[논문 리뷰] Forward modeling of emission in SDO/AIA passbands from dynamic 3D simulations

Juan Martínez‐Sykora, Bart De Pontieu외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 04.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 26인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 3차원 복사역학적 MHD 시뮬레이션을 사용하여 SDO/AIA EUV 통과대 필터의 방출을 정방향 모델링하며, 비지배적인 스펙트럼 선이 대부분의 AIA 채널—특히 94, 171, 193, 211 및 304 Å—에 상당한 영향을 미친다는 것을 밝혀내었다. 이는 지배적인 이온의 형성 온도와 다른 온도에서 플라즈마의 방출이 발생한다는 것을 의미한다. 결과적으로 AIA 통과대가 단일이고 명확하게 정의된 온도에서 플라즈마를 추적한다는 가정을 도전하며, 스펙트럼 선 오염을 고려하지 않을 경우 코로나 진단을 오해할 위험성을 제기한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 동적인 실제적인 3차원 태양 대기 시뮬레이션에서 비지배적인 스펙트럼 선이 SDO/AIA EUV 통과대 방출에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 원소 농도(광구역 대비 코로나 대비)와 전자 밀도가 기여 함수에 미치는 영향에 대한 가정이 AIA 채널 반응에 어떻게 영향을 주는지 평가하기 위해.
• 스펙트럼 선 오염이 존재할 경우 캐논리컬 형성 온도를 사용하여 AIA 데이터를 해석하는 신뢰성 평가하기 위해.
• AIA 통과대가 스펙트럼적으로 순수하지 않으며, 방출이 지배적인 이온의 형성 온도와 다른 온도에서 발생한다는 것을 입증하기 위해.
• 합성 정방향 모델링을 통해 AIA 관측치의 개선된 해석을 지원하고, 코로나 진단에서 오해를 줄이기 위한 길을 제시하기 위해.

제안 방법

• 상부 대류권에서 저코로나에 이르는 3차원 복사역학적 MHD 시뮬레이션을 사용하여 동적인 태양 대기 조건을 모델링하였다.
• CHIANTI 원자 데이터베이스를 사용하여 각 AIA 통과대 내의 주요 스펙트럼 선에 대해 합성 EUV 강도를 계산하였다.
• 온도에 따라 방출 기여도를 분석하여 각 스펙트럼 선이 각 통과대의 총 방출에 기여하는 정도를 정량화하였다.
• 비교적 시뮬레이션을 통해 원소 농도(광구역 대비 코로나 대비)가 AIA 통과대 방출에 미치는 영향을 평가하였다.
• G(T) 대비 G(T, ne) 모델을 비교하여 전자 밀도가 기여 함수에 미치는 영향을 평가하였다.
• 실제 데이터와의 비교 가능성을 확보하기 위해 시뮬레이션 관측치를 SDO/AIA의 공간적 및 시간적 해상도로 저해상도로 변환하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비지배적인 스펙트럼 선이 동적인 3차원 태양 대기 모델에서 SDO/AIA EUV 통과대 방출에 얼마나 기여하는가?
• RQ2 원소 농도의 변화(광구역 대비 코로나 대비)가 AIA 채널의 관측 방출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기여 함수에 전자 밀도 의존성을 포함할 경우 AIA 통과대 방출의 해석 방식은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 어느 AIA 통과대가 비지배적인 이온에 의해 오염되기 쉬운가? 이는 온도 진단에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다중 통과대 방출의 공간적 및 시간적 차이를 통해 물리적 과정과 스펙트럼 선 오염을 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 131, 171 및 304 Å AIA 통과대는 비지배적인 이온의 영향을 가장 적게 받으며, 주로 지배적인 이온의 형성 온도 근처의 플라즈마에서 방출이 발생한다.
• 94, 171, 193, 211 및 304 Å 통과대는 기여 함수에서 전자 밀도 효과에 가장 민감하며, G(T) 가정에서의 상당한 이탈을 나타낸다.
• 비지배적인 이온이 대부분의 AIA 채널에서 방출에 상당한 기여를 하며, 이는 관측된 방출이 종종 지배적인 이온의 형성 온도와 다른 온도에서 발생한다는 것을 의미한다.
• 이온화 평형 가정과 CHIANTI 데이터베이스의 사용은 특히 94 및 131 Å 채널에서 알려진 스펙트럼 선 누락으로 인해 정확도에 영향을 줄 수 있다.
• 이 연구는 AIA 통과대가 스펙트럼적으로 순수하지 않으며, 캐논리컬 형성 온도에 의존할 경우 코로나 플라즈마 상태를 잘못 해석할 수 있음을 확인한다.
• 실제적인 3차원 시뮬레이션을 사용한 정방향 모델링은 동적인 다중온도 환경에서 전통적인 DEM 기반 방법보다 AIA 데이터를 더 정확하게 해석할 수 있는 프레임워크를 제공한다.