[論文レビュー] Three-dimensional non-LTE radiative transfer effects in Fe I lines I. Flux sheet and flux tube geometries

R. Holzreuter, S. K. Solanki|Max Planck Institute for Plasma Physics|Sep 4, 2012

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 51被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、磁気フラックスチューブおよびフラックスシートモデルを用いて、Fe I線における3次元非局所熱平衡（non-LTE）放射移動効果を調査し、LTEまたは1次元NLTE計算における仮定が磁場および温度診断に与える影響を評価する。その結果、非局所熱平衡効果を無視した場合、磁場強度に10–20%の誤差、温度に最大400 Kの誤差が生じる可能性があることが判明したが、実験的モデル（NET、PLA）を用いることでこれらの乖離が最小限に抑えられる。

ABSTRACT

In network and active region plages, the magnetic field is concentrated into structures often described as flux tubes (FTs) and sheets (FSs). 3-D radiative transfer (RT) is important for energy transport in these concentrations. It is also expected to be important for diagnostic purposes but has rarely been applied for that purpose. Using true 3-D, non-LTE (NLTE) RT in FT/FS models, we compute Fe line profiles commonly used to diagnose the Sun's magnetic field by comparing the results with those obtained from LTE/1-D (1.5-D) NLTE calculations. Employing a multilevel iron atom, we study the influence of basic parameters such as Wilson depression, wall thickness, radius/width, thermal stratification or magnetic field strength on all Stokes $I$ parameters in the thin-tube approximation. The use of different levels of approximations of RT may lead to considerable differences in profile shapes, intensity contrasts, equivalent widths, and the determination of magnetic field strengths. In particular, LTE, which often provides a good approach in planar 1-D atmospheres, is a poor approximation in our flux sheet model for some of the most important diagnostic Fe I lines (524.7nm, 525.0nm, 630.1nm, and 630.2nm). The observed effects depend on parameters such as the height of line formation, field strength, and internal temperature stratification. Differences between the profile shapes may lead to errors in the determination of magnetic fields on the order of 10 to 20%, while errors in the determined temperature can reach 300-400K. The empirical FT models NET and PLA turn out to minimize the effects of 3D RT, so that results obtained with these models by applying LTE may also remain valid for 3-D NLTE calculations. Finally, horizontal RT is found to only insignificantly smear out structures such as the optically thick walls of FTs and FSs, allowing features as narrow as 10km to remain visible.

研究の動機と目的

• 3次元非局所熱平衡放射移動がフラックスチューブおよびフラックスシートにおけるFe I線プロファイルに与える影響を定量化すること。
• 3次元NLTE、1次元NLTE、およびLTE計算の結果を比較し、磁場および温度診断における系統的誤差を評価すること。
• 磁場強度、壁厚さ、形成高さなどの幾何的および熱的パラメータが診断精度に与える影響を評価すること。
• 一般的に用いられる経験的モデル（NET、PLA）が3次元NLTE条件下でも有効であるかどうかを検証すること。
• 水平放射移動効果の下で、細かい構造（例：10 km幅の壁）が観測可能かどうかを調査すること。

提案手法

• 薄いチューブ近似を用いて、3次元マルチレベル鉄原子モデルを用いてフラックスチューブ（FT）およびフラックスシート（FS）幾何における放射移動を計算した。
• マルチレベル原子を用いた完全な3次元非局所熱平衡放射移動を実施し、主要なFe I線（524.7 nm、525.0 nm、630.1 nm、630.2 nm）のストークスIおよび偏光ストークスパラメータを計算した。
• 3次元NLTEの結果と1次元NLTEおよびLTE計算の結果を比較し、次元性および非局所熱平衡効果の影響を分離した。
• 磁場強度、チューブ半径、壁厚さ、熱的ストラトフィケーション、UV吸収率といった主要パラメータを変化させ、感度を評価した。
• ストークスプロファイルから磁場強度を導出するために重心法を適用し、さまざまな近似法の結果を比較した。
• 水平放射移動の下で鋭い境界（例：10 km幅の壁）がどれほど可視化可能かを評価するため、強度プロファイルおよびコントラストをシミュレートした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元非局所熱平衡放射移動効果は、1次元またはLTE近似と比較して、Fe I線プロファイルの形状および深さにどのように影響を与えるか？
• RQ2 3次元NLTEではなくLTEまたは1次元NLTEを仮定した場合、導出された磁場強度に生じる系統的誤差の大きさはどの程度か？
• RQ3 ウィルソン陥没深さ、磁場強度、線形成高さといったパラメータが3次元RT効果に与える影響は何か？
• RQ4 経験的フラックスチューブモデル（NET、PLA）が3次元NLTE条件下でも有効である程度はどの程度か？
• RQ5 水平放射移動によるぼやけの影響を受けても、50 km未満の構造（例：フラックスチューブの壁）が依然として可視化可能か？

主な発見

• LTE計算ではFe I線プロファイルに顕著な誤差が生じ、3次元NLTEと比較して磁場強度の導出に最大20%の誤差、温度に最大400 Kの誤差が生じる。
• 3次元NLTE効果はフラックスチューブ内部の線核を弱めるが、同じ幾何的高さで内部が外部よりも高温の場合、この効果が逆転することがある。
• 光線路が光学的に厚い壁を直接観測することによって生じる明るい輪（bright rings）は、50 km未満の幅で形成され、水平放射移動の下でも依然として可視である。
• 壁表面積がより大きいことから、フラックスチューブではフラックスシートよりも3次元RTの影響が顕著に現れる。
• 経験的モデルであるNETおよびPLAでは、LTEと3次元NLTEの結果に顕著な差がなく、これらが3次元NLTE条件下でも診断的有効性を保つ可能性を示唆している。
• LTEと3次元NLTEの間で線深さの平均差は約10%、等価幅では最大30%の差が生じるため、3次元効果を無視した場合、元素存在比および温度診断に顕著な誤差が生じる。