[論文レビュー] Time-dependent hydrogen ionisation in the solar chromosphere. I: Methods and first results

J. Leenaarts, Sven Wedemeyer|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2006

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 14被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、太陽のコアスフェアを3次元放射磁流体力学シミュレーションで扱うCO5BOLDコードを用いて、時間に依存する非局所熱平衡（non-LTE）状態における水素の電離を導入した。6準位モデルを用い、固定された放射遷移率を仮定したレート方程式を解くことで、電離度および電子密度が統計平衡状態から著しく逸脱することを示した。特に500 km以上上空では、非平衡状態の値が安定しており、高温の衝撃波に支配されており、従来のLTE仮定よりもより現実的な放射移動のモデリングが可能であることを明らかにした。

ABSTRACT

An approximate method for solving the rate equations for the hydrogen populations was extended and implemented in the three-dimensional radiation (magneto-)hydrodynamics code CO5BOLD. The method is based on a model atom with six energy levels and fixed radiative rates. It has been tested extensively in one-dimensional simulations. The extended method has been used to create a three-dimensional model that extends from the upper convection zone to the chromosphere. The ionisation degree of hydrogen in our time-dependent simulation is comparable to the corresponding equilibrium value up to 500 km above optical depth unity. Above this height, the non-equilibrium ionisation degree is fairly constant over time and space, and tends to be at a value set by hot propagating shock waves. The hydrogen level populations and electron density are much more constant than the corresponding values for statistical equilibrium, too. In contrast, the equilibrium ionisation degree varies by more than 20 orders of magnitude between hot, shocked regions and cool, non-shocked regions. The simulation shows for the first time in 3D that the chromospheric hydrogen ionisation degree and electron density cannot be calculated in equilibrium. Our simulation can provide realistic values of those quantities for detailed radiative transfer computations.

研究の動機と目的

• 統計平衡を仮定するのではなく、時間に依存する非平衡状態における水素電離を考慮することで、3次元太陽コアスフェアシミュレーションの現実性を向上させること。
• 動的時標識よりも長い緩和時定数を持つコアスフェアにおいて、LTEおよび即時の統計平衡仮定が電離の真のダイナミクスを捉えきれないという限界を克服すること。
• 3次元（M-）HDシミュレーションにおける時間に依存する電離および電子密度を計算する計算的に実行可能な手法を開発・実装すること。
• 放射移動計算における物理的に整合性のある電子密度を提供することで、コアスフェアのスペクトル線および連続分光の合成をより正確に可能とすること。
• 今後の3次元シミュレーションにおける状態方程式への逆作用効果および多元素時間に依存する非局所熱平衡（TD-NLTE）処理の導入の基盤を築くこと。

提案手法

• 1次元時間に依存する水素電離法（6準位原子モデル、固定放射遷移率を仮定）を、CO5BOLDコードにおける3次元（M-）HDシミュレーションに拡張した。
• 即時の統計平衡仮定を避けるために、時間に依存する非局所熱平衡（TD-NLTE）処理を用いて、水素準位の人口分布のレート方程式を解いた。
• 計算の実行可能性を維持するため、1次元モデルから導出した固定された放射率を用いたが、空間非均一性の影響により3次元では誤差が生じる可能性があると認識した。
• 電子密度を、時間に依存する水素電離状態から直接計算し、従来のLTE仮定を置き換えた。
• 鉄（Fe）、マグネシウム（Mg）、ケイ素（Si）などの他の元素の寄与についてはLTEを維持した。コアスフェア、特に衝撃波領域ではそれらが電子の約10％を占めるため、わずかな誤差があると認識した。
• 計算的に実行不能なため、完全な3次元NLTE放射移動を避ける代わりに、固定率を用いた近似放射移動法を採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間に依存する水素電離が、統計平衡仮定と比較して3次元太陽コアスフェアにおける電子密度および電離度に与える影響は何か？
• RQ2 衝撃波や動的変化が、水素準位分布が局所熱力学的平衡に達するのを妨える程度はどの程度か？
• RQ3 完全なNLTE放射移動を含まないにもかかわらず、固定放射率を用いた簡略化されたTD-NLTE法が、3次元シミュレーションで安定的かつ物理的に意味のある結果を生み出すことができるか？
• RQ4 非平衡電離が、コアスフェアにおける放射移動モデリングの精度に与える影響は何か？
• RQ5 得られた電子密度は、LTE仮定との比較でどの程度異なるか？そして、スペクトル線合成に与える影響は何か？

主な発見

• 3次元シミュレーションにおいて、時間に依存する水素電離度は光学厚さ1に相当する高さから500 kmまでは平衡値とほぼ同等に保たれるが、それより上では著しく逸脱する。
• 500 km以上上では、非平衡状態の電離度は時間的・空間的にほぼ一定であり、高温で伝搬する衝撃波によって決定され、安定した電離状態が維持される。
• 時間に依存するシミュレーションでは、衝撃波領域と非衝撃領域の間で20桁以上も変動する統計平衡状態と比較して、水素準位分布および電子密度がはるかに空間的・時間的に安定している。
• 本研究では、3次元において初めて、コアスフェアの水素電離度および電子密度が統計平衡仮定のもとでは正確に計算できないことが示された。
• 本手法により、従来のLTE仮定よりもより現実的な電子密度が得られ、Ca II H&K、赤外線線、ミリ波帯連続分光などのコアスフェア診断のフォワードモデリングが向上した。
• 本手法により、吸収係数および源関数の事前計算されたLTEルックアップテーブルの限界を克服し、詳細な放射移動計算に物理的に整合性のある電子密度のスナップショットを提供できるようになった。