[논문 리뷰] Time-dependent hydrogen ionisation in the solar chromosphere. I: Methods and first results

J. Leenaarts, Sven Wedemeyer|arXiv (Cornell University)|2006. 08. 29.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 14인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 CO5BOLD 코드를 사용한 태양 코어층의 3차원 복사장자기유체역학 시뮬레이션에서 수소 이온화의 시간에 따라 변하는 비- LTE 처리를 도입한다. 여섯 수준 수소 모델을 사용하여 고정된 복사 속도를 갖는 비율 방정식을 해결함으로써, 이온화도와 전자 밀도가 통계적 평형 상태에서 크게 벗어나 있음을 보여주며, 특히 500 km 이상에서 비평형 상태의 값이 안정적으로 유지되고 고온의 충격파에 의해 지배되며, 이는 이전의 LTE 가정보다 더 현실적인 복사 전달 모델링을 가능하게 한다.

ABSTRACT

An approximate method for solving the rate equations for the hydrogen populations was extended and implemented in the three-dimensional radiation (magneto-)hydrodynamics code CO5BOLD. The method is based on a model atom with six energy levels and fixed radiative rates. It has been tested extensively in one-dimensional simulations. The extended method has been used to create a three-dimensional model that extends from the upper convection zone to the chromosphere. The ionisation degree of hydrogen in our time-dependent simulation is comparable to the corresponding equilibrium value up to 500 km above optical depth unity. Above this height, the non-equilibrium ionisation degree is fairly constant over time and space, and tends to be at a value set by hot propagating shock waves. The hydrogen level populations and electron density are much more constant than the corresponding values for statistical equilibrium, too. In contrast, the equilibrium ionisation degree varies by more than 20 orders of magnitude between hot, shocked regions and cool, non-shocked regions. The simulation shows for the first time in 3D that the chromospheric hydrogen ionisation degree and electron density cannot be calculated in equilibrium. Our simulation can provide realistic values of those quantities for detailed radiative transfer computations.

연구 동기 및 목표

• 통계적 평형을 가정하는 대신 시간에 따라 변하는 비평형 수소 이온화를 고려하여 3차원 태양 코어층 시뮬레이션의 현실성 향상.
• 역동적 시간스케일보다 긴 회복 시간스케일을 가지는 코어층에서 이온화의 진정된 역학을 포착하지 못하는 LTE 및 즉각적 통계적 평형의 한계를 해결.
• 3차원 (M-)HD 시뮬레이션에서 시간에 따라 변하는 이온화와 전자 밀도를 계산하는 계산적으로 실현 가능한 방법 개발 및 구현.
• 복사 전달 계산에 물리적으로 일관된 전자 밀도를 제공함으로써 코어층 스펙트럼선과 연속광의 더 정확한 합성 가능화.
• 향후 3차원 시뮬레이션에 상태방정식에 대한 역작용 효과 및 다원소 시간에 따라 변하는 비- LTE 처리를 포함하기 위한 기초 마련.

제안 방법

• 고정된 복사 전이 속도를 갖는 여섯 수준 원자 모델 기반의 1차원 시간에 따라 변하는 수소 이온화 방법을 CO5BOLD 코드 내 3차원 (M-)HD 시뮬레이션으로 확장.
• 즉각적 통계적 평형을 가정하지 않고, 시간에 따라 변하는 비- LTE(TD-NLTE) 처리를 통해 수소 수준 분포의 비율 방정식을 해결.
• 계산의 실현 가능성을 유지하기 위해 1D 모델에서 유도된 고정된 복사 속도를 사용하였지만, 3D에서의 공간 비균일성으로 인한 잠재적 오류를 인정.
• 이전의 LTE 가정을 대체하기 위해 전자 밀도를 시간에 따라 변하는 수소 이온화 상태에서 직접 계산.
• 철(Fe), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si) 등의 기여는 LTE로 유지하였으며, 특히 충격파 영역에서 전자의 약 10% 기여를 고려해 소량의 오차가 있음을 인정.
• 계산적으로 비현실적인 전방향 3D NLTE 복사 전달을 피하기 위해 고정된 속도를 사용하는 근사적 복사 전달 방법을 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 따라 변하는 수소 이온화는 통계적 평형 가정에 비해 3차원 태양 코어층에서 전자 밀도와 이온화도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 충격파와 역동적 대기 변화는 수소 수준 분포가 局부 열역학적 평형에 도달하는 것을 어느 정도 방해하는가?
• RQ3 전방향 NLTE 복사 전달이 없는 상황에서 고정된 복사 속도를 갖는 단순화된 TD-NLTE 방법이 3차원 시뮬레이션에서 안정적이고 물리적으로 의미 있는 결과를 도출할 수 있는가?
• RQ4 비평형 이온화는 코어층에서 복사 전달 모델링 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 결과적으로 도출된 전자 밀도는 LTE 가정에 비해 어떻게 다른가? 이는 스펙트럼선 합성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 3차원 시뮬레이션에서 시간에 따라 변하는 수소 이온화도는 광학적 깊이가 1인 곳에서 500 km 이하에서는 평형 값과 유사하게 유지되나, 이 높이를 초과하면 크게 벗어나게 된다.
• 500 km 이상에서는 비평형 이온화도가 시간과 공간적으로 매우 안정되어 있으며, 고온의 전파되는 충격파에 의해 결정되며, 이로 인해 안정된 이온화 수준이 유지된다.
• 시간에 따라 변하는 시뮬레이션에서는 통계적 평형 상태에서와 비교해 수소 수준 분포와 전자 밀도가 공간적·시간적으로 훨씬 더 안정되어 있으며, 충격파 영역과 비충격 영역 간에 20개 이상의 오르드르 이상의 변동이 발생하는 통계적 평형 상태와는 대조된다.
• 이 연구는 3차원에서 코어층 수소 이온화도와 전자 밀도가 통계적 평형 가정 하에 정확하게 계산될 수 없다는 것을 처음으로 입증한다.
• 이 방법은 LTE보다 더 현실적인 전자 밀도를 도출하여 칼슘 II H&K, 적외선 선, 밀리미터파 연속광 등의 코어층 진단을 위한 향상된 정방향 모델링을 가능하게 한다.
• 이 접근법은 투과도와 소스 함수에 대한 사전 계산된 LTE 룩업 테이블의 한계를 극복하고, 복사 전달 계산을 위한 물리적으로 일관된 전자 밀도 스냅샷을 제공한다.