[論文レビュー] Forward modeling of emission in SDO/AIA passbands from dynamic 3D simulations

Juan Martínez‐Sykora, Bart De Pontieu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 26被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、3次元放射移動MHDシミュレーションを用いてSDO/AIAのEUV通過帯域の発光を前向きモデル化し、非優占スペクトル線が大多数のAIAチャネル（特に94、171、193、211、304 Å）に顕著な影響を及ぼすことが明らかになった。これは、標準形成温度とは異なる温度のプラズマからの発光を引き起こす。この結果は、AIA通過帯域が単一で明確に定義された温度のプラズマを示すという仮定を覆し、スペクトル線の混入を考慮しないとコロナ診断を誤解するリスクを示している。

ABSTRACT

It is typically assumed that emission in the passbands of the Atmospheric Imaging Assembly (AIA) onboard the Solar Dynamics Observatory (SDO) is dominated by single or several strong lines from ions that under equilibrium conditions are formed in a narrow range of temperatures. However, most SDO/AIA channels also contain contributions from lines of ions that have formation temperatures that are significantly different from the "dominant" ion(s). We investigate the importance of these lines by forward modeling the emission in the SDO/AIA channels with 3D radiative MHD simulations of a model that spans the upper layer of the convection zone to the low corona. The model is highly dynamic. In addition, we pump a steadily increasing magnetic flux into the corona, in order to increase the coronal temperature through the dissipation of magnetic stresses. As a consequence, the model covers different ranges of coronal temperatures as time progresses. The model covers coronal temperatures that are representative of plasma conditions in coronal holes and quiet sun. The 131, 171, and 304 Å AIA passbands are found to be least influenced by the so-called "non-dominant" ions, and the emission observed in these channels comes mostly from plasma at temperatures near the formation temperature of the dominant ion(s). On the other hand, the other channels are strongly influenced by the non-dominant ions, and therefore significant emission in these channels comes from plasma at temperatures that are different from the "canonical" values. We have also studied the influence of non-dominant ions on the AIA passbands when different element abundances are assumed (photospheric and coronal), and when the effects of the electron density on the contribution function are taken into account.

研究の動機と目的

• 動的で現実的な3次元太陽大気シミュレーションにおける非優占スペクトル線がSDO/AIAのEUV通過帯域発光に与える影響を調査すること。
• 元素組成（光球層対コロナ層）の仮定と、寄与関数に及ぼす電子密度の影響がAIAチャネル応答に与える影響を評価すること。
• スペクトル線混入が存在する状況で、標準形成温度を用いたAIAデータの解釈の信頼性を評価すること。
• AIA通過帯域がスペクトル的に純粋ではなく、発光が主イオンの形成温度とは異なる温度のプラズマから生じることが多いことを示すこと。
• 合成的前向きモデリングを通じてAIA観測の解釈を改善し、コロナ診断における誤解を軽減する道筋を提供すること。

提案手法

• 上部対流巣から低コロナに至る3次元放射移動MHDシミュレーションを用いて、動的で現実的な太陽大気状態をモデル化した。
• CHIANTI原子データベースを用いて、各AIA通過帯域に含まれる主要なスペクトル線ごとの合成EUV強度を計算した。
• 温度依存の発光寄与度を分析することで、各スペクトル線が各通過帯域の総発光に与える寄与を定量化した。
• 比較的シミュレーションを用いて、元素組成の変化（光球層およびコロナ層）がAIA通過帯域発光に与える影響を評価した。
• G(T)とG(T, ne)モデルを比較することで、電子密度が寄与関数に与える影響を評価した。
• 実際のデータと比較可能な空間的・時間的分解能に合わせて、シミュレートされた観測を劣化処理した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非優占スペクトル線は、動的で3次元的な太陽大気モデルにおけるSDO/AIAのEUV通過帯域発光にどの程度寄与しているか？
• RQ2 元素組成の変化（光球層対コロナ層）は、AIAチャネルの観測発光にどのように影響を与えるか？
• RQ3 寄与関数に電子密度依存性を組み込むと、AIA通過帯域発光の解釈はどのように変化するか？
• RQ4 どのAIA通過帯域が非優占イオンによる混入に対して最も感受しやすく、温度診断にどのような影響を与えるか？
• RQ5 多通過帯域発光における空間的・時間的差異は、物理的プロセスとスペクトル線混入を区別する手がかりとなるか？

主な発見

• 131、171、304 ÅのAIA通過帯域は非優占イオンの影響を最も軽減しており、発光は主に支配的イオンの形成温度に近い温度のプラズマから主に発生している。
• 94、171、193、211、304 Åの通過帯域は、寄与関数における電子密度効果に対して最も感受しやすく、G(T)仮定からの著しい逸脱を示している。
• 非優占イオンは大多数のAIAチャネルの発光に顕著な寄与を示しており、観測された発光は標準値とは異なる温度のプラズマから生じることが多い。
• イオン化平衡の仮定とCHIANTIデータベースの使用は、特に94および131 Åチャネルでは、欠落しているスペクトル線が既知であるため、誤差を引き起こす可能性がある。
• 本研究は、AIA通過帯域がスペクトル的に純粋ではなく、標準形成温度に依存して解釈するとコロナプラズマ状態を誤解する可能性があることを確認した。
• 現実的な3次元シミュレーションを用いた前向きモデリングは、特に動的かつ多温度状態の環境下では、従来のDEMベースの手法よりもAIAデータの解釈をより正確に可能にするフレームワークを提供する。