[논문 리뷰] Carbon monoxide in the solar atmosphere I. Numerical method and two-dimensional models

Sven Wedemeyer, I. Kamp외 2명|ArXiv.org|2005. 03. 23.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 1인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 태양의 광구 및 낮은 코로나층에서 일氧化탄소(CO)의 형성과 분해를 시뮬레이션하기 위해 CO5BOLD 복사유체역학 코드 내에 시간에 따라 변하는 화학 반응 네트워크를 개발한다. 연구 결과, CO는 주로 중간 광구 높이에서 온도가 낮고 역방향 격자 패턴을 이룬 영역에 집중되어 있으며, 화학 평형에서의 현저한 이탈은 주로 뜨거운 코로나층 충격파에서만 발생한다. 이 경우 수산화물(OH)을 통한 반응이 CO 형성과 분해를 주도한다.

ABSTRACT

The radiation hydrodynamic code CO5BOLD has been supplemented with the time-dependent treatment of chemical reaction networks. Advection of particle densities due to the hydrodynamic flow field is also included. The radiative transfer is treated frequency-independently, i.e. grey, so far. The upgraded code has been applied to two-dimensional simulations of carbon monoxide (CO) in the non-magnetic solar photosphere and low chromosphere. For this purpose a reaction network has been constructed, taking into account the reactions which are most important for the formation and dissociation of CO under the physical conditions of the solar atmosphere. The network has been strongly reduced to 27 reactions, involving the chemical species H, H2, C, O, CO, CH, OH, and a representative metal. The resulting CO number density is highest in the cool regions of the reversed granulation pattern at mid-photospheric heights and decreases strongly above. There, the CO abundance stays close to a value of 8.3 on the usual logarithmic abundance scale with [H]=12 but is reduced in hot shock waves which are a ubiquitous phenomenon of the model atmosphere. For comparison, the corresponding equilibrium densities have been calculated, based on the reaction network but also under assumption of instantaneous chemical equilibrium by applying the Rybicki & Hummer (RH) code by Uitenbroek (2001). Owing to the short chemical timescales, the assumption holds for a large fraction of the atmosphere, in particular the photosphere. In contrast, the CO number density deviates strongly from the corresponding equilibrium value in the vicinity of chromospheric shock waves. Simulations with altered reaction network clearly show that the formation channel via hydroxide (OH) is the most important one under the conditions of the solar atmosphere.

연구 동기 및 목표

• 시간에 따라 변하는 화학 반응 네트워크를 사용하여 태양 대기 중 일산화탄소(CO)의 공간적·시간적 분포를 모델링하기.
• 태양 대기 조건에서 일시적 화학 평형(ICE) 근사치의 타당성을 평가하기.
• 광구 및 코로나층에서 CO 형성과 해리에 기여하는 주요 화학 경로를 규명하기.
• 특히 코로나층 충격파와 같은 동적인 고온 영역에서 화학 평형 이탈 효과가 CO 수밀도에 미치는 영향을 평가하기.
• 태양 및 별 대기에서 CO 화학을 정확히 처리하기 위해 업그레이드된 CO5BOLD 코드의 유효성을 검증하기.

제안 방법

• 27개의 핵심 반응을 포함하는 단순화된 화학 반응 네트워크의 시간에 따라 변하는 처리 방식을 CO5BOLD 복사유체역학 코드에 통합하였다.
• 유체역학적 유동에 의해 발생하는 화학 종의 이송과 회색 복사전달(주파수 독립)을 통합하였다.
• H, H2, C, O, CO, CH, OH 및 대표 금속을 포함하는 최소한의 반응 네트워크를 구성하였으며, 질소 화학은 배제하였다.
• 3차원 유체역학 모델의 2차원 스냅샷을 사용하여 광구 및 낮은 코로나층에서 CO 분포를 연구하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다.
• Rybicki & Hummer(RH) 코드를 사용하여 시간에 따라 변하는 결과와 일시적 화학 평형(ICE) 접근법의 결과를 비교하였다.
• 특히 OH 및 CH 경로의 역할을 분리하기 위해 수정된 반응 네트워크로 민감도 테스트를 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 따라 변하는 화학 반응 처리 방식이 일시적 화학 평형과 비교하여 태양 광구 및 낮은 코로나층에서 CO의 공간 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 태양 대기 조건 하에서 CO 형성과 분해를 주도하는 화학 경로 중 OH, CH 또는 복사 결합 중 어느 것이 우세한가?
• RQ3 태양 대기의 어느 영역에서 일시적 화학 평형 가정이 CO에 대해 성립하지 않는가?
• RQ4 유동에 의한 이송과 복사 냉각이 충격파와 같은 동적인 구조에서 CO 수밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 특히 광구 및 코로나층에서 질소 화학은 CO 농도에 얼마나 중요한가?

주요 결과

• CO 수밀도는 중간 광구 높이(τ500 ≈ 1)에서 역방향 격자 패턴의 온도가 낮은 영역에 최고에 도달하며, 그 위로 갈수록 급격히 감소한다.
• 냉각 영역에서는 CO 농도가 log 10 [CO] = 8.3(상대적 [H] = 12 기준)에 근접해 있지만, 뜨거운 코로나층 충격파에서는 크게 감소한다.
• 일시적 화학 평형(ICE)에서의 이탈은 주로 뜨거운 충격파 정상부에서 가장 두드러지며, 이는 화학적 시간 스케일이 동역학적 시간 스케일을 초과하기 때문이다.
• 수산화물(OH)이 CO 형성과 분해의 주요 기여자이며, CH 경로는 훨씬 더 작은 기여를 한다. 이는 네트워크 민감도 테스트로 확인되었다.
• 질소 화학을 배제해도 광구 및 낮은 코로나층에서 CO 농도에 거의 영향을 주지 않지만, CO가 이미 최소 수준에 머무는 뜨거운 충격파 중심부에서는 CO 농도가 최대 5개 지수 감소한다.
• 시간에 따라 변하는 시뮬레이션 결과는 관측 데이터 및 이전 이론적 연구와 뛰어난 일치를 보이며, 향후 3차원 시뮬레이션 및 별 응용 분야에서 업그레이드된 CO5BOLD 코드의 유효성을 검증한다.