[논문 리뷰] 3-D non-LTE radiative transfer effects in Fe I lines: III. Line formation in magneto-hydrodynamic atmospheres

R. Holzreuter, S. K. Solanki|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 15.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 28인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 태양 플라즈마 영역의 MHD 시뮬레이션 내에서 Fe I 선에서의 3차원 비- LTE 복사전달 효과를 조사하며, 수평 복사전달이 자기 요소 중심에서 선 강도를 크게 증가시킨다는 점을 밝혀내었다—이것은 이상화된 1차원 모델의 예측과는 반대되는 결과이다. 이 효과는 자기 요소를 둘러싼 밀도가 높고 온도가 낮은 강하 기류가 자외선 복사량을 감소시켜 이온화가 줄어들고, 결과적으로 1차원 비- LTE 계산보다 더 강한 선을 형성하게 되기 때문이다.

ABSTRACT

Non-local thermodynamic equilibrium (NLTE) effects in diagnostically important solar Fe I lines are important due to the strong sensitivity of Fe I to ionizing UV radiation, which may lead to a considerable under-population of the Fe I levels in the solar atmosphere and, therefore, to a sizeable weakening of Fe I lines. Such NLTE effects may be intensified or weakened by horizontal radiative transfer (RT) in a three-dimensionally (3-D) structured atmosphere. We analyze the influence of horizontal RT on commonly used Fe I lines in a snapshot of a 3-D radiation magneto-hydrodynamic (MHD) simulation of a plage region. NLTE- and horizontal RT effects occur with considerable strength (up to 50% in line depth or equivalent width) in the analyzed snapshot. As they may have either sign and both signs occur with approximately the same frequency and strength, the net effects are small when considering spatially averaged quantities. The situation in the plage atmosphere turns out to be rather complex. Horizontal transfer leads to line-weakening relative to 1-D NLTE transfer near the boundaries of kG magnetic elements. Around the centers of these elements, however, we find an often significant line-strengthening. This behavior is in contrast to that expected from previous 3-D RT computations in idealized flux-tube models, which display only a line weakening. The origin of this unexpected behavior lies in the fact that magnetic elements are surrounded by dense and relatively cool down-flowing gas, which forms the walls of the magnetic elements. The continuum in these dense walls is often formed in colder gas than in the central part of the magnetic elements. Consequently, the central parts of the magnetic element experience a sub-average UV-irradiation leading to the observed 3-D NLTE line strengthening.

연구 동기 및 목표

• 실제 MHD 시뮬레이션을 기반으로 한 플라즈마 영역에서 Fe I 선 형성에 대한 3차원 비- LTE 복사전달의 영향을 평가하기 위해.
• 1차원 비- LTE 및 LTE 근사와 비교하여 수평 복사전달이 선 프로파일에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 이상화된 얇은 관 모델과 복잡한 MHD 대기 간의 선 약화 또는 강화 효과에 대한 모순을 해결하기 위해.
• 주변 강하 기류가 자외선 복사장을 조절하고, 그로 인해 자기 요소 내 비- LTE 수준 분포에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 실제 태양 광구 내 자기 구조를 모델링할 때 얇은 관 근사가 얼마나 제한되어 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• MURAM 코드에서 생성한 3차원 복사 MHD 시뮬레이션 스크래치를 대기 모델 입력으로 사용하였다.
• Fe I 선에 대한 전역 스트레스 벡터 복사전달 계산을 비- LTE 처리와 함께 적용하였으며, 원자 수준 분포 계산을 포함하였다.
• 3차원 비- LTE 효과를 포함한 수평 복사전달을 고려하여 대기 전역에서의 비등방성 복사장에 기인한 영향을 반영하였다.
• 3차원 비- LTE, 1차원 비- LTE, 그리고 LTE 계산에서 유도된 선 프로파일을 비교하여 3차원 기하학적 구조와 비- LTE 물리의 영향을 분리하였다.
• 정확한 충돌 및 복사 속도를 포함한 세밀한 Fe I 모델 원자를 사용하여 현실적인 수준 분포 계산을 보장하였다.
• 공간적으로 해상도가 높은 선 프로파일과 등가 폭을 분석하여 1차원 비- LTE 예측에서의 편차를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 MHD 플라즈마 대기에서 3차원 비- LTE 복사전달 효과는 1차원 비- LTE 모델과 비교하여 Fe I 선 프로파일에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 수평 복사전달이 자기 요소 내 선 강도를 증가시키거나 감소시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 주변 그레뉴울이 강한 자외선 복사를 방출하고 있음에도 불구하고 MHD 시뮬레이션에서 자기 요소 중심에서 왜 선 강도가 증가하는가?
• RQ4 주변 강하 기류는 자외선 복사장에 어떻게 영향을 미치며, 그로 인해 자기 요소 내 이온화 평형에 어떤 영향을 주는가?
• RQ5 얇은 관 근사는 복잡한 3차원 자기 구조 내 진정한 복사전달 거동을 얼마나 잘못 반영하는가?

주요 결과

• 수평 복사전달은 3차원 MHD 대기에서 Fe I 선 깊이 또는 등가 폭에 대해 최대 50%의 약화 또는 강화를 유도한다.
• 자기 플럭스 튜브를 둘러싼 더 낮은 온도이자 밀도가 높은 강하 기류로 인해, kG 수준의 자기 요소 중심에서 선 강도가 증가한다.
• 주변 강하 기류는 자기 요소 중심에 도달하는 효과적 자외선 플럭스를 낮추는 복사 차폐 효과를 나타내며, 이는 1차원 비- LTE 가정과는 다릅니다.
• 수평 RT로 인한 선 약화는 자기 요소 가장자리 근처에서만 관측되며, 중심에서는 관측되지 않아 이상화된 얇은 관 모델의 예측과 정반대이다.
• 3차원 비- LTE와 1차원 비- LTE 계산의 공간 평균 선 프로파일은 상쇄 효과(강화 및 약화)가 대기 전역에서 상쇄되어 매우 유사하다.
• 얇은 관 근사는 실제 자기 요소의 복잡한 복사 환경, 특히 주변 강하 기류의 차폐 효과를 제대로 반영하지 못한다.