[論文レビュー] Carbon monoxide in the solar atmosphere II. Radiative cooling by CO lines

Sven Wedemeyer, M. Steffen|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2006

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、時間に依存する放射線化学流体力学モデルを用いて、太陽の光球層および色球層における一酸化炭素（CO）を放射冷却剤として調査した。4.4–6.2 μm帯域におけるCO線の吸収率をプランク平均を用いて取り入れ、時間に依存するCO化学反応を解くことで、モデルは衝撃波の先端で遅れて解離するためCO冷却が強化されることを示したが、その冷却は熱構造を顕著に変えるほど速くなく、結果として熱構造は依然として衝撃加熱と力学的過程に支配されている。

ABSTRACT

The role of carbon monoxide as a cooling agent for the thermal structure of the mid-photospheric to low-chromospheric layers of the solar atmosphere in internetwork regions is investigated. The treatment of radiative cooling via spectral lines of carbon monoxide (CO) has been added to the radiation chemo-hydrodynamics code CO5BOLD. [...] The CO opacity indeed causes additional cooling at the fronts of propagating shock waves in the chromosphere. There, the time-dependent approach results in a higher CO number density compared to the equilibrium case and hence in a larger net radiative cooling rate. The average gas temperature stratification of the model atmosphere, however, is only reduced by roughly 100 K. Also the temperature fluctuations and the CO number density are only affected to small extent. A numerical experiment without dynamics shows that the CO cooling process works in principle and drives the atmosphere to a cool radiative equilibrium state. At chromospheric heights, the radiative relaxation of the atmosphere to a cool state takes several 1000 s. The CO cooling process thus would seem to be too slow compared to atmospheric dynamics to be responsible for the very cool temperature regions observed in the solar atmosphere. The hydrodynamical timescales in our solar atmosphere model are much too short to allow for the radiative relaxation to a cool state, thus suppressing the potential thermal instability due to carbon monoxide as a cooling agent. Apparently, the thermal structure and dynamics of the outer model atmosphere are instead determined primarily by shock waves.

研究の動機と目的

• 太陽大気の中光球層から低色球層におけるCOが放射冷却剤として果たす役割を評価すること。
• 時間に依存するCO化学反応およびCO線吸収率が、冷却平衡状態への熱不安定性を引き起こすかどうかを調査すること。
• 平衡仮定と比較して、時間に依存するCO冷却が動的太陽大気モデルにおける熱構造を顕著に変えるかどうかを特定すること。
• 色球層におけるCO冷却による放射的緩和 timescale が、流体力学的 timescale と比較してどの程度かを評価すること。
• COの存在量と冷却効率を決定づける時間に依存するCO化学反応と瞬間的化学平衡（ICE）の違いを比較すること。

提案手法

• CO5BOLD放射線化学流体力学コードを拡張し、4.4–6.2 μm帯域におけるCO吸収率をプランク平均を用いて線冷却を含める二帯域吸収率アプローチを導入した（連続体にはローゼランド平均、CO帯域にはプランク平均を用いた）。
• CO生成および解離の時間に依存する化学反応ネットワークを解き、瞬間的化学平衡（ICE）仮定を置き換えた。
• 放射線伝達を二つの周波数帯に分けて取り扱った：連続体（ローゼランド平均）とCO帯域（プランク平均）で、全線プロファイルの複雑さを簡略化した。
• 機械的加熱を有する・なしの両方のシナリオで2次元太陽大気の動的挙動をシミュレートし、CO冷却が熱構造に与える影響を分離した。
• 計算を多次元シミュレーションで実行可能にするために、SM88およびMU85に基づく簡略化されたLTE処理をCO線冷却に適用した。
• 動的過程を含まない数値実験を実施し、COの内在的冷却能力をテストし、放射的平衡への緩和 timescale を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間に依存するCO化学反応は、瞬間的化学平衡（ICE）と比較して、衝撃波の先端で放射冷却を強化するか？
• RQ2 機械的加熱が存在しない状況で、CO線冷却が大気を冷却平衡状態に引きずり込むことができるか？
• RQ3 CO冷却の放射的緩和 timescale は、色球層の衝撃波の流体力学的 timescale と比較してどの程度か？
• RQ4 CO冷却は太陽大気における平均温度構造および温度変動にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 2帯域簡略化吸収率アプローチは、2次元放射流体力学モデルにおいてCO線の本質的冷却効果を十分に捉えられるか？

主な発見

• CO線吸収率により、伝搬する衝撃波の先端で遅れて解離するため、COの数密度がICEケースよりも高くなり、追加の放射冷却が生じる。
• 平均温度構造はICEケースと比較して約100 Kしか低下しないため、全体的な冷却効果は弱い。
• 温度変動およびCO数密度の変動は時間に依存する取り扱いによってわずかにしか影響を受けておらず、動的構造への影響は限定的である。
• 動的過程が存在しない状況では、CO冷却が大気を冷却平衡状態に引きずり込むが、その緩和 timescale は数秒間千秒にのぼる。
• CO冷却の放射的緩和 timescale は、衝撃波の流体力学的 timescale に比べて長すぎるため、大気は冷却状態に到達できない。
• 簡略化されたLTE処理による冷却率の過大評価でさえも、CO冷却が熱構造を顕著に変えることはできず、実際の冷却であればさらに小さな影響にとどまることが示唆された。