[논문 리뷰] The solar chromosphere at millimetre and ultraviolet wavelengths. I. Radiation temperatures and a detailed comparison

S. Jafarzadeh, Sven Wedemeyer외 4명|Duo Research Archive (University of Oslo)|2019. 01. 17.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 58인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 다양한 자기장 영역에서 ALMA 밀리미터파 관측(Band 6, 1.21–1.3 mm)과 IRIS 자외선 스펙트로스코픽 데이터(Mg ii k/h, C ii, O i, Si iv)를 이용해 태양 코로나 대기에서의 복사 온도를 비교한다. ALMA 온도는 국소 열역학적 평형(LTE) 조건에서 형성되며, 자외선 복사 온도와 양호한 상관관계를 보이지만, 자외선 선에서의 비-LTE 효과로 인해 체계적인 오프셋을 보인다. 특히 C ii 선핵이 ALMA 온도와 가장 가까운 일치를 보이며, Mg ii 선은 모든 영역에서 가장 낮은 복사 온도를 나타낸다.

ABSTRACT

Solar observations with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) provide us with direct measurements of the brightness temperature in the solar chromosphere. We study the temperature distributions obtained with ALMA Band 6 (in four sub-bands at 1.21, 1.22, 1.29, and 1.3 mm) for various areas at, and in the vicinity of, a sunspot, comprising quasi-quiet and active regions with different amounts of underlying magnetic fields. We compare these temperatures with those obtained at near- and far-ultraviolet (UV) wavelengths (and with the line-core intensities of the optically-thin far-UV spectra), co-observed with the Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) explorer. These include the emission peaks and cores of the Mg II k 279.6 nm and Mg II h 280.4 nm lines as well as the line cores of C II 133.4 nm, O I 135.6 nm, and Si IV 139.4 nm, sampling the mid-to-high chromosphere and the low transition region. Splitting the ALMA sub-bands resulted in an slight increase of spatial resolution in individual temperature maps, thus, resolving smaller-scale structures compared to those produced with the standard averaging routines. We find that the radiation temperatures have different, though somewhat overlapping, distributions in different wavelengths and in the various magnetic regions. Comparison of the ALMA temperatures with those of the UV diagnostics should, however, be interpreted with great caution, the former is formed under the local thermodynamic equilibrium (LTE) conditions, the latter under non-LTE. The mean radiation temperature of the ALMA Band 6 is similar to that extracted from the IRIS C II line in all areas with exception of the sunspot and pores where the C II poses higher radiation temperatures. In all magnetic regions, the Mg II lines associate with the lowest mean radiation temperatures in our sample. These will provide constraints for future numerical models.

연구 동기 및 목표

• 밀리미터파(ALMA) 및 자외선(IRIS) 관측을 통해 태양 코로나 대기에서 유도된 복사 온도를 비교하기.
• ALMA의 LTE 기반 밝기 온도와 비-LTE 조건에서 형성된 자외선 진단 간 일관성을 평가하기.
• 조용한 태양, 플라즈마, 어둠자리, 구멍 등 다양한 자기장 환경에서의 온도 분포가 어떻게 달라지는지 조사하기.
• ALMA와 IRIS 관측 간 시간적·공간적 차이가 온도 상관관계에 미치는 영향을 평가하기.
• 향후 코로나 대기 가열 및 복사 전달 수치 모델에 대한 관측적 제약 조건 제공하기.

제안 방법

• 국소 열역학적 평형(LTE)을 가정하여, ALMA Band 6 관측(1.21, 1.22, 1.29, 1.3 mm)을 이용해 밝기 온도를 유도하였다.
• IRIS의 원거리 자외선 및 근접 자외선 스펙트럼을 분석하여 Mg ii k/h, C ii 133.4 nm, O i 135.6 nm, Si iv 139.4 nm의 선핵 강도 및 방출 피크 값을 추출하였다.
• 밀리미터파 데이터의 경우 캘리브레이션된 강도 데이터를 바탕으로 플랑크 함수의 역함수를 이용해 복사 온도를 계산하였고, 자외선 데이터의 경우 스펙트럼 선 강도를 사용하였다.
• 공간적 정렬 및 시간 지연 보정을 적용하여 ALMA와 IRIS 데이터를 정렬하였으며, 서로 다른 스캔 주기와 맞추었다.
• ALMA 데이터의 서브밴드 분할을 통해 공간 해상도를 향상시켜 소규모 구조의 보다 정밀한 탐지가 가능해졌다.
• 선형 상관계수 및 산점도를 포함한 통계적 비교를 통해 다양한 자기장 영역에서 ALMA와 IRIS 복사 온도 간의 관계를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 자기장 영역에서 ALMA 밀리미터파 관측과 IRIS 자외선 진단으로 유도된 복사 온도는 어떻게 비교되는가?
• RQ2 자외선 선에서의 비-LTE 효과는 LTE 기반 ALMA 측정과 비교할 때 복사 온도와 기체 온도 간의 관계를 어느 정도 왜곡하는가?
• RQ3 왜 Mg ii 선은 모든 자기장 영역에서 다른 자외선 진단 및 ALMA와 비교해 체계적으로 낮은 복사 온도를 나타내는가?
• RQ4 특히 어둠자리에서 관측된 ALMA와 IRIS 복사 온도 상관관계 간의 오프셋은 무엇이 원인인가?
• RQ5 형성 고도의 차이와 시간 샘플링의 차이가 ALMA와 IRIS 간의 관측된 온도 상관관계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• ALMA Band 6의 평균 복사 온도는 모든 자기장 영역에서 IRIS C ii 133.4 nm 선핵과 밀접하게 일치하지만, 태양흑점과 구멍에서는 C ii가 더 높은 온도를 나타낸다.
• Mg ii k 및 h 선 방출 피크는 모든 자기장 영역에서 모든 자외선 진단 및 ALMA와 비교해 일관되게 가장 낮은 복사 온도를 나타낸다.
• ALMA와 자외선 복사 온도 간 양호한 선형 상관관계가 관측되지만, 산점도에서는 y=x 선에서 체계적인 오프셋이 나타나며, 주로 자외선 선의 비-LTE 형성으로 인한 것이다.
• 어둠자리에서는 상관계수가 낮은 편이며, 시간 지연 보정 후 데이터 포인트 수가 제한되고, 급격한 시간 변화(예: 어둠자리 플래시)로 인한 영향일 가능성이 높다.
• ALMA 서브밴드 분할을 통해 공간 해상도가 향상되어 표준 평균화 대비 소규모 코로나 대기 구조의 탐지가 향상되었다.
• 이 연구는 ALMA 복사 온도가 LTE 조건에서 기체 온도를 대표함을 확인하였으며, 자외선 복사 온도는 비-LTE 효과로 인해 기체 온도와 직접적으로 동일하지 않음을 밝혀냈다.