reaction network has been constructed, taking into account the reactions which are most important for the formation and dissociation of CO under the physical conditions of the solar atmosphere. The network has been strongly reduced to 27 reactions, involving the chemical species H, H2, C, O, CO, CH, OH, and a representative metal. The resulting CO number density is highest in the cool regions of the reversed granulation pattern at mid-photospheric heights and decreases strongly above. There, the CO abundance stays close to a value of 8.3 on the usual logarithmic abundance scale with [H]=12 but is reduced in hot shock waves which are a ubiquitous phenomenon of the model atmosphere. For comparison, the corresponding equilibrium densities have been calculated, based on the reaction network but also under assumption of instantaneous chemical equilibrium by applying the Rybicki & Hummer (RH) code by Uitenbroek (2001). Owing to the short chemical timescales, the assumption holds for a large fraction of the atmosphere, in particular the photosphere. In contrast, the CO number density deviates strongly from the corresponding equilibrium value in the vicinity of chromospheric shock waves. Simulations with altered reaction network clearly show that the formation channel via hydroxide (OH) is the most important one under the conditions of the solar atmosphere.

研究の動機と目的

• 時間に依存する化学反応ネットワークを用いて、太陽の大気における一酸化炭素（CO）の空間的・時間的分布をモデル化すること。
• 太陽大気の条件下でCO濃度をシミュレートする際に、即時の化学平衡（ICE）近似の妥当性を評価すること。
• 光球層およびコロナ層におけるCO生成および解離を支配する主要な化学経路を特定すること。
• 特にコロナ層ショック波のような動的で高温な領域において、化学的非平衡効果がCO数密度に与える影響を評価すること。
• 太陽および星の上層大気におけるCO化学の正確な取り扱いを可能にする、アップグレードされたCO5BOLDコードの妥当性を検証すること。

提案手法

• 27の主要反応を含む簡略化された化学反応ネットワークの時間に依存する取り扱いを、CO5BOLD放射流体力学コードに拡張した。
• 流体力学的流れに伴う化学種の輸送および周波数非依存のグレー放射熱輸送を組み込んだ。
• H、H2、C、O、CO、CH、OHおよび代表的な金属を含む最小限の反応ネットワークを構築し、窒素化学を除外した。
• 3次元流体力学的モデルの2次元スナップショットを用いて、光球層および低コロナ層におけるCO分布を研究した。
• Rybicki & Hummer（RH）コードを用いて、時間に依存する結果と即時の化学平衡（ICE）アプローチの結果を比較した。
• 特にOHおよびCH経路の役割を特定するために、反応ネットワークを変更した感度試験を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間に依存する化学反応の取り扱いは、即時の化学平衡と比較して、太陽の光球層および低コロナ層におけるCOの空間的分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 太陽大気の条件下で、CO生成と消失を支配するのは、OH、CH、または放射結合反応のうちどれか？
• RQ3 太陽大気のどの領域で、COに対する即時の化学平衡仮定が破綻するか？
• RQ4 流体力学的輸送および放射冷却の取り入れが、ショック波のような動的構造におけるCO数密度にどのように影響を与えるか？
• RQ5 特に光球層およびコロナ層において、窒素化学はCO濃度にどの程度関与しているか？

主な発見

• CO数密度は中光球層付近（τ500 ≈ 1）の逆転対流パターンの冷たい領域にピークを示し、その上では急激に減少する。
• 冷たい領域ではCO濃度がlog 10 [CO] = 8.3（[H] = 12に対する相対値）にほぼ一定を保つが、高温のコロナ層ショック波では著しく低下する。
• 即時の化学平衡（ICE）からの逸脱は、化学的時間スケールが力学的時間スケールを上回る高温ショック波の頂上部で最も顕著に現れる。
• 水酸化物（OH）がCO生成および消失の主な媒介であり、CH経路の寄与ははるかに小さいことが、ネットワーク感度試験で確認された。
• 窒素化学を除外しても、光球層および低コロナ層におけるCO濃度に顕著な影響はなく、ただしCOがすでに最小限にまで低下している高温ショック波の中心部では、CO濃度が最大5桁まで低下する。
• 時間に依存するシミュレーション結果は、観測データおよび先行理論的研究と良好に一致しており、今後の3次元シミュレーションおよび星の応用に向けた、アップグレードされたCO5BOLDコードの妥当性が裏付けられた。