[논문 리뷰] Three-dimensional non-LTE radiative transfer effects in Fe I lines I. Flux sheet and flux tube geometries

R. Holzreuter, S. K. Solanki|Max Planck Institute for Plasma Physics|2012. 09. 04.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 51인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 자기장 흐름관 및 흐름판 모델을 사용하여 Fe I 선에서 3차원 비 LTE 복사전달 효과를 조사하여, LTE 또는 1차원 NLTE 계산에서의 가정이 자기장 및 온도 진단에 미치는 영향을 평가한다. 3D NLTE 효과를 忽略할 경우 자기장 강도에 대해 10–20% 오차와 온도에 대해 최대 400 K 오차가 발생할 수 있으며, 그러나 NET 및 PLA와 같은 경험적 모델은 이러한 오차를 최소화함을 발견하였다.

ABSTRACT

In network and active region plages, the magnetic field is concentrated into structures often described as flux tubes (FTs) and sheets (FSs). 3-D radiative transfer (RT) is important for energy transport in these concentrations. It is also expected to be important for diagnostic purposes but has rarely been applied for that purpose. Using true 3-D, non-LTE (NLTE) RT in FT/FS models, we compute Fe line profiles commonly used to diagnose the Sun's magnetic field by comparing the results with those obtained from LTE/1-D (1.5-D) NLTE calculations. Employing a multilevel iron atom, we study the influence of basic parameters such as Wilson depression, wall thickness, radius/width, thermal stratification or magnetic field strength on all Stokes $I$ parameters in the thin-tube approximation. The use of different levels of approximations of RT may lead to considerable differences in profile shapes, intensity contrasts, equivalent widths, and the determination of magnetic field strengths. In particular, LTE, which often provides a good approach in planar 1-D atmospheres, is a poor approximation in our flux sheet model for some of the most important diagnostic Fe I lines (524.7nm, 525.0nm, 630.1nm, and 630.2nm). The observed effects depend on parameters such as the height of line formation, field strength, and internal temperature stratification. Differences between the profile shapes may lead to errors in the determination of magnetic fields on the order of 10 to 20%, while errors in the determined temperature can reach 300-400K. The empirical FT models NET and PLA turn out to minimize the effects of 3D RT, so that results obtained with these models by applying LTE may also remain valid for 3-D NLTE calculations. Finally, horizontal RT is found to only insignificantly smear out structures such as the optically thick walls of FTs and FSs, allowing features as narrow as 10km to remain visible.

연구 동기 및 목표

• 3차원 비 LTE 복사전달이 자기장 흐름관 및 흐름판에서 Fe I 선 프로파일에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 3차원 NLTE, 1차원 NLTE 및 LTE 계산 결과를 비교하여 자기장 및 온도 진단에서의 체계적 오차를 평가하는 것.
• 기하학적 및 열적 매개변수(예: 자기장 강도, 벽 두께, 형성 높이)가 진단 정확도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 일반적으로 사용되는 경험적 모델(NET, PLA)이 3차원 NLTE 조건에서도 유효한지 판단하는 것.
• 수평 복사전달 효과 하에서 미세 구조(예: 10 km 너비의 벽)가 얼마나 명확하게 관측 가능한지 조사하는 것.

제안 방법

• 미세관 근사법을 사용하여 흐름관(FT) 및 흐름판(FS) 기하학에서 3차원 다수준 철 원자 모델을 활용해 복사전달을 계산하였다.
• 다수준 원자를 사용한 전면 3차원 비 LTE 복사전달을 적용하여 주요 Fe I 선(524.7 nm, 525.0 nm, 630.1 nm, 630.2 nm)의 스트로우스 I 및 편광 스트로우스 파라미터를 계산하였다.
• 3차원 NLTE 결과를 1차원 NLTE 및 LTE 계산 결과와 비교하여 차원성과 비 LTE 효과의 영향을 분리하였다.
• 자기장 강도, 관 반지름, 벽 두께, 열층 구조, 자외선 투과도 등의 주요 매개변수를 변화시켜 민감도를 평가하였다.
• 스트로우스 프로파일에서 자기장 강도를 유도하기 위해 중심질량 방법을 적용하고, 다양한 근사 간 결과를 비교하였다.
• 강한 경계(예: 10 km 너비의 벽)가 수평 복사전달 하에서 어떻게 관측 가능한지 시뮬레이션을 통해 강도 프로파일과 대비도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 비 LTE 복사전달 효과는 1차원 또는 LTE 근사와 비교해 Fe I 선 프로파일의 형태와 깊이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 LTE 또는 1차원 NLTE를 가정할 경우 3차원 NLTE 대비 유도된 자기장 강도에서 체계적 오차의 크기는 어느 정도인가?
• RQ3 윌슨 침강 깊이, 자기장 강도, 선 형성 높이 등의 매개변수가 3차원 RT 효과에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 경험적 흐름관 모델(NET, PLA)이 3차원 NLTE 조건에서도 여전히 유효한가?
• RQ5 흐름관 벽과 같은 50 km 이하의 구조가 수평 복사전달에 의한 왜곡에도 불구하고 관측 가능할 수 있는가?

주요 결과

• LTE 계산은 Fe I 선 프로파일에 심각한 오차를 유발하며, 3차원 NLTE와 비교해 자기장 강도 유도에 대해 최대 20% 오차와 온도에 대해 최대 400 K 오차를 초래한다.
• 3차원 NLTE 효과는 흐름관 내부에서 선 핵을 약화시키지만, 동일한 기하학적 높이에서 내부가 외부보다 더 뜨거울 경우 이 효과가 반전될 수 있다.
• 직접 선로를 따라 보이는 광학 두께가 두꺼운 벽으로 인해 발생하는 밝은 고리—50 km 이하로 좁을 수 있으며, 수평 복사전달 조건에서도 여전히 관측 가능하다.
• 3차원 RT 영향은 벽 표면적이 더 큰 흐름관에서 흐름판보다 더 강력하다.
• 경험적 NET 및 PLA 흐름관 모델은 LTE와 3차원 NLTE 결과 간에 미미한 차이를 보이며, 이는 이러한 모델의 진단 유효성이 3차원 NLTE 조건까지 확장된다는 것을 시사한다.
• LTE와 3차원 NLTE 간 선 깊이의 평균 차이는 약 10%이며, 등가 폭에서는 최대 30%까지 증가하여, 3차원 효과를 忽略할 경우 원소 농도 및 온도 진단에 심각한 오차가 발생할 수 있음을 나타낸다.